CN113054681B - 基于并行式广义积分器的储能变换器惯量模拟方法 - Google Patents

Abstract

针对基于二阶广义积分器‑锁频环评估频率微分信号的惯量模拟方法抑制电网电压谐波扰动能力有限的问题，本发明公开了一种基于并行式广义积分器的储能变换器惯量模拟方法。该实现方法将多个基于二阶广义积分器原理的频率自适应滤波器并行馈入至二阶广义积分器‑锁频环的控制回路中构成并行式广义积分器‑锁频环，实现电网频率微分信号的准确评估，并将电网频率微分信号直接应用于储能变换器的惯量模拟方法中，因此，本发明所提出的惯量模拟方法既能避免电网频率微分运算所引入的谐波放大的问题，又能消除电网电压中所含谐波对惯量响应性能的影响，本发明可以广泛地应用于储能变换器并网运行的***中。

Description

基于并行式广义积分器的储能变换器惯量模拟方法

技术领域

本发明涉及一种基于并行式广义积分器的储能变换器惯量模拟方法，适用于需要并网运行的储能变换器。

背景技术

近年来，可再生能源通过快速功率变换器接口接入电网受到广泛关注，而传统功率变换器通常缺少旋转机械部件，无法为电网提供相应的惯量支撑，易导致电网的等效惯量大幅减少，给电力***的安全可靠运行带来了严峻挑战。电网的惯量缺失往往引起两大类与频率相关的稳定性问题，其一是电力***的频率变化率逐渐加快，其二是电力***的频率幅值偏差不断增加。其中，过快的***频率变化率易导致电网内的传统发电机组发生滑极与保护性跳闸，而过高的***频率幅值偏差易引起电力***发生低频减载、连锁故障甚至大规模停电等重大事故。为了维持或改善高渗透率电网运行的频率稳定性，需要对传统功率变换器的控制方法加以改进，以提高电网的等效惯量。

为此，人们做了各种研究，如题为“Self-tuning virtual synchronousgenerator control for improving frequency stability in autonomousphotovoltaic-diesel microgrids”，SHI Rongliang，ZHANG Xing，et al.,《Journal ofModern Power Systems and Clean Energy》，2018，6(3)，482-494(“提升光储柴独立微电网频率稳定性的自适应虚拟同步发电机控制方法”，《现代电力***和清洁能源期刊》2018年第6卷第3期第482～494页)的文章；该文提出了通过模拟同步发电机的转子运动方程完成惯量模拟，但该控制技术的算法实现需要对传统功率变换器的控制***进行根本性变更，且处于技术发展的初期，尚缺少与电力***互联的实践经验。

题为“Inertia emulation in AC/DC interconnected power systems usingderivative technique considering frequency measurement effects,E.Rakhshani,P.Rodriguez,《IEEE Transactions on Power Systems》，2017，32(5)，3338-3351(“考虑频率微分测量延时的交直流互联电力***虚拟惯量控制技术”，《IEEE学报-电力***期刊》2017年第32卷第5期第3338～3351页)的文章；该文提出了利用锁相环检测到的频率信号进行频率微分运算，并将运算结果通过一阶低通滤波器滤波后直接加到功率变换器的电流指令上以实现惯量模拟，但易引起谐波放大的问题且滤波器所引入的延时环节制约了虚拟惯量的响应速度。

题为“A virtual synchronous control for voltage-source convertersutilizing dynamics of DC-link capacitor to realize self synchronization”，L.Huang,et al.，《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in PowerElectronics》，2017，5(4)，1565–1577(“基于直流侧电容电压动态调节原理的电压源型变换器虚拟同步控制技术”，《IEEE电力电子新兴与精选主题期刊》2017年第5卷第4期第1565～1577页)的文章；该文提出了一种通过锁相环所得频率偏差信号动态调节直流电压的方法实现惯量模拟，避免了频率微分运算，但直流侧电容的能量存储能力有限，且仅适用于直流侧电压可调的功率变换器。

题为“Frequency derivative-based inertia enhancement by grid-connectedpower converters with a frequency-locked-loop”，Fang J，Zhang R，Li H，et al，《IEEE Transactions on Smart Grid》，2019，10(5)，4918-4927(“基于锁频环的并网功率变换器频率微分型虚拟惯量控制策略”，《IEEE学报-智能电网期刊》2019年第10卷第5期第4918～4927页)的文章；该文提出了利用二阶广义积分器-锁频环检测电网频率微分信号的虚拟惯量控制策略，避免了频率微分运算，但检测的电网频率微分信号易受电网电压干扰而存在纹波。

由上可知，现有技术均未能解决储能变换器的惯量模拟控制策略易受电网电压中所包含的谐波分量干扰，引入大量的谐波分量而导致储能变换器并网电流质量与运行稳定性变差的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，针对高渗透率可再生能源并网运行***、***的等效惯量减少所引起的***频率变化率与幅值偏差增大的问题，提供一种既能减小***频率变化率、又能减小***频率幅值偏差的基于并行式广义积分器的储能变换器惯量模拟方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于并行式广义积分器的储能变换器惯量模拟方法，包括如下步骤：

步骤1，先采集储能变换器的桥臂侧电感电流i_la、i_lb、i_lc和电网电压u_ga、u_gb、u_gc，经单同步坐标系软件锁相环得到电网电压的dq分量U_gd、U_gq和电网的相角θ_g，再经单同步旋转坐标变换得到基于电网相角θ_g定向的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld、I_lq；

步骤2，根据步骤1中得到的电网电压u_ga、u_gb、u_gc，经三相静止坐标系到两相静止垂直坐标系变换得到电网电压的αβ分量U_gα、U_gβ，再经并行式广义积分器控制方程得到电网电压滤波后的α轴与β轴正交分量U_dαi、U_qαi与U_dβi、U_qβi，i＝1，2，3...n；

步骤3，根据步骤2中得到的电网电压的αβ分量U_gα、U_gβ和电网电压滤波后的α轴与β轴分量U_dαi与U_dβi，经过谐波解耦网络控制方程得到电网电压解耦后的α轴与β轴分量U_gαi、U_gβi；

步骤4，取i＝1时步骤2中得到的电网电压滤波后的α轴与β轴正交分量U_dα1、U_qα1与U_dβ1、U_qβ1和步骤3中得到的电网电压解耦后的α轴与β轴分量U_gα1、U_gβ1，结合储能变换器给定的角频率指令ω_ref，经过锁频环控制方程得到电网的角频率ω_g和角频率微分信号dω_g/dt；

步骤5，根据步骤4中得到的电网角频率微分信号dω_g/dt和储能变换器给定的有功功率指令P₀，经过惯量模拟控制方程得到储能变换器的参考有功功率指令P_ref；

步骤6，根据步骤1中得到的电网电压的d轴分量U_gd和步骤5中得到的参考有功功率指令P_ref，经过有功电流计算方程得到储能变换器的参考有功电流指令I_dref；

步骤7，根据步骤6中得到的参考有功电流指令I_dref、给定的无功电流指令I_qref和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld、I_lq，通过电流控制方程得到控制信号U_d、U_q；

步骤8，先根据步骤7中得到的控制信号U_d、U_q，以及步骤1中得到的电网相角θ_g，经单同步旋转坐标反变换得到三相桥臂电压控制信号U_a、U_b、U_c，再由三相桥臂电压控制信号U_a、U_b、U_c生成储能变换器逆变桥开关管的SVPWM控制信号。

优选地，步骤2中的并行式广义积分器控制方程式为：

其中：

式中，j＝1，2，3...n，ω_g为电网的角频率，K_p为并行式广义积分器的比例系数，s为拉普拉斯算子。

优选地，步骤3中的谐波解耦网络控制方程式为：

式中，j＝1，2，3...n。

优选地，步骤4中的锁频环控制方程式为：

式中，K_i为并行式广义积分器的积分系数。

优选地，步骤5中的惯量模拟控制方程式为：

式中，H为惯量时间常数。

优选地，步骤6中的有功电流计算方程式为：

优选地，步骤7中的电流控制方程式为：

式中，k_pc为比例控制系数，k_ic为积分控制系数，s为拉普拉斯算子。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的一种基于并行式广义积分器的储能变换器惯量模拟方法，是利用并行式广义积分器实现频率微分信号的准确评估，并在此基础上利用此微分信号完成惯量模拟，因此，应用本发明的惯量模拟方法后，在储能变换器并网运行的情况下，既能避免频率微分运算所带来的谐波放大，又能排除电网电压中包含的谐波分量干扰对惯量模拟性能的影响，为电网提供惯量支撑，从而有效地提高了电网的频率稳定性。

附图说明

图1是本发明所采用的储能变换器拓扑结构图。

图2是二阶广义积分器的通用基本结构图。

图3是并行式广义积分器-锁频环的基本控制框图。

图4是惯量模拟方法的基本结构图。

图5是储能变换器采用本发明前、后的仿真波形对比图。

具体实施方式

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明，具体如下：

本发明所采用的拓扑结构如图1所示，本实施例的有关参数设置如下：直流母线电压U_dc为550V，输出交流线电压有效值为380V/50Hz，额定容量为100kVA，储能变换器桥臂侧滤波电感为L＝0.56mH，储能变换器滤波电容为C＝90uF，隔离变压器为100kVA 270V/400V的Dyn11型变压器。

参见图1，本发明所提出的一种基于并行式广义积分器的储能变换器惯量模拟方法包括如下步骤：

步骤1，先采集储能变换器的桥臂侧电感电流i_la、i_lb、i_lc和电网电压u_ga、u_gb、u_gc，经单同步坐标系软件锁相环得到电网电压的dq分量U_gd、U_gq和电网的相角θ_g，再经单同步旋转坐标变换得到基于电网相角θ_g定向的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld、I_lq。

步骤2，根据步骤1中得到的电网电压u_ga、u_gb、u_gc，经三相静止坐标系到两相静止垂直坐标系变换得到电网电压的αβ分量U_gα、U_gβ，再经并行式广义积分器控制方程得到电网电压滤波后的α轴与β轴正交分量U_dαi、U_qαi与U_dβi、U_qβi，i＝1，2，3...n。

其中，并行式广义积分器控制方程式为：

其中：

式中，j＝1，2，3...n，ω_g为电网的角频率，K_p为并行式广义积分器的比例系数，s为拉普拉斯算子。

在本发明中，将n个基于二阶广义积分器原理的频率自适应滤波器并行馈入至二阶广义积分器-锁频环的控制回路中构成并行式广义积分器-锁频环，其目的在于消除电网电压中的谐波干扰，得到与电网电压同幅值同相位的基波成分，在本实施例中，取n＝7，且当取值时，并行式广义积分器***中的阻尼系数等于/>以最优折中了并行式广义积分器提取电网电压基波成分的滤波能力与稳态时间。

根据以上控制可以得到本发明二阶广义积分器的基本结构图，具体如图2所示。

步骤3，根据步骤2中得到的电网电压的αβ分量U_gα、U_gβ和电网电压滤波后的α轴与β轴分量U_dαi与U_dβi，经过谐波解耦网络控制方程得到电网电压解耦后的α轴与β轴分量U_gαi、U_gβi。

其中，谐波解耦网络控制方程式为：

式中，j＝1，2，3...n。

步骤4，取i＝1时步骤2中得到的电网电压滤波后的α轴与β轴正交分量U_dα1、U_qα1与U_dβ1、U_qβ1和步骤3中得到的电网电压解耦后的α轴与β轴分量U_gα1、U_gβ1，结合储能变换器给定的角频率指令ω_ref，经过锁频环控制方程得到电网的角频率ω_g和角频率微分信号dω_g/dt。

其中，锁频环控制方程式为：

式中，K_i为并行式广义积分器的积分系数。

在本实施例中，储能变换器角频率采用额定频率为50Hz时对应的角频率，即ω_ref＝314.1593rad/s，储能变换器相电压幅值U_g采用额定电压为380V时对应的数值，即U_g＝311V，***阻尼系数ζ推荐设置为以最佳权衡***的超调量与稳定时间，则K_i可表示为/>

根据以上控制可以得到本发明并行式广义积分器-锁频环的基本结构控制框图，具体如图3所示。

步骤5，根据步骤4中得到的电网角频率微分信号dω_g/dt和储能变换器给定的有功功率指令P₀，经过惯量模拟控制方程得到储能变换器的参考有功功率指令P_ref；其中，惯量模拟控制方程式为：

式中，H为惯量时间常数。

储能变换器的惯量时间常数可根据传统同步发电机的惯量时间常数来选择，取值范围为4s至12s，推荐为4s，故在本实施例中，惯量时间常数取值为H＝4s。

步骤6，根据步骤1中得到的电网电压的d轴分量U_gd和步骤5中得到的参考有功功率指令P_ref，经过有功电流计算方程得到储能变换器的参考有功电流指令I_dref；其中，有功电流计算方程式为：

步骤7，根据步骤6中得到的参考有功电流指令I_dref、给定的无功电流指令I_qref和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld、I_lq，通过电流控制方程得到控制信号U_d、U_q；其中，电流控制方程式为：

式中，k_pc为比例控制系数，k_ic为积分控制系数，s为拉普拉斯算子。

在上述电流控制方程中，其参数主要考虑控制***的电流跟踪特性和动稳态性能，因此，在本实施例中，取k_pc＝0.93，k_ic＝0.4。

步骤8，先根据步骤7中得到的控制信号U_d、U_q，以及步骤1中得到的电网相角θ_g，经单同步旋转坐标反变换得到三相桥臂电压控制信号U_a、U_b、U_c，再由三相桥臂电压控制信号U_a、U_b、U_c生成储能变换器逆变桥开关管的SVPWM控制信号。

根据以上控制可以得到本发明惯量模拟方法的基本结构图，具体如图4所示。

根据上述的惯量模拟方法进行仿真，仿真的具体工况为，三相电网电压的频率在0.5s时以1Hz/s速率上升并在0.8s时恢复，且电网电压中含有1％的5次谐波与1％的7次谐波，依据上述工况得到仿真图图5，其中，图中的SOGI-FLL表示二阶广义积分器-锁频环的角频率微分信号检测方法，MSOGI-FLL表示本发明并行式广义积分器-锁频环的角频率微分信号检测方法，即，SOGI-FLL所指向的细实线为采用本发明前的仿真波形图，具体是采用二阶广义积分器-锁相环方法后检测到的角频率微分信号的动态响应仿真波形图，MSOGI-FLL所指向的粗实线为采用本发明后的仿真波形图，具体是采用本发明后检测到的角频率微分信号的动态响应仿真波形图。

由图5可看出，粗实线所形成的曲线较细实线所形成的曲线平稳，也就是说，本发明在电网电压包含5次与7次谐波分量且频率快速变化的过程中，由于本发明将多个基于二阶广义积分器原理的频率自适应滤波器并行馈入至二阶广义积分器-锁频环的控制回路中形成并行式广义积分器-锁频环准确评估电网频率微分信号，并在此基础上将电网频率微分信号直接应用于储能变换器的惯量模拟方法中，避免了***频率微分运算所带来的谐波放大，又消除了电网电压中所含谐波分量对惯量模拟性能的影响，从而保证了储能变换器向电网提供谐波含量更少、响应性能更优的虚拟惯量支撑。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (6)

1.一种基于并行式广义积分器的储能变换器惯量模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，先采集储能变换器的桥臂侧电感电流i_la、i_lb、i_lc和电网电压u_ga、u_gb、u_gc，经单同步坐标系软件锁相环得到电网电压的dq分量U_gd、U_gq和电网的相角θ_g，再经单同步旋转坐标变换得到基于电网相角θ_g定向的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld、I_lq；

步骤2，根据步骤1中得到的电网电压u_ga、u_gb、u_gc，经三相静止坐标系到两相静止垂直坐标系变换得到电网电压的αβ分量U_gα、U_gβ，再经并行式广义积分器控制方程得到电网电压滤波后的α轴与β轴正交分量U_dαi、U_qαi与U_dβi、U_qβi，i＝1，2，3...n；步骤2中的并行式广义积分器控制方程式为：

其中：

式中，j＝1，2，3...n，ω_g为电网的角频率，K_p为并行式广义积分器的比例系数，s为拉普拉斯算子；

步骤3，根据步骤2中得到的电网电压的αβ分量U_gα、U_gβ和电网电压滤波后的α轴与β轴分量U_dαi与U_dβi，经过谐波解耦网络控制方程得到电网电压解耦后的α轴与β轴分量U_gαi、U_gβi；

步骤4，取i＝1时步骤2中得到的电网电压滤波后的α轴与β轴正交分量U_dα1、U_qα1与U_dβ1、U_qβ1和步骤3中得到的电网电压解耦后的α轴与β轴分量U_gα1、U_gβ1，结合储能变换器给定的角频率指令ω_ref，经过锁频环控制方程得到电网的角频率ω_g和角频率微分信号dω_g/dt；

步骤5，根据步骤4中得到的电网角频率微分信号dω_g/dt和储能变换器给定的有功功率指令P₀，经过惯量模拟控制方程得到储能变换器的参考有功功率指令P_ref；

步骤6，根据步骤1中得到的电网电压的d轴分量U_gd和步骤5中得到的参考有功功率指令P_ref，经过有功电流计算方程得到储能变换器的参考有功电流指令I_dref；

步骤7，根据步骤6中得到的参考有功电流指令I_dref、给定的无功电流指令I_qref和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld、I_lq，通过电流控制方程得到控制信号U_d、U_q；

步骤8，先根据步骤7中得到的控制信号U_d、U_q，以及步骤1中得到的电网相角θ_g，经单同步旋转坐标反变换得到三相桥臂电压控制信号U_a、U_b、U_c，再由三相桥臂电压控制信号U_a、U_b、U_c生成储能变换器逆变桥开关管的SVPWM控制信号。

2.根据权利要求1所述的基于并行式广义积分器的储能变换器惯量模拟方法，其特征在于，步骤3中的谐波解耦网络控制方程式为：

式中，j＝1，2，3...n。

3.根据权利要求1所述的基于并行式广义积分器的储能变换器惯量模拟方法，其特征在于，步骤4中的锁频环控制方程式为：

式中，K_i为并行式广义积分器的积分系数。

4.根据权利要求1所述的基于并行式广义积分器的储能变换器惯量模拟方法，其特征在于，步骤5中的惯量模拟控制方程式为：

式中，H为惯量时间常数。

5.根据权利要求1所述的基于并行式广义积分器的储能变换器惯量模拟方法，其特征在于，步骤6中的有功电流计算方程式为：

6.根据权利要求1所述的基于并行式广义积分器的储能变换器惯量模拟方法，其特征在于，步骤7中的电流控制方程式为：

式中，k_pc为比例控制系数，k_ic为积分控制系数，s为拉普拉斯算子。