CN110212513B - 一种稳定直流微网母线电压波动的灵活虚拟电容控制方法 - Google Patents

Abstract

一种稳定直流微网母线电压波动的灵活虚拟电容控制方法，所述方法针对由新能源发电单元、蓄电池储能单元、交直流负荷单元及交流主网构成的直流微网，首先根据系统实际情况构建稳定运行约束集，建立虚拟电容控制下满足多约束的稳定运行指标集并计算系统稳定运行边界；然后利用所构建的函数在边界内实时计算关键控制参数值并导入到虚拟电容控制当中，从而实现虚拟电容值的实时灵活调节，达到抑制直流微网电压突变的目的。本发明在满足系统安全稳定运行约束条件的前提下，合理计算关键控制参数值，根据直流母线电压变化率的波动情况，实时灵活调节虚拟电容值。本方法能够更好地抑制直流电压突变，为直流微电网提供灵活可靠的惯性支撑。

Description

一种稳定直流微网母线电压波动的灵活虚拟电容控制方法

技术领域

本发明涉及一种稳定母线电压波动的控制方法，属于控制技术领域。

背景技术

随着生态环境的恶化和能源结构的改变，分布式发电技术逐渐受到人们重视。在分布式电源接入上，相较于交流微电网，直流微电网效率更高，且不存在频率、相位同步及三相不平衡等问题，其结构简单，可靠性高。但由于分布式能源的间歇性及负荷的频繁变化等会造成系统功率的波动，从而影响直流母线电压的稳定和系统的正常运行。为解决这一问题，虚拟电容控制应运而生，虚拟电容控制也即直流电网中的虚拟惯性控制，其“惯性”大小体现在其虚拟电容值上。该方法通过相应的控制使得端口换流器模拟直流电容的充放电特性，增强系统潜在的惯性，从而抑制系统直流电压的突变。

相较于增加电容器等硬件设备，端口换流器采用虚拟电容控制方法可以在控制层面为该问题的解决提供一种更为经济实用的方案。为充分利用直流微网虚拟电容大小可调特性，灵活虚拟电容控制更有利于提高系统电能质量，改善系统的暂态响应特性。通过设定影响虚拟电容值的关键参数，即可实现系统“惯性”的灵活调节。但所谓灵活是指在一定允许范围内的灵活，即满足系统稳定运行和实际特性需要等相关要求，根据系统发生扰动情况的不同，实时计算并更新满足各项指标约束条件的虚拟电容值，增强该控制方法的工程实用性。现有的虚拟电容控制方法还无法满足上述要求，因此，研究多指标约束下的灵活虚拟电容控制方法，根据系统扰动情况，实时调节虚拟电容关键控制参数，为直流微电网提供灵活的惯性支撑，将对直流微电网的安全稳定运行产生重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种稳定直流微网母线电压波动的灵活虚拟电容控制方法，为直流微电网提供灵活的惯性支撑，提高微电网的电压质量。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种稳定直流微网母线电压波动的灵活虚拟电容控制方法，所述方法针对由新能源发电单元、蓄电池储能单元、交直流负荷单元及交流主网构成的直流微网，首先根据系统实际情况构建稳定运行约束集，建立虚拟电容控制下满足多约束的稳定运行指标集并计算系统稳定运行边界；然后利用所构建的函数在边界内实时计算关键控制参数值并导入到虚拟电容控制当中，从而实现虚拟电容值的实时灵活调节，达到抑制直流微网电压突变的目的。

上述控制方法，所述稳定运行约束集包括稳定性约束条件、动态响应特性约束条件、实际运行需要及可实现性约束条件，具体可表示为：

a.稳定性约束条件

对所述六端直流微网建立数学模型，得到其特征矩阵A_sys，根据系统特征矩阵，设定灵活虚拟电容控制比例控制参数k₁为定值，可绘制指数控制参数k₂变化的根轨迹，即计算出系统这两个关键控制参数的特征根s_i；为保证系统稳定运行，要求全部特征根位于复平面的左半平面，且需留有一定裕度，即：

Re(s_i)＜ε_w

式中，s_i为关键控制参数特征根；Re(s_i)为s_i的实部；ε_w为裕度值；

b.动态响应特性约束条件

分别用ε_min和ε_max来表示系统的两阻尼边界，则动态响应特性约束表示为：

式中，s₁、s₂为主导特征根；Im(s₁,s₂)为主导特征根的虚部；Re(s₁,s₂)为主导特征根的实部；

c.实际运行需要及可实现性约束条件

C_Vmin＜C_V＜C_Vmax

式中，C_V为虚拟电容值，C_Vmax和C_Vmin分别为系统最大、最小虚拟电容值。

上述控制方法，所述关键控制参数值的计算方法如下：

式中，k₁、k₂为灵活虚拟电容控制的关键控制参数，k₁为比例控制参数，k₂为指数控制参数，通过改变两参数值，即可实现虚拟电容值的灵活调节，u_dc为直流微网直流母线电压，t为时间，P₁为流过换流器的瞬时功率，P_N为换流器额定容量，系统输入量取值范围分别为Th<|du_dc/dt|<1，0<P₁/P_N<1，Th为直流电压变化率的阈值；λ₁、λ₂、λ₃、λ₄为直流电压变化率绝对值、换流器瞬时交换功率占比这两个系统输入量的权重系数。

上述控制方法，所述虚拟电容值的计算方法为：

式中，C_V0为稳态或极小扰动情况下的虚拟电容值。其中，灵活虚拟电容控制比例控制参数k₁及指数控制参数k₂为实时计算值，通过上述关键控制参数值计算方法进行更新，并在上述约束条件所构成稳定运行指标集内进行修正，代入到灵活虚拟电容值计算公式中，即可得到实时的灵活虚拟电容值。

本发明所针对应用场景为直流微电网，可包含风机、光伏等新能源发电单元、蓄电池储能单元、交流或直流负荷单元以及交流主网，风机、储能及交流主网侧具有功率可双向流动的特性，因而均能够实现本发明的应用。本发明主要以交流主网侧电压源换流器为控制对象，通过实时计算灵活虚拟电容控制比例控制参数及指数控制参数，灵活改变虚拟电容值，在交流主网侧原有下垂控制的基础上，改变下垂控制曲线，经SPWM控制，生成新的脉冲送入到网侧电压源换流器中，以响应直流微网扰动，实现功率的快速调节，达到抑制直流电压突变的目的。

本发明在满足系统安全稳定运行约束条件的前提下，合理计算关键控制参数值，根据直流母线电压变化率的波动情况，实时灵活调节虚拟电容值。本方法能够更好地抑制直流电压突变,相较于无虚拟电容控制和固定虚拟电容控制，采用本发明所述灵活虚拟电容控制的系统直流电压波动最为平缓，系统“惯性”最大。当所建立指标集满足各项约束时，系统能够维持稳定运行，在暂态过程中，有良好的响应特性，当选取的指标值逐渐靠近所计算多约束下稳定运行边界，甚至越过边界时，系统动态响应特性变差，甚至可能造成系统失去稳定，即虚拟电容控制的实时灵活调节应当以满足稳定运行约束条件为前提，故而本发明所述多指标约束下灵活虚拟电容控制方法能够为直流微电网提供灵活可靠的惯性支撑。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为本发明所述的直流微电网的拓扑结构图；

图2为本发明所述的灵活虚拟电容控制框图；

图3是灵活虚拟电容控制有效性的验证结果；

图4是稳定运行边界正确性的验证结果；

图5是考虑有无容量限制情况下的对比分析图结果。

图中和文中各符号为：G-VSC为并网侧电压源换流器，L-VSC为交流负荷侧电压源换流器，L-DC为直流负荷侧DC/DC变换器，PV-DC为光伏发电侧DC/DC变换器，W-VSC为风机侧电压源换流器，B-DC为储能端DC/DC变换器，Th为阈值，u_dc为直流微网直流母线电压，|du_dc/dt|为直流母线电压变化率，C_v为虚拟电容，C_v0为稳态或极小扰动情况下的虚拟电容值，C_Vmax和C_Vmin分别为系统最大、最小虚拟电容值，i_{d_ref}和i_{q_ref}分别表示换流器交流电流在d轴和q轴分量的参考值，i_dc和i_dc ^*分别表示从交流电网侧流向直流电网的实际电流值及其参考值，u_dc及U_dc ^*则表示直流母线电压实际值和参考值，k_D为网侧换流器下垂控制中的下垂系数，k₁、k₂为灵活虚拟电容控制关键控制参数，k₁为比例控制参数，k₂为指数控制参数，P_G-VSC为流过并网换流器G-VSC的功率，P_WT、P_B、P_G、P_PV、P_{AC_L}、P_{DC_L}分别表示风机发电功率、蓄电池充放电功率、交流主网交换功率、光伏发电功率、交流负荷功率和直流负荷功率，s_i为关键控制参数特征根，Re(s_i)为s_i的实部，ε_w为裕度值，ε_min和ε_max分别表示系统的两阻尼边界，s₁、s₂为主导特征根，Im(s₁,s₂)为主导特征根的虚部，Re(s₁,s₂)为主导特征根的实部，P₁为流过换流器的瞬时功率，P_N为换流器额定容量，t为时间。

具体实施方式

本发明提供的稳定直流微网母线电压波动的灵活虚拟电容控制方法，在确保直流微网安全稳定运行的多指标约束前提下为系统提供实时灵活的惯性支撑，抑制直流电压突变。

本发明调节的电网是指由新能源发电单元、蓄电池储能单元、交直流负荷单元及交流主网构成的直流微网，调节时，首先根据系统实际情况，合理构建稳定运行约束集，以建立虚拟电容控制下满足多约束的稳定运行指标集，并计算其稳定运行边界；再利用所构建函数计算边界内关键控制参数值，并导入到控制模块中：根据系统发生扰动时直流电压变化率的变化情况，灵活调节控制参数大小，即改变虚拟电容值，以抑制直流母线电压突变，为系统提供实时灵活的惯性支撑。

稳定运行约束集主要包括稳定性约束条件、动态响应特性约束条件、实际运行需要及可实现性约束条件，具体是：

(1)稳定性约束条件

对所述六端直流微网建立数学模型，可得到其特征矩阵A_sys，根据系统特征矩阵，设定灵活虚拟电容控制比例控制参数k₁为定值，可绘制指数控制参数k₂变化的根轨迹，即计算出系统这两个关键控制参数的特征根s_i。为保证系统稳定运行，要求全部特征根位于复平面的左半平面，且需留有一定裕度，用ε_w来表示，则有

Re(s_i)＜ε_w

(2)动态响应特性约束条件

由于非零的共轭复根对系统的阻尼特性起到决定性作用，故要求主导特征根的衰减率能够以最佳阻尼为边界，两阻尼边界分别用ε_min和ε_max来表示，即动态特性约束可表示为

式中，s_i为关键控制参数特征根，s₁、s₂为主导特征根，Im(s₁,s₂)为主导特征根的虚部；Re(s₁,s₂)为主导特征根的实部。

(3)实际运行需要及可实现性约束条件

从理论上来讲，虚拟电容越大，直流母线电压在系统暂态情况下的变化就越平缓，系统电压响应特性越好。但受到换流器容量、系统稳态运行状态等限制，虚拟电容过大时，换流器无法提供所需的功率，则该部分控制运行受挫。且为充分利用虚拟电容控制灵活性的特点，要求虚拟电容值不能过小或者为0，否则就失去了其灵活改善系统暂态响应特性的意义，则有

C_Vmin＜C_V＜C_Vmax

式中，C_V为虚拟电容值，C_Vmax和C_Vmin分别为系统最大、最小虚拟电容值。

用于计算边界内关键控制参数值的函数可具体表示为：

式中，k₁、k₂为灵活虚拟电容控制的关键控制参数，k₁为比例控制参数，k₂为指数控制参数，通过改变两参数值，即可实现虚拟电容值的灵活调节，u_dc为直流微网直流母线电压，t为时间，P₁为流过换流器的瞬时功率，P_N为换流器额定容量，系统输入量取值范围分别为Th<|du_dc/dt|<1，0<P₁/P_N<1，Th为直流电压变化率的阈值；λ₁、λ₂、λ₃、λ₄为直流电压变化率绝对值、换流器瞬时交换功率占比这两个系统输入量的权重系数。

灵活虚拟电容值计算方法可表示为：

式中，i_dc和i_dc ^*分别表示从交流电网侧流向直流电网的实际电流值及其参考值，u_dc及U_dc ^*则表示直流母线电压实际值和参考值，k_D为网侧换流器下垂控制中的下垂系数，虚拟电容C_V可表示为：

式中，C_V0为稳态或极小扰动情况下的虚拟电容值，为一定值；Th为阈值，它的设定能够减少虚拟电容C_V变化的频次，保证系统稳态运行不受影响。

当直流母线电压突变，电压变化率增大，若未超过设定阈值，则虚拟电容值为固定值，系统控制方式为固定虚拟电容控制，若电压变化率超过所设定阈值，在所计算多指标约束稳定运行边界内，计算关键控制参数值并投入到控制中，以实时灵活的调节虚拟电容值。在稳定运行约束边界内计算合理控制参数值，并导入到灵活虚拟电容控制的控制模块中，以抑制直流母线电压波动，为直流微网提供惯性支撑。

本发明中的直流微电网拓扑结构图如图1所示，图中的并网侧端口VSC换流器为本发明主要研究对象。该系统包括交流主网端、风电和光伏两类新能源发电端、储能端、直流负荷及交流负荷。P_WT、P_B、P_G、P_PV、P_{AC_L}、P_{DC_L}分别表示风机发电功率、蓄电池充放电功率、交流主网交换功率、光伏发电功率、交流负荷功率和直流负荷功率。直流微网运行于联网自由模式，由联网换流器G-VSC承担系统功率平衡任务，在该阶段，储能端根据其当前的荷电状态，运行于充电或放电模式，风力发电机组与光伏发电侧运行于最大功率追踪模式。

图2为本发明所述的灵活虚拟电容控制框图。当系统稳态运行或受到较小扰动时，直流电压变化率的绝对值较小，虚拟电容值固定。当扰动较大，直流电压变化率的绝对值超过阈值时，虚拟电容值增大，系统惯性增强，VSC抑制直流电压变化的能力增大，系统稳定性越好。

虚拟电容值的大小，一定程度上反映了系统“惯性”的强弱，通过改变影响虚拟电容值的关键参数即可实现虚拟电容值的灵活调节。但所谓灵活调节，也需要在系统稳定运行及实际约束允许范围内进行，否则可能对系统的安全稳定运行产生不利影响。因此，在满足系统稳定运行的多指标约束条件前提下，合理计算灵活虚拟电容控制关键控制参数，即实时灵活调节虚拟电容值，在抑制直流电压突变，增加直流微电网惯性方面具有重要的实际应用价值。

本发明所述六端直流微电网仿真平台分别采用无虚拟电容控制即传统下垂控制、固定下垂控制及灵活虚拟电容控制的运行结果如图3所示。图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为如下三种典型情形下的仿真结果：1)初始时刻，风机端出力为10kW，光伏侧出力为20kW，2s时，风电机组出力增加5kW，3s时，光伏发电出力减少10kW；2)初始时刻，交、直流负荷投入共计30kW。在2s时，负荷突减10kW，至3s时，负荷增加15kW；3)光伏发电出力随机波动。

图3(a)、图3(b)为发电端和负荷端发生突变时直流电压的响应情况。由图3(a)、图3(b)可知，2s时，发电端出力增加，发出有功功率大于负荷所需有功，基于分段下垂控制，直流电压上升。3s时，发电端出力下降，负荷所需有功大于风机、光伏所能提供有功之和，直流电压随之下降。变化过程中，无虚拟电容控制系统直流电压变化最快，固定虚拟电容控制系统较之更平缓，采用多指标约束下灵活虚拟电容控制的系统直流电压波动最慢，抑制系统电压突变效果最好。当负荷端需求功率发生变化时，直流电压随着负荷的增、减而降低和升高，且无虚拟电容控制系统直流电压变化最快，灵活虚拟电容控制下系统变化最平缓，采用固定虚拟电容控制的系统直流电压变化速度居于二者之间。

图3(c)为光伏出力随机波动时，直流电压的响应情况。可以看出，随着光伏出力的不断变化，直流电压随之波动，始终保持着无虚拟电容控制条件下变化最快，波动幅度最大，固定虚拟电容控制下次之，采用多指标约束下灵活虚拟电容控制的系统，直流电压波动最平缓，即验证了所提多指标约束下灵活虚拟电容控制关键参数计算方法的正确性。且结合上述三种环境下的测试结果可以发现，系统发生扰动幅度越大，采用多指标约束下的灵活虚拟电容控制较其他两种控制方法具有明显的优势。

在仿真系统中作如下设定：初始时刻，系统稳定运行，2s时，直流负荷由原来的20kW突增到30kW，3s时，负荷再次变化，跌落到20kW。分别设定指数控制参数k₂为0.1和0.2，在所计算指标稳定运行边界所围成区域内、外各选取一个点所绘制的系统直流电压波动图如图4所示。

如图4所示，在满足各项稳定运行约束的指标边界围成区域内选取的关键控制参数点，系统能够运行在稳定状态，随着负荷的波动，直流电压随之改变，系统可以保持稳定运行；当所选控制参数值不满足约束条件时，负荷发生变化，系统在暂态过程中失去稳定，产生振荡，无法恢复到原来的稳定状态。

设置风机出力20kW，光伏出力31kW，G-VSC容量为30kW，且0.5s时，负荷由30kW减少到20kW，并设定：1)考虑VSC容量限制情况下，k₁＝400，k₂＝0.4，限制C_v≤80；2)不考虑VSC容量限制情况下，k₁＝5000，k₂＝0.01，C_v无限制。则流过换流器的有功功率、直流母线电压及虚拟电容值的变化对比情况如图5所示

参看图5，若不考虑换流器容量限制，在系统扰动较大时，流过换流器的有功功率振荡较大，且会超过其额定容量，造成实际运行中，该部分控制受挫及换流器停机。考虑换流器容量限制情况下，流过换流器的有功功率被控制在交换功率上限内，且振荡相对较小。相较于考虑容量限制情况，不考虑容量限制情况下直流母线电压变化虽更为平缓，但系统发生扰动前、后，考虑容量限制情况下的稳态直流母线电压更接近于额定值。通过图5(c)可知，考虑容量限制情况下虚拟电容值变化曲线较为平滑，而不考虑容量限制情况的虚拟电容变化曲线有较大振荡。

从图3～5所示的运行结果可以看出，相较于无虚拟电容控制和固定虚拟电容控制，采用本发明所述灵活虚拟电容控制的系统直流电压波动最为平缓，系统“惯性”最大；当所建立指标集满足各项约束时，系统能够维持稳定运行，在暂态过程中，有良好的响应特性，当选取的指标值逐渐靠近所计算多约束下稳定运行边界，甚至越过边界时，系统动态响应特性变差，甚至可能造成系统失去稳定，即虚拟电容控制的实时灵活调节应当以满足稳定运行约束条件为前提，故而验证了本发明所述多指标约束下灵活虚拟电容控制方法的有效性。

对图1-5的概括性及意图说明：

图1给出的六端直流微电网是本发明的研究对象，其中交流主网端换流器为主要研究对象，承担着系统的功率平衡任务；风电机组及光伏阵列是可再生能源发电单元，通过改变其输出功率来模拟发电端的随机波动特性；蓄电池是储能单元，可作为直流微网的功率平衡辅助调节单元；交流负荷和直流负荷是直流微电网中的负荷单元，用来模拟实际电网中的用电单元。

图2给出了本发明所述多指标约束下灵活虚拟电容控制方法的控制框图，由此可以更加准确的展示本发明所述控制方法的控制原理。

图3是三种典型情形下系统分别采用无虚拟电容控制即传统下垂控制、固定虚拟电容控制及灵活虚拟电容控制的直流电压响应对比情况，主要用于说明相较于前两种控制方式，采用灵活虚拟电容控制的系统直流电压更稳定，动态响应特性更佳，以突显本发明的优越性。

图4是在所计算稳定运行边界所围成区域内、外各选取一个点所绘制的系统直流电压波动对比结果，主要用于对本发明所述稳定性及动态特性约束边界的计算方法进行验证。

图5为在是否考虑换流器容量的两种情形下，流过换流器的有功功率、直流母线电压及虚拟电容值的变化对比结果，主要用于对本发明所述实际运行需要及可实现性，即虚拟电容最值约束边界计算方法进行验证。

图4、图5对本发明所述多指标约束稳定运行边界进行了全面的验证，证明了该多指标约束稳定运行边界计算方法的正确性，且结合图3所示结果，可证明本发明相对于传统控制算法的优越性。

Claims (2)

1.一种稳定直流微网母线电压波动的灵活虚拟电容控制方法，其特征是，所述方法针对由新能源发电单元、蓄电池储能单元、交直流负荷单元及交流主网构成的直流微网，首先根据系统实际情况构建稳定运行约束集，建立虚拟电容控制下满足多约束的稳定运行指标集并计算系统稳定运行边界；然后利用所构建的函数在边界内实时计算关键控制参数值并导入到虚拟电容控制当中，从而实现虚拟电容值的实时灵活调节，达到抑制直流微网电压突变的目的；

所述稳定运行约束集包括稳定性约束条件、动态响应特性约束条件、实际运行需要及可实现性约束条件，具体参数表示为：

a.稳定性约束条件

对所述六端直流微网建立数学模型，得到其特征矩阵A _sys，根据系统特征矩阵，设定参数k ₁为定值，可绘制k ₂变化的根轨迹，即计算出系统关键控制参数特征根s _i，为保证系统稳定运行，为保证系统稳定运行的全部特征根位于复平面的左半平面，且需留有一定裕度，即：

式中，s _i为关键控制参数特征根；

为s _i的实部；ε _w为裕度值；

b.动态响应特性约束条件

分别用ε _min和ε _max来表示系统的两阻尼边界，则动态响应特性约束表示为：

式中，s ₁、s ₂为主导特征根；

为主导特征根的虚部；

为主导特征根的实部；

c.实际运行需要及可实现性约束条件

式中，C _V为虚拟电容值，C _Vmax和C _Vmin分别为系统最大、最小虚拟电容值；

所述关键控制参数值的计算方法如下：

式中，k ₁、k ₂为灵活虚拟电容控制的关键控制参数，k ₁为比例控制参数，k ₂为指数控制参数，u _dc为直流微网直流母线电压，t为时间，P ₁为流过换流器的瞬时功率，P _N为换流器额定容量，系统输入量取值范围分别为Th<|du _dc/dt|<1，0<P ₁/P _N<1，Th为直流电压变化率的阈值；λ ₁、λ ₂、λ ₃、λ ₄为直流电压变化率绝对值、换流器瞬时交换功率占比这两个系统输入量的权重系数。

2.根据权利要求1所述的稳定直流微网母线电压波动的灵活虚拟电容控制方法，其特征是，所述虚拟电容值的计算方法为：

式中，C _V0为稳态或极小扰动情况下的虚拟电容值，其中，灵活虚拟电容控制比例控制参数k ₁及指数控制参数k ₂为实时计算值，通过上述关键控制参数值计算进行更新，并在上述约束条件所构成的稳定运行指标集内进行修正，代入到灵活虚拟电容值计算公式中，即可得到实时的灵活虚拟电容值。

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