一种基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制方法及系统与流程

本发明涉及电力系统控制，具体涉及一种基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制方法及系统。

背景技术：

1、随着分布式能源的快速发展，光伏微电网作为清洁能源利用的重要形式，在偏远地区供电、工业园区自发自用和应急备用电源等场景中得到了广泛应用。光伏微电网通常由光伏阵列、储能系统和并网逆变器组成，其核心控制目标是在光照波动和负载变化等扰动条件下维持并网电压和频率的稳定。

2、虚拟同步机（virtual synchronous generator, vsg）控制技术在近年来引起了广泛关注。该技术通过模拟同步发电机的转子惯性方程和励磁特性，使逆变器呈现出类似同步发电机的外特性，从而为微电网提供惯量和电压支撑。传统的vsg控制通常包含有功-频率控制环节和无功-电压控制环节，其中无功-电压环节多采用下垂控制或pi控制策略。然而，传统vsg控制在面临大扰动（如负载突变、光照骤降、短路故障等）时，其无功-电压环节的暂态响应速度有限，容易产生较大的电压超调和较长时间的振荡，难以满足对电压质量要求较高的应用场景。

3、此外，光伏出力的间歇性和波动性对微电网的功率平衡提出了严峻挑战。单一储能方式难以同时应对低频的功率缓变和高频的瞬时冲击，需要多种储能方式协同配合。而在控制层面，传统的pi控制器在系统参数变化或外部扰动较大时，控制性能容易下降，缺乏足够的鲁棒性。因此，如何结合混合储能系统的功率分级管理能力与先进非线性控制技术，实现微电网电压的快速、稳定、鲁棒控制，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制方法及系统，实现了微电网电压的快速、鲁棒稳定控制，有效抑制了扰动条件下的电压超调和振荡。

2、为了实现上述目的，本申请实施例提供了如下技术方案：

3、本申请实施例提供了一种基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制方法，包括以下步骤：s1、光伏阵列输出经boost升压电路升压，由最大功率点追踪环节基于扰动观察法调节占空比，使光伏阵列工作于最大功率点。s2、boost电路输出端接入由蓄电池和超级电容组成的混合储能系统；蓄电池经第一双向dc/dc变换器接直流母线，平抑低频慢变化扰动；超级电容经第二双向dc/dc变换器接直流母线，平抑高频瞬时扰动。s3、直流母线电能经并网逆变器逆变为交流电接入电网，并网逆变器由虚拟同步机协同滑模控制环节控制；该环节的有功频率控制子环节依据转子惯性方程生成频率和相位参考值，滑模控制子环节基于三阶虚拟同步机模型、积分型滑模面和超螺旋趋近律生成电压幅值参考值，替代传统无功电压环节。s4、将频率相位参考值与电压幅值参考值合成为逆变器电压指令，经电压电流双闭环生成调制信号驱动并网逆变器。

4、进一步地，所述s1中，所述扰动观察法包括：实时检测光伏阵列输出电压和输出电流，并计算光伏阵列实时输出功率；将当前采样时刻的输出功率与上一采样时刻的输出功率进行比较，将当前采样时刻的输出电压与上一采样时刻的输出电压进行比较，按照功率与电压变化方向的组合关系调整占空比，使光伏阵列工作点逐步趋近并稳定于最大功率点。

5、进一步地，所述步骤s2中，混合储能系统满足功率平衡关系，由蓄电池和超级电容共同承担功率扰动平抑任务。蓄电池支路通过采集直流母线电压电流并经dc/dc变换器运算得到蓄电池输出功率，与有功功率期望值作差后经pi控制器和pwm计算实现低频慢变化扰动的平抑；超级电容支路以直流母线电压偏差为控制目标，经pi控制器和pwm计算实现高频瞬时功率扰动的平抑。两个双向dc/dc变换器分别工作在buck模式和boost模式，实现能量的双向流动。

6、进一步地，所述步骤s3中，所述有功频率控制子环节依据有功-频率转子惯性方程，通过虚拟转动惯量和阻尼系数模拟同步发电机的转子惯性响应和阻尼特性，计算得到虚拟转子角速度和电压相位参考值。

7、进一步地，所述步骤s3中，所述三阶虚拟同步机数学模型在二阶模型基础上增加励磁动态方程，描述暂态励磁电动势的动态变化过程；同时建立暂态电压输出方程，描述d-q轴输出电压与暂态励磁电动势、电流及电抗之间的关系。

8、进一步地，所述步骤s3中，所述滑模控制子环节采用积分型滑模面，以电压跟踪误差及其积分为状态变量构建滑模面函数；控制律采用等效控制加切换控制的结构，其中等效控制通过令滑模面导数为零并结合励磁动态方程求解得到，切换控制采用超螺旋算法，包含与滑模面绝对值平方根相关的非线性项和符号函数的积分项；最终控制律作为励磁电动势代入励磁动态方程，求解暂态励磁电动势作为电压幅值参考值。

9、本申请实施例还提供了一种基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制系统，用于执行上述方法，包括：光伏阵列、boost升压电路、最大功率点追踪控制器、混合储能系统、并网逆变器和vsg-滑模协同控制器。

10、进一步地，所述第一双向dc/dc变换器和第二双向dc/dc变换器均为半桥双向buck-boost变换器，分别通过功率偏差pi控制和电压偏差pi控制实现蓄电池和超级电容的充放电管理。

11、进一步地，所述滑模控制模块包括滑模面计算单元、等效控制计算单元、超螺旋切换控制计算单元和励磁电动势求解单元，各单元协同完成基于积分型滑模面和超螺旋趋近律的电压幅值参考值计算。

12、本发明的有益效果：

13、（1）通过虚拟同步机与滑模控制的协同架构，将滑模控制替代传统vsg的无功-电压环节，基于三阶虚拟同步机模型、积分型滑模面和超螺旋趋近律生成电压幅值参考值的技术，实现了电压暂态响应的快速性和鲁棒性，积分型滑模面消除了稳态电压误差，超螺旋趋近律有效削弱了传统滑模控制的抖振现象。

14、（2）通过由蓄电池和超级电容组成的混合储能系统配合各自双向dc/dc变换器进行功率分级管理的技术，实现了低频慢变化扰动和高频瞬时扰动的差异化平抑，延长了蓄电池使用寿命，提高了系统对突变扰动的抵抗能力。

15、（3）通过扰动观察法的功率与电压变化方向四象限判断逻辑的技术，实现了光伏阵列在光照条件快速变化时的自适应最大功率点追踪，提高了光伏发电系统的能量利用效率。

16、（4）通过有功-频率转子惯性方程模拟同步发电机转子惯性和阻尼特性的技术，实现了光伏逆变器对微电网的虚拟惯量支撑，有效抑制了功率振荡和频率波动。

17、（5）通过三阶虚拟同步机数学模型引入励磁动态方程完整刻画逆变器电磁暂态过程的技术，实现了为滑模控制提供精确被控对象模型，提高了电压控制的精度和稳定性。

18、（6）通过电压电流双闭环控制结构将vsg-滑模协同控制输出转化为并网逆变器调制信号的技术，实现了从功率层到开关层的多层次控制，保证了并网电能质量。

1.一种基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制方法，其特征在于，所述s1中，所述扰动观察法包括：

3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制方法，其特征在于，所述步骤s2中，混合储能系统的功率平衡关系为：

4.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述有功频率控制子环节依据有功-频率转子惯性方程：

5.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述三阶虚拟同步机数学模型在二阶模型基础上增加励磁动态方程：

6.根据权利要求5所述的基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述滑模控制子环节采用积分型滑模面：

7.一种基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制系统，其特征在于，用于执行如权利要求1至6中任一项所述的基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制方法，包括：

8.根据权利要求7所述的基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制系统，其特征在于，所述第一双向dc/dc变换器和第二双向dc/dc变换器均为半桥双向buck-boost变换器；所述第一双向dc/dc变换器的控制信号取自蓄电池输出功率与有功功率期望值的差值经pi调节和pwm调制后生成；所述第二双向dc/dc变换器的控制信号取自直流母线电压偏差经pi调节和pwm调制后生成；所述第一双向dc/dc变换器工作于buck模式时对蓄电池充电，工作于boost模式时蓄电池放电；所述第二双向dc/dc变换器工作于buck模式时对超级电容充电，工作于boost模式时超级电容放电。

9.根据权利要求7所述的基于虚拟同步机-滑模协同控制的光储微电网电压稳定控制系统，其特征在于，所述滑模控制模块包括滑模面计算单元、等效控制计算单元、超螺旋切换控制计算单元和励磁电动势求解单元；