一种交直流混合配电网惯性支撑方法与流程

1.本发明涉及交直流混合配网技术领域，尤其是一种交直流混合配电网惯性支撑方法。


背景技术：

2.传统虚拟惯性控制策略最为常用的为下垂控制策略：
3.pc＝(u
hset-uh)*k
p
ꢀꢀꢀ
(1)
4.式中：p
c-输出功率；u
hset-直流母线设定电压；u
h-直流母线实际电压；k
p-下垂系数。
5.如式(1)与图2所示，储能单元输出功率与输出电压之间具有下垂特性。直流母线电压低于额定电压时，输出电压偏移量为正值，储能单元按下垂特性输出功率向直流系统提供惯性支撑，电压偏移量越大，储能单元输出功率越大。直流母线电压高于额定电压时，输出电压偏移量为负值。储能单元按下垂特性输入功率，电压偏移量越小，输入功率越大。但是，该策略输入/输出功率与电压偏移量成线性关系，动态补偿能力差，当系统出现电压骤降或骤升时，无法迅速为系统提供惯性支撑。
6.为改善传统下垂控制策略的不足，国内外学者借鉴交流系统中同步发电机的概念，提出了直流虚拟惯性控制策略。如图3所示，现有直流虚拟惯性控制策略的实质为储能系统模拟交流发电系统中同步发电机的转子特性，在直流系统中加入“虚拟电容”，当直流电压受到扰动快速变化时，迅速提供能量支撑，提高系统的稳定性。
7.当储能系统采用现有虚拟惯性控制策略时，控制效果如图4所示，当直流电压跌落或骤升幅值最大时，电压变化率k
1.2
与k
2.2
往往很小甚至为零，此次正是急需惯性支撑的时刻，变换器却无法提供惯性支撑。除此之外，由图中可以看出，电压波动δu1的电压变换率k
1.1
较大，电压偏移量幅值较小，而电压波动δu2的电压变换率k
2.1
较小，电压偏移量幅值较大，传统直流惯性控制策略对δu1的惯性支撑效果要比对δu2的支撑效果要好，而理想的情况是储能系统对直流系统的惯性支撑效果与电压偏移量成正比，电压偏移量越大，储能系统输出功率越大，更有利于直流系统稳定。更为糟糕的是，当电压波动处于下降期时，电压变化率k
1.3
与k
2.3
为负值时，现有虚拟惯性控制策略不但不能为直流系统提供惯性支撑，还会起到反作用，加剧直流电压的波动，造成直流系统不稳定甚至出现电压崩溃。图中，p
set
、pe分别为有功功率给定和电磁功率；d
p
为频率阻尼系数；ω、ωn分别为vsg的角频率和电网额定角频率；j为虚拟转动惯量。i
set
为输出电流给定；db为电压-电流下垂相关系数；un为直流母线电压额定值；cv虚拟电容值。


技术实现要素：

8.本发明解决了现有虚拟惯性控制策略不能为直流系统提供惯性支撑，加剧直流电压的波动，造成直流系统不稳定甚至出现电压崩溃的问题，提出一种交直流混合配电网惯性支撑方法，引入比例前馈控制环节与积分反馈控制控制环节。
9.为实现上述目的，提出以下技术方案：
10.一种交直流混合配电网惯性支撑方法，包括以下步骤：
11.s1，在虚拟惯性控制模型中加入比例前馈控制环节与积分反馈控制控制环节；
12.s2，构建定功率值p
set
方程，获取参与定功率值p
set
调控的系数因子；
13.s3，构建并训练好系数因子计算模型；
14.s4，将调整需求作为模型输入，选取出系数因子的参考值；
15.s5，将系数因子的参考值代入到定功率值p
set
方程，所述定功率值p
set
方程用于交直流混合配电网惯性支撑。
16.当直流系统电压出现波动时，比例前馈控制环节控制储能系统迅速吸收或释放功率，电压偏移量越大，吸收或释放的功率越大，为系统提供惯性支撑，平抑系统波动。稳态时，积分反馈控制环节可以消除比例前馈控制环节的影响，根据电压偏移量为系统提供稳定的功率支撑。
17.作为优选，所述s2具体包括以下步骤：
18.构建定功率值p
set
方程：
[0019][0020]
将定功率值p
set
方程转化为时域函数：
[0021]
p
set
＝δu
·kp
δ(t) δu
·ki
(1-k
p
·
kc)e-kc
·
ki
·
t
[0022]
其中：δu是电压波动值，k
p
是比例前馈控制系数，kc是积分反馈控制系数、ki是积分系数；
[0023]
选取比例前馈控制系数k
p
、积分反馈控制系数kc和积分系数ki作为系数因子。
[0024]
作为优选，所述比例前馈控制系数k
p
选值越大，储能系统初始输出功率给定越大；所述积分反馈控制系数kc选值越大，储能系统稳态输出功率越大；积分系数ki选值越大，储能系统动态响应速度越快。
[0025]
作为优选，所述s3具体包括以下步骤：
[0026]
s301，获取交直流混合配电网惯性支撑的历史数据，包括储能系统初始输出功率、储能系统稳态输出功率和储能系统动态响应时间；
[0027]
s302，根据储能系统初始输出功率的大小进行分类，按照功率从高到低分为高类a、中类a和低类a；根据储能系统稳态输出功率的大小进行分类，按照功率从高到低分为高类b、中类b和低类b；根据储能系统动态响应时间的长短进行分类，按照响应时间从短到长分为高类c、中类c和低类c；
[0028]
s303，获取交直流混合配电网惯性支撑的所有支撑类型，为储能系统初始输出功率、储能系统稳态输出功率和储能系统动态响应时间的排列组合共27类；
[0029]
s304，将每类支撑类型的数据集分为训练集和测试集，以时域函数作为目标函数，储能系统初始输出功率、储能系统稳态输出功率和储能系统动态响应时间作为输入，计算得到比例前馈控制系数k
p
的数据集、积分反馈控制系数kc的数据集和积分系数ki的数据集；
[0030]
s305，根据比例前馈控制系数k
p
的数据集、积分反馈控制系数kc的数据集和积分系数ki的数据集得出所有支撑类型对应的比例前馈控制系数k
p
的取值范围、积分反馈控制系数kc的取值范围和积分系数ki的取值范围。
[0031]
作为优选，所述s4具体包括以下步骤：
[0032]
将调整需求即所要的支撑类型作为模型输入，从与该支撑类型对应的比例前馈控制系数k
p
的取值范围、积分反馈控制系数kc的取值范围和积分系数ki的取值范围中选取出系数因子的参考值。
[0033]
作为优选，所述s305具体包括以下步骤：
[0034]
将比例前馈控制系数k
p
的数据集的数据从小到大进行排序，提出均方差大于设定值得数据，得到最终数组，取最终数组的最大值及最小值作为比例前馈控制系数k
p
的取值范围；
[0035]
将积分反馈控制系数kc的数据集的数据从小到大进行排序，提出均方差大于设定值得数据，得到最终数组，取最终数组的最大值及最小值作为积分反馈控制系数kc的取值范围；
[0036]
将积分系数ki的数据集的数据从小到大进行排序，提出均方差大于设定值得数据，得到最终数组，取最终数组的最大值及最小值作为积分系数ki的取值范围。
[0037]
本发明的有益效果是：当直流系统电压出现波动时，比例前馈控制环节控制储能系统迅速吸收或释放功率，电压偏移量越大，吸收或释放的功率越大，为系统提供惯性支撑，平抑系统波动。稳态时，积分反馈控制环节可以消除比例前馈控制环节的影响，根据电压偏移量为系统提供稳定的功率支撑。
附图说明
[0038]
图1是实施例的虚拟惯性控制模型控制流程图；
[0039]
图2是现有技术下垂控制策略原理示意图；
[0040]
图3是现有技术虚拟惯性控制演化图；
[0041]
图4是现有技术直流虚拟惯性控制效果图；
[0042]
图5是k
p
对控制的影响效果图；
[0043]
图6是kc对控制的影响效果图；
[0044]
图7是ki对控制的影响效果图；
[0045]
图8是对控制策略效果的影响示意图；
[0046]
图9是各种惯性控制策略控制效果对比图；
[0047]
图10是不共地式三电平双向dc/dc电路拓扑示意图；
[0048]
图11是双向dc/dc变换器状态方程合理性验证示意图。
具体实施方式
[0049]
实施例：
[0050]
本实施例提出一种交直流混合配电网惯性支撑方法，包括以下步骤：
[0051]
s1，参考图1，在虚拟惯性控制模型中加入比例前馈控制环节与积分反馈控制控制环节；
[0052]
s2，构建定功率值p
set
方程，获取参与定功率值p
set
调控的系数因子；s2具体包括以下步骤：
[0053]
构建定功率值p
set
方程：
[0054][0055]
将定功率值p
set
方程转化为时域函数：
[0056]
p
set
＝δu
·kp
δ(t) δu
·ki
(1-k
p
·
kc)e-kc
·
ki
·
t
[0057]
其中：δu是电压波动值，k
p
是比例前馈控制系数，kc是积分反馈控制系数、ki是积分系数；
[0058]
选取比例前馈控制系数k
p
、积分反馈控制系数kc和积分系数ki作为系数因子。比例前馈控制系数k
p
选值越大，储能系统初始输出功率给定越大；积分反馈控制系数kc选值越大，储能系统稳态输出功率越大；积分系数ki选值越大，储能系统动态响应速度越快。
[0059]
s3，构建并训练好系数因子计算模型；s3具体包括以下步骤：
[0060]
s301，获取交直流混合配电网惯性支撑的历史数据，包括储能系统初始输出功率、储能系统稳态输出功率和储能系统动态响应时间；
[0061]
s302，根据储能系统初始输出功率的大小进行分类，按照功率从高到低分为高类a、中类a和低类a；根据储能系统稳态输出功率的大小进行分类，按照功率从高到低分为高类b、中类b和低类b；根据储能系统动态响应时间的长短进行分类，按照响应时间从短到长分为高类c、中类c和低类c；
[0062]
s303，获取交直流混合配电网惯性支撑的所有支撑类型，为储能系统初始输出功率、储能系统稳态输出功率和储能系统动态响应时间的排列组合共27类；
[0063]
s304，将每类支撑类型的数据集分为训练集和测试集，以时域函数作为目标函数，储能系统初始输出功率、储能系统稳态输出功率和储能系统动态响应时间作为输入，计算得到比例前馈控制系数k
p
的数据集、积分反馈控制系数kc的数据集和积分系数ki的数据集；
[0064]
s305，根据比例前馈控制系数k
p
的数据集、积分反馈控制系数kc的数据集和积分系数ki的数据集得出所有支撑类型对应的比例前馈控制系数k
p
的取值范围、积分反馈控制系数kc的取值范围和积分系数ki的取值范围。s305具体包括以下步骤：
[0065]
将比例前馈控制系数k
p
的数据集的数据从小到大进行排序，提出均方差大于设定值得数据，得到最终数组，取最终数组的最大值及最小值作为比例前馈控制系数k
p
的取值范围；
[0066]
将积分反馈控制系数kc的数据集的数据从小到大进行排序，提出均方差大于设定值得数据，得到最终数组，取最终数组的最大值及最小值作为积分反馈控制系数kc的取值范围；
[0067]
将积分系数ki的数据集的数据从小到大进行排序，提出均方差大于设定值得数据，得到最终数组，取最终数组的最大值及最小值作为积分系数ki的取值范围。
[0068]
s4，将调整需求作为模型输入，选取出系数因子的参考值；
[0069]
s5，将系数因子的参考值代入到定功率值p
set
方程，定功率值p
set
方程用于交直流混合配电网惯性支撑。
[0070]
当直流系统电压出现波动时，比例前馈控制环节控制储能系统迅速吸收或释放功率，电压偏移量越大，吸收或释放的功率越大，为系统提供惯性支撑，平抑系统波动。稳态时，积分反馈控制环节可以消除比例前馈控制环节的影响，根据电压偏移量为系统提供稳定的功率支撑。
[0071]
s4具体包括以下步骤：
[0072]
将调整需求即所要的支撑类型作为模型输入，从与该支撑类型对应的比例前馈控制系数k
p
的取值范围、积分反馈控制系数kc的取值范围和积分系数ki的取值范围中选取出系数因子的参考值。
[0073]
为解决现有下垂控制策略与虚拟惯性控制策略存在的问题，本文提出一种比例前馈积分反馈的新型虚拟惯性控制策略。如图1所示，该控制策略引入比例前馈控制环节与积分反馈控制控制环节。当直流系统电压出现波动时，比例前馈控制环节控制储能系统迅速吸收或释放功率，电压偏移量越大，吸收或释放的功率越大，为系统提供惯性支撑，平抑系统波动。稳态时，积分反馈控制环节可以消除比例前馈控制环节的影响，根据电压偏移量为系统提供稳定的功率支撑。
[0074]
由图4可知，新型虚拟惯性控制策略输出给定功率值p
set
为：
[0075][0076]
将式(2)转化为时域函数，如式(3)所示：
[0077]
p
set
＝δu
·kp
δ(t) δu
·ki
(1-k
p
·
kc)e-kc
·
ki
·
t
ꢀꢀꢀ
(3)
[0078]
由式(3)可知，对新型惯性控制策略具有影响的参数主要有比例前馈控制系数k
p
、积分反馈控制系数kc、积分系数ki。逐一分析各参数对新型惯性控制策略中的作用，根据式(3)可得各参数对新型惯性控制策略的影响。k
p
对该控制策略的作用如图5所示，k
p
越大，储能系统输出功率初始给定越大。由图6可知，kc对新型控制策略的作用主要体现在稳态性能，kc越大，储能系统稳态输出功率越大。由图7可知，ki对控制策略的作用体现在策略的动态性能上，ki值越大，储能系统动态响应速度越快。由以上分析可知，基于比例前馈积分反馈的新型虚拟惯性控制策略可以通过k
p
、kc、ki实现储能虚拟惯性的多维度控制，提高了控制策略的灵活性以及适用性。
[0079]
由式(3)可知，比例前馈控制环节等效为δu
·kp
δ(t)为冲激函数项，可以对电压偏移量δu迅速做出反应，通过改变k
p
值，可以改变直流系统电压波动时的暂态输入或输出功率，利用这一特性，设置较大的k
p
值，可以使控制策略的暂态输出功率远大于稳态输出功率，更好地为直流系统提供惯性支撑。由冲激函数项可知，当k
p
值确定后，储能系统暂态输入或输出功率仅与电压偏移量δu有关，不受δu变化率以及变换率符号的影响，可以更好的为直流系统提供惯性支撑。与此同时，由式(3)可知，积分反馈惯性控制环节等效为δu
·ki
(1-k
p
·
kc)e-kc
·
ki
·
t
函数项，稳态时，电压波动消失，新型惯性控制策略通过该函数项将储能吸收或输出功率调节至零，如果直流系统电压存在稳定电压偏移量，新型虚拟惯性控制策略可按需求比例为系统提供稳态功率支撑。基于比例前馈积分反馈的新型虚拟惯性控制
策略具体控制效果如图8所示。
[0080]
对各种虚拟惯性控制策略的控制效果进行对比分析，如图9所示，针对相同的直流系统电压波动，传统下垂控制策略几乎没有动态惯性支撑能力，控制效果较差。将传统下垂控制策略与传统惯性控制策略结合，虽然可以为系统提供惯性支撑，但暂态惯性支撑时间较短，并且储能系统暂态输出功率较少，控制效果欠佳。基于比例前馈积分反馈的新型虚拟惯性控制策略，通过设置较大的比例前馈控制系数k
p
，可以在暂态工况下输出更多的功率为直流系统更好的提供惯性支撑，同时由于积分反馈控制环节的存在，可以为系统提供更长时间的惯性支撑，同时有不影响控制策略的稳态控制性能，与现有惯性控制策略相比，具有更好的控制效果。
[0081]
参考图10，本实施选用不共地三电平双向dc/dc变换器
[20]
作为储能系统与直流系统能量交换的接口，该拓扑结构具有输出电流、电压纹波小，开关频率低、所需滤波电感，电容小等优点。根据双向dc/dc变换器工作状态，建立状态空间方程，如式(4)所示。
[0082][0083]
式中：
[0084]c1-变换器高压侧上桥臂滤波电容
[0085]c2-变换器高压侧下桥臂滤波电容
[0086]
l-变换器滤波电感
[0087]
r-滤波电感寄生电阻
[0088]-变换器高压侧上桥臂滤波电容电压
[0089]-变换器高压侧下桥臂滤波电容电压
[0090]u1-变换器低压侧电压
[0091]il-变换器滤波电感电流
[0092]
d-开关器件s2占空比
[0093]i0-变换器输出电流
[0094]
利用李雅普诺夫理论
[21]
，对其进行线性化处理，可得变换器小信号方程，如式(5)所示。
[0095]
[0096]
式中
[0097]-变换器高压侧上桥臂滤波电容电压扰动量
[0098]-变换器高压侧下桥臂滤波电容电压扰动量
[0099]-电感电流扰动量
[0100]-占空比扰动量
[0101]-低压侧电压扰动量
[0102]
对所建立的双向dc/dc变换器状态空间方程的准确性进行验证，以变换器上桥臂滤波电容电压为例，利用matlab/simulink搭建不共地式三电平双向dc/dc电磁暂态模型，可得精确电磁暂态波形，将其与由状态方程式(5)所得波形进行对比，如图11所示，两者高度一致，验证了所建立状态方程的正确性，可以用于储能系统稳定性分析。
[0103]
对图4所示新型惯性控制策略进行小信号建模。如式(6)所示。
[0104][0105]
式中：
[0106]
d-双向变换器驱动占空比
[0107]di-占空比积分调节分量
[0108]dp-占空比比例调节分量
[0109]ki.p-pi调节器比例系数
[0110]ki.i-pi调节器积分系数
[0111]ilref-电感电流给定值
[0112]il-电感电流实际值
[0113]iref-新型虚拟惯性控制策略电流给定值
[0114]ip.ref-比例前馈环节电流给定值
[0115]ii.ref-积分反馈环节电流给定值
[0116]uref-直流系统电压参考值
[0117]uh-直流系统电压实际值
[0118]kp-比例前馈系数
[0119]k1-积分反馈系数
[0120]ki-积分系数
[0121]
利用李雅普诺夫理论，对式(6)进行线性化处理可得新型惯性控制小信号方程，如式(7)所示
[0122][0123]
式中：
[0124]
δd-双向变换器驱动占空比扰动量
[0125]
δd
i-积分反馈环节占空比扰动量
[0126]-积分反馈环节电流给定值
[0127]
整理式(5)与(7)可得新型虚拟惯性控制策略状态矩阵a1，a1中参数如表1所示，
[0128]
表1新型虚拟惯性策略参数表
[0129][0130]
状态方程特征值如表2所示，
[0131]
表2新型虚拟惯性控制策略特征值
[0132][0133]
各特征值均为负值，同时距离虚轴较远，因此，储能系统具有较高的稳定裕度。研究k
p
、ki、kc对系统稳定性的影响，k
p
变化时，特征值根轨迹随着k
p
的增加，特征值根轨迹向右平面移动，系统稳定性下降。ki值对系统稳定性的影响：随着ki的增加，特征值根轨迹向左移动，这说明系统稳定裕度随之增加。kc对系统稳定性的影响：当kc增加时，特征值λ1、λ4、λ5向右平面移动，特征值λ2、λ3向左偏平移动。由此可知，系统随着kc的增加，系统稳定裕度会有所降低，实际应用中应根据实际情况选择合适的kc值。