一种基于虚拟同步电机技术的交直流混合微电网接口换流器控制方法技术

本发明专利技术是一种基于虚拟同步电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)技术的交直流混合微电网(AC/DC Hybrid Microgrid)接口换流器(Interface Converter,IFC)控制方法，可以应用于中、低压交直流混合微电网的研究以及工程应用。针对孤岛混合微电网中交流网络中交流电源转动惯量较小，负荷波动时交流频率波动较大的问题，利用直流电源输出功率调节时间短的优势增加交流网络的虚拟惯性，降低交流频率的波动；针对并联IFC之间的无通信自均流问题，利用下垂控制实现有功功率的按换流器额定容量比分配，同时利用虚拟电抗实现无功功率的按换流器额定容量比分配。本发明专利技术为进一步研究混合微电网奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟同步电机技术的交直流混合微电网接口换流器控制方法
本专利技术涉及电力电子控制
，更具体地，涉及一种基于虚拟同步电机技术的交直流混合微电网接口换流器控制方法。
技术介绍
混合微电网中，交、直流电源和负荷分别通过交、直流母线连接。同时，交流母线上装有静态开关(StaticTransferSwitch,STS)，通过控制STS可以实现混合微电网在并网、孤岛之间的切换。一台或多台联络换流器(InterfacingConverter,IFC)安装在两母线之间，实现交、直流网络之间的能量交换，其控制策略对于混合微电网的效率以及稳定性有着极其重要的作用。传统一般基于功率-电流双环结构的换流器控制结构，存在多台换流器并联时存在环流、难以实现无通信自均流的问题，同时双环结构中的锁相环环节在弱电网中的实际跟踪效果较差，对控制效果有较大的影响。
技术实现思路
针对传统控制策略中存在的问题，本专利技术利用直流网络电压标幺值和VSG虚拟转速标幺值的误差作为虚拟机械力矩，省去锁相环环节，提高系统稳定性，同时实现各IFC按额定容量传输有功功率；采用下垂控制，维持交流母线电压的稳定，同时引入虚拟阻抗使各IFC按额定容量发出无功功率。本专利技术针对交、直流混合微电网的需求，提出了一种基于虚拟同步电机技术的交直流混合微电网接口换流器控制方法，可应用于混合微电网的科学研究和工程应用。本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案：本专利技术为一种基于虚拟同步电机技术的交直流混合微电网接口换流器控制方法，其特征在于对于混合微电网中任意接口换流器，其控制过程依次按以下步骤实现：一种基于虚拟同步电机技术的交直流混合微电网接口换流器控制方法，步骤1，把交流网络频率以及直流网络电压归一化以后，通过P-V-f双下垂控制策略，以实现交、直流电源输出功率的分配；步骤2，基于电压源型虚拟同步电机控制策略，利用直流电源输出功率调节时间短的特点，为交流网络增加惯性，提高交流网络频率稳定性；步骤3，选择虚拟阻抗，改善本控制方法在低压阻性交流网络的性能，同时实现各接口换流器无功功率的均衡。优选地，步骤1具体包括：a.输入接口换流器直流侧电压udc、交流侧出口三相LCL滤波器上电容电压电流uc,abc、ic,abc以及并网点电压电流uabc,g、iabc；b.利用uabc,g、iabc求得交流网络电压有效值Ug以及换流器注入交流网络功率PIFC；c.将udc和PIFC输入到虚拟同步电机环节，求得虚拟电动势相角θ1；d.利用Ug求得虚拟电动势E1；e.利用iabc通过虚拟阻抗环节，求得虚拟阻抗压降；f.把步骤c-e中求得的θ1、E1、虚拟阻抗压降以及uc,abc、ic,abc输入到比例谐振控制器中得到触发脉冲。优选地，换流器注入交流网络功率PIFC通过以下公式求得：优选地，虚拟电动势E1通过以下公式求得：Ei＝Eo+KE(UN-Ug)，其中，UN为额定交流电压有效值；Ug为测量获得的交流母线电压有效值；KE为交流母线电压误差增益；Ei为虚拟电动势。优选地，步骤2和3具体包括：依照以下公式选取功率误差增益Kp,i和各IFC虚拟转动惯量Ji，用以对系统截止频率进行调节。附图说明图1为本专利技术基于VSG的IFC控制策略的结构示意图。图2为本专利技术虚拟阻抗框图。图3为本专利技术PR控制框图。图4为本专利技术混合微电网结构图。图5为本专利技术交流侧等效电路。图6为本专利技术IFC小信号模型。图7为本专利技术被动孤岛过程仿真波形。图8为本专利技术例交、直流负荷波动过程仿真波形。图9为本专利技术单台IFC退出运行过程仿真波形。图10为本专利技术交流母线电压变化过程仿真波形。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细的说明，将本专利技术的方法应用于图4所示交直流混合微电网测试算例中，其中交流电网络额定频率60Hz，频率波动范围为59.5Hz～60.5Hz，直流网络额定电压25kV，电压波动范围为24kV～26kV。交流电源为一台同步电机，Pac,N＝4MW、Pac,min＝2MW、Pac,max＝6MW；直流电源用可控电压源等效Pdc,N＝5MW、Pdc,max＝10MW、Pdc,min＝0MW。初始状态下，交流负荷4MW，直流负荷6MW。交、直流母线由两台IFC连接。本专利技术所提控制策略的数学方程如下：θi＝∫ωidt(2)Ei＝Eo+KE(UN-Ug)(3)式中，Ji为各IFC虚拟转动惯量；PIFC,i为输出功率测量值；Kp,i为功率误差增益；UN为额定交流电压有效值；Ug为测量获得的交流母线电压有效值；KE为交流母线电压误差增益；Ei为虚拟电动势。误差增益应满足：式中，Si为各IFC额定容量。稳态情况下dωi/dt＝0，即：PIFC,i＝Kp,i(ωpu,i-upu,i)(5)由于所有IFC都并联在相同的交、直流母线上，稳定时虚拟转速以及直流电压测量值相等，即：ωpu,1＝ωpu,2...＝ωpu,n(6)upu,1＝upu,2...＝upu,n(7)联立式(4)-(7)可以得到假设直流电压维持在规定范围内，IFC不会出现过调制的情况，忽略IFC输出的高次谐波，IFC可以等效成理想电压源串联等效输出电抗。图5为单台IFC简化等效电路，图中为单台IFC虚拟电动势矢量；Xs,i为各IFC的等效输出电抗，由滤波器网侧电抗，虚拟电抗以及电压内环等效阻抗组成。则各IFC输出无功功率为：式中，δi为虚拟电动势与交流母线电压矢量相角差。调节虚拟电抗大小使各IFC等效输出阻抗与额定容量成反比，即：同时考虑sinδi≈δi、cosδi≈1，由式(3)可知E1＝E2...＝En，代入式(10)可得由式(8)、(11)可知，稳定状态下各IFC传输的有功功率之比以及发出的无功功率之比近似等于其额定容量之比。由于一般的交、直流电源具有下垂特性，因此令联立式(5)、(12)、(13)可得：交、直流电源输出功率理想分配时有ωpu＝upu(15)联立式(12)、(13)、(15)可得理想情况下交、直流电源输出功率以及IFC总传输功率分别为对比式(14)、(18)可知，系统总的功率误差增益Kp越大，IFC的传输功率越接近理想情况，交、直流电源之间的功率分配效果越好。VSG的有功环和无功环之间的耦合程度较弱，可以近似看作是解耦的。从图5中可知，单台IFC的传输功率为：假定Ug恒定，将式(1)、(2)在稳定点附近进行一阶泰勒展开，同时联立式(13)可以得到式中，为稳定工作点附近的小扰动量。由式(20)-(23)可以得到有功功率环小信号模型，如图6所示。由图6可以得到VSG开环传递函数为设ωc为开环传递函数截止频率，环路增益在截止频率处为1，即可以解得截止频率解析式如式(26)所示。可以看出，ωc随Kp,i的增大而增大，随Ji的减小而减小。该结论具有一定的物理意义：Kp,i放大交、直流网络功率误差反馈量，可以增强系统的反应速度，使系统快速过渡至新的状态；而VSG的转动惯量越大时，传递函数中低通滤波环节的幅值越小，对应的系统截止频率越低。为了在稳定情况下使得交直流电源输出功率尽量按其额定功率分配，一般Kp,i取值比较大，导致系统的截止频率上升，负荷波动时交流频率波动较大，此时可通过调节Ji降低系统截止频率，使交流网络具有一定惯性。系统的相角裕度为：PM＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟同步电机技术的交直流混合微电网接口换流器控制方法，其特征在于，步骤1，把交流网络频率以及直流网络电压归一化以后，通过P‑V‑f双下垂控制策略，以实现交、直流电源输出功率的分配；步骤2，基于电压源型虚拟同步电机控制策略，利用直流电源输出功率调节时间短的特点，为交流网络增加惯性，提高交流网络频率稳定性；步骤3，选择虚拟阻抗，改善本控制方法在低压阻性交流网络的性能，同时实现各接口换流器无功功率的均衡。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步电机技术的交直流混合微电网接口换流器控制方法，其特征在于，步骤1，把交流网络频率以及直流网络电压归一化以后，通过P-V-f双下垂控制策略，以实现交、直流电源输出功率的分配；步骤2，基于电压源型虚拟同步电机控制策略，利用直流电源输出功率调节时间短的特点，为交流网络增加惯性，提高交流网络频率稳定性；步骤3，选择虚拟阻抗，改善本控制方法在低压阻性交流网络的性能，同时实现各接口换流器无功功率的均衡。2.如权利要求1所述的一种基于虚拟同步电机技术的交直流混合微电网接口换流器控制方法，其特征在于，步骤1具体包括：a.输入接口换流器直流侧电压udc、交流侧出口三相LCL滤波器上电容电压电流uc,abc、ic,abc以及并网点电压电流uabc,g、iabc；b.利用uabc,g、iabc求得交流网络电压有效值Ug以及换流器注入交流网络功率PIFC；c.将udc和PIFC输入到虚拟同步电机环节，求得虚拟电动势相角θ1；...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海璇，成乐祥，林子杰，汪春，高昇宇，张皓辰，夏俊荣，陈庭记，臧海祥，张祥文，李子韵，朱小鹏，邱腾飞，王自桢，江星星，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，国网江苏省电力有限公司，中国电力科学研究院有限公司，河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32