孟 飛,曲 驊,郭添亨,杜彥錕,馮允良
直流微電網(wǎng)的慣性與阻尼自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制
孟 飛,曲 驊,郭添亨,杜彥錕,馮允良
(中山供電局項(xiàng)目與供應(yīng)鏈服務(wù)中心,廣東 中山 528401)
隨著分布式發(fā)電單元的不斷接入,直流微電網(wǎng)逐漸呈現(xiàn)出低慣性和弱阻尼特性,直流母線電壓會(huì)隨著功率擾動(dòng)而發(fā)生突變或失穩(wěn)。采用變下垂控制為系統(tǒng)提供虛擬慣性。通過根軌跡分析可知變下垂控制為系統(tǒng)提供虛擬慣性的同時(shí)會(huì)削弱系統(tǒng)的阻尼,使直流微電網(wǎng)出現(xiàn)持續(xù)振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一種虛擬慣性與阻尼的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制策略。其控制函數(shù)以電壓為自變量,在大擾動(dòng)和小擾動(dòng)情況下,能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供虛擬慣性和有源阻尼,從而改善直流微電網(wǎng)的低慣性和弱阻尼特性,保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上搭建直流微電網(wǎng)模型,驗(yàn)證了所提協(xié)調(diào)控制策略的有效性。
直流微電網(wǎng);變下垂控制;虛擬慣性;有源阻尼;自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制
直流微電網(wǎng)因其具備靈活的功率調(diào)節(jié)能力、簡(jiǎn)化的換流環(huán)節(jié),并且不存在功角穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定等復(fù)雜的穩(wěn)定性問題,已成為新能源與直流負(fù)荷接入電網(wǎng)的有效方式之一[1-6]。但由于系統(tǒng)中存在大量的電力電子換流器,導(dǎo)致直流微電網(wǎng)具有較低的慣性[7-8],同時(shí)由于風(fēng)、光等分布式電源會(huì)發(fā)生頻繁的功率擾動(dòng),使得直流母線電壓劇烈變化[9],甚至振蕩失穩(wěn),因此直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
直流微電網(wǎng)的慣性主要反映在系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí),其阻止電壓突變的能力。現(xiàn)有的研究工作主要通過附加電容器或改善系統(tǒng)控制策略的方法增強(qiáng)直流微電網(wǎng)的慣性。文獻(xiàn)[10-12]通過在系統(tǒng)中并聯(lián)超級(jí)電容器提高系統(tǒng)的慣性,但超級(jí)電容器成本較高,且直流微電網(wǎng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí),超級(jí)電容器處于閑置狀態(tài),造成資源浪費(fèi)。而通過改變換流器的控制策略為系統(tǒng)提供虛擬慣性,被認(rèn)為是增強(qiáng)慣性更具潛力的方法,文獻(xiàn)[13]根據(jù)電壓變化自適應(yīng)地調(diào)節(jié)下垂系數(shù),為直流微電網(wǎng)提供大小可變地慣性支持,文獻(xiàn)[14]提出了風(fēng)儲(chǔ)直流微網(wǎng)的虛擬慣性控制,在各個(gè)端口虛擬出較大的電容值,并通過協(xié)調(diào)控制彌補(bǔ)了風(fēng)電機(jī)組虛擬慣性控制的不足,文獻(xiàn)[15-17]通過類比交流微網(wǎng)中虛擬同步發(fā)電機(jī),提出了應(yīng)用在直流微電網(wǎng)中的虛擬慣性控制策略。雖然上述方法能有效提高系統(tǒng)的慣性,保證直流電壓在功率擾動(dòng)情況下不會(huì)發(fā)生突變,但并不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
直流微電網(wǎng)的阻尼反映在擾動(dòng)情況下,系統(tǒng)維持穩(wěn)定運(yùn)行的能力,阻止直流電壓振蕩失穩(wěn)。文獻(xiàn)[18-19]對(duì)增加虛擬慣性的系統(tǒng)進(jìn)行阻尼特性分析,并以此作為參數(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn),但并沒有提出加強(qiáng)系統(tǒng)阻尼的措施。文獻(xiàn)[20-21]在直流系統(tǒng)的控制器中引入低通濾波環(huán)節(jié)增強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼,文獻(xiàn)[22-23]利用狀態(tài)反饋控制技術(shù)增加直流微電網(wǎng)的阻尼,文獻(xiàn)[24]增設(shè)輸出電流反饋支路,在源側(cè)換流器的輸出端口引入虛擬電阻,改善系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力,但是上述方法沒有與虛擬慣性控制相結(jié)合,因此在功率頻繁擾動(dòng)系統(tǒng)中,直流母線電壓會(huì)出現(xiàn)劇烈波動(dòng),可能會(huì)造成設(shè)備損壞或繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)等不利影響。文獻(xiàn)[25]實(shí)現(xiàn)了變速風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣性控制與有功、無功阻尼控制配合,文獻(xiàn)[26]提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)協(xié)同自適應(yīng)控制策略,均在慣性控制的基礎(chǔ)上增強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼,但是這些方法只適用在交流電網(wǎng)中。因此,同時(shí)考慮直流微電網(wǎng)的慣性與阻尼控制需進(jìn)一步深入研究。
本文針對(duì)直流微電網(wǎng)中低慣性和弱阻尼問題,提出了一種慣性與阻尼的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制,即在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)或受到小擾動(dòng)時(shí),虛擬慣性調(diào)節(jié)系數(shù)根據(jù)控制函數(shù)調(diào)整為負(fù)值,協(xié)調(diào)控制為系統(tǒng)提供有源阻尼,阻止電壓振蕩失穩(wěn);當(dāng)系統(tǒng)受到較大擾動(dòng)時(shí),虛擬慣性調(diào)節(jié)系數(shù)被調(diào)整為正值,協(xié)調(diào)控制能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供虛擬慣性,阻止電壓突變。通過該自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高慣性和強(qiáng)阻尼特性,為驗(yàn)證該協(xié)調(diào)控制策略的有效性,在Matlab/Simulink中搭建了直流微電網(wǎng)模型,證明了所提控制策略的有效性。
圖1 直流微網(wǎng)的典型拓?fù)?/p>
圖2 直流微網(wǎng)的簡(jiǎn)化模型
由圖1、圖2可得,直流微電網(wǎng)對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為
儲(chǔ)能變換器采用-下垂控制維持直流母線電壓穩(wěn)定。
由圖2可知,儲(chǔ)能單元側(cè)滿足KCL方程:
直流微電網(wǎng)的低慣性特性使直流母線電壓對(duì)系統(tǒng)內(nèi)功率的波動(dòng)變得極為敏感,因此考慮通過變下垂控制為直流微網(wǎng)提高虛擬慣性[13],從而改善電壓質(zhì)量,變下垂控制的表達(dá)式為
式中:1為系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的常下垂系數(shù);2為虛擬慣性控制系數(shù)。將式(2)、式(5)代入式(4),可得變下垂控制下的功率關(guān)系為
圖3 基于變下垂控制的虛擬慣性控制框圖
由圖3可得,基于變下垂系數(shù)的虛擬慣性控制的數(shù)學(xué)模型為
式中:1為控制外環(huán)積分環(huán)節(jié)的輸出;2為下垂控制內(nèi)環(huán)積分環(huán)節(jié)的輸出;up、ui和ip、ii分別為外環(huán)和內(nèi)環(huán)PI環(huán)節(jié)的比例和積分系數(shù)。
對(duì)式(1)、式(9)在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)附近進(jìn)行小信號(hào)分析,將非線性系統(tǒng)線性化,可得系統(tǒng)的小信號(hào)模型為
通過系統(tǒng)狀態(tài)矩陣的根軌跡分析虛擬慣性控制對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。
表1 直流微電網(wǎng)參數(shù)
1)1對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響
圖4 k1增加時(shí)的根軌跡
圖5 k2增加時(shí)的根軌跡
3) 有源阻尼控制對(duì)穩(wěn)定性的改善
圖6 k2減小時(shí)的根軌跡
由于系統(tǒng)的慣性特性體現(xiàn)在功率發(fā)生較大擾動(dòng)時(shí)阻止電壓變化的能力,而阻尼體現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)或小擾動(dòng)情況下,系統(tǒng)是否具有穩(wěn)定運(yùn)行的能力,本文考慮通過慣性與阻尼的協(xié)調(diào)控制提高電壓慣性以及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。
圖7 慣性與阻尼協(xié)調(diào)控制原理圖
圖8 自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制時(shí)k2的變化曲線
為了驗(yàn)證本文所提出的慣性與阻尼協(xié)調(diào)控制策略的有效性,在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建了如圖1所示的直流微電網(wǎng)模型,相應(yīng)的參數(shù)如表1所示。
圖11 阻尼特性
圖12 慣性與阻尼協(xié)調(diào)控制
圖13 k1 = 50、k2 = ?3 ~ ?25根軌跡
圖14 所提控制與傳統(tǒng)下垂控制性
圖15 協(xié)調(diào)控制過程中k2的變化
本文研究了直流微電網(wǎng)的慣性與阻尼特性,根據(jù)電壓的變化率設(shè)計(jì)了自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制策略,能夠提高系統(tǒng)的慣性與阻尼。通過對(duì)所提策略的仿真驗(yàn)證與理論分析,得出如下結(jié)論:
1) 變下垂控制雖然能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供虛擬慣性,但是直流微電網(wǎng)具有弱阻尼特性,在功率頻繁擾動(dòng)的系統(tǒng)中,其面臨持續(xù)振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。
2) 在變下垂控制的基礎(chǔ)上,分析得到慣性調(diào)節(jié)系數(shù)在一定范圍內(nèi)取負(fù)值時(shí),能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼,且阻尼特性的實(shí)現(xiàn)并不會(huì)過多增加控制的復(fù)雜性。
3) 基于變下垂控制,提出了一種慣性與阻尼的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制,彌補(bǔ)了慣性控制與阻尼控制的不足,使得系統(tǒng)同時(shí)具備高慣性和強(qiáng)阻尼特性。
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Adaptive coordinated control of inertia and damping for DC microgrid
MENG Fei, QU Hua, GUO Tianheng, DU Yankun, FENG Yunliang
(Project and Supply Chain Service Center of Zhongshan Power Supply Bureau, Zhongshan 528401, China)
With the continuous access of distributed generation units, DC microgrid gradually presents the characteristics of low inertia and weak damping, and the DC bus voltage will suddenly change or become unstable with power disturbance. In this paper, variable droop control is used to provide virtual inertia for the system. Through root locus analysis, it is proved that when variable droop control provides virtual inertia for the system, the damping of the system will be weakened, resulting in the risk of continuous oscillation of DC microgrid. On this basis, this paper designs an adaptive coordinated control strategy of virtual inertia and damping. Its control function takes voltage as the independent variable to provide virtual inertia and active damping for the system under large disturbance and small disturbance, so as to improve the low inertia and weak damping characteristics of DC microgrid and ensure the safe and stable operation of the system. The effectiveness of the proposed coordinated control strategy is verified by building a DC microgrid model on the Matlab/Simulink simulation platform.
DC microgrid; variable droop control; virtual inertia; active damping; adaptive coordinated control
10.19783/j.cnki.pspc.211734
國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助(51977001);廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司基建技術(shù)創(chuàng)新課題(032000WS22180001)
This work is supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China (No. 51977001).
2021-12-19;
2022-02-12
孟 飛(1987—),男,通信作者,學(xué)士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)輸變電工程建設(shè)與運(yùn)維;E-mail: Blackstar_002@sina.cn
曲 驊(1982—),男,學(xué)士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化與輸變電工程建設(shè);E-mail: quhua8212@163.com
郭添亨(1990—),男,學(xué)士,工程師,研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)輸變電工程建設(shè)與智能運(yùn)維。E-mail: 13923334599@139.com
(編輯 魏小麗)