考虑SOC的混合储能功率分配与自适应虚拟惯性控制

电力电子化的直流配电网存在低惯性问题,不利于系统稳定运行。混合储能设备可向电网提供虚拟惯性,但不同类型的储能之间存在功率协调问题,并且储能的荷电状态(state of charge, SOC)对虚拟惯性的调节也有约束作用。针对上述问题,提出了一种自适应时间常数的分频控制策略,时间常数根据混合储能系统(hybridenergy storage system, HESS)的SOC而动态调整以改变功率分配。首先,通过分析储能SOC与虚拟惯性的关系,并考虑储能充放电极限问题,研究兼顾SOC、电压变化率以及电压幅值的自适应虚拟惯性控制策略,提高系统惯性。然后,建立控制系统的小信号模型,分析虚拟惯性系数对系统的影响。最后,基于Matlab/Simulink搭建直流配电网仿真模型,验证了所提控制策略能合理分配HESS功率,提高超级电容器利用率,改善直流电压与功率稳定性。

跟网型电化学储能虚拟惯性常数的常数化计算方法

在包含跟网型储能虚拟惯量控制的新型电力系统频率响应(SFR)建模应用中,跟网型储能的虚拟惯性常数具有时变特性,且无法聚合求解系统等效惯性常数,导致不能构建完整的SFR模型。基于此,提出了跟网型电化学储能虚拟惯性常数的常数化计算方法,通过计算具有等效惯性常数-能量支撑效果的常数化虚拟惯性常数,实现系统等效惯性常数的聚合求解。该方法根据能量变化关键节点和动态过程的约束条件,以及跟网型储能虚拟惯量响应的两阶段相异特征,建立了具有最相近能量变化的目标函数,以分段求解常数化虚拟惯性常数。最后,通过建立SFR模型,结合时域仿真法和相关评价指标验证了计算结果的精确性。

基于改进虚拟惯性控制的直流充电桩控制方法

直流充电桩充电速度快、效率高的优点使得电动汽车负载可以频繁投切,但其作为直流系统具有惯性小、阻尼弱的特点。为降低电动汽车负载投切对直流侧电压扰动的影响,文中提出一种基于改进虚拟惯性(virtual inertia,VI)控制的直流充电桩控制方法。首先,类比虚拟同步机(virtual synchronous machine,VSM)技术推出VI控制,赋予直流系统一定的惯性与阻尼支撑。其次,采用指令滤波反推积分滑模(command filter backstepping integral sliding mode,CFBISM)控制对VI控制进行改进,即采用积分滑模(integral sliding mode,ISM)控制优化VI控制,增强系统的鲁棒性,并采用指令滤波反推控制对其中关键参数进行重构,避免控制器出现计算膨胀现象,同时对电流内环采用改进ISM控制从而进一步提升控制效果。然后,通过Lyapunov稳定性判据证明所提控制方法的稳定性。最后,通过仿真对比验证了文中所提控制方法可将直流侧电压波动限制在2 V以内,动态响应速度提高约0.1 s,关键参数在稳态时的扰动限制在1 V左右,从而验证了其响应速度快、鲁棒性好的特性。

多换流器直流系统的虚拟惯性评估与控制参数协调设计

针对基于类虚拟同步发电机(AVSG)的多换流器直流系统遇到的非预期虚拟惯性问题,提出了一种多换流器直流系统虚拟惯性通用分析方法,有效修正了系统级等效AVSG外特性。首先,将多个AVSG控制回路等效为一个等值AVSG控制回路,建立了直流系统的等值单台AVSG模型。其次,提出了一种系统级虚拟惯性评估方法,从等值单台AVSG模型的输出阻抗频域响应特性角度对系统级虚拟惯性进行评估。然后,讨论了电压比例-积分(PI)控制参数对虚拟惯性特性的影响,并开展了电压PI控制参数和虚拟惯性系数间的协调设计。最后,在PLECS仿真软件及RT-BOX硬件在环实验平台上搭建了多换流器直流系统的开关模型,通过多种实验工况验证了等值单台AVSG模型和控制参数协调设计的有效性和可行性。

基于改进模型预测的并网变换器自适应虚拟惯性控制策略研究

针对低惯性直流微电网中母线电压易受网内功率波动影响的问题,提出了一种基于改进模型预测的直流微电网并网变换器自适应虚拟惯性控制策略。首先,电压外环引入自适应类虚拟同步发电机控制,通过将控制方程中的虚拟惯性参数与电压变化率结合起来,实现虚拟惯性参数的灵活可调。其次,在电流内环引入模型预测控制,并采用改进延时补偿算法,实现对给定电流值快速跟踪的同时改善控制系统的动态特性。最后,基于Matlab/Simulink建立了系统模型进行仿真。结果表明,与传统的虚拟惯性控制策略相比较,所提控制策略下的直流母线电压波动幅值更小且动态性能更佳,可以有效提高直流母线电压的稳定性和直流微电网的惯性。

基于虚拟惯性参数可行域的直流微电网高频振荡抑制

针对不合理虚拟惯性控制参数引发的直流微电网高频振荡失稳问题,提出了低通滤波器等效建模方法,建立了直流微电网的降阶模型及其电压闭环传递函数。从保证直流微电网小扰动稳定性角度出发,定义了以下垂系数和低通滤波控制带宽为参数空间的虚拟惯性参数可行域概念。基于电压闭环传递函数得到的零极点,提出了虚拟惯性参数可行域求解方法,该可行域为直流微电网的虚拟惯性控制参数设计提供了切实可行的指导依据。最后,利用PLECS软件搭建了基于开关模型的直流微电网仿真算例,多组仿真结果均验证了降阶模型和虚拟惯性控制参数可行域的有效性。

基于虚拟惯性控制的光伏直流微电网稳定性分析

在“双碳”目标下,直流微电网呈现低惯性特性,这对系统稳定运行造成不利影响。建立基于母线节点导纳网络的负反馈模型,利用其等效开环函数对系统稳定性进行分析。针对系统稳定裕度不足,提出将虚拟惯性控制引入光伏单元,实现光照变化较大情况下的母线电压平滑输出。理论分析与实验结果表明,所提控制方法在保证光伏利用率的基础上,对母线电压波动的抑制效果明显。

基于PMSG-WECS的双自适应虚拟惯性控制方法研究

基于提高电网的频率响应能力的目的,该文提出了一种基于永磁同步发电机(PMSG)的风力发电系统的双自适应虚拟惯性控制方法。通常情况下,采用虚拟惯性常数来模拟同步发电机,其释放的能量完全依赖于频率变化率(ROCOF)。然而,仅依赖于ROCOF并不能充分利用风机的惯性。为了获得更好的系统频率响应,该方法充分利用风力发电机(WT)的转子动能和风力发电系统(WECS)的直流链电容能量作为系统频率的支撑,并根据电网频率和电网频率变化率(ROCOF)自适应调节虚拟惯性参数,加速系统频率的恢复过程。通过仿真分析可知,提出的控制方法能更有效地利用风机动能和直流链电容的能量,减小了频率偏差和频率变化率。

基于模糊PID的考虑风速变化的虚拟惯性控制策略

为充分利用风电功率支撑能力,有效缓解机组调频压力,提升电网频率稳定性,提出基于模糊PID的考虑风速变化的虚拟惯性控制策略。构建风机的数学模型,依据该模型分析风机各个组成部分的运行特性,并构建风速模型。在考虑风速影响下,分析风速变化对于风机虚拟惯性控制的影响,设计模糊PID控制器,自适应动态调整虚拟惯性系数,实现频率控制;为避免虚拟惯性的控制结果发生超调控制,采用粒子群算法优化PID控制器的控制参数,设计粒子群优化的模糊PID控制器,完成虚拟惯性控制,保证电网频率稳定。测试结果显示:考虑风速变化完成虚拟惯性系数调整具有较好的合理性,能够实现该系数随着风速的动态变化进行自适应调整;在故障扰动和负荷突变两种工况下,电网频率的控制结果较好,稳定性较高,满足控制需求。

直流微网储能端的多模式虚拟惯性控制研究

提升直流微网惯性是避免引入恒功率直流负载引发直流电压振荡的关键。考虑系统在不同电压变化率下对补充功率响应速率要求的差异,文章首先提出直流微网储能蓄电池端的多模式虚拟惯性控制策略,采用线性和指数两种模式以不同速率提供惯性功率,减小直流电压波动;其次,推导两种模式下的等效虚拟电容表达式,建立虚拟电容与电压调整间的动态关系;最后,搭建含储能的直流微网系统仿真模型,验证所提控制策略对直流电压稳定支撑的有效性。

计及同步机惯性与储能虚拟惯性价值的电能、惯性及一次调频联合优化出清模型

高比例新能源发电并网将导致电力系统同步机惯性和频率响应资源减少,大扰动下电力系统频率安全问题凸显。目前,现货市场缺乏机制来激励惯性资源供应,而同步机惯性和储能虚拟惯性本身具有一定价值,因此可以考虑将他们纳入现货市场进行出清,以有效地维持系统频率稳定。为此,该文首先探讨同步发电机和储能提供惯性与一次调频的区别,并基于储能虚拟惯性延时推导两阶段响应过程的频率安全约束;其次,提出计及同步机惯性“块状”特性与储能能量预留系数的电能、惯性及一次调频日前出清模型,获取同步机惯性和虚拟惯性价值;最后,基于算例验证所提模型的有效性,并讨论不同参数设置对于出清结果的影响。

换相失败场景下虚拟惯性控制对风火打捆送端系统暂态过电压的影响分析

在直流系统换相失败期间,虚拟惯性控制在响应直驱风机并网点频率的同时,风机有功出力的改变将影响送端暂态过电压。为了分析虚拟惯性控制对送端暂态过电压的影响并指导虚拟惯性参数的选取,该文结合送端有功偏差量与无功偏差量的暂态变化特点,分析了风火打捆经直流送出系统场景下,换相失败期间整流侧换流母线暂态电压变化全过程。换相失败期间直流有功传输减小引起送端频率突增,虚拟惯性控制将减小风机发出的有功功率。通过分析表明,风机有功出力的减小将增大送端火电机组所在线路的有功偏差量,从而恶化送端暂态过电压。最后通过PSCAD平台,对上述内容进行了仿真验证,并分析了虚拟惯性控制比例、微分系数对过电压峰值的影响。得出虚拟惯性比例系数越大,火电机组所在线路的有功偏差量将越大,进而恶化送端暂态过电压的结论。

含风电虚拟惯性响应的新能源电力系统惯量估计

惯量精确估计是分析系统频率安全稳定的前提,而现有方法未能定量评估虚拟惯量对电网等效惯量的影响。鉴于此,文中提出一种含风电虚拟惯性响应的电力系统惯量估计方法。首先推导了含风电虚拟惯性响应的电力系统等效惯量理论表达式;其次利用同步相量测量单元(phasor measurement unit,PMU)获取发电装置节点处的有功-频率数据,然后将发电装置的有功输出功率作为辨识模型输入、频率扰动作为输出,利用受控自回归(controlled autoregressive,CAR)模型以及含有遗忘因子的递推最小二乘(time-varying forgetting factor recursive least squares,TFF-RLS)算法对不同风电渗透率下的全网等效惯量进行评估;最后通过改进的IEEE-10机39节点系统验证所提方法的可行性与适用性。与传统辨识方法相比,文中所提方法估计的惯量精确性有所提高,适用于新能源电力系统时变惯量估计。

基于灵活虚拟惯性控制的直流充电桩协同控制

直流系统具有小惯性、弱阻尼特征,而直流充电桩系统的负载投切相对频繁,会对母线电压稳定产生较大的影响。采用灵活虚拟惯性控制技术作为一次控制,使直流充电桩系统具备一定的惯性与阻尼支撑,从而改善直流充电桩控制系统的动态性能;采用惯性中心协同控制策略作为二次控制,调整各充电桩系统的输入电能,并对虚拟参数进行二次调节,从而保障各系统能在不同的参数下实现电压响应的一致性;利用反推法重新构造电流内环,以弥补传统比例积分控制动态性能较弱的问题。仿真结果验证了所提控制策略的有效性。

基于模型预测控制的直流微电网虚拟惯性优化方法

为了提高直流电压的稳定性、动态特性以及安全性,提出一种基于预测模型控制的直流微电网虚拟惯性滚动优化方法。首先,建立含虚拟惯性控制单元的直流微电网线性离散模型,用以预测系统输出量的未来趋势。其次,设计模型预测控制器:以直流电压跟踪误差、虚拟惯性系数两者的加权二次方和最小为目标,希望直流电压维持稳定并且惯性响应的强度不要太大;以直流电压及其变化率限制为约束,防止因动态电压超过安全阈值而导致切机、切负荷甚至系统崩溃问题;在每个采样时刻,求解各控制单元的虚拟惯性系数并将其输出,从而实现虚拟惯性的优化控制。同时,通过控制性能分析,给出控制器主要参数的选取原则。最后,通过负荷突变、风速随机波动等典型工况下的硬件在环测试,验证了所提方法的可行性和有效性。

直流微电网暂态自适应虚拟惯性控制策略及其参数可行域研究

附加虚拟电容控制能够挖掘直流微电网隐藏的惯性,从而缓解新能源渗透下直流母线电压对功率波动敏感的问题,但其无法满足系统在动态调节过程中灵活的惯性需求。为了向直流微电网提供灵活惯性支撑能力,通过在源侧换流器控制中耦合电压参数与惯性参数改变系统电量积累进程,提出一种能够实时响应微电网运行工况变化并投入可变虚拟电容的暂态自适应虚拟惯性控制策略。借助系统小信号模型和根轨迹分析,揭示惯性参数变化对系统稳定性的影响。在此基础上,采用控制理论配置极点的方法为参数选取提供有效约束,实现控制参数的优化设计。搭建五端直流微电网仿真系统,验证暂态自适应虚拟惯性控制提供的动态虚拟电容灵活的暂态自适应能力。

基于VSG的光伏及混合储能系统功率分配与虚拟惯性控制

在基于虚拟同步发电机(VSG)控制的光伏及混合储能系统中,不同类型的储能之间存在协调配合问题,其荷电状态(SOC)也与VSG的控制策略密切相关。针对该问题,提出了一种基于VSG的光伏及混合储能系统的协调控制策略。在逆变器直流侧引入混合储能系统,并基于VSG控制原理对其进行功率分配。根据储能SOC与VSG虚拟惯性之间的定量关系,设计了一种改进的虚拟惯性自适应控制策略,并给出相关参数的选取原则,在改善系统输出频率和功率动态响应的同时,对储能SOC进行控制。基于MATLAB/Simulink进行仿真,结果表明所提控制策略可以有效改善系统电压和频率的稳定性,实现混合储能之间功率的合理分配,提高储能的充放电性能并延长其寿命。

考虑SOC与电压信号的直流微电网变下垂截距虚拟惯性控制

为解决高渗透率直流微电网带来的低惯性问题,利用储能单元充放电提供的惯性支持能力,提出一种考虑SOC与电压信号的直流微电网变下垂截距虚拟惯性控制策略。首先,考虑荷电状态与电压波动约束,建立复合控制函数对下垂截距进行调节,使储能单元支撑功率均衡分配,又能跟随电压波动迅速动作,给系统提供惯性支持;其次,建立直流微电网小信号模型,给出变下垂截距定量约束,并论证了该约束内系统的稳定性;最后,利用MATLAB/Simulink仿真算例验证了该策略在储能单元充放电极限区域内的可行性,结果表明所提方法不仅能够增强系统惯性,还可实现储能单元的功率均衡。

考虑虚拟惯性时间常数和频率二次跌落的风电频率综合控制策略

首先,根据虚拟惯性时间常数对风电机组惯性支撑能力进行定量表征,进而分析转矩控制器参数对虚拟惯性时间常数的影响。在此基础上,提出一种自适应下垂控制与转矩控制器模糊自适应控制相结合的频率综合控制策略,实现对虚拟惯性时间常数的灵活调整,在抑制系统频率快速变化的同时,加快频率恢复,并可有效解决频率二次跌落问题。最后通过仿真验证所提控制策略的有效性以及对频率二次跌落的改善作用。

考虑加快电网频率恢复的风电机组自适应虚拟惯性控制策略

传统风电机组虚拟惯性控制的惯性时间常数较大,虽抑制了频率变化率(Rate of Change of Frequency,ROCOF),但也阻碍了频率的恢复。文章提出了一种风电机组自适应虚拟惯性控制,该控制在频率扰动初期能够提供适当的虚拟惯性支撑,同时在频率恢复期间加快频率恢复。首先,文章控制策略在频率跌落或者上升阶段,根据ROCOF的最大值,自适应计算出虚拟惯性时间常数。该值一直保持到ROCOF的极性发生变化,切换至根据ROCOF计算出的虚拟惯性时间常数,此时的ROCOF较小,虚拟惯性时间常数趋于零。故在频率恢复阶段,风电机组退出虚拟惯性支撑,从而帮助频率加快恢复。在PSCAD/EMTDC中搭建仿真算例,仿真结果,表明文章所提控制策略能够提供虚拟惯性支撑和加快扰动后频率恢复。