王书征(1983),男,博士,副教授,研究方向为直流配电网运行与控制(E-mail:
张少文(1998),男,硕士在读,研究方向为直流配电网运行与控制
朱海铭(1996),男,硕士在读,研究方向为分布式光伏调频技术
伴随高密度分布式电源接入,电网惯量水平持续下降,尤其是在新能源独立供电条件下,其惯量远远低于最低惯量需求。通过对端口换流器施加虚拟直流电机控制策略,可以利用控制参数灵活调整系统惯量,减少电网惯量差额,增强电网的稳定性。但该控制方法虚拟出的等效惯量大小暂不明确,虚拟惯量对等效惯量的影响也有待进一步探究。据此,文中首先在虚拟直流电机模型的基础上,利用小信号模型分析虚拟惯量与等效惯量对系统动态特性的影响,指出两者的惯量等效关系。其次,基于虚拟惯量与等效惯量的对应关系,提出一种利用弗雷歇算法度量电压曲线相似度的等效惯量计算方法,明确虚拟直流电机控制的等效惯量大小。然后,引入相关性约束与曲线特征约束,提出一种改进弗雷歇算法,保证等效惯量计算的正确性。最后,采用最优拟合方式实现惯量等效关系的函数化,给出虚拟惯量与等效惯量间的数量关系。仿真结果验证了文中所提等效惯量计算方法的有效性。
With the access of high-density distributed power generation, the inertia level of power grid continues to decline. Especially under the condition of independent power supply of new energy, the inertia level of power grid is far lower than the minimum inertia demand. By applying the virtual DC motor control strategy to the port converter, the system inertia can be flexibly adjusted by using the control parameters to reduce the inertia difference of the power grid and enhance the stability of the power grid. However, the magnitude of the virtual equivalent inertia of the control method is not clear, and the influence of the virtual inertia on the equivalent inertia needs to be further explored. Therefore, based on the virtual DC motor model, the small signal model is used to analyze the influence of virtual inertia and equivalent inertia on the dynamic characteristics of the system, and the equivalent relationship between them is pointed out. Secondly, based on the corresponding relationship between the virtual inertia and the equivalent inertia, an equivalent inertia calculation method which uses the voltage curve similarity measured by Frecher algorithm is proposed to determine the equivalent inertia of the virtual DC motor control. Then, the correlation constraint and curve feature constraint are introduced, and an improved Frecher algorithm is proposed to ensure the correctness of the equivalent inertia calculation. Finally, the optimal fitting method is used to realize the function of the equivalent inertia relationship, and the quantitative relationship between the virtual inertia and the equivalent inertia is given. The simulation results verify the effectiveness of the proposed equivalent inertia calculation method.
随着新型电力系统的构建,分布式电源、数据中心、电动汽车等新型直流源荷比重将进一步增大,配电网的直流特征愈发明显[
针对微电网的低惯量问题,国内外学者从换流器控制方式出发,提出多种虚拟惯性控制方法[
基于此,文中提出一种基于改进弗雷歇算法的VDCM等效惯量计算方法。首先,基于虚拟惯量与等效惯量的小信号模型,确立惯量等效关系。然后,利用弗雷歇算法度量虚拟惯量与等效惯量的电压阶跃响应曲线相似度,建立两者数值的对应关系。最后,采用基于方差、决定系数、标准差的最优拟合方式,实现惯量等效关系的函数化。针对弗雷歇算法的局部性与准确性问题,提出基于相关性约束与曲线特征约束的改进弗雷歇算法,综合考虑系统的稳态与暂态特征,提高等效惯量计算的准确性。
文中针对
直流微电网架构
Architecture of DC microgrid
VDCM由BDDC、直流母线电容
为模拟直流电机的惯性特性,提升微电网电压稳定性,针对上述BDDC,在双环控制的基础上,引入虚拟角速度
其中:
式中:
VDCM电枢方程为:
式中:
VDCM机械方程为[
式中:
VDCM控制电路如
VDCM控制框图
Block diagram of VDCM control
VDCM控制分为3个目标:电压调节、惯性仿真和电流调节。首先,将直流母线电压
由于直流微电网的惯性主要由电容提供,而直流微电网中母线侧电容受制于体积与成本,容量较小,母线电压无法获得有效的惯性支撑[
式中:
从式(6)可以看出,
结合
对
从式(6)、式(8)可以看出,惯量仿真模块的小信号模型与
为验证
式中:
式中:
依据上述传递函数,可建立
VDCM小信号模型
Small signal model of VDCM
其中
VDCM参数
VDCM parameters
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
400 | 0.1 | |||
5 | 0.3 | |||
5.1 | 314 |
Influence of
Influence of
由
此外,分析
式中:
依据文献[
为明确VDCM控制所虚拟出的
假设曲线
度量函数下2条曲线在第
可以得出最终弗雷歇距离为:
由式(15)—式(17)发现,弗雷歇距离将部分匹配点之间的距离作为相似性结果的一部分,是一种局部匹配度量法,未考虑系统的稳态与暂态特征。
为提高弗雷歇距离的准确性与全局性,在计算‖
相关性约束:为了保证2条曲线的全局相关性,引入皮尔逊相关系数
曲线特征约束:电压偏差是衡量电能质量的一项基本指标,电压偏差一般用电压偏差值与系统标称电压的百分比表示。此外,面对风、光等间歇性能源输出功率波动、负荷投切等常见扰动时,直流配电系统将会面临更多快速的功率波动,因此换流器输出电压须尽量避免电压超调,保证系统的暂态特性。
综上,通过规定曲线相对超调量Δ
式中:Δ
基于改进弗雷歇算法与
基于改进弗雷歇算法的等效惯量计算流程
Equivalent inertia calculation flow based on improved Frecher algorithm
为验证改进弗雷歇算法在VDCM等效惯量计算中的有效性,依据上述等效惯量计算流程,分别对比传统弗雷歇算法与改进弗雷歇算法的弗雷歇距离、相对超调量、电压偏差与相关系数,其结果分别如
弗雷歇距离对比
Comparison of Frecher distance
相对超调量对比
Comparison of relative overshoot
电压偏差对比
Comparison of relative voltage deviation
相关系数对比
Comparison of correlation coefficient
从
综上,相对于传统弗雷歇算法,改进后弗雷歇算法虽然扩大了2条曲线间的弗雷歇距离,但增加了曲线相关性与曲线特征相似度,提高了电压曲线对比的准确性,保证了等效惯量计算的正确性。
基于改进弗雷歇算法获取的
拟合方式对比
Comparison of fitting methods
拟合方式 | 和方差 | 决定系数 | 标准差 |
幂函数逼近 | 4.51×10-8 | 0.969 5 | 3.83×10-5 |
有理数逼近 | 2.52×10-8 | 0.983 1 | 3.11×10-5 |
多项式逼近 | 3.08×10-9 | 0.997 9 | 1.01×10-5 |
由
其中
为验证VDCM控制的有效性以及所提等效惯量计算方式的正确性,在PSCAD/EMTDC中搭建
不同控制方式下的直流母线电压
DC bus voltage under different control modes
由
因此,相比于双环控制,VDCM控制与并联电容策略可以有效抑制电压突变,提高系统的稳定性。此外,VDCM控制与并联电容策略在改善电压质量、增强直流系统惯性能力方面具有类似性,验证了VDCM控制中
通过对比不同
不同等效惯量下母线电压波形
Bus voltage waveforms at different kinds of equivalent inertia
对比
不同算法下母线电压波形
Bus voltage waveforms under different algorithms
依据
为充分验证惯量等效关系的准确性,文中采用上述计算方法分别在阈值约束范围内、外各取3组等效惯量的对应数据,对惯量等效关系曲线进行验证,结果如
惯量等效关系验证结果
Verification results of equivalence relation of inertia
由
文中提出一种基于改进弗雷歇算法的VDCM控制惯量等效关系计算方法,并以直流微电网为应用场景对该方法进行了验证,得出以下结论:
(1) 与双环控制相比,VDCM控制能够抑制直流母线电压突变,降低母线电压超调量,提高系统惯量,且通过小信号模型分析以及仿真结果发现
(2) 与传统弗雷歇算法相比,文中提出的基于相关性约束与曲线特征约束的改进弗雷歇算法充分考虑了系统的稳态与暂态特征,提高了弗雷歇算法准确性,保证了等效惯量计算结果的有效性。
(3) 等效惯量计算方法以函数形式具现了
本文得到江苏省研究生科研与实践创新计划项目(SJCX22_1083),南京工程学院校级基金项目(CKJB202114)资助,谨此致谢!
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