含虚拟惯量模型的并网冲击电流预测及虚拟惯量选取方法

摘要

本发明公开了一种含虚拟惯量模型的并网冲击电流预测及虚拟惯量选取方法，该方法针对引入了虚拟惯量的微电网下垂控制模型，基于并网暂态模型的数学分析，给出了虚拟惯量对冲击电流影响的预测计算式，并给出了通过合理选取虚拟惯量值以抑制冲击电流的方法。在该方法下，系统动态性能好，并网过程平滑无冲击，对实际工程设计有较为重要的指导意义与实用价值。

权利要求

1.一种含虚拟惯量模型的并网冲击电流预测及虚拟惯量选取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对微电网电路进行等效电路变换，并求取微电网电路的等效电路电压vd与输出阻抗Zo，Zo＝jX，X为控制策略中引入的虚拟电抗值；

步骤2、根据步骤1中计算得到的微电网电路的等效电路电压vd得到电压源的幅值Vd与相角θd；测取微电网与主电网的公共连接点的电压幅值Vp与相角θp；

步骤3、选取虚拟惯量值J；

步骤4、根据步骤2得到的电压源的幅值Vd与相角θd、公共连接点的电压幅值Vp与相角θp以及步骤3所选取的虚拟惯量值J，计算并网冲击电流幅值Ig和并网冲击电流的衰减速度v；

步骤5、根据步骤1得到输出阻抗Zo和步骤2得到的电压源的幅值Vd与公共连接点的电压幅值Vp计算虚拟惯量临界值Jc，并根据虚拟惯量临界值Jc确定虚拟惯量值；

所述步骤4中，并网冲击电流幅值Ig的计算公式如下：其中，ΔP的计算公式如下：

上式中， K＝3VdVp/2X；

其中，Vg为主电网电压幅值，ΔQ为并网发生时候系统产生的无功功率冲击值；ΔP为并网发生时候系统产生的有功功率冲击值，kp为有功下垂系数；Δω为微电网输出电压与主电网电压的角频率差；

所述步骤5中，虚拟惯量临界值Jc的计算公式为： 其中，kp为有功下垂系数。

2.根据权利要求1所述的一种含虚拟惯量模型的并网冲击电流预测及虚拟惯量选取方法，其特征在于，所述步骤1中，微电网电路的等效电路电压vd的计算公式为：vd＝vref，vref为下垂方程计算得到的参考电压相量。

3.根据权利要求1所述的一种含虚拟惯量模型的并网冲击电流预测及虚拟惯量选取方法，其特征在于，所述步骤4中，并网冲击电流衰减速度v的计算公式为： kp为有功下垂系数。

4.根据权利要求1所述的一种含虚拟惯量模型的并网冲击电流预测及虚拟惯量选取方法，其特征在于，所述步骤5中，选取的虚拟惯量值为Jc的50％～60％。

5.根据权利要求4所述的一种含虚拟惯量模型的并网冲击电流预测及虚拟惯量选取方法，其特征在于，所述步骤5中，选取的虚拟惯量值为Jc的50％。

说明书

含虚拟惯量模型的并网冲击电流预测及虚拟惯量选取方法

技术领域

[0001] 本发明属于微电网并网控制技术领域，具体涉及一种含虚拟惯量模型的并网冲击电流预测及虚拟惯量选取方法。

背景技术

[0002] 随着新能源的迅速发展，分布式发电被广泛引用，从而引起了诸多研究者对于微电网的关注。微电网可以工作在孤岛与并网两种模式下，其主要采用下垂控制。为了获得更
好的动态性能，虚拟惯量(J)被引入到控制环中。虚拟惯量对于提高孤岛运行下的微电网动
态性有积极的作用，但是其对于并网冲击电流产生的一些不利影响却没有被解决，如何解
决虚拟惯量带来的冲击也是一个待研究的课题。

发明内容

[0003] 本发明提供了一种含虚拟惯量模型的并网冲击电流预测及虚拟惯量选取方法，该方法基于微电网并网暂态模型，通过系列理论推导给出，并结合并网冲击电流的预测计算
式得出了临界虚拟惯量值的计算公式，从而选取合理的虚拟惯量值抑制并网冲击电流。

[0004] 为达到上述目的，本发明所述一种含虚拟惯量模型的并网冲击电流预测及虚拟惯量选取方法，包括以下步骤：

[0005] 步骤1、对微电网电路进行等效电路变换，并求取微电网电路的等效电路电压vd与输出阻抗Zo，Zo＝jX，X为控制策略中引入的虚拟电抗值；

[0006] 步骤2、根据步骤1中计算得到的电路电压vd得到电压源的幅值Vd与相角θd；测取微电网与主电网的公共连接点的电压幅值Vp与相角θp；

[0007] 步骤3、选取虚拟惯量值J；

[0008] 步骤4、根据步骤2得到的电压源的幅值Vd与相角θd、公共连接点的电压幅值Vp与相角θp以及步骤3所选取的虚拟惯量值J，计算并网冲击电流幅值Ig和并网冲击电流的衰减速
度v；

[0009] 步骤5、根据步骤1得到输出阻抗Zo和步骤2得到的电压源的幅值Vd与公共连接点的电压幅值Vp计算虚拟惯量临界值Jc，并根据虚拟惯量临界值Jc确定虚拟惯量值。

[0010] 进一步的，步骤1中，微电网电路的等效电路电压vd的计算公式为：vd＝vref，vref为下垂方程计算得到的参考电压相量。

[0011] 进一步的，步骤4中，并网冲击电流幅值Ig的计算公式如下：

[0012]

[0013] 其中，ΔP的计算公式如下：

[0014]

[0015] 其中， K＝3VdVp/2X；

[0016] Vg为主电网电压幅值，ΔQ为并网发生时候系统产生的无功功率冲击值；ΔP为并网发生时候系统产生的有功功率冲击值，kp为有功下垂系数。

[0017] 进一步的，步骤4中，并网冲击电流衰减速度v的计算公式为： kp为有功下垂系数。

[0018] 进一步的，步骤5中，虚拟惯量临界值Jc的计算公式为： 其中，kp为有功下垂系数。

[0019] 进一步的，步骤5中，选取的虚拟惯量值为Jc的50％～60％。

[0020] 进一步的，步骤5中，选取的虚拟惯量值为Jc的50％。

[0021] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

[0022] 本发明针对以上问题，通过建立并网暂态模型，详细分析了虚拟惯量对于并网冲击电流的影响，建立了数学表达式以预测虚拟惯量对并网冲击电流初始幅值、衰减趋势和
衰减时间的影响。

[0023] 进一步地，提出了合理设计虚拟惯量值的计算公式，从而有效抑制并网冲击电流的产生，使微电网可以平滑无冲击的完成并网过程。临界值计算式简洁明了，通过该式选取
的虚拟惯量值，能够抑制并网冲击电流，实现平滑无冲击并网。通过该式选取的虚拟惯量值
对系统的稳定性与动态性产生的有利影响十分显著，具有较高的应用价值与工程指导意
义。此外，搭建了系统仿真模型，对所提出的冲击电流抑制方法进行了仿真验证，证明了该
方法的正确性与可靠性。

附图说明

[0024] 图1为微电网逆变电源的控制框图；

[0025] 图2为简化后的并网电路模型图；

[0026] 图3为微电网有功功率控制环的控制框图；

[0027] 图4a为虚拟惯量J＝1时，并网冲击电流的仿真结果；

[0028] 图4b为虚拟惯量J＝10时，并网冲击电流的仿真结果；

[0029] 图4c为虚拟惯量J＝50时，并网冲击电流的仿真结果；

[0030] 图4d为虚拟惯量J＝102时，并网冲击电流的仿真结果；

[0031] 图4e为虚拟惯量J＝5×102时，并网冲击电流的仿真结果；

[0032] 图4f为虚拟惯量J＝103时，并网冲击电流的仿真结果；

[0033] 图4g为虚拟惯量J＝104时，并网冲击电流的仿真结果；

[0034] 图4h为虚拟惯量J＝105时，并网冲击电流的仿真结果。

具体实施方式

[0035] 为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于
限定本发明。

[0036] 本发明针对采用了下垂控制与虚拟惯量相结合控制策略的微电网并网暂态过程中，基于虚拟惯量对并网冲击电流的进行预测和抑制。

[0037] 在介绍具体实施步骤前，先对所用到的公式中的变量做如下诠释：

[0038] (1)J：虚拟惯量值；

[0039] (2)ω逆变电源输出角频率；

[0040] (3)V：逆变电源输出电压幅值；

[0041] (4)ω*和V*：逆变电源额定角频率；

[0042] (5)V*：逆变电源额定电压幅值；

[0043] (6)kp：有功下垂系数；

[0044] (7)kq：无功下垂系数；

[0045] (8)Q：逆变电源输出的平均无功功率；

[0046] (9)Pref：有功功率参考值；

[0047] (10)Qref：无功功率参考值；

[0048] (11)X：控制策略中引入的虚拟电抗值；

[0049] (12)vref：下垂方程计算得到的参考电压相量，vref＝Vsinωt；

[0050] (13)vs：戴维南等效电路的电压相量值；

[0051] (14)Vs：戴维南等效电路的电压幅值；

[0052] (15)Δθ0：微电网输出电压与主电网电压的相角差；

[0053] (16)Δω：微电网输出电压与主电网电压的角频率差；

[0054] (17)ΔP：并网发生时候系统产生的有功功率冲击值；

[0055] 参照图1，一种含虚拟惯量模型的并网冲击电流预测及虚拟惯量选取方法，具体实施步骤如下所述：

[0056] 针对引入了虚拟惯量的微电网下垂控制模型，采用该策略进行并网冲击电流的预测与抑制。

[0057] 步骤1、微电网控制方程为下式或其变形式：

[0058]

[0059] 步骤2、根据附图1所示，对微电网电路进行戴维南等效电路的变换，按照下述公式求取微电网电路的等效电路电压vd与输出阻抗Zo的值：

[0060] Zo＝jX,vd＝vref   (b)；

[0061] 步骤3、利用戴维南等效电路将微电网的并网模型简化为如附图2所示的电路拓扑，根据步骤2中计算得到的电路电压vd可得到电压源的幅值Vd与相角θd。测取微电网与主
电网的公共连接点(PCC)的电压幅值Vp与相角θp。

[0062] 步骤4、虚拟惯量值J为一变化量，根据实际需求选取。

[0063] 步骤5、并网冲击电流预测式如下：

[0064] 并网冲击电流幅值Ig：

[0065]

[0066] 并网发生时候系统产生的有功功率冲击值ΔP的计算公式如下：

[0067]

[0068] 其中 K＝3VdVp/2X，Vg为主电网电压幅值。可以根据上式对并网冲击电流的冲击幅值与衰减速度进行预测计算。可以通过e的指数的系数 对衰减速度v
定性估算，当该数绝对值大于等于1时，越大冲击电流衰减速度越快；当该数绝对值小于1
时，越大衰减速度越慢。

[0069]

[0070] 步骤6、虚拟惯量临界值计算式如下：

[0071]

[0072] 在设计控制策略时，选取虚拟惯量值为Jc的50％-60％时，可以有效抑制并网冲击电流，得到平滑无冲击的并网效果，如附图4c所示。

[0073] 理论推导过程：

[0074] 下面结合附图对本发明做进一步的详述，包括并网暂态模型的建立、预测公式的理论推导过程。

[0075] 引入了虚拟惯量后的下垂控制方程为：

[0076]

[0077] 在实际微电网中，逆变电源大多被控成一个电压源，它的控制框图如图1所示。在这一控制策略下，微电网逆变电源模型可以等效为一个戴维南电路，通过计算得到等效电
路的参数值。

[0078] 由图1可得：

[0079] 其中：vo为直流电源经过三相逆变后的三相输出电压，vref为经过下垂控制方程求得的参考电压相量，vr为虚拟阻抗引起的电压降，vc为滤波电容端电压；iL为流过滤波电感
的电流，io为微电网的输出电流；Zc(s)为滤波电容的传递函数，ZLL(s)为滤波电感的传递函
数，Zr(s)为虚拟阻抗的传递函数；GV(s)为电压外环的传递函数，GI(s)为电流内环的传递函
数，GPWM(s)为逆变器的等效传递函数。

[0080] 考虑实际设计过程中双环控制器的带宽问题以及电路的均流问题，加上虚拟阻抗一般被设计为纯感性的，消除无关变量后可以得到：

[0081] Zo＝jX,vs＝vref              (3)

[0082] 于是可以得到如图2所示的并网电路模型。由于虚拟惯量只对有功功率的控制环产生了影响，同时微电网与主电网的电压幅值差一般很小，因此可以忽略无功功率变化带
来的影响。由图2，逆变电源电压与公共连接点(PCC)电压的相角差一般很小，因此可以计算
得微电网输出的有功功率P：

[0083]

[0084] 将求得的功率表达式与下垂控制方程——公式(5)相结合，可以得到如图3所示的功率控制框图，虚线部分是并网发生时系统产生的阶跃响应，也就是冲击电流产生的原因，
可以得到冲击电流的预测式：

[0085]

[0086] 由图3，求取并网发生时系统的闭环传递函数，根据自动控制原理，可以得到并网引入的阶跃信号Δθ0与Δω产生的阶跃响应，即并网发生时候系统产生的有功功率冲击值
ΔP，其在频域的表达式为：

[0087]

[0088] 其中Δθ0和Δω分别是微电网输出电压与主电网电压的相角差和角频率差值，K＝3VdVp/2X，Vd和Vp分别是逆变电源输出电压幅值与公共连接点(PCC)电压幅值。对该式进
行反拉普拉斯变换后就可以得到最终的冲击电流预测计算式：

[0089]

[0090] 其中， 根据a的表达式可知，当 时，a≈1/2，此时式(7)将成为一个常数表达式，冲击电流将达到最小；结合式(6)作频域分析的结果，推导而出临
界虚拟惯量的计算公式：

[0091]

[0092] 在设计控制策略时，选取虚拟惯量值为Jc×(50％-60％)，即可有效抑制并网冲击电流，实现无冲击平滑并网。图4a-图4h所示仿真结果证明了这一方法的准确性与可靠性。

[0093] 仿真所用参数计算得到的临界值Jc约为100。如图4a和图4b所示，当虚拟惯量值选取得太小时，其对系统的性能毫无影响，相当于没有引入这一控制策略；图4c展示了选取合
适的虚拟惯量值为50时系统取得的平滑并网效果；图4d至图4h表明了随着虚拟惯量值的进
一步增大，系统将陷入不稳定状态，冲击电流将达到非常大，使电气设备损坏，这一点符合
预测计算式的理论推测结果。

[0094] 综上所述，该方法针对引入了虚拟惯量的微电网下垂控制模型，基于并网暂态模型的数学分析，给出了虚拟惯量对冲击电流影响的预测计算式，并给出了通过合理选取虚
拟惯量值以抑制冲击电流的方法。在该方法下，系统动态性能好，并网过程平滑无冲击，对
实际工程设计有较为重要的指导意义与实用价值。该方法提供的冲击电流抑制方法实用可
行，对于工程设计具有较为重要的指导意义。

[0095] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书
的保护范围之内。