学术简报｜基于灵活虚拟惯性控制的直流微网小信号建模及参数分析

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联合主办

中国电工技术学会

北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室

联合承办

中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会

国家高速列车技术创新中心

《电气技术》杂志社

会议日期/地点

2019年10月25-27日/山东青岛

摘要

华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室的研究人员孟建辉、邹培根、王毅、王琛，在2019年第12期《电工技术学报》上撰文指出，直流微电网是小惯性系统，负荷突变和新能源出力波动等因素都会影响直流母线电压的稳定。

针对此问题，首先类比交流系统中的虚拟同步发电机（VSG）技术，根据交、直流系统间各变量的对应关系，提出一种应用于直流微电网的灵活虚拟惯性（FVI）控制策略，为受到扰动时的直流微网提供灵活可调的惯性支持，以提高系统的电压稳定性；其次，构建基于FVI控制的六端直流微网小信号模型，并通过灵敏度计算及根轨迹分析揭示了主要控制参数变化对系统虚拟惯性及直流电压稳定性的影响规律，为参数的选择提供了依据；最后，通过实时仿真证明所提控制方法的优越性及理论分析的正确性。

直流电网在网络结构、运行方式等方面更适合大规模的新能源接入，与交流电网相比，直流电网无频率和相位同步问题，且具有结构简单、线路损耗低、可控性及可靠性高等优势。但是，相比于交流电网，直流电网是几乎不具备惯性的，这使得负载的突然增减、新能源出力的随机波动以及系统突发性的故障等扰动都会影响系统直流母线电压的稳定。

目前，虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制作为一种能够为交流系统提供一定惯性支持从而提高系统频率稳定性的控制方法已经成为一个研究热点，它可以使分布式电源（Distributed Generator, DG）模拟出与同步发电机相似的特性。

文献[11]将虚拟同步发电机控制策略应用在多能互补的微电网中，可以灵活实现并网与离网的切换。文献[13-17]对虚拟惯量恒定的VSG进行改进，根据系统动态情况及时灵活地调整系统的惯性时间常数值，可显著提高系统的稳定性。目前，关于虚拟同步发电机控制的研究主要应用于交流领域，为交流系统提供一定的惯性，从而增强系统的频率稳定性。

实际上，传统的交流系统和目前所研究的直流系统之间有些变量具有可类比性，具备一一对应的关系，若能将传统交流系统中的VSG控制通过类比应用到直流微电网的惯性控制中，将对直流电网的应用和发展具有重要意义。

文献[18]基于交直流微网间各变量的对应关系，在类比交流系统中VSG控制方法的基础上提出了一种直流微网的虚拟惯性控制，减弱了负载突然增减、新能源出力随机波动以及系统突发性的故障等扰动对系统直流电压的稳定性造成的严重影响，改善了直流电压的动态性能，进而提高了电能质量。但是其虚拟惯量是恒定的，若能使虚拟惯量根据系统的动态情况进行自适应调节，将会更有利于改善直流电压的稳定性。

因此，目前直流微网虚拟惯性控制的研究还存在如下问题：第一，很少有研究将虚拟惯性与直流电压变化率建立起联系，来利用虚拟惯量灵活可调的优势，对于惯性的自适应调节问题研究不够深入；第二，直流微网采用自适应虚拟惯性控制时相关控制参数的变化会影响到系统虚拟惯性的大小，进而影响电压稳定性，探究灵活虚拟惯性主要控制参数的变化对系统直流电压稳定性的影响规律对参数选择具有重要意义，目前还缺乏这方面的研究。

针对问题一，本文在文献[18]的基础上进行改进，提出了一种直流微电网的灵活虚拟惯性（Flexible Virtual Inertia, FVI）控制策略，在直流微网受到扰动时为其提供灵活可调的惯性支持，减小直流电压突变量和随机波动幅度，进而提高直流电压质量。

针对问题二，本文选择包含风电、光伏、储能、交直流负载和交流主网的六端直流微网作为研究对象，通过建立其小信号模型、灵敏度分析和绘制根轨迹，揭示了FVI相关控制参数对系统虚拟惯性的影响规律，进而得到对直流母线电压稳定性的影响规律，为控制参数的选取提供依据，最后通过实时仿真证明了理论分析的正确性。

图2  基于灵活虚拟惯性控制的G-VSC的控制框图

图10  直流微网实时仿真系统

结论

本文根据交、直流系统之间相关变量的类比和对应关系，基于交流系统中VSG技术提出了一种直流微网的灵活虚拟惯性控制方法；通过构建六端直流微网小信号模型、灵敏度计算及绘制根轨迹的方法，探究了主要控制参数对系统虚拟惯性及直流电压稳定性的影响规律，结论如下：

1）为了更好地改善系统直流电压的动态响应及稳定性，在设计虚拟电容表达式时，应兼顾使Cv根据实际情况灵活变化和避免Cv频繁切换来减弱系统振荡这两个原则。

2）与无虚拟惯性控制的系统相比，附加所提FVI控制可以为系统提供灵活可调的惯性，从而改善系统的电能质量，并且揭示了所提FVI控制中关键参数k1和k2对系统虚拟惯性的影响规律，进而得到对直流电压稳定性的影响规律，为控制参数的大小选择提供了一定的理论依据。

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