华北电力大学朱晓荣等：直流微网虚拟惯性控制技术

风储直流微网虚拟惯性控制技术

朱晓荣，蔡杰，王毅，等

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.01.005

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研究背景

　　在能源需求和环境保护双重压力下，国际上已将更多目光投向了既可提高传统能源利用效率又能充分利用各种可再生能源的分布式发电相关技术领域。微网技术是发挥分布式电源效能的有效方式，具有重要的经济意义和社会价值。传统对微电网的研究主要集中在交流微电网上，但是随着大量直流微源的出现，以及负荷侧对直流功率需求的提高，直流微电网逐渐得到了人们的重视。直流微网优点突出，但是其缺点也非常明显，即并不像交流微网一样具有较大的惯性，这严重影响了直流母线电压的电压质量。

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论文所解决的问题及意义

　　为提高风储直流微网的惯性，改善其直流电压的电压质量，本文在深入研究目前直流微网电压分层控制策略的基础上，阐述了直流微网虚拟惯量的概念，提出了直流微网各变流器虚拟惯性控制策略。

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论文重点内容

　　由传统同步发电机的惯性时间常数推广至直流微网，可得风储直流微网的惯性时间常数，如式(1)所示，其物理意义为额定电压下电容所存储的能量全部释放所需要的时间。

式中：W_ki为电容器Ci存储的电能；C_i为并联电容值；S_Nci为第i个电容的容量。可见，电容器的电容值C越大，在额定电压下所存储的能量越多，系统受到扰动瞬间释放出的能量就越多，从而惯性时间常数就越大，系统的惯量越大。

　　直流微网虚拟惯性整体控制框图如图1所示。

图1  直流微网基于协调虚拟惯性控制策略的整体控制框图

　　图1中，式(2)—(4)表达式如下：

　　加入虚拟惯性控制后系统的惯性时间常数为：

式中：C_vir为虚拟电容值；m为参与惯性控制的变流器个数。

　　将直流母线电压与大电网瞬时功率调节、蓄电池下垂系数调节以及风电机组转速调节联系在一起，使得各变流器在系统受到扰动时在各自直流侧虚拟出较大的电容值。风力发电机以及大电网通过虚拟惯性控制所等效出来的虚拟电容值如式(6)所示，为蓄电池等效出来的虚拟电容值如式(7)所示。

式中：k_dc和k_dcB为电压调整系数；p_n和J分别为极对数和同步电机转动惯量；δu为受到扰动时的电压偏移量。

　　图2为并网情况下，负荷突增时仿真图，随着电压调整系数k_dcW和k_dcG的增大，系统惯性越大，电压趋于稳定的时间增长，这有利于下一时刻负荷变化时，改善电压质量，提高母线电压支撑能力。离网运行情况类似。

图2  并网时基于协调虚拟惯性控制系统仿真图

　　图3为负荷短时随机波动及有无惯性控制时直流电压的动态响应仿真图。从电压曲线可以看出，在没加入虚拟惯性控制时，系统虽能稳定运行，但是电压波动较大；在加入协调虚拟惯性控制后，直流电压质量明显得到了改善。

图3  负荷随机波动时系统仿真图

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结论

　　本文针对风储直流微网的虚拟惯性控制展开研究，提出了直流微网虚拟惯性控制技术，有效地改善了直流微网电压质量。

引文信息

朱晓荣，蔡杰，王毅，等．风储直流微网虚拟惯性控制技术[J]．中国电机工程学报， 2016，36(1)：49-58．

Zhu Xiaorong，Cai Jie，Wang Yi，et al. Virtual inertia control of wind-battery-based DC micro-grid[J]. Proceedings of the CSEE，2016，36(1)：49-58(in Chinese)．

团队介绍

　　朱晓荣，华北电力大学副教授，长期从事新能源发电及并网技术、电力系统分析与控制领域的科研和教学工作。在中国电机工程学报、电工技术学报等国内重要学术期刊和大型国际学术会议上发表论文20余篇。

　　蔡杰，华北电力大学硕士，主要研究方向为新能源发电技术。

　　王毅，华北电力大学教授，主要研究方向包括风力发电并网控制技术、直流输电技术、电力电子技术在电力系统中的应用等。在IEEE、IET、电机工程学报等国内外学术期刊上发表论文40余篇，论文的SCI引用频次达200余次。

　　作者所在团队主要研究方向为电网友好新能源发电的协调控制技术、直流微电网控制策略以及新能源电力系统保护与控制等。

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