- 頭條華電學者提出一種考慮多約束指標的直流微電網虛擬電容控制方法2022-12-03 作者：張赟、王毅 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語作為解決高度電力電子化直流微電網低慣性問題的一種有效途徑，虛擬電容控制在實際工程應用中還需滿足一定約束條件以保證系統安全可靠運行。為此，綜合考慮蓄電池荷電狀態、直流電壓變化率、變流器瞬時輸出功率及變流器單位時間內輸出功率等影響因素，新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）的研究人員張赟、王毅、孟建輝、劉寶，在2022年《電工技術學報》增刊1上撰文，提出一種考慮多約束指標的虛擬電容控制方法。
直流微電網通過簡單拓撲結構集成光伏、風電等分布式能源（Distributed Energy Resources，DER）、儲能裝置和負載，同時克服了交流系統頻率瞬變、電網諧波等問題，具有廣闊的發展前景。作為分布式電源大規模接入的有效途徑，直流微電網通常呈現出非常低的慣性，母線電壓對于隨機性電源、負荷功率波動、故障擾動等因素造成的影響極為敏感，系統穩定性易受到威脅。
為釋放直流微電網的潛在慣性，通常通過某些控制手段改變變流器與直流系統的交換功率，在直流側虛擬出等效電容以增強系統慣性，國內外學者對此已有一些研究。已有虛擬電容控制集中于慣性分析、參數選取或穩定運行邊界等方面的研究，但未考慮蓄電池過充過放問題以及變流器自身約束對系統長期安全運行的影響。
蓄電池過充過放時不再有功率交換，應提前做出響應。當直流微電網內負荷發生較大突變時，變流器短時間內交換功率快速變化，可能超出其承受極限值，嚴重時將退網運行。此外變流器短時間內功率突增使得電流瞬時應力增大，易引起短時發熱、過電流等故障，縮短變流器使用壽命，降低直流微電網整體可靠性。若直流微電網并入交流弱電網，則蓄電池在系統中功率支撐作用更明顯，所面臨的問題更加突出。
因此，探究影響蓄電池極限狀態及變流器自身特性的多約束指標并將其應用于虛擬電容控制，對于維持系統穩定運行、提高電力電子變流器的效率和性能等方面具有重要的工程應用價值。
針對以上問題，新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）的研究人員提出了一種綜合考慮蓄電池荷電狀態、直流電壓變化率、變流器瞬時輸出功率和單位時間變流器輸出功率等直流微電網多約束指標的虛擬電容控制（Multi-Constrained Virtual Capacitance Control, MC-VCC）方法。
圖1 直流微電網硬件在環測試平臺
他們首先給出直流微電網系統結構，在傳統靈活虛擬電容控制基礎上綜合考慮多個約束指標改進并設計虛擬電容值，對各指標的極限情況進行約束，通過修正DC-DC變流器內環電流參考值調整蓄電池側輸出功率，從而確保電網安全運行、延長設備使用壽命，指標對應權重值依據實際運行工況確定；其次建立直流微電網小信號模型，分析主要控制參數對系統穩定性的影響，為關鍵參數取值提供合理有效的參考范圍；最后通過搭建基于RT-Lab的控制器級硬件在環測試平臺對所提控制方法的有效性及穩定性分析的正確性給予驗證。
研究人員指出，相較于傳統虛擬電容控制，該多約束指標的直流微電網虛擬電容控制方法綜合考慮了蓄電池荷電狀態、直流電壓變化率、變流器瞬時輸出功率及變流器單位時間輸出功率等約束指標，并改進了虛擬電容計算公式，對于改善整個直流微電網的安全穩定性、降低設備故障率、延長蓄電池使用壽命等方面具有一定的優越性。
另外，小信號分析揭示了不同控制參數對系統穩定性的影響規律，為參數選擇提供了一定的理論依據，合適的參數取值使得系統具備良好的穩定性和動態性能。
他們最后表示，無論是在蓄電池正常或極限狀態下，還是變流器特征指標在額定范圍之內或超出額定值，所提方法均能提前并有效應對各種工況。此外，該方法對于直流微電網中雙向變流器的多約束控制亦具有普遍適用性。
本文編自2022年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“考慮多約束指標的直流微電網虛擬電容控制方法”。本課題得到了國家自然科學基金、河北省自然科學基金和中央高校基本科研業務費專項資金的支持。
