具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

一、微网储能虚拟电机控制策略

所述微网储能虚拟电机控制可分为两个部分，其中包括交流侧虚拟同步电机和直流侧虚拟直流电机，两部分控制策略互不影响。分布式储能通过DC/DC变换器、DC/AC变换器连接三相负载和电网，通过PCC开关的切换，实现并网和孤岛运行，具体控制系统框架如图1所示。

虚拟同步电机和虚拟直流电机控制通过模拟电机的特性，提高系统惯性。虚拟同步电机控制策略主要包括功率计算环节、有功频率环节、无功电压环节、机械转矩环节、电磁环节、电压电流环控制环节和PWM调制环节。

虚拟同步发电机控制的转子运动方程和电磁方程如式(1)所示。

式中：ω₀、ω_N分别为输出角频率和额定角频率；T_m、T_e、T_D分别为虚拟机械、电磁、阻尼转矩；P_ref为给定参考功率，P为有功输出功率，J、D分别为虚拟惯量和阻尼。u_abc、i_abc分别为虚拟同步电机的端电压和输出电流，e_abc为同步发电机电势。L、R为等效的同步电感和电阻。

有功频率环节即用来维持系统频率稳定，起到一定的缓冲作用。有功频率环节方程为：

式中：P_m为机械功率，T_m为机械转矩，P_ref为有功功率给定值，k_f为调频系数，f_ref为频率给定值，f为系统输出频率。

无功电压环节能够对机端电压和无功功率起调节作用，此环节表达式如下：

△E＝U_ref+k_q(Q_ref-Q)-E_m (3)

式中：E_m为空载电势，k_q为无功调节系数，Q_ref为无功功率给定值，Q为系统输出无功功率，U_ref为机端电压有效值。

VDCM的控制策略是通过模拟直流发电机的机械环节和电枢回路部分，将其引入双向DC/DC变换器的控制之中，从而使变换器具有与直流发电机类似的惯性和阻尼。

根据直流发电机模型得到机械方程和电枢回路方程如下：

式中J为转动惯量，D为阻尼系数，T_m为机械转矩，T_e为电磁转矩，ω、ω_N为实际角速度和额定角速度。P_e为电磁功率。

电枢回路方程为：

式(5)中C_T和ψ分别为转矩系数和磁通；E_a为电枢电动势，R_a为电枢电阻，I_a电枢电流，U为发电机端电压。

VDCM控制环节由电压环、VDCM环节和电流环三部分组成，直流侧输出电压参考值U_ref与实际输出电压U_dc进行比较，经过比例积分环节输出的电流与电压给定值相乘得到VDCM的机械功率P_m，进一步可得到虚拟机械转矩T_m。根据前文公式；设计VDCM控制环节，最后通过VDCM控制环节得到变换器的电流参考值I_ref经过PI调解器和PWM调制生成变换器的控制信号，完成VDCM控制。

二、自适应虚拟电机控制

1、自适应虚拟同步发电机设计

自适应环节通过当分布式储能处于孤岛运行情况下出现负荷波动时，虚拟惯量和阻尼的取值不同，频率动态调节过程效果也各有不同，虚拟惯量较大时，对频率的支撑效果越明显，但频率到达稳定状态的时间更长；阻尼参数越大，对频率变化的缓冲作用越明显，当频率发生变化时，起到一定的缓冲作用。根据公式(1)推导得到角频率变化和角频率变化率和虚拟惯量和阻尼参数之间的关系如下公式所示：

根据上述公式，当D参数一定时，J参数越大角速度变化率越小；当J固定时，D参数越大，频率偏差越小；则J、D参数均较大时，频率偏差会越小，角速度变化率会越小，为保障系统稳定，则通过调节J、D参数抑制和△ω的变化。

虚拟同步发电机模拟同步发电机的特性，根据同步发电机的功角曲线、频率振荡曲线分析虚拟同步发电机的暂态过程，图2为功角曲线，图3为角频率振荡曲线。

从图2分析，当系统的输出功率从a点降低到b点时，系统的输出功率小于功率给定值，系统频率上升，当从a点升到c点时，系统输出功率大于功率给定值时，频率下降；以此类推。系统实际输出功率与给定功率决定了频率的调节状态。虚拟同步机的振荡过程与此过程一致。将一个暂态过程分为如图3所示的4个区间，t1-t2区间内，转子角频率大于额定角速度，并且角速度不断增加，此时，角速度变化率从最大值逐渐减小至0，角速度的差值△ω从最小值逐渐增加到最大值，为此需要采用较大的J参数和D参数防止它们过大。t2-t3区间内，转子角频率仍大于额定角速度，但角速度开始逐渐减小，此时，角速度变化率从0逐渐减小至最大负值，角速度的差值△ω从最大值逐渐减小至0，为此需要采用较小的J参数和较大的参数加快恢复进程。t3-t4与t1-t2类似，t4-t5与t2-t3类似。综上所述能够得到不同情况下J、D参数选取的原则。具体变化情况如下表所示：

表1虚拟惯量和阻尼参数的选取原则

考虑到大部分研究均将惯量参数表示为角频率变化率的函数，该方式下，一方面微分环节变化较为频繁，从而导致频率波动较为明显，其次大多数研究没有考虑阻尼参数自适应，虽然暂态过程更加平稳，但到达稳态时间较长。为此通过分析其暂态过程，设计建立功率偏差与虚拟惯量和阻尼之间的联系，功率相对稳定，更容易求得功率差，且波动较少频率波动较为平缓。设计自适应控制策略如下：

当角频率变化率小于1.5时，认为系统处于稳定状态，虚拟惯量和阻尼等于初始值，当其大于1.5时，判断角频率偏差和变化率乘积正负值，从而根据功率偏差改变相应虚拟惯量和阻尼的大小。

图4为交流侧虚拟电机固定参数、自适应虚拟惯量控制、传统自适应虚拟惯量和阻尼控制和所述交流侧控制策略的控制效果对比图，通过仿真得到VSM固定参数与自适应惯量、自适应惯量和自适应惯量及阻尼控制的效果。当实际输出功率等于额定功率时，频率稳定在工频。在1s时发生负荷突增，一次调频启动，频率下降稳定在49.95Hz，在2s时，突增的负荷切除，频率升高恢复到额定频率。通过对比可以发现，当采用自适应惯量控制策略时，虽然下降过程更加平稳，但达到稳态的时间较长，约为1.3s达到稳定，但固定参数控制在1.1s左右稳定。对于所述自适应惯性及阻尼控制来说，其在频率降落过程相对更加平稳，同时调节时间为1.1s与固定参数所差无几，同时降低了频率波动的范围。传统的基于频率微分的自适应惯量阻尼控制由于微分环节的存在使得频率波动较为明显；而所述控制策略与传统自适应惯量及阻尼控制相比，频率纹波小，更加稳定。

2、自适应虚拟直流电机设计

根据虚拟直流电机控制策略，可以得到如图5所示VDCM控制的小信号模型：

其中VDCM控制下储能输出功率可以表示为：

根据公式可以看出，初始阶段，功率偏差和直流母线偏差为0，当发生功率波动时，直流母线电压发生波动，功率的变化量从0变大，若要使母线电压偏差越小，则需要J、D参数较小，从而使发生功率波动时母线电压偏差较小。为此在发生功率波动，造成母线电压跌落时，J、D参数较小，从而降低跌落幅值。而在母线电压恢复过程中，功率的变化量保持不变，母线电压偏差从最大值逐渐减小至0，此时需要J、D以较大参数逐渐降低至初始值保障恢复过程的稳定。

表2虚拟直流电机惯量和阻尼参数的变化原则

综上，在负载变化时J和D的调节方式如式(10)所示：

若直流母线电压偏差小于0.5V时，认定达到稳定状态，则虚拟惯量和阻尼为初始值。当偏差超过阈值时，根据电压偏差和电压变化乘积正负，确定运行状态，当乘积大于0时，J、D参数减小，恢复阶段时，乘积为负，则以较大的参数运行，并随着偏差越来越小而恢复到初始值。

图6为虚拟直流电机自适应与固定参数控制对比图，对于VDCM控制，当发生由于负荷突增导致的功率波动时，直流母线电压也会出现波动。固定参数下，母线电压跌落约为6V左右，达到稳态时间约为0.6s，但自适应VDCM控制下母线电压波动为4.8V，达到稳态时间为0.4s。总之，相较于传统的固定参数及自适应控制，具有更低的波动幅值和更快地调节速度。

三、虚拟惯性幅值分析

目前大量的研究只是提出了相应的控制策略以及自适应控制策略，但却很少给出虚拟惯量参数幅值的选取原则。少部分研究虽然考虑了虚拟惯量最大值取值方法，但没有考虑储能单元的惯性与变换器惯性之间的联系。考虑仍不全面，为此在设计中充分考虑储能本身惯性与变换器惯性，综合考虑设定虚拟惯量的幅值限制，合理利用资源。

惯性作为一种固有属性而存在，表征为保持原有运动状态的能力。不同的状态的事物都有相应表征惯性的量度对于储能电池的控制来说，储能电池通过变换器向三相负载供能，该惯性包括储能电池本体惯性和变换器本体惯性两部分决定，目前的储能电池均可等效成如下表达形式：

C_eq为等效容值，S_N为电池容量，U_CN、U_N为电池额定电压、ω_N为额定角速度314rad/s。

对于AC/DC和DC/DC变换器的等效转动惯量则可以用下式来表征。

二者均可以根据甩负荷方式对其等效惯量进行计算，其中设置甩负荷为2kW，观察在甩负荷初始阶段，频率变化率和电压变化率曲线，带入上式进而得到相应转动惯性。直流侧和交流侧甩负荷过程仿真图如图7、8。其中直流母线电压在发生负荷变化后，由于惯性存在，保持一段时间，电压变化率斜率近似为0，为此DC/DC变换器J为近似无穷大值。而交流侧通过计算得到等效惯性值为15.5879。变换器本体的储能元件包括虚拟电抗、滤波电抗、和回路电抗，其提供的惯性支撑效果有限，储能环节能弥补这一缺陷，相当于增大了直流母线电容值，且电池提供的电容较大，保障充足的惯性支撑。超级电容提供的电容支撑小，不具备长时间尺度的惯性支撑能力，也不适合设置为惯性支撑储能。最终选取三者中较小的惯性作为幅值限制，充分利用资源。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。