CN102738786A - 一种能显著改善微网电能质量的微网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能显著改善微网电能质量的微网控制方法，由Advanced f-P/V-Q控制器实现，包括了Advanced f-P Drooping/V-Q Drooping算法环节、滤波器电容电压环和滤波器电感电流环。当微网系统处于孤岛运行模式时，Advanced f-P/V-Q控制器通过微网电压幅值与频率的变化，控制微源响应微网负荷变化和其他微源输出功率波动等现象，输出微网系统当前所需的有功功率和无功功率，稳定微网系统电压频率与幅值，从而显著改善微网电能质量；当微网系统处于并网模式时，Advanced f-P/V-Q控制器自动响应微网负荷变化和其他微源输出功率波动等现象，使微网系统稳定输出设定功率，此时微网系统电压跟随配电网电压变化，满足微网与配电网电能质量需求。

Description

一种能显著改善微网电能质量的微网控制方法

技术领域

本发明属于微网及含微网配电系统的控制技术领域，特别涉及一种能显著改善微网电能质量的微网控制方法。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的基础，电力作为最清洁便利的能源形式，是国民经济的命脉。传统的煤炭、石油等一次能源是不可再生的，终归要走向枯竭。提高能源利用效率、开发新能源、加强可再生能源的利用，是解决我国经济和社会快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择。

微网是在新能源发电背景下、在分布式发电基础上新兴的前沿技术，以靠近分散型资源或用户的小型电站为主，以微型电网为核心，并结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术的小型模块化、分散式发电及供能系统，由于采用就地能源，可以在灾难性事件发生导致大电网瓦解的情况下(如我国南方2008年初的低温雨雪冰冻灾害造成的停电，以及美加8.14、英国8.28、希腊7.12、莫斯科5.25、欧洲11.4大停电等)，保证对重要负荷的供电，并有助于大电网快速恢复供电。微型电网技术的引入，可再生能源发电技术、电力储能技术以及微小型燃气轮机技术的发展为分布式发电系统的大规模应用开辟了广阔的发展前景。微网技术可解决分布式发电单元接入电力系统的难题，提高电力系统的安全性和可靠性，增强电网抵御自然灾害的能力，对于电网乃至国家安全都有重大现实意义。

微网集成了多种能源输入(太阳能、风能、常规化石燃料、生物质能等)、多种特性负荷、多种能源转换单元(燃料电池、微型燃气轮机、光伏电池，储能系统等)，是化学、热力学、电动力学等行为相互耦合的非线性复杂系统。微网中许多类型的分布式发电电源——微源受制于自然条件，运行不确定性强，具有间歇性、复杂性、多样性、不稳定性的特点，其电能质量特征与传统电力系统有很大差异。微网是智能电网的重要组成部分，它将分布式电源、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给稳定的电能和热能，同时满足用户对电能质量和供电可靠性、安全性的要求。微网既可与配电网联网运行，也可在配电网故障或需要时与配电网断开后单独运行。当微网大规模接入配电网时，传统配电网由被动的受端变为有源系统，必将给配电网的电能质量带来新的问题和新的影响，包括微源输出功率的间歇变化导致电压波动、电压偏移、频率偏移问题；微网与配电网并网时出现的冲击电流问题；微网无功环流问题；大规模电力电子装置与非线性负载造成的谐波问题；单相负载造成的三相电压不平衡问题。因此，微网在实际运行中需要解决的关键问题之一就是电能质量问题。

发明内容

本发明针对多微源组成的微网电能质量问题，提出了一种能显著改善微网电能质量的微网控制方法，该方法能快速响应微网中负荷变化以及光伏发电装置等间歇性微源的输出功率变化，调整微型燃气轮机的输出功率，使微网总输出功率与微网负荷需求匹配，迅速稳定微网频率与电压，解决微源输出功率的间歇变化导致电压波动、电压偏移、频率偏移问题。当微网与配电网连接并网时，该方法能自动跟随配电网电压变化，避免并网冲击电流的产生。由于该方法能响应微网负荷和微源出力变化，其他微源可采用最大功率点跟踪控制(MPPT)或者PQ控制方法，从而避免了微网无功环流的问题，同时降低生产陈本，提高微网发电效率。

本发明采取的技术方案是：一种能显著改善微网电能质量的微网控制方法包括了Advanced f-P/V-Q控制器，Advanced f-P/V-Q控制器包括了Advanced f-P Drooping/V-Q Drooping算法环节、电容电压内环和电感电流外环：

当微网系统处于孤岛运行模式时，微网系统额定电压频率、额定电压幅值、微源额定有功功率、微源额定无功功率与微网系统实时电压频率、实时额定电压幅值、微源实时输出有功功率、微源实时输出无功功率通过Advanced f-P Drooping/V-Q Drooping算法环节输出参考电压信号；参考电压信号与微网实时电压组成电压环，输出参考电感电流信号，参考电流信号与微源逆变器实时电感电流组成电流环，输出微源逆变器控制信号，使得微源逆变器输出满足微网系统所需的有功功率和无功功率；当微网系统处于并网运行模式时，配电网实时电压频率、配电网实时电压幅值、微源额定有功功率、微源额定无功功率与微网系统实时电压频率、实时额定电压幅值、微源实时输出有功功率、微源实时输出无功功率通过Advanced f-PDrooping/V-Q Drooping算法环节输出参考电压信号；参考电压信号与微网实时电压组成电压环，输出参考电感电流信号，参考电流信号与微源逆变器实时电感电流组成电流环，输出微源逆变器控制信号，使得微源逆变器输出满足微网系统所需的有功功率和无功功率，同时保证微网系统实时电压与配电网实时电压同步，满足微网与配电网并网要求。

本发明的工作原理是，所述一种能显著改善微网电能质量的微网控制方法适用于典型微网多微源逆变器系统，其中各种形式的微源的输出端输出非工频交流电，经整流器整流后转换为直流电，再经逆变器逆变成工频交流电，经电感-电容(LC)滤波器滤波后，通过静态开关STS连接到配电网。逆变器控制方式为PWM控制方式。工控机通过有线传输和无线传输方式与相应的微源电压传感器、微源电流传感器、静态开关处的配电网电压传感器相连，采集微网系统和配电网电压电流等参数。

所述一种能显著改善微网电能质量的微网控制方法由Advanced f-P/V-Q控制器实现，Advanced f-P/V-Q控制器包括了Advanced f-P Drooping/V-Q Drooping算法环节、电压环和电流环，当微网系统处于孤岛运行模式时，Advanced f-P/V-Q控制器自动检测当前微网母线电压幅值和频率，与微网系统设定电压幅值和频率比较后，经Advanced f-P/V-Q控制器处理后发出控制信号至微源，使得微源响应微网负荷变化和其他微源输出功率波动等现象，输出微网系统所需的有功功率和无功功率，使得微网系统电压频率与幅值保持稳定，从而显著改善微网电能质量；当微网系统处于并网模式时，Advanced f-P/V-Q控制器自动检测当前微网母线电压幅值和频率，与配电网电压幅值和频率比较后，经Advanced f-P/V-Q控制器处理后发出控制信号至微源，使得微网系统响应微网负荷变化和其他微源输出功率波动等现象，稳定输出微网系统设定的有功功率和无功功率，此时微网系统电压幅值与频率将跟随配电网电压幅值与频率变化，满足微网与配电网电能质量需求。

本发明的有益效果：本发明所述的一种能显著改善微网电能质量的微网控制方法可以使得微源响应微网负荷变化和其他微源输出功率波动等现象，输出微网系统所需的有功功率和无功功率，稳定微网系统电压频率与幅值，抑制微网负载投切引起的电压和频率波动，避免微网无功环流的产生，显著改善微网电能质量。

附图说明

图1是能显著改善微网电能质量的微网系统结构图；

图2是Advanced f-P/V-Q drooping控制流程图；

图3是采用Advanced f-P/V-Q下垂方法的微网微源逆变器结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示：能显著改善微网电能质量的微网系统为典型微网多微源逆变器系统，该系统包含了微源、整流器、逆变器和工控机，不同形式的微源的输出端通过整流器接入逆变器的输入端，逆变器的输出端经电感电容滤波器后接入微网电压母线构成微网系统，与邻近负载相连，一并通过静态转换开关连接到配电网；所述工控机通过有线传输方式连接微网内部的电压、电流传感器，通过无线传输的方式连接配电网的电压传感器。

当静态转换开关STS断开时，微网系统与配电网连接断开，微网系统处于孤岛运行模式，整个微网系统由微网内部微源提供能量。此时工控机将微网系统额定电压设定为380V、50HZ，同时通过数据采集装置采集微网实时电压幅值、频率，与微网系统设定电压幅值和频率比较后，利用微网频率与电压幅值的差值计算微网所需无功功率与有功功率，合成电压控制信号，然后采用前馈近似解耦控制策略，进行电压外环-电流内环控制，减轻逆变器输出无功功率与有功功率之间的耦合现象，输出微网系统所需的有功功率与无功功率，解决微网电能质量问题。

当微网确定要与配电网并网运行时，微网系统此时切换至并网运行模式，工控机此时通过数据采集系统采集配电网实时运行参数和微网实时运行参数，将配电网实时电压幅值、频率作为微网系统电压幅值和频率，然后输出控制信号控制逆变器的输出，逆变器工作状态与微网孤岛运行模式时一样，使得微网系统电压与配电网电压一致。然后静态转换开关STS闭合，微网与配电网并网运行。Advanced f-P/V-Q控制器由Advanced f-P Drooping/V-Q Drooping算法环节、电容电压控制器和电感电流控制器组成，Advanced f-P/V-Q控制器所有反馈信号经截止频率为100HZ的低通滤波器。

如图2所示，上述控制方法的具体流程如下所述：

当微网处于孤岛运行模式时，静态转换开关STS断开，微网系统内部其他开关闭合。Advanced f-P/V-Q控制器包括了Advanced f-P Drooping/V-Q Drooping算法环节、电容电压内环和电感电流外环，具体过程为：微网额定电压频率ω_0为50HZ，微网额定电压幅值V₀为380V，ω^*为微网实时电压频率，P₀为微源额定有功功率，P_out为微源实时输出有功功率。将ω₀与ω^*比较后的差值输入至PI控制器，得微源参考有功功率信号P_ref，同时P₀、P_ref和k_P组成前馈环节。取微源参考有功功率信号P_ref与微源实时输出有功功率P_out的差值，将其与频率下垂系数m_Pi相乘后与微网额定频率ω₀相加得参考频率信号ω。将频率信号ω做S变换得相角信号δ。

V^*为微网实时电压幅值，Q₀为微源额定无功功率，Q_out为微源实时输出有无功功率。将V₀与V^*比较后的差值输入至PI控制器，得微源参考无功功率信号Q_ref，同时Q₀、Q_ref和k_q组成前馈环节。取微源参考有功功率信号Q_ref与微源实时输出有功功率Q_out的差值，将其与频率下垂系数m_qi相乘后与微网额定频率V₀相加得参考电压幅值信号V。

将频率信号ω、相角信号δ和电压幅值信号V，输入空间矢量变换器得参考三相电压信号V_a、V_b和V_c，经dq变换后得电容有功电压参考信号和电容无功电压参考信号

见公式1。

$\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right]=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \sin \mathrm{\θ}& \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_a\\ V_b\\ V_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

取电容有功电压参考信号

与逆变器滤波器电容实时有功电压V_d的差值输入PI控制器，将逆变器滤波器电容实时无功电压V_q乘以电容系数ωC后与PI控制器输出信号相加，再与逆变器实时输出有功电流i_Ld相加得逆变器滤波电感有功电流参考信号

取电容无功电压参考信号与逆变器滤波器电容实时无功电压V_q的差值输入PI控制器，将逆变器滤波器电容实时有功电压V_d乘以电容系数ωC，用PI控制器输出信号减去该信号后与逆变器实时输出无功电流i_Lq相加得逆变器滤波电感无功电流参考信号

上述由电容有功电压参考信号

和电容无功电压参考信号

推导出逆变器滤波电感有功电流参考信号

逆变器滤波电感无功电流参考信号

的过程构成了电容电压内环。

取逆变器滤波电感有功电流参考信号与逆变器滤波器电感实时有功电流i_d的差值输入PI控制器，将逆变器滤波电感实时无功电流i_q乘以电感系数ωL后与PI控制器输出信号相加，再与逆变器滤波器电容实时有功电压V_d相加得逆变器输出有功电压信号e_d。

取逆变器滤波电感无功电流参考信号与逆变器滤波器电感实时无功电流i_q的差值输入PI控制器，将逆变器滤波电感实时有功电流i_d乘以电感系数ωL，用PI控制器输出信号减去该信号后与逆变器滤波器电容实时无功电压V_q相加得逆变器输出无功电压信号e_q。上述由逆变器滤波电感有功电流参考信号

和逆变器滤波电感无功电流参考信号推导出逆变器输出有功电压信号e_d、逆变器输出无功电压信号e_q的过程构成了电感电流外环。

将逆变器输出有功电压信号e_d、逆变器输出无功电压信号e_q乘以矩阵C₂₃后得逆变器控制信号e_abc，见公式2。当微网内部负荷变化时，该控制方法能通过微网实时电压频率、幅值的变化，输出与负荷变化相对应有功功率和无功功率，使得微网系电压频率与幅值保持稳定，显著改善微网电能质量。

$\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_d\\ e_q\end{array}\right]---\left(2\right)$

当微网需要并网运行时，此时微网仍处于孤岛运行模式，静态转换开关STS断开，微网系统内部其他开关闭合。将微网额定电压频率ω₀设定为配电网实时电压频率，微网额定电压幅值V₀设定为配电网实时电压幅值；ω^*为微网实时电压频率，V^*为微网实时电压幅值，P₀为微源额定有功功率，Q₀为微源额定无功功率。此后与孤岛控制模式一致，将上述参数输入Advanced f-P/V-Q控制器后，经Advanced f-P Drooping/V-Q Drooping算法环节、电容电压内环和电感电流外环，输出逆变器控制信号至逆变器，控制微源输出相应的有功功率和无功功率，使得微网系统电压频率、幅值与配电网电压频率、幅值、相角一致。当微网系统电压频率、幅值与配电网电压频率、幅值、相角一致时，静态开关STS闭合，微网与配电网并网工作。微网系统自动响应微网内部负荷变化，使得微网系统向配电网输出恒定的有功功率和无功功率，同时微网系统电压、频率与配电网电压频率、幅值一致，满足配电网电能质量需求。

Claims (4)

1.一种能显著改善微网电能质量的微网控制方法，其特征是，包含了由Advanced f-P/V-Q控制器实现的微源逆变器控制方法，能够自动响应微网中其他微源功率波动和微网负荷投切引起的微网电压幅值、频率的变化，调整由Advanced f-P/V-Q控制器控制的微源逆变器输出相应的有功功率和无功功率，使得微网系统电压频率与幅值保持稳定，显著改善微网电能质量。

2.根据权利要求1所述的一种能显著改善微网电能质量的微网控制方法，其特征是，所述Advanced f-P/V-Q控制器实现的微源逆变器控制方法分为孤岛运行模式和并网运行模式，Advanced f-P/V-Q控制器由Advanced f-P Drooping/V-Q Drooping算法环节、滤波器电容电压控制器和滤波器电感电流控制器组成。

3.根据权利要求2所述的一种能显著改善微网电能质量的微网控制方法，其特征是，所述Advanced f-P/V-Q控制器实现的微源逆变器控制方法孤岛运行模式步骤如下：

1)微网静态开关STS断开；

2)将微网额定电压频率与微网实时电压频率的误差信号、微网额定电压幅值与微网实时电压幅值的误差信号、微源额定有功功率、微源额定无功功率、微源实时输出有功功率和微网实时输出无功功率输入Advanced f-P Drooping/V-Q Drooping算法环节，得参考电压；

3)将参考电压分解成有功参考电压和无功参考后，与输出实时有功电流、输出无功实时电流、滤波器实时有功电容电压和滤波器实时无功电容电压输入滤波器电容电压控制器后得滤波器有功参考电感电流和滤波器无功参考电感电流，其中滤波器实时有功电容电压和滤波器实时无功电容电压为反馈信号；

4)将滤波器有功参考电感电流、滤波器无功参考电感电流、滤波器实时有功电容电压、滤波器实时无功电容电压、滤波器实时有功电感电流、滤波器实时无功电感电流输入滤波器电感电流控制器后得微源逆变器控制信号，其中滤波器实时有功电感电流、滤波器实时无功电感电流为反馈信号；

5)将微源逆变器控制信号输入逆变器，控制微源逆变器输出相应的有功功率和无功功率，显著改善微网电能质量。

4.根据权利要求2所述的一种能显著改善微网电能质量的微网控制方法，其特征是，所述Advanced f-P/V-Q控制器实现的微源逆变器控制方法并网运行模式步骤如下：

1)静态开关STS断开；

2)将配电网实时电压频率与微网实时电压频率的误差信号、配电网实时电压幅值与微网实时电压幅值的误差信号、微源额定有功功率、微源额定无功功率、微源实时输出有功功率和微网实时输出无功功率输入Advanced f-P Drooping/V-Q Drooping算法环节，得参考电压；

3)将参考电压分解成有功参考电压和无功参考后，与输出实时有功电流、输出无功实时电流、滤波器实时有功电容电压和滤波器实时无功电容电压输入滤波器电容电压控制器后得滤波器有功参考电感电流和滤波器无功参考电感电流，其中滤波器实时有功电容电压和滤波器实时无功电容电压为反馈信号；

4)将滤波器有功参考电感电流、滤波器无功参考电感电流、滤波器实时有功电容电压、滤波器实时无功电容电压、滤波器实时有功电感电流、滤波器实时无功电感电流输入滤波器电感电流控制器后得微源逆变器控制信号，其中滤波器实时有功电感电流、滤波器实时无功电感电流为反馈信号；

5)将微源逆变器控制信号输入逆变器，控制微源逆变器输出相应的有功功率和无功功率；

6)当微网实时电压频率和实时电压幅值与配电网实时电压频率和配电网实时电压幅值相同时，静态开关STS闭合，微网与配电网并网。

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