CN102902863A - 微电网孤网运行时分布式电源下垂特性的cad设计方法 - Google Patents

Abstract

微电网孤网运行时分布式电源下垂特性的CAD设计方法属于微电网运行与控制领域，其特征在于将逆变器频率固定在50Hz不变，通过设计负荷电压幅值同有功功率下垂曲线和负荷电压d轴、q轴分量比值同无功功率下垂曲线，经过计算得到逆变器的有功无功参考值，再采用PQ控制使逆变器发出指定的有功和无功，使孤网时系统负荷的变化由各逆变器按照容量大小来承担，从而有效保证了微电网在孤网运行时电压和频率的稳定。本方法突破了传统下垂特性必须将频率引入下垂控制中的限制，能使微电网在孤网状态下稳定运行。

Description

微电网孤网运行时分布式电源下垂特性的CAD设计方法

技术领域

下垂特性设计方法属于微电网运行与控制领域。

微电网是一种可将各种小型分布式电源组合起来为当地负荷提供电能的低压电网。它具有并网和孤网两种运行模式，能提高负荷侧的供电可靠性。微电网在并网运行时大多采用PQ控制，系统的频率和电压由大电网维持稳定，但是在孤网状态下失去了大电网的频率和电压支撑，需要微电网自行调节电压和频率。

因此需要设计良好的控制策略来使得微电网在孤网运行时保持电压和频率稳定。

本发明提出了一种新的下垂特性设计方法用于微电网孤网运行时，能够使孤网时系统负荷的变化由孤网系统内各逆变器按照各自的容量大小按比例来承担，从而有效保证了微电网在孤网运行时电压和频率的稳定。

背景技术

目前微电网在孤网运行时主要的电压频率控制方法有两种：一是主从控制，二是对等控制。其中主从控制是指在孤网状态由一个分布式电源作为主控制源，采用恒压恒频控制（Vf控制），系统中所有负荷的增减都由该分布式电源来承担，但是该控制方法对这个主控分布式电源要求较高，其容量必须很大且稳定性很强。而当采用对等控制时，每一个分布式电源的地位都是平等的，通过模拟传统同步发电机的一次调频下垂特性，在合理设计各分布式电源下垂特性的基础上，完成功率分配。

传统下垂特性大多是将有功功率P和系统频率f，无功功率Q和系统电压u之间联系在一起，对每个分布式电源设计P-f下垂曲线和Q-u下垂曲线，将系统的负荷变化按照下垂曲线的斜率分配给各分布式电源。一个典型的逆变器孤网系统如附图1所示，逆变器的直流侧用恒压源来模拟，逆变器输出电压通过LC滤波器后对负荷供电。对该逆变器孤网系统所设计的P-f下垂曲线和Q-u下垂曲线如附图2和附图3所示，其中P为逆变器发出的有功功率，Q为逆变器发出的无功功率，f为系统频率，u为负荷相电压的幅值，f_n为系统的额定频率，f_min为系统允许的最小频率，P_n为逆变器发出的额定有功功率，P_max为逆变器允许发出的最大有功功率， u_n为负荷的额定相电压幅值，u_min为负荷所允许的最小相电压幅值，Q_max为逆变器能够发出的最大无功功率。

其具体实现方法可以分为以下4个步骤来完成

第1步 计算两条下垂曲线的斜率：

P-f下垂曲线的斜率为k_pf，Q-u下垂曲线的斜率为k_qv，

$k_{\mathrm{pf}}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\Δf}}=\frac{P_{\max }-P_n}{f_n-f_{\min }}---\left(1\right),$

$k_{\mathrm{qv}}=\frac{\mathrm{\ΔQ}}{\mathrm{\Δu}}=\frac{Q_{\max }}{u_n-u_{\min }}---\left(2\right),$

第2步 计算逆变器的频率参考值f_ref和电压参考值u_ref：

F_ref=f_n+(P_n-O)/k_pf  （3），

U_ref=u_n-Q/k_qv        （4），

第3步 计算abc坐标系与dq坐标系之间的变换相角wt、负荷电压d轴分量参考值V_Ldref以及q轴分量参考值V_Lqref：

Wt=∫2πf_refdt （5），

V_Ldref=u_ref     （6），

V_Lqref=0       （7），

第4步 控制系统电压和频率跟随参考值：

恒压恒频控制结构图如附图4所示，其中所有abc坐标系和dq坐标系之间变换的相角均取wt。

在传统同步发电机系统中，频率由转子的转速决定，但在逆变器系统中，没有转子的存在，频率由控制器决定，因此传统下垂特性将频率引入下垂曲线中存在不合理之处。需要指出的是，上述下垂控制策略对于单逆变器孤网系统控制效果良好，但是对于多逆变器孤网系统时由于每台逆变器都会计算出各自的频率参考值，它们共同参与系统的频率调节时很容易使得系统变得不稳定。

发明内容

本发明提出了一种微电网孤网运行时分布式电源下垂特性的CAD设计方法，将逆变器系统频率固定在50Hz不变，通过设计负荷电压幅值同有功功率下垂曲线和负荷电压d轴、q轴电压分量比值同无功功率下垂曲线，根据实际电压状态来产生逆变器的有功无功参考值，采用PQ控制使逆变器发出指定的有功和无功，完成有功及无功负荷变化在各逆变器之间的合理分配，从而有效保证了微电网在孤网运行时电压和频率的稳定。

本发明的特征在于，该发明提出的一种新的下垂特性设计方法按照如下步骤进行：

步骤（1）计算负荷相电压幅值V和负荷电压d轴分量V_Ld与q轴分量V_Lq的比值（以下简称比值）rat：

$V=\sqrt{V_{\mathrm{Ld}}^2+V_{\mathrm{Lq}}^2}---\left(8\right),$

$\mathrm{rat}=\frac{V_{\mathrm{Ld}}}{V_{\mathrm{lq}}}---\left(9\right)$

步骤（2）设计下垂特性：

以一个典型的双逆变器带负荷的孤网系统为例，该系统如附图5所示，对这两个逆变器分别设计有功和无功下垂特性，如附图6、7所示，其中P表示逆变器发出的有功功率，Q表示逆变器发出的无功功率，V_n表示负荷相电压的额定值，V_min表示负荷相电压幅值所允许的最小值，P_n1表示逆变器1的额定功率，P_n2表示逆变器2的额定功率，P_max1表示逆变器1的最大可发出有功功率，P_max2表示逆变器2的最大可发出有功功率，rat_n表示比值的额定值，rat_min表示比值所允许的最小值，Q_max1、Q_max2分别表示逆变器1和逆变器2最大可发出的无功功率，Q_max1、Q_max2分别表示逆变器1和逆变器2最小可发出的无功功率；

步骤（3）计算下垂曲线的斜率：

设k_P1、k_P2分别表示逆变器1和逆变器2的有功下垂曲线斜率，k_Q1、k_Q2分别表示逆变器1和逆变器2的无功下垂曲线斜率，

$k_{P1}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ΔV}}=\frac{P_{\max 1}-P_{n1}}{V_n-V_{\min }}---\left(10\right),$

$k_{P2}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ΔV}}=\frac{P_{\max 2}-P_{n2}}{V_n-V_{\min }}---\left(11\right),$

$k_{Q1}=\frac{\mathrm{\ΔQ}}{\mathrm{\Δrat}}\frac{Q_{\max 1}}{{\mathrm{rat}}_n-{\mathrm{rat}}_{\min }}---\left(12\right),$

$K_{Q2}=\frac{\mathrm{\ΔQ}}{\mathrm{\Δrat}}=\frac{Q_{\max 2}}{{\mathrm{rat}}_n-{\mathrm{rat}}_{\min }}---\left(13\right);$

步骤（4）根据下垂曲线计算有功和无功功率的参考值：

设逆变器1和逆变器2的有功功率参考值分别为P_ref1和P_ref2，无功功率参考值分别为Q_ref1和Q_ref2，则根据下垂特性计算如下：

P_ref1=P_n1+k_P1(V_n-V)    （14），

P_ref2=P_n2+k_P2(V_n-V)   （15），

Q_ref1=Q_n1+k_Q1(rat_n-rat) （16），

Q_ref2=Q_n2+k_Q2(rat_n-rat)（17）；

步骤（5）控制逆变器1和逆变器2发出的有功功率和无功功率跟随参考值：

在步骤（4）计算出功率参考值的基础上，通过PQ控制策略控制逆变器发出的功率跟随参考值，PQ控制的结构如附图8所示，其中P为逆变器实际发出的有功功率，Q为逆变器实际发出的无功功率，i_d为滤波电感L电流的d轴分量，i_q为滤波电感L上电流的q轴分量，

为滤波电感L电流的d轴分量参考值，

为滤波电感L电流的q轴分量参考值，L为滤波电感的大小，VLd为负荷电压的d轴分量，VLq为负荷电压的q轴分量，vd为逆变器出口端参考电压矢量的d轴分量，vq为逆变器出口端参考电压矢量的q轴分量，va、vb、vc为逆变器出口端参考电压矢量的三相分量。具体的控制过程如下：

（a）abc到dq的坐标变换：

将滤波电感L的三相电流ia、ib、ic变换到dq坐标系下的id，iq，将负荷三相电压VLa、VLb、VLc变换到dq坐标系下的VLd、VLq，变换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{wt}& \cos (\mathrm{wt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{wt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin \mathrm{wt}& -\sin (\mathrm{wt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{wt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Ld}}\\ V_{\mathrm{Lq}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{wt}& \cos (\mathrm{wt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{wt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin \mathrm{wt}& -\sin (\mathrm{wt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{wt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{La}}\\ V_{\mathrm{Lb}}\\ V_{\mathrm{Lc}}\end{array}\right],$

（b）计算滤波电感电流的d轴分量参考值

及q轴分量参考值 ：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d^{*}=(P_{\mathrm{ref}}-P)(k_{\mathrm{pP}}+\frac{k_{\mathrm{iP}}}{s})\\ i_q^{*}=(Q-Q_{\mathrm{ref}})(k_{\mathrm{pQ}}+\frac{\mathrm{kiQ}}{s})\end{array}\right.$

其中k_pP为有功PI调节的比例系数，k_iP为有功PI调节的积分系数，k_pQ为无功PI调节的比例系数，k_iQ为无功PI调节的积分系数。

（c）计算逆变器出口端参考电压矢量的d轴分量vd与q轴分量vq：

计算公式如下所示

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d=V_{\mathrm{Ld}}+{\mathrm{wLi}}_q+(k_{\mathrm{pd}}+\frac{k_{\mathrm{id}}}{s})(i_d^{*}-i_d)\\ v_q=V_{\mathrm{Lq}}-w{\mathrm{Li}}_d+(k_{\mathrm{pq}}+\frac{k_{\mathrm{iq}}}{s})(i_q^{*}-i_q)\end{array}\right.,$

其中k_pd为d轴电流PI调节的比例系数，k_id为d轴电流PI调节的积分系数，k_pq为q轴电流PI调节的比例系数，k_iq为q轴电流PI调节的积分系数。

（d）将逆变器出口端参考电压矢量的d轴分量vd与q轴分量vq变换到三相坐标系下的va、vb、vc

公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{wt}& -\sin \mathrm{wt}\\ \cos (\mathrm{wt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{wt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \cos (\mathrm{wt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{wt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right].$

（e）SPWM调制：

得到va、vb、vc后经过SPWM调制得到开关管的驱动脉冲，控制开关管工作，让逆变器发出指定的有功及无功功率。

最终通过PQ控制完成了系统有功功率和无功功率的平衡。

附图说明

图1  典型的逆变器孤网系统。

图2  P-f下垂曲线。

图3  Q-u下垂曲线。

图4  恒压恒频控制结构图。

图5  典型的双逆变器带负荷的孤网系统。

图6  幅值-有功下垂曲线。

图7 比值-无功下垂曲线。

图8 PQ控制结构图。

图9  负荷相电压幅值的仿真波形。

图10 比值的仿真波形。

图11 系统频率的仿真波形。

图12 逆变器1的有功功率参考值及其发出的有功功率仿真波形。

图13 逆变器2的有功功率参考值及其发出的有功功率仿真波形。

图14 逆变器1的无功功率参考值及其发出的无功功率仿真波形。

图15 逆变器2的无功功率参考值及其发出的无功功率仿真波形。

图16 本发明的主程序流程框图。

具体实施方式

下面以一个双逆变器孤网系统测试算例来验证本发明提出的新的下垂特性设计方法的有效性，其结构图仍然如附图5所示。用于算法有效性的结果来自于商业仿真软件PSCAD，在PSCAD中，电压电流的单位为kV和kA，功率的单位为MW。

有功下垂曲线的设计参数为V_n=311V，V_min=295.5V，P_n1=30kW，P_n2=20kW，P_max1=50kW，P_max2=33.3kW， k_P1=1.29， k_P2=0.86；无功下垂曲线参数如下，rat_n=-2，rat_min=-3，Q_max1=20kVar，Q_max2=13.3Var，Q_min1=-9kVar，Q_min2=-6kVar，k_Q1=0.02，k_Q2=0.0133。总之，逆变器1和逆变器2的容量之比为3:2，理论上应该按照这个比例承担系统的有功功率和无功功率。

系统的初始总负荷为50kW，0.3s时投入25kW的有功负荷和25kVar的无功负荷，0.55s时将该负荷切除，所用负荷均为恒阻抗负荷，负荷功率均为在负荷相电压幅值为311V的情况下计算得出。

负荷相电压幅值V的仿真波形如附图9所示，比值rat的仿真波形如附图10所示，可以看出，当投入负荷后V和rat降低，切除负荷后V和rat增加，符合下垂曲线设计的规律。系统频率的仿真波形如图11所示，可见系统频率在稳态时始终保持在50Hz左右。逆变器1的有功功率参考值P_ref1及其发出的有功功率P1的仿真波形如附图12所示，逆变器2的有功功率参考值P_ref2及其发出的有功功率P2的仿真波形如附图13所示，逆变器1的无功功率参考值Q_ref1及其发出的无功功率Q1的仿真波形如附图14所示，逆变器2的无功功率参考值Q_ref2及其发出的无功功率Q2的仿真波形如附图15所示。

从仿真波形中可以看出，无论在初始负荷还是在投入负荷与切除负荷后，两台逆变器都能按照所设计的容量比3:2来承担有功负荷和无功负荷，且整个系统的电压和频率能够保持稳定，验证了所提出的新的下垂特性设计方法的有效性。

Claims (1)

1.微电网孤网运行时分布式电源下垂特性的CAD设计方法，其特征在于，是在计算机中依次按以下步骤实现的：

步骤（1） 计算机的初始化：

设定以下参数：

V_n，负荷相电压的额定值，

V_min，负荷相电压幅值的允许最小值，

P_nN，逆变器N的额定功率，N为逆变器的序号， N=1，N=2，共两个逆变器，

P，每个逆变器发出的有功功率，

Q，每个逆变器发出的无功功率，

P_max N，表示第N个逆变器的最大可发出的有功功率，

rat_n,比值的额定值，

rat_min，比值rat_n所允许的最小值，所述比值为负荷电压d轴分量V_Ld与负荷电压q轴分量V_Lq之比值，用rat表示，

Q_maxN，第N个逆变器最大可发出的无功功率，

Q_minN，第N个逆变器最小可发出的无功功率，

逆变器系统的频率为50Hz；

步骤（2） 测量逆变器系统一个周期内的负荷电压V_L，并输入计算机，

步骤（3） 计算机按下式计算负荷相电压幅值V和比值rat：

$V=\sqrt{V_{\mathrm{Ld}}^2+V_{\mathrm{Lq}}^2}---\left(1\right),$

$\mathrm{rat}=\frac{V_{\mathrm{Ld}}}{V_{\mathrm{Lq}}}---\left(2\right);$

步骤（4） 按下式计算分布式电源下垂斜率：

第一逆变器N1的有功下垂曲线斜率k_P1：

$k_{P1}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ΔV}}=\frac{P_{\max 1}-P_{n1}}{V_n-V_{\min }}---\left(3\right),$

第二逆变器N2的有功下垂特性的有功下垂曲线斜率k_P2：

$k_{P2}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ΔV}}=\frac{P_{\max 2}-P_{n2}}{V_n-V_{\min }}---\left(4\right),$

第一逆变器N1的无功下垂曲线斜率k_Q1：

$k_{Q1}=\frac{\mathrm{\ΔQ}}{\mathrm{\Δrat}}=\frac{Q_{\max 1}}{{\mathrm{rat}}_n-{\mathrm{rat}}_{\min }}---\left(5\right),$

第二逆变器N2的无功下垂曲线斜率k_Q2：

$k_{Q2}=\frac{\mathrm{\ΔQ}}{\mathrm{\Δrat}}=\frac{Q_{\max 2}}{{\mathrm{rat}}_n-{\mathrm{rat}}_{\min }}---\left(6\right);$

步骤（5） 依据下垂曲线斜率计算有功功率跟随参考值P_ref和无功功率跟随参考值Q_ref：

第一逆变器有功功率跟随参考值为P_ref1：

$P_{\mathrm{ref}1}=P_{n1}+k_{P1}(V_n-V)---\left(7\right),$

第二逆变器有功功率跟随参考值为P_ref2：

$P_{\mathrm{ref}2}=P_{n2}+k_{P2}(V_n-V)---\left(8\right),$

第一逆变器无功功率跟随参考值为Q_ref1：

$Q_{\mathrm{ref}1}=Q_{n1}+k_{Q1}({\mathrm{rat}}_n-\mathrm{rat})---\left(9\right),$

第二逆变器无功功率跟随参考值为Q_ref2：

$Q_{\mathrm{ref}2}=Q_{n2}+k_{Q2}({\mathrm{rat}}_n-\mathrm{rat})---\left(10\right);$

步骤（6） 在步骤（5）得到的有功功率和无功功率的参考值的基础上，通过PQ控制策略控制两个所述逆变器发出的功率跟随参考值，实现系统有功功率和无功功率的平衡。

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