CN103001229B - 基于电流增量投影的适用于纯电阻负荷的新下垂控制设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电流增量投影的适用于纯电阻负荷的新下垂控制设计方法，是将逆变器频率固定在50Hz不变，通过设计逆变器输出电流相量的增量在公共连接点电压相量方向上的投影与有功功率增量的下垂曲线，以及逆变器输出电流相量的增量在公共连接点电压相量垂直方向上的投影与无功功率增量的下垂曲线，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，使孤网时系统纯电阻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要固定电压相角的机组作为参考机的限制，能使微电网在孤网状态下稳定运行。

Description

基于电流增量投影的适用于纯电阻负荷的新下垂控制设计方法

技术领域

本发明涉及微电网运行与控制领域，具体是一种基于逆变器输出电流增量投影的新下垂控制设计方法，该方法可以使各逆变器能在微电网能在孤网运行时按照设定的下垂曲线斜率承担系统纯电阻负荷的变化，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

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。

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-P)/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

本发明提出一种基于逆变器输出电流增量投影的新下垂控制设计方法，能够有效保证微电网在孤网运行时电压和频率的稳定。

本发明采用的技术方案是：基于电流增量投影的适用于纯电阻负荷的新下垂控制设计方法，包括如下步骤：

步骤（1）计算逆变器输出电流相量增量在公共连接点电压相量上的投影ΔI_p和逆变器输出电流相量增量在公共连接点电压相量垂直方向上的投影ΔI_q，

ΔI_p=ΔIgcosθ    （1）

ΔI_q=ΔIgsinθ    （2）

其中，θ为相量超前相量的角度，相量的幅值为ΔI，

步骤（2）设计下垂特性

对孤网系统中的逆变器设计各自的有功和无功下垂特性，设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，ΔI_pn表示ΔI_p的额定值，ΔI_pmin表示ΔI_p所允许的最小值，P_nN表示逆变器N的有功额定功率，P_maxN表示逆变器N的最大可发出有功功率，ΔI_qn表示ΔI_q的额定值，ΔL_qmin表示ΔI_q所允许的最小值，Q_nN表示逆变器N的无功额定功率，Q_maxN表示逆变器N最大可发出的无功功率。

步骤（3）计算下垂曲线的斜率

设k_PN表示逆变器N的有功下垂曲线斜率，k_QN表示逆变器N的无功下垂曲线斜率

$k_{\mathrm{PN}}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{{\mathrm{\ΔI}}_p}=\frac{P_{\max N}-P_{\mathrm{nN}}}{{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{pn}}-{\mathrm{\ΔI}}_{p\min }}---\left(3\right)$

$k_{\mathrm{QN}}=\frac{\mathrm{\ΔQ}}{{\mathrm{\ΔI}}_q}=\frac{Q_{\max N}-Q_{\mathrm{nN}}}{{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{qn}}-{\mathrm{\ΔI}}_{q\min }}---\left(4\right)$

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N的有功功率参考值为P_refN，无功功率参考值为Q_refN，则根据下垂特性计算如下

P_refN＝P_nN+k_PN(ΔI_pn-ΔI_pmin)  （5）

Q_refN＝Q_nN+k_QN(ΔI_qn-ΔI_qmin)  （6）

步骤（5）控制逆变器N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N发出的功率跟随参考值，最终完成系统有功功率和无功功率的平衡。

所述的基于电流增量投影的适用于纯电阻负荷的新下垂控制设计方法，包括如下步骤：

（a）将系统频率固定在50Hz不变；

（b）对逆变器N设计逆变器输出电流相量的增量在公共连接点电压相量方向上的投影与有功功率增量的下垂曲线，以及逆变器输出电流相量的增量在公共连接点电压相量垂直方向上的投影与无功功率增量的下垂曲线，下垂曲线由下式表达：

P_refN＝P_nN+k_PN(ΔI_pn-ΔI_pmin)  （7）

Q_refN=Q_nN+k_QN(ΔI_qn-ΔI_qmin)   （8）

（c）通过下垂曲线得到有功功率和无功功率参考值后，通过PQ控制使逆变器发出的有功和无功跟随参考值。

本发明的突出优点在于：将逆变器频率固定在50Hz不变，通过设计逆变器输出电流相量的增量在公共连接点电压相量方向上的投影与有功功率增量的下垂曲线，以及逆变器输出电流相量的增量在公共连接点电压相量垂直方向上的投影与无功功率增量的下垂曲线，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，使孤网时系统纯电阻负荷的变化由各逆变器按照容量大小来承担，从而有效保证微电网在孤网运行时电压和频率的稳定。

附图说明

图1是现有典型的逆变器孤网系统。

图2是现有典型的逆变器孤网系统所设计的P-f下垂曲线。

图3是现有典型的逆变器孤网系统所设计的Q-u下垂曲线。

图4是现有典型的逆变器孤网系统所设计的恒压恒频控制结构示意图。

图5是本发明所述的基于逆变器输出电流增量投影的新下垂控制设计方法的单逆变器带纯电阻负荷的拓扑图。

图6是附图5中UL与IL的相量关系图。

图7是系统启动以及纯电阻负荷投入前后系统三相电压幅值仿真波形图。

图8是系统启动以及纯电阻负荷投入前后的功率仿真波形图。

具体实施方式

下面以一个逆变器孤网系统纯电阻负荷的启动和负荷投切算例来验证本发明提出的新的下垂特性方法的有效性，其结构图如附图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。

1、纯电阻负荷启动

系统参数为额定电压V_n=311V，三相滤波电感和三相并联电容分别为1.712mH和7.31uF.启动时投入纯电阻负荷30KW。

单逆变器带纯电阻负荷的拓扑图如附图5所示。

此时，由于是纯电阻负荷，附图5中UL与IL的相量关系如附图6所示。

其中，IL指的是相电流的幅值，则有电流变化量向电压的投影如下式

ΔI_L=I_Lk-I_Lk-1

功率增量控制如下式所示

P_refk=P_refk-1+k_P*ΔI_L

于是，考虑从纯电阻启动到稳态的整个过程，设有功功率的初值为Pref0，稳态电流幅值为IL，则有稳态时的有功功率参考值如下式

P_ref=P_ref0+k_p*I_L

稳态时纯电阻负荷吸收的功率P为

$P=\frac{3}{2}{I}_L^{2}R$

稳态时因为Pref=P，于是有

$P_{\mathrm{ref}0}+k_P*I_L=\frac{3}{2}{I}_L^{2}R$

假设Pref0=0，由上式有

$k_P=\frac{3}{2}{I}_{L}R$

为了使得稳态时负载电压在额定电压上，IL*R=0.311，所以设计成k_p=0.4665

2、纯电阻负荷投切

在纯电阻负荷启动推导的基础上，假设在稳态后又投入了纯电阻负荷，此时实际投入纯电阻负荷15KW。假设在新的稳态下有功功率的参考值为P′_ref，电流为I′_L，则有如下公式

P′_ref=P_ref+k_P(I′_L-I_L)

设投完负荷后的稳态下负荷吸收的有功功率为P′，总负荷为R′，则有

$P^{\′}=\frac{3}{2}{I}_L^{\′2}{R}^{\′}$

由P′_ref=P′，最后整理得到

$k_P=\frac{3}{2}{I}_L^{\′}{R}^{\′}$

可见，该关系同未投入负荷时一样，因此只要kp不变，就可以让电压稳定在额定电压上。

下面通过仿真波形在PSCAD中对上述具体实施方式进行验证。

系统启动以及纯电阻负荷投入前后系统三相电压幅值VLa，VLb和VLc的仿真波形如附图7所示，可以看出系统可以按照设定顺利的启动且到达设定的稳态电压，当投入负荷后，系统电压经过短暂波动后仍能维持恒定。

系统启动以及纯电阻负荷投入前后的功率仿真波形如图8所示，可以看出在纯电阻负荷的情况下，负荷功率完全稳定在设定的30KW和45KW。

从仿真波形中可以看出，在纯电阻负荷的情况下，无论在初始启动还是在投入纯电阻负荷后，逆变器都能按照所设计的容量来承担变化的负荷，且整个系统的电压和频率能够保持稳定，验证了所提出的基于电压增量投影的适用于纯电阻负荷的新下垂控制设计方法的有效性。

Claims (1)

1. 基于电流增量投影的适用于纯电阻负荷的新下垂控制设计方法，其特征在于，该方法按照如下步骤进行：

步骤（1）计算逆变器输出电流相量增量                                                在公共连接点电压相量上的投影和逆变器输出电流相量增量在公共连接点电压相量垂直方向上的投影，

        （1）

        （2）

其中，为相量超前相量的角度，相量的幅值为，

步骤（2）设计下垂特性

    对孤网系统中的逆变器设计各自的有功和无功下垂特性，设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，表示的额定值，表示所允许的最小值，表示逆变器N的有功额定功率， 表示逆变器N的最大可发出有功功率，表示的额定值，表示所允许的最小值，表示逆变器N的无功额定功率，表示逆变器N最大可发出的无功功率，

步骤（3）计算下垂曲线的斜率

    设表示逆变器N的有功下垂曲线斜率，表示逆变器N的无功下垂曲线斜率

    （3）

    （4）

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N的有功功率参考值为，无功功率参考值为，则根据下垂特性计算如下：

  （5）

 （6）

步骤（5）控制逆变器N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N发出的功率跟随参考值，最终完成系统有功功率和无功功率的平衡。