CN103500998A - 自适应前馈补偿的微电网控制方法和微电网孤岛运行微电压源控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应前馈补偿的微电网控制方法和微电网孤岛运行微电压源控制器。所述前馈补偿控制方法是在满足有功分享机制约束下，对有功和无功计算方程在稳态运行点线性化，建立计算前馈补偿量的线性动态方程及相关参数，并利用带有遗忘因子递归最小二乘算法获得相关参数估计值。该方法与下垂系数无关，既保持了现有下垂控制的稳定性，又不违背稳态功率分享规则及电压/频率调节机制，同时对于微电网内负载的扰动或微电网结构的改变，递归最小二乘估计算法能够在线实时修正参数值，以保证系统的稳定性，达到自适应控制的目标。

Description

自适应前馈补偿的微电网控制方法和微电网孤岛运行微电压源控制器

技术领域

本发明涉及微电网中微电源的控制领域，具体涉及一种自适应前馈补偿的微电网控制方法和微电网孤岛运行微电压源控制器。

背景技术

微电网中微电源控制器结构如图1所示，当微电网运行于孤岛模式，现有的微电网功率分享控制中应用ω-P下垂控制和V-Q下垂控制方式，这种方式受微电网的结构及负荷的变化影响较大，难以实现功率的有功分享，甚至影响到系统的稳定性。本发明提出的前馈补偿控制方法，能够根据DG装置的输出的改变量计算出电压和频率控制增量，补偿了电网扰动对DG控制系统的影响。

名词解释：DG装置（distributed generation）指接在用户侧附近的小型发电系统。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供一种自适应前馈补偿的微电网控制方法和基于该方法的微电网孤岛运行微电压源控制器。

本发明的技术方案如下：

一种自适应前馈补偿的微电网控制方法，包括以下步骤：

1）信号采集：由电压和电流传感器装置采集DG装置在并网连接点的三相电压（V_gabc）、三相电流（i_gabc）信号；

2）信号处理：所述DG装置与并网连接点的三相电压(V_gabc)、三相电流(i_gabc)信号，经过A/D转换后变成离散量(V_gabc(k)、i_gabc(k))。为了实现双通道控制，对(V_gabc(k)、i_gabc(k))进行d-q变换，(V_gabc(k))变换后形成(V_gd(k)、V_gq(k))，(i_gabc(k))变换后形成(i_gd(k)、i_gq(k))；基于(V_gd(k)、V_gq(k)、i_gd(k)、i_gq(k))，可计算出DG装置输出的有功(P_gf(k))和无功(Q_gf(k))；将信号(V_gd(k)、V_gq(k)、i_gd(k)、i_gq(k)、P_gf(k)、Q_gf(k))通过高通滤波器滤波，得到的滤波信号用于求解稳态参数；

3）信号(V_gd(k)、V_gq(k)、i_gd(k)、i_gq(k)、P_gf(k)、Q_gf(k))通过高通滤波器滤波后，得到信号（P'_gf(k)、V'_gd(k)、V'_gq(k)、i'_gd(k)、i'_gq(k)、Q'_gf(k)），其中信号（P'_gf(k)、V'_gd(k)、V'_gq(k)、i'_gd(k)）进行最小二乘回归估计算法（式（1））后，得到的（α₂、α₃、α₄）进行组合运算后，得到的（δ₁、δ₂）与信号（i'_gd(k)、i'_gq(k)、Q'_gf(k)）进行线性运算（式（2）、式（3））后，得到（ΔV_gd(k)、ΔV_gq(k)）。

所述的方法，所述最小二乘回归估计算法为式（1）所示算法，自适应前馈补偿算法需要的参数分别是（α₂、α₃、α₄）：

P'_gf(k)=α₁P'_gf(k-1)+α₂i'_gd(k-1)+α₃V'_gd(k-1)+α₄V'_gq(k-1)   （1）

系统处于稳定状态时，系统的动态响应便衰减到零，大信号系统响应边界是确定的，且这种稳定并不取决于下垂系数或任何网络结构变动，则ΔV_gd(k)和ΔV_gq(k)解为：

ΔV_gd(k)=δ1i'_gd(k)+δ₂i'_gq(k)+nQ'_gf(k)   （2）

ΔV_gq(k)=δ₂i'_gd(k)-δ₁i'_gq(k)   （3）

所述式（2）、式（3）中 ${\mathrm{\δ}}_1={\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_3/({\mathrm{\α}}_3^2+{\mathrm{\α}}_4^2),{\mathrm{\δ}}_2={\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_4/({\mathrm{\α}}_3^2+{\mathrm{\α}}_4^2).$

基于上述的方法的微电网孤岛运行微电压源控制器，包括：

一个电压源IGBT逆变器，将直流电转变为交流电；

一个并网连接点的电流测量转换及d-q分解模块，由电流互感器（CT1）测得并网连接点的三相电流信号（i_gabc），经模块转换及d-q分解后得到信号（i_gd(k)、i_gq(k)）；

一个逆变器输出点的电流测量转换及d-q分解模块，由电流互感器（CT2）测得逆变器输出的三相电流信号（i_abc），经模块转换及d-q分解后得到信号（i_d(k)、i_q(k)）；

一个电压测量转换及d-q分解模块，由电压互感器（PT）测得的三相电压信号（V_gabc），经模块转换及d-q分解后得到信号（V_gd(k)、V_gq(k)）；

一个数字锁相环（DPLL）模块，输出角频率（ω）和电角度（θ）；

一个PWM转换及驱动模块，完成正弦波的调制及触发脉冲驱动；

一个有功无功计算模块，用于计算并网输出的有功（P_gf(k)）和无功（Q_gf(k)）；

一个低通滤波器，对有功无功信号进行滤波；

一个频率/电压下垂控制器，对电压和频率进行下垂控制；

一个电流控制器，对逆变器的输出电流进行控制；

一个电压/频率控制器，对逆变器的输出电压和频率进行控制；

一个前馈补偿控制器，在满足有功分享机制约束下，对有功和无功计算方程在稳态运行点线性化，建立计算前馈补偿量的线性动态方程及相关参数，并利用带有遗忘因子的递归最小二乘算法获得相关参数估计值，最终计算出电压的前馈补偿量（ΔV_gd(k)）和频率前馈补偿量（ΔV_gq(k)）。

本发明的前馈补偿控制方法，在满足有功分享机制约束下，对有功和无功计算方程在稳态运行点线性化，建立计算前馈补偿量的线性动态方程及相关参数，并利用带有遗忘因子递归最小二乘算法获得相关参数估计值。该方法与下垂系数无关，既保持了现有下垂控制的稳定性，又不违背稳态功率分享规则及电压/频率调节机制，同时对于微电网内负载的扰动或微电网结构的改变，递归最小二乘估计算法能够在线实时修正参数值，以保证系统的稳定性，达到自适应控制的目标。

附图说明

图1是本发明的微电网孤岛运行微电源控制器结构图；

图2是本发明的一种微电网结构模型图；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

参考图1，是基于本发明所述自适应前馈补偿的微电网控制方法的微电网孤岛运行微电压源控制器。包括：一个电压源IGBT逆变器，将直流电转变为交流电；一个并网连接点的电流测量转换及d-q分解模块，由电流互感器CT1测得并网连接点的三相电流信号i_gabc，经该模块转换及d-q分解后得到信号i_gd(k)、i_gq(k)；一个逆变器输出点的电流测量转换及d-q分解模块，由电流互感器CT2测得逆变器输出的三相电流信号i_abc，经模块转换及d-q分解后得到信号i_d(k)、i_q(k)；一个电压测量转换及d-q分解模块，由电压互感器PT测得的三相电压信号V_gabc，经模块转换及d-q分解后得到信号V_gd(k)、V_gq(k)；一个数字锁相环DPLL模块，输出角频率ω和电角度θ；一个PWM转换及驱动模块，完成正弦波的调制及触发脉冲驱动；一个有功无功计算模块，用于计算并网输出的有功P_gf(k)和无功Q_gf(k)；一个低通滤波器，对有功无功信号进行滤波；一个频率/电压下垂控制器，对电压和频率进行下垂控制；一个电流控制器，对逆变器输出的电流进行控制；一个电压/频率控制器，对逆变器的输出电压和频率进行控制；一个前馈补偿控制器，在满足有功分享机制约束下，对有功和无功计算方程在稳态运行点线性化，建立计算前馈补偿量的线性动态方程及相关参数，并利用带有遗忘因子的递归最小二乘算法获得相关参数估计值，最终计算出电压的前馈补偿量ΔV_gd(k)和频率前馈补偿量ΔV_gq(k)。

本发明提供了一种自适应前馈补偿的微电网控制方法，如附图2所示为本发明应用的一个实例。

微电网的结构模型如图2所示，微电网和主电网之间通过变压器相连接，主电网通过断路器QF连接微电网的一条母线，母线上有三个断路器QF7、QF8、QF9，该母线通过断路器QF1、QF3、QF5分别连接微电源DG1、DG2、DG3，通过断路器QF2、QF4、QF6分别连接负载1、负载2、负载3。

断路器QF断开时，微电网运行在孤岛模式，影响微电网运行状态的因素主要有两类：一是负载的突然切断或接入，二是微电网结构的改变。这两种情况都会使微电网产生较大的暂态，进而影响控制器的控制性能。

采用本发明方法，在每一个DG装置控制器中运行前馈补偿算法，当微电网的运行状态发生改变时，该算法能检测暂态变化，进而计算出前馈补偿量分别加到各自电压和频率控制环节上，既能克服因电网状态变化引起的下垂控制的稳定性问题，又能实现DG装置的之间的功率分享。

自适应前馈补偿的微电网控制方法，步骤如下：

1）信号采集：由电压传感器PT和电流传感器CT1采集DG装置在并网连接点的三相电压V_gabc、三相电流i_gabc信号；

2）信号处理：所述DG装置与并网连接点的三相电压V_gabc、三相电流i_gabc信号，经过转换后变成离散量V_gd(k)、V_gq(k)、i_gd(k)、i_gq(k)，V_gd(k)为并网连接点处的三相电压V_gabc经d-q变换后得到的d轴分量；V_gq(k)为并网连接点处的三相电压V_gabc经d-q变换后得到的q轴分量；i_gd(k)为并网连接点处的三相电流i_gabc经d-q变换后得到的d轴分量；i_gq(k)为并网连接点处的三相电流i_gabc经d-q变换后得到的q轴分量；可计算出DG装置输出的有功P_gf(k)和无功Q_gf(k)；将信号V_gd(k)、V_gq(k)、i_gd(k)、i_gq(k)、P_gf(k)、Q_gf(k)通过高通滤波器滤波，得到的滤波信号P'_gf(k)、V'_gd(k)、V'_gq(k)、i'_gd(k)、i'_gq(k)、Q'_gf(k)，用于求解稳态参数；

3）将信号P'_gf(k)、V'_gd(k)、V'_gq(k)、i'_gd(k)进行最小二乘回归估计算法：

P'_gf(k)=α₁P'_gf(k-1)+α₂i'_gd(k-1)+α₃V'_gd(k-1)+α₄V'_gq(k-1)（1）

所述式（1）中α₁、α₂、α₃、α₄为自适应前馈补偿算法所需的稳态参数，该组稳态参数是采用递归最小二乘算法估计得到的。

4）将得到的稳态参数（α₂、α₃、α₄）进行组合运算后，得到稳态参数（δ₁、δ₂）与信号i'_gd(k)、i'_gq(k)、Q'_gf(k)进行线性运算后，得到前馈电压补偿量ΔV_gd(k)、ΔV_gq(k)，前馈补偿小信号线性化动态模型由下式来确定：

ΔV_gd(k)=δ₁i'_gd(k)+δ₂i'_gq(k)+nQ'_gf(k)   （2）

ΔV_gq(k)=δ₂i'_gd(k)-δ₁i'_gq(k)   （3）

所述式（2）、式（3）中 ${\mathrm{\δ}}_1={\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_3/({\mathrm{\α}}_3^2+{\mathrm{\α}}_4^2),{\mathrm{\δ}}_2={\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_4/({\mathrm{\α}}_3^2+{\mathrm{\α}}_4^2).$

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种自适应前馈补偿的微电网控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）信号采集：由电压和电流传感器装置采集DG装置在并网连接点的三相电压（V_gabc）、三相电流（i_gabc）信号；

2）信号处理：所述DG装置与并网连接点的三相电压(V_gabc)、三相电流(i_gabc)信号，经过A/D转换后变成离散量(V_gabc(k)、i_gabc(k))。为了实现双通道控制，对(V_gabc(k)、i_gabc(k))进行d-q变换，(V_gabc(k))变换后形成(V_gd(k)、V_gq(k))，(i_gabc(k))变换后形成(i_gd(k)、i_gq(k))；基于(V_gd(k)、V_gq(k)、i_gd(k)、i_gq(k))，可计算出DG装置输出的有功(P_gf(k))和无功(Q_gf(k))；将信号(V_gd(k)、V_gq(k)、i_gd(k)、i_gq(k)、P_gf(k)、Q_gf(k))通过高通滤波器滤波，得到的滤波信号用于求解稳态参数；

3）信号(V_gd(k)、V_gq(k)、i_gd(k)、i_gq(k)、P_gf(k)、Q_gf(k))通过高通滤波器滤波后，得到信号（P'_gf(k)、V'_gd(k)、V'_gq(k)、i'_gd(k)、i'_gq(k)、Q'_gf(k)），其中信号（P'_gf(k)、V'_gd(k)、V'_gq(k)、i'_gd(k)）进行最小二乘回归估计算法（式（1））后，得到的（α₂、α₃、α₄）进行组合运算后，得到的（δ₁、δ₂）与信号（i'_gd(k)、i'_gq(k)、Q'_gf(k)）进行线性运算后，得到（ΔV_gd(k)、ΔV_gq(k)）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最小二乘回归估计算法为式（1）所示算法，自适应前馈补偿算法需要的参数分别是（α₂、α₃、α₄）：

P'_gf(k)=α₁P'_gf(k-1)+α₂i'_gd(k-1)+α₃V'_gd(k-1)+α₄V'_gq(k-1)   （1）

系统处于稳定状态时，系统的动态响应便衰减到零，大信号系统响应边界是确定的，且这种稳定并不取决于下垂系数或任何网络结构变动，则ΔV_gd(k)和ΔV_gq(k)解为：

ΔV_gd(k)=δ₁i'_gd(k)+δ₂i'_gq(k)+nQ'_gf(k)   （2）

ΔV_gq(k)=δ₂i'_gd(k)-δ₁i'_gq(k)   （3）

所述式（2）、式（3）中 ${\mathrm{\δ}}_1={\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_3/({\mathrm{\α}}_3^2+{\mathrm{\α}}_4^2),{\mathrm{\δ}}_2={\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_4/({\mathrm{\α}}_3^2+{\mathrm{\α}}_4^2).$

3.基于权利要求1所述的方法的微电网孤岛运行微电压源控制器，其特征在于，包括：

一个电压源IGBT逆变器，将直流电转变为交流电；

一个并网连接点的电流测量转换及d-q分解模块，由电流互感器（CT1）测得并网连接点的三相电流信号（i_gabc），经模块转换及d-q分解后得到信号（i_gd(k)、i_gq(k)）；

一个逆变器输出点的电流测量转换及d-q分解模块，由电流互感器（CT2）测得逆变器输出的三相电流信号（i_abc），经模块转换及d-q分解后得到信号（i_d(k)、i_q(k)）；

一个电压测量转换及d-q分解模块，由电压互感器（PT）测得的三相电压信号（V_gabc），经模块转换及d-q分解后得到信号（V_gd(k)、V_gq(k)）；

一个数字锁相环（DPLL）模块，输出角频率（ω）和电角度（θ）；

一个PWM转换及驱动模块，完成正弦波的调制及触发脉冲驱动；

一个有功无功计算模块，用于计算并网输出的有功（P_gf(k)）和无功（Q_gf(k)）；

一个低通滤波器，对有功无功信号进行滤波；

一个频率/电压下垂控制器，对电压和频率进行下垂控制；

一个电流控制器，对逆变器的输出电流进行控制；

一个电压/频率控制器，对逆变器的输出电压和频率进行控制；

一个前馈补偿控制器，在满足有功分享机制约束下，对有功和无功计算方程在稳态运行点线性化，建立计算前馈补偿量的线性动态方程及相关参数，并利用带有遗忘因子的递归最小二乘算法获得相关参数估计值，最终计算出电压的前馈补偿量ΔV_gd(k)和频率前馈补偿量ΔV_gq(k)。

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