CN103501021B - 一种具有二次调频调压特性的逆变器下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有二次调频调压特性的逆变器下垂控制方法，属于分布式电源逆变器输出控制技术领域。针对传统逆变器本地下垂控制无法实现二次调频/调压效果的缺陷，以满足逆变器功率输出上限、下限及额定工作点为约束，在传统下垂控制曲线基础上以额定工作点为中间过渡点，构造S型下垂控制曲线。采用三次函数或分段函数建模利用二次函数替代传统下垂控制常系数，实现功率输出随负荷变化动态调整由于传统发电机在调频器/调压器操作下，其二次调频/调压功率输出曲线与负荷特性曲线的交点移动轨迹即为S型曲线，故直接利用该曲线对逆变器进行控制，即可实现二次调频/调压的效果，使其运行性能优于传统下垂控制。

Description

一种具有二次调频调压特性的逆变器下垂控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有二次调频调压特性的逆变器下垂控制方法，其属于分布式电源逆变器输出控制技术及微电网系统微电源输出控制领域。

背景技术

微电网系统能够根据主网运行状况的不同在并网模式和孤岛模式灵活切换，使其成为智能电网的重要组成部分。微电网运行模式切换的稳定实现依赖于底层微电源的运行方式或出力的调整。其中底层微电源的控制方式主要包括主从控制和下垂控制。主从控制在并网/孤岛切换过程中要求能够快速切换控制方式，而孤岛检测的准确性和快速切换的要求会直接影响其孤岛运行的稳定性。而在下垂控制方式下，所有的微电源地位平等，且能够在微电网并网/孤岛模式切换过程中，维持控制方式稳定同时，能够自动在逆变器之间分配负荷功率的变化额度，能够实现微电网“即插即用”的要求。

逆变器采用传统下垂控制的缺点在于其模拟的是传统同步发电机的一次调频特性，在负荷变动较大时会造成较大的频率偏差，导致电能质量下降。

1)同步发电机的一次调频及二次调频描述如下：

发电机的单位调节功率K_G，即为发电机组原动机或电源的频率特性的斜率。

$K_G=-\frac{\mathrm{\Δ}{P}_G}{\mathrm{\Δf}}(\mathrm{MW}/\mathrm{Hz})$

负荷的单位调节功率K_L，即综合负荷的静态频率特性的斜率。

$K_L=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_L}{\mathrm{\Δf}}(\mathrm{MW}/\mathrm{Hz})$

其中，ΔP_G为发电机出力变化量；ΔP_L为负荷需求变化量；Δf为系统频率偏离额定频率的变化量。K_G和K_L均为正值；在后续推导过程中，ΔP_G和ΔP_L均以功率的增大为正；Δf取频率的上升为正。

以负荷功率增加为例进行说明一次调频过程，可参考图1。在f-P平面上，发电机组原动机的频率特性和负荷频率特性的交点就是系统的原始运行点，设为O。设在点O运行时负荷突然增加ΔP_LO，即负荷的频率特性突然增加ΔP_LO，由直线P_L向右平移为P′_L，直线则由于负荷突增时发电机组功率不能及时随之变动，机组将减速，系统频率将下降。而在系统频率下降的同时，发电机组的功率将因它的调速器的一次调整作用而增大，负荷在功率将因它本身的调节效应而减少。前者沿原动机的频率特性向右增加，后者沿负荷的频率特性向左减少，经过一个衰减的振荡过程，抵达一个新的平衡点，即O′。

一次调频的公式描述：

ΔP_LO=-(K_G+K_L)Δf

当负荷增加量ΔP_LO较大，会导致Δf较大，从而使得系统频率偏离额定频率较多，电能质量不合格。这种情况下可以借助频率的二次调整来进行实现频率偏差的修订。

频率的二次调整就是由上层调度中心发出指令，派人手动或自动的操作调频器使发电机组的频率特性平行地上下移动（上移发电功率增加，下移发电功率减小），从而使得负荷变动引起的频率偏移可保持在允许范围内。在一次调频的基础上进行二次调频就是在负荷变动引起的频率下降Δf越出允许范围时，操作调频器，增加发电机组发出的功率，使频率特性向下移动。设发电机组增发ΔP_GO，则运行点将从点O′转移到O″。点O″对应的频率为f″_O、功率为P″_O，即频率下降由于进行了二次调整由仅有一次调整时的Δf减少为Δf′，可以供应负荷的功率则由仅有一次调整时的P′_O增加为P″_O，系统运行质量有了改善。

二次调频公式描述：

ΔP_LO-ΔP_GO=-(K_G+K_L)Δf

由上式可知，二次调频的作用在于操作调频器，在f-P平面上，使得具备调频功能的发电机运行曲线平行上移，由直线P_G变为直线P′_G在原来运行点基础上多发ΔP_GO，从而使得系统频率下降有所减少,负荷所能获得的功率才有所增加。

2）逆变器传统线性下垂控制

传统下垂控制中，逆变器输出电压幅值和频率下垂控制方程为： $\left\{\begin{array}{c}f=f_N-k_f\·(P_N-P)\\ U=U_N-k_u\·(Q_N-Q)\end{array}\right.$

其中，f和U为逆变器输出电压的频率和幅值，f₀、U_N分别为逆变器空载时输出电压的频率和幅值，f_N、P_N、Q_N分别为逆变器额定频率、额定输出有功功率和额定输出无功功率，k_f、k_u分别为逆变器输出有功-频率下垂特性曲线和无功-电压下垂特性曲线的下垂系数，P、Q为该逆变器输出的有功功率和无功功率。具体曲线如图1所示。

而当前分布式发电端口逆变器采用的下垂控制就是模拟同步发电机的一次调频下垂特性，故在负荷变动较大情况下，其频率偏差较大，电能质量较差。而当前逆变器二次调频功能的实现要依赖于上层的调度系统指令，由于分布式电源数量众多，容量较小，广泛接受上层调度并不现实，故如何在本地控制中加入二次调频功能急需解决。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，通过设计一种S型下垂曲线来实现逆变器下垂控制中融合二次调频特性的目标。该方法可有效解决逆变器适应负荷大范围波动的引起的频率偏差较大问题，且适用于多个微电源并联的情况。

为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

将二次调频调压方式融入逆变器的下垂控制之中，对逆变器传统下垂控制曲线即无功-电压下垂特性曲线、有功-频率下垂特性曲线中下垂系数进行修改，修改为使下垂控制曲线呈三次函数形式的控制曲线，或由多次函数及分段函数表示的函数形式的控制曲线，且在该控制曲线中，f-P平面和U-Q平面表示的曲线中，功率输出下限工作点、额定工作点之间曲线开口朝上，额定工作点、功率输出上限工作点之间曲线开口朝下；P-f平面和Q-U平面表示的曲线中，功率输出下限工作点、额定工作点之间曲线开口朝下，额定工作点、功率输出上限工作点之间曲线开口朝上。

功率输出下限工作点即功率输出下限与空载频率f₀或最大允许电压幅值U_max分别对应的点；

额定工作点即额定功率输出与额定频率f_N或额定电压幅值U_N分别对应的点；

功率输出上限工作点即功率输出上限与最低频率f_min或最小允许电压幅值U_min分别对应的点。

具体步骤为：

步骤1，取一组分布式电源，分布式电源端口采用DC-AC逆变器，其输出阻抗和连线阻抗之和为r+jx，其中，r为实部，x为虚部，并设并联逆变器输出阻抗和连线阻抗之和呈现感性为主，即x＞＞r；

步骤2，传统下垂控制中，逆变器输出电压幅值和频率下垂控制方程为： $\left\{\begin{array}{c}f=f_N-k_f\·(P_N-P)\\ U=U_N-k_u\·(Q_N-Q)\end{array}\right.;$

f和U为逆变器输出电压的频率和幅值，f₀、U_N分别为逆变器空载时输出电压的频率和幅值，f_N、P_N、Q_N分别为逆变器额定频率、额定输出有功功率和额定输出无功功率，k_f、k_u分别为逆变器输出有功-频率下垂特性曲线和无功-电压下垂特性曲线的下垂系数，P、Q为该逆变器输出的有功功率和无功功率。

步骤-3，在f-P和U-Q平面上，以传统线性下垂曲线为基准，以功率输出下限工作点（功率输出下限与空载频率f₀、最大允许电压幅值U_max分别对应）、额定工作点（额定功率输出与额定频率f_N、额定电压幅值U_N分别对应）、功率输出上限工作点（功率输出上限与最低频率f_min、最小允许电压幅值U_min）为边界构建三次曲线，且三次曲线开口方向过渡点为额定工作点，可用三次多项式建模表示：

$\left\{\begin{array}{cc}f=a_1{P}^3+b_1{P}^2+c_{1}P+m_1& 0\&le;P\&le;P_{\max },a_1<0\\ U=a_2{Q}^3+b_2{Q}^2+c_{2}Q+m_2& 0\&le;Q\&le;Q_{\max },a_2<0\end{array}\right.,$ 其中，P_max为最大有功功率，Q_max为最大无功功率，a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂为多项式系数；

功率输出下限工作点、额定工作点之间曲线开口朝上，额定工作点、功率输出上限工作点之间曲线开口朝下；

并以对应的横坐标刻度，构建df/dP－P曲线和dU/dQ－Q曲线，可用二次函数进行建模表示；该下垂曲线在设计时，必须满足N点处的变化率df/dP、dU/dQ的绝对值分别小于传统下垂曲线在N点的df/dP、dU/dQ的绝对值。

步骤4，实时检测负荷功率P和Q，确定其下垂调节过程中所采用的下垂系数k′_f、k′_u的大小。逆变器下垂控制系数k′_f、k′_u的选择为：

$\left\{\begin{array}{cc}{k}_f^{\&prime;}=a_1{P}^2+2b_{1}P+c_1& 0\&le;P\&le;P_{\max },a_1<0\\ k_u^{\&prime;}=a_2{P}^2+2b_{2}P+c_2& 0\&le;Q\&le;Q_{\max },a_2<0\end{array}\right.;$

利用上述下垂控制系数k_f、k_u，对逆变器的输出进行控制。

$\left\{\begin{array}{c}f=f_N-(a_1{P}^2+{2b}_{1}P+c_1)\&CenterDot;(P_N-P)\\ U=U_N-(a_2{P}^2+2b_{2}P+c_2)\&CenterDot;(Q_N-Q)\end{array}\right.;$

步骤5，对于下垂控制系数k′_f、k′_u中系数a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂的确定：

根据二次调频公式ΔP_LO-ΔP_GO=-(K_G+K_L)Δf，其中，K_G为发电机的单位调节功率，K_L为负荷的单位调节功率，Δf为系统频率偏离额定频率的变化量，ΔP_LO为负荷的功率增量，ΔP_GO为发电机发出的功率增量；

根据负荷种类确定K_L，根据最大可能的负荷增长或减少幅度确定ΔP_LO，根据电源的出力情况确定合理的ΔP_GO和Δf，从而可以得到P-f平面中K_G，进而得到f-P平面中的下垂系数k′_f=1/K_G；

通过重复取新的ΔP_LO、ΔP_GO、Δf可以得到新的k′_f，通过多次的选取，可以获得多个离散点，通过曲线拟合技术即可获得a₁、b₁、c₁、m₁的准确数值；a₂、b₂、c₂、m₂可利用相同的方法，根据U-Q曲线获得离散点，并通过曲线拟合获得；

步骤6，根据获得的a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂的数值，确定k′_f、k′_u的表达式，并将其替代逆变器传统下垂Droop控制中下垂系数的设定部分，即可实现在下垂控制中随负荷动态变化而调整频率和电压偏差的目的，在调整过程中融入二次调频调压特性。

本发明的有益效果是：

针对传统逆变器本地下垂控制无法实现二次调频效果的缺陷，以满足逆变器功率输出上、下限及额定工作点为约束，在传统下垂控制曲线基础上以额定工作点为中间过渡点，构造S型下垂控制曲线。由于传统发电机在调频器/调压器操作下，其二次调频/调压功率输出曲线与负荷特性曲线的交点移动轨迹即为S型曲线，故直接利用该曲线对逆变器进行控制，即可实现二次调频/调压的效果，使其运行性能优于传统下垂控制。

本发明的方法简单，在逆变器传统线性下垂控制策略及执行方式的基础上，只需将下垂系数进行修改即可将二次调频调压特性有效的融入逆变器的下垂控制之中，可以有效减小负荷突变引起的微电网输出电压幅值和频率的偏差。

附图说明

图1同步发电机一次调频和二次调频曲线；

图2为传统下垂特性功率输出特性曲线；

图3为S型下垂特性功率输出特性曲线；

图4为S型下垂特性对应的df/dP－P和dU/dQ－Q曲线。

具体实施方式

步骤1，传统下垂控制中逆变器输出电压幅值和频率下垂控制方程为： $\left\{\begin{array}{c}f=f_N-k_f\&CenterDot;(P_N-P)\\ U=U_N-k_u\&CenterDot;(Q_N-Q)\end{array}\right..$ 确定额定工作点、上下边界工作点的位置及传统下垂系数k_f、k_U的大小。其中，f和U为逆变器输出电压的频率和幅值，f₀、U_N分别为逆变器空载时输出电压的频率和幅值，f_N、P_N、Q_N分别为逆变器输出额定频率、额定输出有功功率和额定输出无功功率，k_f、k_u分别为逆变器输出频率-有功下垂特性曲线和电压-无功下垂特性曲线的下垂系数，P、Q为该逆变器输出的有功功率和无功功率。

步骤2，在f-P和U-Q平面上，以步骤1中的下垂曲线为基准，如图2所示，分别以功率输出下限工作点A、C（功率输出下限与空载频率f₀、最大允许电压幅值U_max分别对应）、额定工作点N、N（额定功率输出与额定频率f_N、额定电压幅值U_N分别对应）、功率输出上限工作点B、D（功率输出上限与最低频率f_min、最小允许电压幅值U_min）为边界构建两个三次曲线，且三次曲线开口方向过渡点均为额定工作点N，可用三次多项式建模表示，如图3所示。功率输出下限工作点A、C、额定工作点N、N之间曲线开口朝上，额定工作点N、N、功率输出上限工作点B、D之间曲线开口朝下。并以对应的横坐标刻度，构建df/dP--P曲线和dU/dQ--Q曲线，可用二次函数进行建模表示，如图4所示。该下垂曲线在设计时，必须满足N点处的变化率df/dP、dU/dQ的绝对值分别小于传统下垂曲线在N点的df/dP、dU/dQ的绝对值。

f=a₁P³+b₁P²+c₁P+m₁  0≤P≤P_max,a₁<0

U=a₂Q³+b₂Q²+c₂Q+m₂  0≤Q≤Q_max,a₂<0。

图3中平行的虚线代表传统线性下垂控制在面对负荷增加或减少时电源参与二次调频调压特性；若将三次曲线与若干平行虚线进行交汇，并利用交点进行曲线拟合，即可得到三次下垂曲线，表明该三次下垂曲线本身具备了电源二次调频调压特性。不同交汇点代表电源二次调频调压出力大小的不同。在f-P平面上，段虚线在传统下垂曲线基础上平行下移代表有功负荷突然减少情况下，电源进行二次调频的情况；段虚线在传统下垂曲线基础上平行上移代表有功负荷突然增加情况下，电源进行二次调频的情况。在U-Q平面上，段和虚线平移代表二次调压特性。且三次下垂曲线整体趋势依然为下垂趋势，从而能够保证其与其它逆变器下垂控制较好的兼容性。

步骤3，实时检测负荷功率P和Q，确定其下垂调节过程中所采用的下垂系数k′_f、k′_u的大小。逆变器下垂控制系数选择为：

k′_f=a₁P²+2b₁P+c₁  0≤P≤P_max,a₁<0

k′_u=a₂P²+2b₂P+c₂  0≤Q≤Q_max,a₂<0

利用上述下垂控制系数k′_f、k′_u，对逆变器的输出进行控制。

$\left\{\begin{array}{c}f=f_N-(a_1{P}^2+{2b}_{1}P+c_1)\&CenterDot;(P_N-P)\\ U=U_N-(a_2{P}^2+2b_{2}P+c_2)\&CenterDot;(Q_N-Q)\end{array}\right.$

步骤4，对于下垂控制系数k′_f、k′_u中系数a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂的确定可以参照二次调频调压公式来确定。

根据公式ΔP_LO-ΔP_GO=-(K_G+K_L)Δf，根据负荷种类确定K_L，根据最大可能的负荷功率增长或减少幅度确定ΔP_LO，根据电源的出力情况确定合理的功率变化量ΔP_GO和系统频率偏差Δf，从而可以得到P-f平面中K_G，进而得到f-P平面中的下垂系数k′_f=1/K_G。

通过重复取新的ΔP_LO、ΔP_GO、Δf可以得到新的k′_f，通过多次的选取，可以获得多个离散点，通过曲线拟合技术即可获得a₁、b₁、c₁、m₁的准确数值；a₂、b₂、c₂、m₂可利用相同的方法，根据Q-V曲线获得离散点，并通过曲线拟合获得。

步骤5，根据获得的a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂的数值，确定k′_f、k′_u的表达式，并将其替代逆变器传统下垂Droop控制中下垂系数的设定部分，即可实现在下垂控制中随负荷动态变化而调整频率和电压偏差的目的，在调整过程中融入二次调频调压特性，提高电能质量。

步骤3中的下垂特性曲线为三次函数形式的S型曲线形式，在其他实施方式中也可以由多次函数、分段函数或指数函数表示，只要符合反S型特征（P-f平面和Q-U平面）或S型特征（f-P平面和U-Q平面）的函数形式均可。

Claims (1)

1.一种具有二次调频调压特性的逆变器下垂控制方法，其特征是，将二次调频调压方式融入逆变器的下垂控制之中，对逆变器传统下垂控制曲线即电压-无功下垂特性曲线、频率-有功下垂特性曲线中下垂系数进行修改，修改为使下垂控制曲线呈三次函数形式的控制曲线，或由多次函数、分段函数或指数函数表示的函数形式的控制曲线，且在该控制曲线中，f-P平面和U-Q平面表示的曲线中，功率输出下限工作点、额定工作点之间曲线开口朝上，额定工作点、功率输出上限工作点之间曲线开口朝下；P-f平面和Q-U平面表示的曲线中，功率输出下限工作点、额定工作点之间曲线开口朝下，额定工作点、功率输出上限工作点之间曲线开口朝上；

功率输出下限工作点即功率输出下限与空载频率f₀或最大允许电压幅值U_max分别对应的点；

额定工作点即额定功率输出与额定频率f_N或额定电压幅值U_N分别对应的点；

功率输出上限工作点即功率输出上限与最低频率f_min或最小允许电压幅值U_min分别对应的点；

具体步骤为：

步骤1，取一组分布式电源，其出口采用DC-AC逆变器，其输出阻抗和连线阻抗二者合并之和为r+jx，其中，r为实部，x为虚部，设并联逆变器输出阻抗和连线阻抗之和呈现感性为主，即x>>r；

步骤2，传统下垂控制中，逆变器输出电压幅值和频率下垂控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}f=f_N-k_f\&CenterDot;(P_N-P)\\ U=U_N-k_u\&CenterDot;(Q_N-Q)\end{array}\right.,$

f和U为逆变器输出电压的频率和幅值，f₀、U_N分别为逆变器空载时输出电压的频率和幅值，f_N、P_N、Q_N分别为逆变器额定频率、额定输出有功功率和额定输出无功功率，k_f、k_u分别为逆变器输出有功-频率下垂特性曲线和无功-电压下垂特性曲线的下垂系数，P、Q为该逆变器输出的有功功率和无功功率；

步骤3，在f-P和U-Q平面上，以传统线性下垂曲线为基准，以功率输出下限工作点、额定工作点、功率输出上限工作点为边界构建三次曲线，且三次曲线开口方向过渡点为额定工作点，用三次多项式建模表示：

$\left\{\begin{array}{cc}f=a_1{P}^3+b_1{P}^2+c_{1}P+m_1& 0\&le;P\&le;P_{\max },a_1<0\\ U=a_2{Q}^3+b_2{Q}^2+c_{2}Q+m_2& 0\&le;Q\&le;Q_{\max },a_2<0\end{array}\right.,$ 其中，P_max为最大有功功率，Q_max为最大无功功率，a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂为多项式系数；

功率输出下限工作点、额定工作点之间曲线开口朝上，额定工作点、功率输出上限工作点之间曲线开口朝下；

并以对应的横坐标刻度，构建df/dP－P曲线和dU/dQ－Q曲线，用二次函数进行建模表示；该下垂曲线在设计时，满足额定工作点处的变化率df/dP、dU/dQ的绝对值分别小于传统下垂曲线在额定工作点的df/dP、dU/dQ的绝对值；

步骤4，实时检测负荷功率P和Q，进而确定其下垂调节过程中所采用的下垂系数k′_f、k′_u的大小；逆变器下垂控制系数选择为：

$\left\{\begin{array}{cc}{k}_f^{\&prime;}=a_1{P}^2+{2b}_{1}P+c_1& 0\&le;P\&le;P_{\max },a_1<0\\ k_u^{\&prime;}=a_2{P}^2+{2b}_{2}P+c_2& 0\&le;Q\&le;Q_{\max },a_2<0\end{array}\right.;$

利用上述下垂控制系数，对逆变器的输出进行控制：

$\left\{\begin{array}{c}f=f_N-(a_1{P}^2+2b_{1}P+c_1)\&CenterDot;(P_N-P)\\ U=U_N-(a_2{P}^2+2b_{2}P+c_2)\&CenterDot;(Q_N-Q)\end{array}\right.;$

步骤5，对于下垂控制系数k′_f、k′_u中系数a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂的确定：

根据二次调频公式ΔP_LO-ΔP_GO＝-(K_G+K_L)Δf，其中，K_G为发电机的单位调节功率，K_L为负荷的单位调节功率，Δf为系统频率偏离额定频率的变化量，ΔP_LO为负荷的功率增量，ΔP_GO为电源输出的功率增量；

根据负荷种类确定K_L，根据最大可能的负荷增长或减少幅度确定ΔP_LO，根据电源的出力情况确定合理的ΔP_GO和Δf，从而得到P-f平面中K_G，进而得到f-P平面中的下垂系数k′_f＝1/K_G；

通过重复取新的ΔP_LO、ΔP_GO、Δf得到新的k′_f，通过多次的选取，获得多个离散点，通过曲线拟合技术获得a₁、b₁、c₁、m₁的准确数值；利用相同的方法，根据U-Q曲线获得离散点，并通过曲线拟合获得a₂、b₂、c₂、m₂；

步骤6，根据获得的a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂的数值，确定k′_f、k′_u的表达式，并将其替代逆变器传统下垂控制中下垂系数的设定部分，即实现在下垂控制中随负荷动态变化而调整频率和电压偏差的目的，在调整过程中融入二次调频调压特性。