CN103683324A - 一种微型电网系统中用于分布式电源并联运行模式的基于通信网络的改进的下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型电网系统中用于分布式电源并联运行模式的基于通信网络的改进的下垂控制方法，旨在改进传统下垂控制方法的缺陷，改进分布式电源在并联运行模式中的性能，提高系统的稳定性，适用于集成了新能源分布式发电的微型电网系统中并联运行模式的控制。本发明以通信网络为基础，将微型电网系统的中央控制器与每个逆变器单元的控制器组成一个整体控制系统，通过计算公共负载的有功功率和无功功率，修正每一台分布式电源的下垂控制方案。采用该方案，可以实现更好的功率均流效果，更小的母线电压频率和幅值偏差，具有良好的应用前景。

Description

一种微型电网系统中用于分布式电源并联运行模式的基于通信网络的改进的下垂控制方法

技术领域

本发明涉及一种微型电网系统中用于分布式电源并联运行模式的基于通信网络的改进的下垂控制方法，涉及微型电网系统的运行以及多个分布式电源的并联工作模式，尤其是在由太阳能、风能等新型能源组成的微型电网系统中，属于新能源领域。 

技术背景

随着石油、煤炭等化石燃料价格的不断上涨，世界各国都在采取各种措施应对能源危机带来的挑战。目前，全世界都在积极推进新型高效能源系统的建设，其中，分布式发电、可再生能源和微型电网技术是当前研究的热点之一。 

分布式发电技术可以集成太阳能、风能等多种类型的可再生能源，通过逆变器单元将其连接至公共母线并组成微型电网系统，实现能源的高效率利用，并向用户提供高质量的电能。该系统将分布式发电、分布式储能系统和用户负载以及控制系统相结合，将整个用户简单地看作公共电网的一个负载，使其既可与公共电网并网连接（并网运行模式），也可以在公共电网异常时主动与电网断开单独运行（并联运行模式）。 

在微型电网系统并联运行模式中，由于各个逆变器单元输出特性之间的差异以及连线阻抗的不匹配，往往会产生很大的环流。为保证不同的分布式电源能够组成稳定可靠的微型电网系统，就需要采用并联控制方法抑制环流。而下垂控制方法就是一种比较经典的并联控制解决方案。 

在传统的下垂控制方法中，每个逆变器单元的控制器通过检测自身输出电压和输出电流计算自身实时输出的有功功率P_out和无功功率Q_out，然后根据算式  $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}^{*}-m_p{P}_{\mathrm{out}}\\ E=E^{*}-n_q{Q}_{\mathrm{out}}\end{array}\right.$ 对自身输出电压的频率和幅值进行调整。算式中的m_p和n_q分别是有功功率和无功功率的下垂控制系数。每一台逆变器单元都按照这个原则修正自身的输出电压，相互之间最终达到动态稳定的平衡，实现微型电网系统的并联运行。 

传统的下垂控制方法通过调节逆变器单元输出电压的频率和幅值来实现有功功率和无功功率的均衡，从而抑制系统中的环流。这种方法可以确保各个逆变器单元以地位平等的电压源形式并联，使微型电网系统在并联运行模式中具有更好的冗余性和可扩展性。 

然而传统的下垂控制方法有如下缺陷：（1）下垂控制系数越大，功率均分特性越好，对功率的控制精度也就越高，环流越小，但是输出电压的稳态误差也就越大；（2）输出电压的频率和幅值的偏差与公共负载相关，负载功率越大，偏差也就越大。传统下垂控制方法ω-P下垂特性以及E-Q下垂特性分别如图1和图2所示。 

因此，为了克服传统下垂控制方法的缺陷，在这种方法的基础上又提出了虚拟阻抗、分层控制等多种改进的控制方法。本发明就是一种基于传统下垂控制方法的改进方案。 

发明内容

本发明是针对传统的下垂控制方法存在的缺陷而提出的一种微型电网系统中用于分布式电源并联运行模式的基于通信网络的改进的下垂控制方法，适用于集成了新能源分布式发电的微型电网系统中并联运行模式的控制。为此本发明采用以下技术方案： 

一种微型电网系统中用于分布式电源并联运行模式的基于通信网络的改进的下垂控制方法，其特征在于：（1）微型电网系统中的分布式电源通过逆变器单元连接至公共母线，以并联运行模式运行；（2）在所述并联模式中，以通信网络为基础，将微型电网系统的中央控制器与每个逆变器单元的控制器组成一个整体 控制系统；（3）中央控制器计算公共负载的有功功率和无功功率，并将其除以并联运行的逆变器单元的个数，再将计算所得到的功率值通过通信网络传输至每个并联运行的逆变器单元的控制器中；（4）每个逆变器单元的控制器将从中央控制器接收到的数据与自身输出的有功功率和无功功率做比较，比较之后的数值，用于调节逆变器单元的输出电压和频率，最终实现微型电网系统的并联运行模式。 

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可以采用进一步的技术方案，它包括步骤如下： 

步骤1：每个逆变器单元（取编号为a）的控制器通过通信网络向中央控制器汇报相应的工作状态及相关信息。中央控制器收集汇总各逆变器单元上传的信息，分析判断微型电网系统的工作状态，统计处于并联运行模式的逆变器单元的个数N； 

步骤2：每个逆变器单元（取编号为a）的控制器检测自身的输出电压V_out.a、输出电流I_out.a，随后计算自身实时输出的有功功率P_out.a和无功功率Q_out.a。中央控制器检测公共负载的电压V_pcc和电流I_pcc，随后计算此时的公共负载有功功率P_pcc和无功功率Q_pcc； 

步骤3：中央控制器根据步骤1中统计所得的逆变器单元的个数N和步骤2计算所得的公共负载的有功功率P_pcc和无功功率Q_pcc，并基于算式 $\left\{\begin{array}{c}{P}_t=P_{\mathrm{pcc}}/N\\ Q_t=Q_{\mathrm{pcc}}/N\end{array}\right.$ 计算每个逆变器单元理论上应该输出的有功功率P_t和无功功率Q_t。随后中央控制器将计算得到的P_t和Q_t，通过通信网络传输到每个逆变器单元的控制器中； 

步骤4：每一台逆变器单元（取编号为a）的控制器根据步骤3中接收到的有功功率值P_t和无功功率值Q_t，将其与自身输出的有功功率P_out.a和无功功率Q_out.a相比较，并基于算式 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_a={\mathrm{\ω}}^{*}-m_p(P_{\mathrm{out}.a}-P_t)\\ E_a=E^{*}-n_q(Q_{\mathrm{out}.a}-Q_t)\end{array}\right.,$ 得到本台逆变器单元的输出电压V_out.a的频率修正值ω_a与幅值修正值E_a，并根据这两个值计算本台逆变器的基准电压V_ref.a； 

步骤5：每一台逆变器单元将计算得到的V_ref.a送至逆变器的驱动控制模块中，根据V_ref.a生成驱动信号，控制逆变器桥式电路的功率开关器件，修正本台逆变器的输出电压V_out.a； 

在上述步骤4中，P_out.a和Q_out.a分别是第a台逆变器单元输出的有功功率和无功功率，均是由该逆变器单元的控制器计算得到的；P_t和Q_t分别是中央控制器计算出来的理论上各台逆变器单元应当分担的公共负载的有功功率和无功功率。每一台逆变器单元的控制器根据这四个值来实现对自身输出电压V_out.a的下垂控制，如算式 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_a={\mathrm{\ω}}^{*}-m_p(P_{\mathrm{out}.a}-P_t)\\ E_a=E^{*}-n_q(Q_{\mathrm{out}.a}-Q_t)\end{array}\right.$ 所示。在这个算式中，P_out.a和P_t之间的差值经过下垂系数m_p的作用，用来修正逆变器输出电压的频率基准ω^*，最后得到修正后的输出电压频率ω_a；Q_out.a和Q_t之间的差值经过下垂系数n_q的作用，用来修正逆变器输出电压的幅值基准E^*，最后得到修正后的输出电压幅值E_a。 

m_p和n_q是下垂控制方法中的下垂系数，用来调节逆变器单元输出电压的频率和幅值；m_p和n_q的值是可变的，因此控制方法的精度是可变的。 

本发明中，m_p和n_q是可以设定的两个参数。m_p和n_q的值越大，DC/AC输出电压的幅值和频率的变化就越大，对微型电网系统中环流功率的控制精度也就越高，对环流的抑制也就越好。m_p和n_q的值是根据逆变器单元输出功率的等级来决定的。 

本发明提供了一种基于计算公共负载功率和逆变器输出功率的改进的下垂控制方法，该方法依靠中央控制器检测公共负载的电压和电流，统计处于并联运行模式的逆变器单元的个数；计算公共负载的功率以及每个逆变器单元理论输出的功率值（公共负载功率除以并联运行的逆变器单元的个数）；并且将这个值通过通信网络传输到每个逆变器单元的控制器中。每个逆变器单元的控制器检测输出电压、电流，计算自身的输出功率；同时根据接收到的理论输出功率值，计算逆变器单元自身输出的功率值和理论功率输出值的差值，通过下垂系数的作用，来调整每个逆变器单元输出电压的频率和幅值。 

本发明中，m_p和n_q是可以设定的两个参数。m_p和n_q的值越大，DC/AC输出电压的幅值和频率的变化就越大，对微型电网系统中环流功率的控制精度也就越高，对环流的抑制也就越好。m_p和n_q的值是根据逆变器单元输出功率的等级来决定的。 

本发明相对于传统的下垂控制方法，具有以下优势： 

（1）稳态时逆变器单元输出电压的频率和幅值始终保持在额定值，且不受公共负载功率的影响。 

（2）瞬态时逆变器单元输出电压频率和幅值的变化范围可以设定在一个可控范围内，并且与负载功率无关。 

（3）可以增加下垂系数m_p和n_q的值以实现更好的均流效果，同时避免输出电压的频率和幅值的稳态误差。 

因此，本发明针对传统下垂控制方法的缺陷进行了改进，消除了输出电压的稳态误差，同时可以更好的抑制微型电网系统并联运行模式中的环流，提高了系统的可靠性，具有广泛的应用前景。 

附图说明

图1是本发明中所提及的传统下垂控制方法ω-P下垂特性图。 

图2是本发明中所提及的传统下垂控制方法E-Q下垂特性图。 

图3是本发明所述的改进的下垂控制方法的流程图。 

图4是本发明所述的改进的下垂控制方法在微型电网系统中的应用示意图。 

在图1中：ω_o1和ω_o2分别是两台逆变器空载时实际输出的电压频率；ω^*是额定输出电压的频率基准；m₁和m₂是逆变器的两种不同的下垂系数（m₁<m₂）；ω₁和ω₂是下垂系数分别为m₁和m₂时逆变器实际输出的电压频率；Δω₁和Δω₂是下垂系数分别为m₁和m₂时逆变器实际输出电压的频率与频率基准的偏差；P₁和P₁'分别是下垂系数为m₁时两台逆变器各自实际输出的有功功率；P₂和P₂'分 别是下垂系数为m₂时两台逆变器各自实际输出的有功功率；ΔP₁和ΔP₂是下垂系数分别为m₁和m₂时两逆变器实际输出的有功功率之差；P_L/2是理论上每台逆变器均分的负载有功功率； 

在图2中：E_o1和E_o2分别是两台逆变器空载时实际输出的电压幅值；E^*是额定输出电压的幅值基准；n₁和n₂是逆变器的两种不同的下垂系数（n₁<n₂）；E₁和E₂是下垂系数分别为n₁和n₂时逆变器实际输出的电压幅值；ΔE₁和ΔE₂是下垂系数分别为n₁和n₂时逆变器实际输出电压的幅值与幅值基准的偏差；Q₁和Q₁'分别是下垂系数为n₁时两台逆变器各自实际输出的无功功率；Q₂和Q₂'分别是下垂系数为n₂时两台逆变器各自实际输出的无功功率；ΔQ₁和ΔQ₂是下垂系数分别为n₁和n₂时两逆变器实际输出的无功功率之差；Q_L/2是理论上每台逆变器均分的负载无功功率； 

在图3中：ω_a和E_a是计算得到本台逆变器单元的输出电压V_out.a的频率修正值与幅值修正值；V_ref.a是根据ω_a和E_a计算得到的第a台逆变器的基准电压； 

在图4中：V_pcc是公共负载的电压；I_pcc是公共负载的电流；P_t和Q_t分别是中央控制器计算出来的理论上各台逆变器单元应当分担的公共负载的有功功率和无功功率；P_pcc是公共负载的有功功率；Q_pcc是公共负载的无功功率；N是正在工作的逆变器单元的个数； 

V_out.1是第1台逆变器单元的输出电压；I_out.1是第1台逆变器单元的输出电流；P_out.1是第1台逆变器单元输出的有功功率；Q_out.1是第1台逆变器单元输出的无功功率；V_ref.1是第1台逆变器单元的电压基准；L_f.1和C_f.1分别是第1台逆变器单元中输出滤波器的滤波电感和滤波电容；V_DC.1是第1台逆变器单元的直流输入电源。 

V_out.a是第a台逆变器单元的输出电压；I_out.a是第a台逆变器单元的输出电流；P_out.a是第a台逆变器单元输出的有功功率；Q_out.a是第a台逆变器单元输出的无功功率；V_ref.a是第a台逆变器单元的电压基准；L_f.a和C_f.a分别是第a台逆变器 单元中输出滤波器的滤波电感和滤波电容；V_DC.a是第a台逆变器单元的直流输入电源。 

具体实施方式

本发明所述的改进的下垂控制方法的流程图图3所示，通过通信网络将微型电网系统的中央控制器与每个逆变器单元的控制器组成一个整体控制系统，根据公共负载的有功功率P_pcc、无功功率Q_pcc、正在工作的逆变器单元的个数N以及每个逆变器单元输出的有功功率P_out和无功功率Q_out来实现逆变器单元之间并联运行模式的下垂控制方法。其步骤如下所示。 

步骤1：每个逆变器单元（取编号为a）的控制器通过通信网络向中央控制器汇报相应的工作状态及相关信息。中央控制器收集汇总各逆变器单元上传的信息，分析判断微型电网系统的工作状态，统计处于并联运行模式的逆变器单元的个数N。 

步骤2：每个逆变器单元（取编号为a）的控制器检测自身的输出电压V_out.a、输出电流I_out.a，随后计算自身实时输出的有功功率P_out.a和无功功率Q_out.a。中央控制器检测公共负载的电压V_pcc和电流I_pcc，随后计算此时的公共负载有功功率P_pcc和无功功率Q_pcc。 

步骤3：中央控制器对公共负载的功率值进行分析，并基于算式（1）计算每个逆变器单元理论上应该输出的有功功率P_t和无功功率Q_t。随后中央控制器将计算得到的P_t和Q_t，通过通信网络传输到每个逆变器单元的控制器中。 

$\left\{\begin{array}{c}{P}_t=P_{\mathrm{pcc}}/N\\ Q_t=Q_{\mathrm{pcc}}/N\end{array}\right.---\left(1\right)$

步骤4：每一台逆变器单元（取编号为a）的控制器根据步骤3中接收到的有功功率值P_t和无功功率值Q_t，将其与自身输出的有功功率P_out.a和无功功率Q_out.a相比较，并基于算式（2），得到本台逆变器单元的输出电压V_out.a的频率修正值ω_a与幅值修正值E_a，并根据这两个值计算本台逆变器的基准电压V_ref.a。 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_a={\mathrm{\&omega;}}^{*}-m_p(P_{\mathrm{out}.a}-P_t)\\ E_a=E^{*}-n_q(Q_{\mathrm{out}.a}-Q_t)\end{array}\right.---\left(2\right)$

步骤5：每一台逆变器单元将计算得到的V_ref.a送至逆变器的驱动控制模块中，根据V_ref.a生成驱动信号，控制逆变器桥式电路的功率开关器件，修正本台逆变器的输出电压V_out.a； 

步骤6，返回主程序，准备进入下一个控制周期。 

本发明所述的改进的下垂控制方法在微型电网系统中的应用示意图如图4所示。 

微型电网系统中的分布式电源通过逆变器单元连接至公共母线，以并联模式运行。在这个模式中，以通信网络为基础，将微型电网系统中央控制器与每个逆变器单元的控制器组成一个整体控制系统。 

中央控制器收集汇总各逆变器单元上传的信息，分析判断微型电网系统的工作状态，统计处于并联运行模式的逆变器单元的个数N，与此同时检测公共母线的电压V_pcc和电流I_pcc，计算此时的公共负载有功功率P_pcc和无功功率Q_pcc，然后根据算式（1）计算每个逆变器单元理论上应该输出的有功功率值P_t和无功功率值Q_t，并将计算所得到的功率值通过通信网络传输至每一台逆变器单元的控制器中。 

每台逆变器单元（取编号为a）的控制器通过通信网络向中央控制器传输自身的状态信息，并接收来自中央控制器的功率值P_t和Q_t。同时，逆变器单元的控制器检测自身的输出电压V_out.a和输出电流I_out.a，计算自身输出的有功功率P_out.a和无功功率Q_out.a。，随后将P_out.a、Q_out.a和P_t、Q_t相比较，按照算式（2）计算得到输出电压V_out.a的频率修正值ω_a和幅值修正值E_a，并根据这两个值计算基准电压V_ref.a，再将V_ref.a送至逆变器的驱动控制模块中，根据V_ref.a生成驱动信号，控制逆变器桥式电路的功率开关器件，最终实现修正逆变器输出电压的目的。 

在这个微型电网系统中，每台的逆变器单元在地位上都是相互平等的。这些 逆变器单元按照本发明所述的下垂控制方法，依据中央控制器传输的功率值修正自身输出电压的频率与幅值，最终保证所有的逆变器单元的输出电压的频率与幅值相互一致，并且稳定在额定频率ω^*和额定幅值E^*，实现微型电网系统的并联运行模式。 

Claims (4)

1.一种微型电网系统中用于分布式电源并联运行模式的基于通信网络的改进的下垂控制方法，其特征在于：（1）微型电网系统中的分布式电源通过逆变器单元连接至公共母线，以并联运行模式运行；（2）在所述并联模式中，以通信网络为基础，将微型电网系统的中央控制器与每个逆变器单元的控制器组成一个整体控制系统；（3）中央控制器计算公共负载的有功功率和无功功率，并将其除以并联运行的逆变器单元的个数，再将计算所得到的功率值通过通信网络传输至每个并联运行的逆变器单元的控制器中；（4）每个逆变器单元的控制器将从中央控制器接收到的数据与自身输出的有功功率和无功功率做比较，比较之后的数值，用于调节逆变器单元的输出电压和频率，最终实现微型电网系统的并联运行模式。

2.如权利要求1所述的下垂控制方法，其特征在于，所述下垂控制方法包括步骤如下：

步骤1：每个逆变器单元的控制器通过通信网络向中央控制器汇报相应的工作状态及相关信息；中央控制器收集汇总各逆变器单元上传的信息，分析判断微型电网系统的工作状态，统计处于并联运行模式的逆变器单元的个数N；

步骤2：每个逆变器单元的控制器检测自身的输出电压V_out.a、输出电流I_out.a，随后计算自身实时输出的有功功率P_out.a和无功功率Q_out.a；中央控制器检测公共负载的电压V_pcc和电流I_pcc，随后计算此时的公共负载有功功率P_pcc和无功功率Q_pcc，其中，a为该逆变器单元的编号，取值范围为1至N；

步骤3：中央控制器根据步骤1中统计所得的逆变器单元的个数N和步骤2计算所得的公共负载的有功功率P_pcc和无功功率Q_pcc，并基于算式 $\left\{\begin{array}{c}{P}_t=P_{\mathrm{pcc}}/N\\ Q_t=Q_{\mathrm{pcc}}/N\end{array}\right.$ 计算每个逆变器单元理论上应该输出的有功功率P_t和无功功率Q_t；随后中央控制器将计算得到的P_t和Q_t，通过通信网络传输到每个逆变器单元的控制器中；

步骤4：每一台逆变器单元的控制器根据步骤3中接收到的有功功率值P_t和无功功率值Q_t，将其与自身输出的有功功率P_out.a和无功功率Q_out.a相比较，并基于算式 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_a={\mathrm{\&omega;}}^{*}-m_p(P_{\mathrm{out}.a}-P_t)\\ E_a=E^{*}-n_q(Q_{\mathrm{out}.a}-Q_t)\end{array}\right.,$ 得到本台逆变器单元的输出电压V_out.a的频率修正值ω_a与幅值修正值E_a，并根据这两个值计算本台逆变器的基准电压V_ref.a；

步骤5：每一台逆变器单元将计算得到的V_ref.a送至逆变器的驱动控制模块中，根据V_ref.a生成驱动信号，控制逆变器桥式电路的功率开关器件，修正本台逆变器的输出电压V_out.a；

在上述步骤4里的算式 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_a={\mathrm{\&omega;}}^{*}-m_p(P_{\mathrm{out}.a}-P_t)\\ E_a=E^{*}-n_q(Q_{\mathrm{out}.a}-Q_t)\end{array}\right.$ 中，P_out.a和P_t的差值，乘以下垂系数m_p，所得的值用以修正第a台逆变器输出电压的频率基准ω^*，最后得到修正后的输出电压频率ω_a；同理Q_out.a和Q_t的差值，乘以下垂系数n_q，所得的值用以修正第a台逆变器输出电压的幅值基准E^*，最后得到修正后的输出电压幅值E_a。

3.如权利要求2所述的下垂控制方法，其特征在于，所述步骤4中，任意一台逆变器单元的控制器通过将P_out.a和P_t的差值以及Q_out.a和Q_t的差值分别乘以下垂系数m_p、n_q之后，根据计算得到第a台逆变器单元输出电压V_out.a的频率修正值ω_a和幅值修正值E_a，并根据这两个值计算第a台逆变器单元的基准电压V_ref.a；m_p和n_q分别是有功功率和无功功率的下垂系数，其大小是根据逆变器单元输出功率的等级来确定的。

4.如权利要求1所述的下垂控制方法，其特征在于，在这个并联运行模式中，以通信网络为基础，将微型电网系统的中央控制器与每个逆变器单元的控制器组成一个整体控制系统，所述的通信网络包含以下通信方式：

a)有线通信方式；有线通信方式包括控制器局域网络（CAN）通信、光纤通信、以太网通信等；

b)无线通信方式，无线通信方式包括无线局域网络（WLAN）通信、卫星通信、无线电通信、蓝牙通信、红外通信。

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