CN103730896B - 主动配电网分布式电源的运行控制方法 - Google Patents

Abstract

一种主动配电网分布式电源运行控制方法：对于低压配电网，传统下垂控制方法下系统达到稳态时，输出功率与电压频率和幅值的偏差有关，将功率由Park变换中的电流代替，经过适当变换，可将下垂控制等效为在参考电流中叠加有部分频率偏差和电压幅值偏差的“恒功率控制”，通过对偏差信息的控制来满足两种运行方式对DG的不同运行要求。本发明在主动配电网并网和孤岛两种运行方式下均具有适用性，可避免控制方法的切换，以保证主动配电网运行方式的平滑转换。

Description

主动配电网分布式电源的运行控制方法

技术领域

本发明涉及一种主动配电网中分布式电源的运行控制方法，尤其涉及一种主动配电网并网和孤岛两种运行方式下均适用的分布式电源的运行控制方法。

背景技术

近年来，分布式发电（Distributed Generation,DG）技术由于其显著的经济效益、环境效益获得了越来越广泛的应用。随着DG在配电网的规模化接入和应用，传统配电网的被动消纳方式已难于适用，严重限制了DG的高度渗透。针对分布式电源在配电网的接入问题，主动配电网技术被提出并受到了广泛的关注。主动配电网是一种具备组合控制各种分布式能源能力的配电网络，属于智能配电网技术发展的高级阶段。目前，欧美发达国家相继开展了主动配电网技术的研究，建立了相关实验平台和示范工程，并已取得较多成果。国内对主动配电网及其相关技术领域的研究和应用尚处在起步阶段，需要进一步发展和完善。

由于分布式电源的接入，孤岛成为配电网一种新的运行方式,它是指DG独立向配电网局部供电的运行状态。主动配电网虽然属于公共配电网的范畴，常态方式下不以孤岛方式运行，但在紧急情况下其局部应具有非常态方式孤岛运行的能力。DG在配电网并网和孤岛两种运行方式下具有不同的运行特性和控制方法，并网运行时采用PQ控制实现功率跟踪输出，孤岛运行时采用V/f下垂控制以提供频率和电压支撑，控制方法根据运行方式进行相应的切换。

然而DG控制方法的切换会带来较大的系统冲击，甚至造成运行方式转换失败，给主动配电网的安全运行带来了隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种主动配电网分布式电源的运行控制方法，使其在并网和孤岛两种运行方式下均具有适用性，以避免控制方法的切换，保证主动配电网运行方式的平滑转换。

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种主动配电网分布式电源运行控制方法，包括以下步骤：

步骤1，取主动配电网中有m台DG，低压配电网中，DG到并网点的连接线路呈现阻性；

步骤2，取f_n、U_n分别为主动配电网运行电压频率和幅值的参考值，P_n（k）、Q_n(k)分别为第k台DG输出有功功率和无功功率的参考值，P_（k）、Q_(k)分别为第k台DG实际输出有功功率和无功功率，m_（k）、n_(k)为第k台DG的下垂系数，f^* _（k）、U^* _(k)为第k台DG输出电压频率和幅值的参考值；

传统下垂控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{f^{*}}_{\left(k\right)}=f_n+m_{\left(k\right)}(Q_{\left(k\right)}-Q_{n\left(k\right)})\\ {U^{*}}_{\left(k\right)}=U_n-n_{\left(k\right)}(P_{\left(k\right)}-P_{n\left(k\right)})\end{array}\right.---\left(1\right);$

步骤3，当系统稳定运行时，f^* _（k）、U^* _(k)分别和实际运行电压的频率f和幅值U相等，得到第k台DG的输出功率为：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\left(k\right)}=\frac{f-f_n}{m_{\left(k\right)}}+Q_{n\left(k\right)}\\ P_{\left(k\right)}=\frac{U-U_n}{-n_{\left(k\right)}}+P_{n\left(k\right)}\end{array}\right.---\left(2\right);$

步骤4，Park变换中选取d轴与电压矢量同方向，得到功率和dq轴电流的关系：

$\left\{\begin{array}{c}P=u_d{i}_d\\ Q=-u_q{i}_q\end{array}\right.---\left(3\right);$

步骤5，将式（2）中的功率由电流代换并进行适当变形：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{qn}\left(k\right)}-i_{q\left(k\right)}+\frac{f_n-f}{m_{\left(k\right)}{u}_{d\left(k\right)}}=0\\ i_{\mathrm{dn}\left(k\right)}-i_{d\left(k\right)}+\frac{U_n-U}{n_{\left(k\right)}{u}_{d\left(k\right)}}=0\end{array}\right.---\left(4\right);$

i_dn(k)、i_qn(k)分别为第k台DG输出电流参考值dq轴分量；i_d(k)、i_q(k)分别为实际输出电流的dq轴分量；u_d为第k台DG输出电压的d轴分量；

步骤6，令K_m(k)=1/m_(k)u_d(k),K_n(k)=1/n_(k)u_d(k),Δf=f_n－f,ΔU=U_n－U,则式（4）可改写为:

$\left\{\begin{array}{c}(i_{\mathrm{qn}\left(k\right)}+K_{m\left(k\right)}\mathrm{\Δf})-i_{q\left(k\right)}=0\\ (i_{\mathrm{dn}\left(k\right)}+K_{n\left(k\right)}\mathrm{\ΔU})-i_{d\left(k\right)}=0\end{array}\right.---\left(5\right);$

可将下垂控制等效为在参考电流中叠加有部分频率偏差和电压幅值偏差的“恒功率控制”,得到DG控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{f^{*}}_{\left(k\right)}=(k_{p1\left(k\right)}+\frac{k_{i1\left(k\right)}}{s})[(i_{\mathrm{qn}\left(k\right)}+K_{m\left(k\right)}\mathrm{\Δf})-i_{q\left(k\right)}]\\ {U^{*}}_{\left(k\right)}=(k_{p2\left(k\right)}+\frac{k_{i2\left(k\right)}}{s})[(i_{\mathrm{dn}\left(k\right)}+K_{n\left(k\right)}\mathrm{\ΔU})-i_{d\left(k\right)}]\end{array}\right.---\left(6\right);$

k_p1(k)、k_p2(k)为第k台DG的比例调节系数，k_i1(k)、k_i2(k)为第k台DG的积分调节系数，s为积分符号；

步骤7，配电网孤岛运行时，取K_m(k)=1/m_(k)u_d(k),K_n(k)=1/n_(k)u_d(k)，实现和传统下垂控制相同的控制作用，并网运行时，取K_m(k)=0,K_n(k)=0，实现和PQ控制相同的控制作用。

并网过程中，应使DG输出功率平滑过渡到参考功率，K_m(k)、K_n(k)的值逐渐减小为0；脱网过程中，应使DG能迅速为配电网补充功率差额，提供频率和电压支撑，K_m(k)、K_n(k)的值应快速分别增大为1/m_(k)u_d(k)和1/n_(k)u_d(k)，以K_n为例，其取值变化如下：

$K_n\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{{\mathrm{nu}}_d}& (t<t_0)\\ \frac{1}{{\mathrm{nu}}_d}\&CenterDot;e^{-\frac{(t-t_0)}{T}}& (t_0\&le;t<t_1)\\ \frac{1}{{\mathrm{nu}}_d}& (t\&GreaterEqual;t_1)\end{array}\right.---\left(7\right);$

t₀、t₁分别为并网时刻和脱网时刻；T为并网过渡时间常数，T越大，过渡过程进行得越慢,约在4T时间后过渡过程结束，大量仿真及实验说明。过渡过程为1s左右较为合适，即T的取值为0.2～0.3s。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

（1）本方法对于并网运行和孤岛两种运行方式下的DG均具有适用性，避免了控制方法因运行方式改变而切换，提高了主动配电网的运行可靠性。

（2）本方法在主动配电网孤岛运行时采用的为比例-积分调节，较传统下垂控制只有比例调节而言，具有更好的动态调节效果；在主动配电网并网运行时为直接功率控制，保证了输出功率的准确跟踪输出。

（3）本方法原理简单，实现容易，具有一定的工程使用价值。

其他有助于审查员理解本技术的资料

[1]范明天，张祖平，苏傲雪，苏剑.主动配电系统可行技术的研究[J].中国电机工程学报，2013,33（0）:1-8.

[2]Hidalgo R,Abbey C,G.A review of active distribution networks enablingtechnologies[C].Power and Energy Society General Meeting,2010 IEEE.IEEE,2010:1-9.

附图说明

图1是本发明方法的控制框图；

图2是本发电方法中参数K_n的取值变化图；

图3是某主动配电网的仿真系统结构图；

图4a是并网运运时的输出有功波形图；

图4b是并网运运时的输出无功波形图；

图5a是孤岛运行时输出有功波形图；

图5b是孤岛运行时输出无功波形图；

图5c是孤岛运行时输出电压波形图；

图5d是孤岛运行时输出频率波形图；

图6a是运行方式切换时输出有功波形图；

图6b是运行方式切换时输出无功波形图；

图6c是运行方式切换时输出电压波形图；

图6d是运行方式切换时输出频率波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步的描述。

对于主动配电网分布式电源运行控制方法,它的步骤为：

步骤1，取主动配电网中有m台DG，低压配电网中，DG到并网点的连接线路呈现阻性；

步骤2，取f_n、U_n分别为主动配电网运行电压频率和幅值的参考值，P_n（k）、Q_n(k)分别为第k台DG输出有功功率和无功功率的参考值，P_（k）、Q_(k)分别为第k台DG实际输出有功功率和无功功率，m_（k）、n_(k)为第k台DG的下垂系数，f^* _（k）、U^* _(k)为第k台DG输出电压频率和幅值的参考值。传统下垂控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{f^{*}}_{\left(k\right)}=f_n+m_{\left(k\right)}(Q_{\left(k\right)}-Q_{n\left(k\right)})\\ {U^{*}}_{\left(k\right)}=U_n-n_{\left(k\right)}(P_{\left(k\right)}-P_{n\left(k\right)})\end{array}\right.---\left(1\right);$

步骤3，当系统稳定运行时，f^* _（k）、U^* _(k)分别和实际运行电压的频率f和幅值U相等，得到第k台DG的输出功率为：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\left(k\right)}=\frac{f-f_n}{m_{\left(k\right)}}+Q_{n\left(k\right)}\\ P_{\left(k\right)}=\frac{U-U_n}{-n_{\left(k\right)}}+P_{n\left(k\right)}\end{array}\right.---\left(2\right);$

步骤4，Park变换中选取d轴与电压矢量同方向，得到功率和dq轴电流的关系：

$\left\{\begin{array}{c}P=u_d{i}_d\\ Q=-u_q{i}_q\end{array}\right.---\left(3\right);$

步骤5，将式（2）中的功率由电流代换并进行适当变形：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{qn}\left(k\right)}-i_{q\left(k\right)}+\frac{f_n-f}{m_{\left(k\right)}{u}_{d\left(k\right)}}=0\\ i_{\mathrm{dn}\left(k\right)}-i_{d\left(k\right)}+\frac{U_n-U}{n_{\left(k\right)}{u}_{d\left(k\right)}}=0\end{array}\right.---\left(4\right);$

i_dn(k)、i_qn(k)分别为第k台DG输出电流参考值dq轴分量；i_d(k)、i_q(k)分别为实际输出电流的dq轴分量；u_d为第k台DG输出电压的d轴分量；

步骤6，令K_m(k)=1/m_(k)u_d(k),K_n(k)=1/n_(k)u_d(k),Δf=f_n－f,ΔU=U_n－U,则式（4）可改写为:

$\left\{\begin{array}{c}(i_{\mathrm{qn}\left(k\right)}+K_{m\left(k\right)}\mathrm{\&Delta;f})-i_{q\left(k\right)}=0\\ (i_{\mathrm{dn}\left(k\right)}+K_{n\left(k\right)}\mathrm{\&Delta;U})-i_{d\left(k\right)}=0\end{array}\right.---\left(5\right);$

可将下垂控制等效为在参考电流中叠加有部分频率偏差和电压幅值偏差的“恒功率控制”,得到DG控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{f^{*}}_{\left(k\right)}=(k_{p1\left(k\right)}+\frac{k_{i1\left(k\right)}}{s})[(i_{\mathrm{qn}\left(k\right)}+K_{m\left(k\right)}\mathrm{\&Delta;f})-i_{q\left(k\right)}]\\ {U^{*}}_{\left(k\right)}=(k_{p2\left(k\right)}+\frac{k_{i2\left(k\right)}}{s})[(i_{\mathrm{dn}\left(k\right)}+K_{n\left(k\right)}\mathrm{\&Delta;U})-i_{d\left(k\right)}]\end{array}\right.---\left(6\right);$

k_p1(k)、k_p2(k)为第k台DG的比例调节系数，k_i1(k)、k_i2(k)为第k台DG的积分调节系数，s为积分符号，相应的控制框图如图1所示；

步骤7，配电网孤岛运行时，取K_m(k)=1/m_(k)u_d(k),K_n(k)=1/n_(k)u_d(k)，实现和传统下垂控制相同的控制作用，并网运行时，取K_m(k)=0,K_n(k)=0，实现和PQ控制相同的控制作用。

并网过程中，应使DG输出功率平滑过渡到参考功率，减小功率快速变化引起的系统冲击，K_m(k)、K_n(k)的值逐渐减小为0；脱网过程中，要求DG能迅速为配电网补充功率差额，提供频率和电压支撑，K_m(k)、K_n(k)的值应快速分别增大为1/m_(k)u_d(k)和1/n_(k)u_d(k)，以K_n为例，其取值变化如下：

$K_n\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{{\mathrm{nu}}_d}& (t<t_0)\\ \frac{1}{{\mathrm{nu}}_d}\&CenterDot;e^{-\frac{(t-t_0)}{T}}& (t_0\&le;t<t_1)\\ \frac{1}{{\mathrm{nu}}_d}& (t\&GreaterEqual;t_1)\end{array}\right.---\left(7\right);$

t₀、t₁分别为并网时刻和脱网时刻；T为并网过渡时间常数，T越大，过渡过程进行得越慢,约在4T后过渡过程结束。K_n变化曲线图如图2所示。

根据本发明的方法，对主动配电网进行仿真分析。仿真模型包含两台DG、三个负荷，系统结构如图3所示。模型中的相关参数设置如下：DG直流侧电压：U_dc1=U_dc2=800V；两DG的额定容量参数为：P_DG1=50kVA,P_DG2=25kVA；滤波电感、电容值为：L₁=1mH，C₁=300μF，L₂=2mH，C₂=150μF；下垂系数为：m₁=2×10-3Hz/kvar，n₁=0.1V/kW，m₂=4×10-3Hz/kvar，n₂=0.2V/kW；线路参数为：Z_Ln1=Z_Ln2=0.19+j0.025Ω；负荷参数为：P_Ld1=20kW,Q_Ld1=15kvar,P_Ld2=10kW,Q_Ld2=7.5kvar,P_Ld3=20kW,Q_Ld3=15kvar;配电网运行频率50Hz,运行电压幅值310V。下面将分别对低压微电网并网运行、孤岛运行及两种运行模式的切换进行仿真分析。

图4为并网运行时的仿真结果。1s前设定DG1的功率参考值为30kW和0kvar，DG2的功率参考值为10kW和0kvar。1s后设定DG1的功率参考值为20kW和5kvar，DG2的功率参考值为20kW和2.5kvar。2s时配电网受到干扰运行电压降低5V，2.5S时干扰消除。仿真结果说明本方法对于并网运行的DG具有适用性，能保证输出功率的准确跟踪，在受到干扰时也能保持良好的输出特性。

图5为孤岛运行时的仿真结果。设定DG1的功率参考值25kW和0kvar，DG2的功率参考值12.5kW和0kvar，两DG频率和电压幅值的参考值相同，均分别为50Hz和310V。1s前只有负荷1和负荷2投入，1s时负荷3投入。仿真结果说明本方法对于孤岛运行的DG同样具有适用性，并且从与传统下垂控制的对比结果看出，本方法具有更快的动态调节速度。

图6为两种运行方式转换的仿真结果。所有负荷均投入，两DG的功率、频率及电压幅值与孤岛运行时的设定值相同。1s前孤岛运行，1s后开始同步并网控制，完成同步过程后闭合断路器，进入并网运行方式，设定并网过渡时间常数T=0.2s；3s时脱网，重新转为孤岛运行。仿真结果说明本方法能保证两种运方式的平滑转换，提高主动配电网的运行可靠性。

Claims (2)

1.一种主动配电网分布式电源运行控制方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1，取主动配电网中有m台DG，低压配电网中，DG到并网点的连接线路呈现阻性；

步骤2，取f_n、U_n分别为主动配电网运行电压频率和幅值的参考值，P_n(k)、Q_n(k)分别为第k台DG输出有功功率和无功功率的参考值，P_(k)、Q_(k)分别为第k台DG实际输出有功功率和无功功率，m_(k)、n_(k)为第k台DG的下垂系数，f^* _(k)、U^* _(k)为第k台DG输出电压频率和幅值的参考值；

传统下垂控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{f^{*}}_{\left(k\right)}=f_n+m_{\left(k\right)}(Q_{\left(k\right)}-Q_{n\left(k\right)})\\ {U^{*}}_{\left(k\right)}=U_n-n_{\left(k\right)}(P_{\left(k\right)}-P_{n\left(k\right)})\end{array}\right.---\left(1\right);$

步骤3，当系统稳定运行时，f^* _(k)、U^* _(k)分别和实际运行电压的频率f和幅值U相等，得到第k台DG的输出功率为：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\left(k\right)}=\frac{f-f_n}{m_{\left(k\right)}}+Q_{n\left(k\right)}\\ P_{\left(k\right)}=\frac{U-U_n}{-n_{\left(k\right)}}+P_{n\left(k\right)}\end{array}\right.---\left(2\right);$

步骤4，Park变换中选取d轴与电压矢量同方向，得到功率和dq轴电流的关系：

$\left\{\begin{array}{c}P=u_d{i}_d\\ Q=-u_d{i}_d\end{array}\right.---\left(3\right);$

步骤5，将式(2)中的功率由电流代换并进行适当变形：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{qn}\left(k\right)}-i_{q\left(k\right)}+\frac{f_n-f}{m_{\left(k\right)}{u}_{d\left(k\right)}}=0\\ i_{\mathrm{dn}\left(k\right)}-i_{d\left(k\right)}+\frac{U_n-U}{n_{\left(k\right)}{u}_{d\left(k\right)}}=0\end{array}\right.---\left(4\right);$

i_dn(k)、i_qn(k)分别为第k台DG输出电流参考值dq轴分量；i_d(k)、i_q(k)分别为实际输出电流的dq轴分量；u_d为第k台DG输出电压的d轴分量；

步骤6，令K_m(k)＝1/m_(k)u_d(k),K_n(k)＝1/n_(k)u_d(k),Δf＝f_n－f,ΔU＝U_n－U,则式(4)可改写为:

$\left\{\begin{array}{c}(i_{\mathrm{qn}\left(k\right)}+K_{m\left(k\right)}\mathrm{\&Delta;f})-i_{q\left(k\right)}=0\\ (i_{\mathrm{dn}\left(k\right)}+K_{n\left(k\right)}\mathrm{\&Delta;U})-i_{d\left(k\right)}=0\end{array}\right.---\left(5\right);$

可将下垂控制等效为在参考电流中叠加有部分频率偏差和电压幅值偏差的“恒功率控制”,得到DG控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{f^{*}}_{\left(k\right)}=(k_{p1\left(k\right)}+\frac{k_{i1\left(k\right)}}{s})\left[(i_{\mathrm{qn}\left(k\right)}+K_{m\left(k\right)}\mathrm{\&Delta;f}){-i}_{q\left(k\right)}\right]\\ {U^{*}}_{\left(k\right)}=(k_{p2\left(k\right)}+\frac{k_{i2\left(k\right)}}{s})[(i_{\mathrm{dn}\left(k\right)}+K_{n\left(k\right)}\mathrm{\&Delta;U})-i_{d\left(k\right)}]\end{array}\right.---\left(6\right);$

k_p1(k)、k_p2(k)为第k台DG的比例调节系数，k_i1(k)、k_i2(k)为第k台DG的积分调节系数，s为积分符号；

步骤7，配电网孤岛运行时，取K_m(k)＝1/m_(k)u_d(k),K_n(k)＝1/n_(k)u_d(k)，实现和传统下垂控制相同的控制作用，并网运行时，取K_m(k)＝0,K_n(k)＝0，实现和PQ控制相同的控制作用；

并网过程中，应使DG输出功率平滑过渡到参考功率，K_m(k)、K_n(k)的值逐渐减小为0；脱网过程中，应使DG能迅速为配电网补充功率差额，提供频率和电压支撑，K_m(k)、K_n(k)的值应快速分别增大为1/m_(k)u_d(k)和1/n_(k)u_d(k)。

2.根据权利要求1所述的主动配电网分布式电源运行控制方法，其特征是：所述的K_n(k)值快速分别增大为1/n_(k)u_d(k)，其取值变化如下：

$K_n\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{{\mathrm{nu}}_d}& (t<t_0)\\ \frac{1}{{\mathrm{nu}}_d}\&CenterDot;e^{-\frac{(t-t_0)}{T}}& (t_0\&le;t<t_1)\\ \frac{1}{{\mathrm{nu}}_d}& (t\&GreaterEqual;t_1)\end{array}\right.---\left(7\right);$

t₀、t₁分别为并网时刻和脱网时刻；T为并网过渡时间常数，取值为0.2～0.3s。