CN103904642B - 一种微电源的控制方法和控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微电源的控制方法和控制装置，在判断微电网处于孤岛运行时，选择至少一个微电源作为用于稳定系统频率的主控电源；作为主控电源的微电源采用V/f控制方式，其他具有功率调节能力的微电源采用下垂（Droop）控制方式；所述选择的方法为：将系统频率与各微电源的设定频率阈值进行比较，系统频率达到其设定频率阈值的微电源由Droop控制方式切换为V/f控制方式。微电源作为主控电源给系统提供稳定的电压和频率，系统仍能稳定运行。

Description

一种微电源的控制方法和控制装置
技术领域
本发明涉及一种具有滞回输出特性的微电源的控制方法。
背景技术
大力促进新能源的开发和利用是解决当前面临的能源短缺危机和缓解环保压力的有效措施，在各国政府的大力支持下，环保、高效、灵活、以可再生能源为主的分布式发电技术得到了快速的发展。为了充分发挥分布式发电的优点并解决大电网与其之间的矛盾，一般将分布式发电系统以微电网的形式运行，然而随着微电网的接入，出现了一些新的问题，主要是微电网在孤岛运行模式下采用何种控制方式才能维持整个系统的稳定运行。
微电网在孤网状态时，需要对其内部各个微电源进行有效的控制以维持整个系统能够稳定运行，保证系统的电压及频率在合理的范围内。目前，国内外学者主要提出了三种基于换流器接口的微电源的控制方式：Droop控制方式（下垂控制方式）、V/f控制方式和PQ控制方式，其中的Droop控制方式在负荷功率变化时不能维持系统的频率为一恒定值，V/f控制方式不能并网运行，而PQ控制方式又不能独立运行，只能运行于有其他电源提供电压及频率支撑的情况下。在这三种微电源控制方式的基础上，常见的微电网孤岛运行时的控制方法主要有基于下垂控制方式的对等控制和基于单个V/f电源的主从控制。采用对等控制时，随着负荷需求的变化系统的电压幅值及频率也会相应的发生变化，原因在于Droop控制方式属于有差调节，在负荷需求变化较大时系统的电压幅值及频率可能超出规定的允许偏差范围，不能使系统稳定运行；采用基于单个V/f电源的主从控制时，虽然可以在V/f电源的可调容量范围内维持系统的电压幅值及频率不变，但是系统对该电源的依赖程度较高，一旦系统内需要大量的功率交换，超出其可调容量范围，或者该电源出现故障，就不能继续维持系统的稳定运行，甚至导致整个系统的崩溃。
发明内容
本发明的目的是提供一种微电源的控制方法和控制装置，用以解决现有技术Droop控制与V/f控制的缺陷。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种微电源的控制方法，至少包括：
判断切换步骤：在判断微电网处于孤岛运行时，微电源检测系统频率，与其设定的频率阈值进行比较，若系统频率达到其设定频率阈值，则采用相应频率阈值对应的V/f控制方式；在V/f控制方式下，若输出功率达到功率调节阈值，则切换为Droop控制方式。
判断微电网处于并网运行时，具有功率调节能力的微电源采用Droop控制方式。
每个微电源设定的频率阈值包括上限频率阈值和下限频率阈值；当系统频率减小时，与下限频率阈值比较；当系统频率增加时，与上限频率阈值比较；上限频率阈值和下限频率阈值分别对应不同的V/f控制方式。
微电网中的各微电源的上限频率阈值和下限频率阈值各不相同。
一种微电源的控制装置，至少包括：
判断切换模块：在判断微电网处于孤岛运行时，微电源检测系统频率，与其设定的频率阈值进行比较，若系统频率达到其设定频率阈值，则采用相应频率阈值对应的V/f控制方式；在V/f控制方式下，若输出功率达到功率调节阈值，则切换为Droop控制方式。
判断微电网处于并网运行时，具有功率调节能力的微电源采用Droop控制方式。
每个微电源设定的频率阈值包括上限频率阈值和下限频率阈值；当系统频率减小时，与下限频率阈值比较；当系统频率增加时，与上限频率阈值比较；上限频率阈值和下限频率阈值分别对应不同的V/f控制方式。
微电网中的各微电源的上限频率阈值和下限频率阈值各不相同。
本发明的微电源的控制方法适用于微电网电源通过并网换流器与大电网连接的系统。微电网切换为孤岛模式时，微电源在系统频率达到其设定的频率阈值时就会由Droop方式切换为V/f控制方式，作为主控电源来提供电压及频率支撑，当其输出的功率达到V/f控制区段的输出功率阈值时又自动切换为Droop控制方式，而由其他的微电源来提供电压及频率。在系统出现大量功率交换时，随着系统频率下降而选择其他微电源作为主控电源，而自身切换回Droop控制；同样在系统负荷减小时，随着频率增加选择其他微电源作为主控电源。
由于设定频率阈值包括上限频率阈值与下限频率阈值，在系统负荷增加，频率减小时，应与下限频率阈值比较以确定控制方式的切换；在系统负荷减小，频率增加时，应与上限频率阈值比较。上、下限频率阈值分别对应不同的V/f控制曲线。所以，各微电源的控制特性曲线为滞回特性曲线。
在微电网并网运行时，由于有大电网维持频率电压，微电网内具有功率调节能力的微电源可以采用Droop控制方式跟随系统的频率输出相应的功率，而出力具有随机性的微电源可以采用PQ控制方式输出恒定的功率。
本发明与V/f方式相比，其特性曲线更接近传统发电机的输出特性，并且在切换时有一定的斜率，减小了系统的频率抖动；与Droop方式相比，不同于普通的一次调频，在V/f控制段可以维持系统的频率不变，相当于二次调频。该控制方法吸取了V/f方式和Droop方式的优点，克服了它们的缺点。
附图说明
图1是本发明的系统构成示意图；
图2是DG1（a）、DG2（b）的P-f下垂特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
以两个微电源为例（本方法当然也适用于更多的微电源），微电源DG1、DG2连接于微电网母线，DG1、DG2均设有对应的并离网控制器且具有功率调节能力。如图1所示为控制系统的基本构成示意图，微电源的控制系统包括并网换流器、换流器控制模块、功率计算模块、锁相环模块以及电压电流检测模块。
电压电流检测模块主要用于检测当前系统的电压电流变量；锁相环模块主要用于检测系统的实时频率，以控制并网换流器跟踪系统的频率；功率计算模块主要用于通过检测模块获得的电压电流变量来计算微电源输出的实时有功和无功功率；并网换流器主要用于微电源和大电网的连接及其之间的电能交换，由换流器控制模块来控制；换流器控制模块包括Droop控制器和V/f控制器，使得微电源的输出外特性同时满足Droop特性曲线及V/f特性曲线。
微电网电源通过并网换流器与大电网连接，换流器控制模块通过电压电流检测模块获得的反馈变量、锁相环模块得到的实时频率、功率计算模块得到的微电源输出的有功和无功功率以及设定的参考变量进行逻辑判断，最终输出SPWM调制信号，以控制换流器的功率开关器件IGBT的导通和关断。
并网换流器主要用于将微电源发出的不同形式的电能转换为工频的交流电，针对不同的要求有不同的拓扑结构，因此可根据具体的要求来设计，本发明不对其加以限制。
本发明中，以负荷有功功率的变化为例进行讨论，工作原理如下：
微电网运行于孤岛模式时，假设初始工作状态为微电源DG1作为主控电源运行于V/f方式下，维持系统的频率为其最小频率f1min，输出有功功率为P1_0（如图2（a）），微电源DG2跟随系统的频率运行于图2（b）中的A点，输出有功功率为P2_0。随着负荷有功需求的增加，DG1输出功率增大，只要在其功率可调节范围（P1n～P1m）内，系统的频率就保持不变为f1min。若输出有功达到P1m仍无法满足负荷需求时，DG1将会自动转换为Droop控制，继续增加其有功输出，此后由于负荷的增加系统的频率会下降，当系统的频率下降到f2min时，DG2将由Droop控制转换为V/f控制方式，作为新的主控电源维持系统的频率为f2min不变，并增加其输出有功参与功率的调节，而DG1将运行于图2（a）中的B点输出恒定的有功功率，直到DG2的输出有功达到P2m时也转换为Droop控制方式。若某一时刻由于负荷需求的减小而使得系统的频率大于f2min时，DG2将按其Droop曲线减小其输出的有功功率，在系统频率达到f2max时，将转换为V/f方式，维持系统的频率为其最大频率f2max，并减小其输出有功以使系统达到功率平衡，此过程中DG1也将按其特性曲线运行并减小出力，最终跟踪系统的频率稳定运行于C点。微电网并网运行时，由于有大电网来稳定系统的电压及频率，所有具有功率调节能力的微电源都采用Droop控制方式输出相应的功率，而输出具有随机性的微电源则可采用PQ控制方式跟踪其功率参考值输出恒定的功率。
从以上原理分析可以看出，P-f下垂特性曲线图中，V/f控制中的箭头方向表示在系统负荷增加、减小时的微电源输出功率变化方向，也说明在系统负荷增加、减小时沿不同的V/f曲线运行：在系统负荷增加，频率减小时，与下限频率阈值比较以切换到下方的V/f曲线；在系统负荷减小，频率增加时，与上限频率阈值比较以切换到上方的V/f曲线。所以特性曲线表现出滞回输出特性。
本实施例中，各微电源的上下限频率阈值各不相同。作为其他实施方式，也不排除其中存在相同阈值的微电源的情况，本领域技术人员可以根据实际情况进行设计。
根据本发明的技术方案，微电网并网运行时，其内部的微电源采用Droop控制或PQ控制方式参与功率的调节；微电网切换为孤岛模式时，具有滞回输出特性的微电源在系统频率达到其设置的最大或最小参考频率时就会由Droop方式切换为V/f控制方式，作为主控电源来提供电压及频率支撑，当其输出的功率达到V/f控制区段的最大输出功率时又自动切换为Droop控制方式，而由另一个具有同样输出特性的微电源来稳定电压及频率。由此可以看出，具有这种滞回输出特性的微电源不但可以运行于微网的并网模式下，还可以运行于微网的孤岛模式下，为系统提供稳定的电压幅值及频率，并且使系统具有多个平衡节点，其功率调节范围增大，每个具有功率调节能力的微电源可根据其设置的上限、下限频率阈值及其可输出的有功功率的范围来投入或退出主控模式，也就是说各微电源工作方式的切换不需要通讯。另外，这种微电源还使得系统具有较好的容错性能，主要表现在负荷功率变化时，各微电源依次切换为主控电源调节自身输出的功率，即使次序出现错误仍会有微电源作为主控电源给系统提供稳定的电压和频率，系统仍能稳定运行。
以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于发明内容部分的基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种微电源的控制方法，其特征在于，至少包括：
判断切换步骤：在判断微电网处于孤岛运行时，微电源检测系统频率，与其设定的频率阈值进行比较，若系统频率达到其设定频率阈值，则采用相应频率阈值对应的V/f控制方式；在V/f控制方式下，若输出功率达到功率调节阈值，则切换为Droop控制方式；每个微电源设定的频率阈值包括上限频率阈值和下限频率阈值；当系统频率减小时，与下限频率阈值比较；当系统频率增加时，与上限频率阈值比较；上限频率阈值和下限频率阈值分别对应不同的V/f控制方式。
2.根据权利要求1所述的一种微电源的控制方法，其特征在于，判断微电网处于并网运行时，具有功率调节能力的微电源采用Droop控制方式。
3.根据权利要求2所述的一种微电源的控制方法，其特征在于，微电网中的各微电源的上限频率阈值和下限频率阈值各不相同。
4.一种微电源的控制装置，其特征在于，至少包括：
判断切换模块：在判断微电网处于孤岛运行时，微电源检测系统频率，与其设定的频率阈值进行比较，若系统频率达到其设定频率阈值，则采用相应频率阈值对应的V/f控制方式；在V/f控制方式下，若输出功率达到功率调节阈值，则切换为Droop控制方式；每个微电源设定的频率阈值包括上限频率阈值和下限频率阈值；当系统频率减小时，与下限频率阈值比较；当系统频率增加时，与上限频率阈值比较；上限频率阈值和下限频率阈值分别对应不同的V/f控制方式。
5.根据权利要求4所述的一种微电源的控制装置，其特征在于，判断微电网处于并网运行时，具有功率调节能力的微电源采用Droop控制方式。
6.根据权利要求5所述的一种微电源的控制装置，其特征在于，微电网中的各微电源的上限频率阈值和下限频率阈值各不相同。
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