CN103956778A - 一种基于相角下垂控制的微电网系统及组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相角下垂控制的微电网系统，所述微电网系统包括调度系统、微电网本体，每个微电网本体均通过相应的并网开关连接至公用电网，调度系统用于控制并网开关的启闭以实现微电网系统在孤岛模式和并网模式两种运行模式之间的切换；微电网系统在孤岛模式下运行时，并网开关断开，分布式电源采用VSI相角下垂控制器，为微电网本体提供电压和频率支撑；所述微电网系统在并网模式下运行时，并网开关闭合，分布式电源采用PQ控制器输出指定功率，由公用电网为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑。本发明还公开了一种基于相角下垂控制的微电网组网方法。本发明在实现分布式电源利用率最大化的同时，实现微电网能量的合理流动。

Description

一种基于相角下垂控制的微电网系统及组网方法

技术领域

本发明涉及可再生能源发电微电网领域，特别地涉及一种基于相角下垂控制的微电网系统及组网方法。

背景技术

在能源危机和环境保护的双重压力下，微电网技术受到各界的广泛重视和应用。微电网系统是指为了充分利用可再生能源，将分布式电源、储能单元和负荷结合在一起的区域电网，既可以运行在孤岛模式下，也可以并入大电网，实现能源的就地开发利用，减少能量传输损耗，同时控制微电网内部的能量流动，实现微电网系统经济优化运行。

微电网可以看成是由众多分布式装置组成的区域电网形式，通常是由电压源型逆变器控制输出的有功以及无功功率。分布式电源通过变流器产生直流电后，再通过逆变器产生交流电，可以看成是微电网内部的一个DG（DistributedGeneration）单元。对于其中的逆变器一般采用PQ控制或电压源型逆变器（VSI）控制策略。采用PQ控制的逆变器可以等效成电流源，其输出功率由上层调度管理系统决定，而不受微电网内部功率变化的影响，适用于有大电网作支撑的情况，是目前主流的微电网控制策略之一，通过跟随PCC处的电压，控制注入的电流大小来调节输出功率。采用VSI控制的逆变器可以等效成电压源，其输出功率随着微电网内部功率的变化而改变，起到调节功率的作用，适用于孤岛运行状态，需要配备储能装置。微电网在并网运行时，可由公用电网为其提供电压和频率支撑。孤岛运行时由于缺乏公用电网提供的大容量电网电压支撑，因此必需有一定数量的采用VSI控制的单元为其提供电压和频率支撑，建立稳定可靠的电压，以保证微电网的正常运行。

考虑到微电网中众多的分布式电源的相互联系，对其进行合理的功率配置显得尤为重要，在一个微电网系统中应以最小限度的通信成本实现功率的合理配置，目前较为常见的是采用下垂特性控制方法，其控制方法通常使用频率下垂控制，以此产生参考信号，该方法利用分布式电源输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理进行控制，通过采集本地反馈信息从而控制逆变器的输出特性，然而由于众多逆变器的并网，导致其频率的波动范围较大，影响整个微电网的稳定性。与此同时，在大区域范围内的微电网并联系统中，各微电网系统之间以及微电网系统内部的分布式电源也需要建立统一的时间基准，以保障能量调度系统的统一管理。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于相角下垂控制的微电网系统，通过对运行在不同模式下的微电网逆变器进行控制，从而跟踪负荷功率的变化或者按照功率设定值输出功率，实现不同模式运行下微电网内部的功率平衡，同时利用GPS同步时钟产生公共脉冲基准，实现微电网间以及微电网内部多种分布式电源间的同步锁相，提高系统稳定性。

为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：

所述微电网系统包括调度系统、微电网本体，所述微电网本体至少包括由风能和太阳能通过逆变器转换成符合供电质量的分布式电源，每个微电网本体均通过相应的并网开关连接至公用电网，所述调度系统用于控制并网开关的启闭以实现微电网系统在孤岛模式和并网模式两种运行模式之间的切换；

组网的多个微电网本体之间以及微电网系统内部的多台逆变器均以公共脉冲基准作为同步基准；

所述逆变器采用DSP控制系统，以收集本地数据，同时还接受上层调度系统的指令，按照上层调度系统的给定值输出有功功率以及无功功率，所述本地数据包括输入电压、电流、功率以及逆变输出电压、电流和有功、无功功率；

所述微电网系统在孤岛模式下运行时，并网开关断开，上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用VSI相角下垂控制器，使用相角下垂控制产生参考信号，用以为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑；

所述微电网系统在并网模式下运行时，并网开关闭合，上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用PQ控制器输出指定功率，由公用电网为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑。

所述公共脉冲基准为由GPS同步时钟产生的公共脉冲形成的同步基准，逆变器在检测到同步基准的上升沿时开始产生一定频率的脉冲，同时进行同步锁相，在检测到下一个同步基准的上升沿时进行频率校验。

所述PQ控制为通过对P和Q的参考值进行解耦得到电感电流参考值，该电感电流参考值与电感电流实际值的差值经过电流环比例积分控制器以及前馈解耦之后产生调制信号。其控制技术可以采用任何已有的实现技术。

所述逆变器均采用空间矢量脉宽调制技术，以实现了两种运行模式的无缝切换，保证了微电网本体在孤岛模式下仍可维持本地重要负载的供电。

所述微电网系统还包括通过并网开关接入公用电网的燃气轮机、燃料电池以及蓄电池或/和飞轮储能形成的储能系统，以提高微电网系统运行的稳定性以及供电的可靠性。

本发明的另一目的在于提供一种基于相角下垂控制的微电网组网方法，通过对运行在不同模式下的微电网逆变器进行控制，从而跟踪负荷功率的变化或者按照功率设定值输出功率，实现不同模式运行下微电网内部的功率平衡，同时利用GPS同步时钟产生公共脉冲基准，实现微电网间以及微电网内部多种分布式电源间的同步锁相，提高系统稳定性。

一种基于相角下垂控制的微电网方法，其包括以下步骤：

步骤S1、判断微电网系统的运行模式，当为孤岛模式时，执行步骤S2，反之，当为并网模式时，执行步骤S3；

步骤S2、上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用VSI相角下垂控制器，使用相角下垂控制产生参考信号，用以为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑；

步骤S3、上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用PQ控制器输出指定功率，由公用电网为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑。

VSI相角下垂控制器包括VSI控制器、功率控制器，所述VSI控制器的输入端连接于公用电网输入端，其输出端通过功率控制器连接至逆变器的空间矢量脉冲调制器，在VSI控制器与功率控制器之间以及功率控制器与空间矢量脉冲调制器之间分别设有abc/dq坐标变换器和abc/αβ坐标变换器。

所述步骤S2包括以下步骤：

步骤S2.1、VSI控制器经过abc/dq坐标变换器变换，得到分布式电源的输出有功功率P_o和无功功率Q_o：

式（1）中U_om和E_m分别为分布式电源的输出电压和母线电压幅值；δ和δ_e分别为分布式电源输出电压和母线电压相角；Z为线路阻抗，为线路阻抗相角，令：当相角差δ-δ_e很小时，由式(1)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{om}}=E_m+\frac{2R{P}_o}{3E_m}\\ \mathrm{\δ}={\mathrm{\δ}}_e-\frac{2R{Q}_o}{3U_{\mathrm{om}}{E}_m}\end{array}\right.---\left(2\right)$

步骤S2.2、通过功率控制器对P_o和Q_o的值进行控制，获得输出参考信号，所述输出参考信号包括输出电压参考值和角频率参考值ω，以得到符合要求的逆变器输出特性，对P_o和Q_o的值进行控制的方法为采用电压定向控制且引入负反馈可以得到DG单元的相角下垂控制：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{od}}^{*}=U_{\mathrm{odref}}-m{P}_o\\ {\mathrm{\δ}}^{*}={\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ref}}+n{Q}_o\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中和U_odref分别为分布式电源输出电压参考值的d轴分量和空载时输出电压参考值的d轴分量；δ^*和δ_ref分别为相角值和空载时的相角参考值；m和n分别为电压幅值下垂系数和相角下垂系数；

输出电压参考值等效成d轴和q轴的分量和其中，由式（3）计算得出，角频率参考值ω通过功率控制器获得，ω=2πf^*，f^*为参考频率，孤岛运行时为工频50Hz基准；

步骤S2.3、将输出参考信号经abc/αβ坐标变换器变换后，通过空间矢量脉宽调制器调制后，为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑。

功率控制器、abc/dq坐标变换器和abc/αβ坐标变换器采用相同的相角θ，所述相角θ由功率控制器产生，

所述步骤S2.2和步骤S2.3之间还包括以下步骤：通过电压电流双环控制器对输出参考信号以及VSI（电压源型逆变器voltage source inverter）控制器经过abc/dq坐标变换器变换的信号进行内外环控制。

本发明以实现微电网内有功功率和无功功率的控制，进而合理分配微电网系统内的能量流动，在微电网孤岛运行时，DG单元采用VSI控制，使用相角下垂控制产生参考信号，为微电网提供电压和频率支撑；微电网并网运行时，DG单元采用PQ控制输出指定功率，接受上层调度管理。另一方面，充分利用已有的GPS同步时钟技术，产生的公共脉冲基准作为微电网并联运行时的同步基准，以实现微电网间以及微电网内部分布式电源的同步锁相，有利于实现微电网的扩容与统一调度。

本发明的有益效果是：该微电网组网方法在实现分布式电源利用率最大化的同时，实现微电网能量的合理流动，为组建不依赖于大电网的多个区域微电网并联运行系统提供借鉴。微电网在孤岛运行时，采用VSI控制的DG（分布式电源）单元使用相角下垂控制产生参考信号，该下垂控制可以跟踪负荷功率的变化，实现微电网内部功率的平衡；其在微电网并网运行之后转为采用PQ控制，可以不受负荷功率变化的影响而按照功率设定值输出功率，此时由微电网和大电网共同为负荷提供功率。实现了微电网的模块化组网和内部功率的可控流动及优化调度，微电网逆变器在并网和孤岛运行时均采用统一的空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，实现了两种运行模式的无缝切换，同时基于GPS同步时钟产生的公共脉冲基准，可实现微电网内部DG单元的同步锁相，以此作为频率支撑，也可组建不依赖于大电网的多个区域微电网并联运行的系统。

附图说明

图1为本发明实施例的微电网框架结构示意图；

图2为本发明实施例的微电网的内部组成结构示意图；

图3为本发明实施例的微电网分布式电源逆变器的结构示意图；

图4为本发明实施例的微电网分布式电源逆变器的控制方法框图；

图5为图4中功率控制器的控制方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

图1为微电网框架结构示意图。先由小范围内的分布式电源组成区域微电网，再将多个区域微电网并联运行，维持大范围内的能量供应，多余能量可以通过并网开关注入大电网。为提供给多个微电网统一的时间基准，采用GPS同步时钟产生公共脉冲基准，微电网中逆变器以此为基准，在检测到同步基准的上升沿时产生50Hz占空比为50%的方波脉冲，同时进行同步锁相，在检测到下一个同步基准的上升沿时进行频率校验。由于微电网系统具有统一的同步脉冲基准，使得微电网内各分布式电源的动态调节特性一致，从而保证了微电网具有相同的结构单元，具有模块化结构，方便调度、易于扩容。

图2为微电网的内部组成结构示意图。微电网为了减少能量传输损耗，尽量要做到就地发电，就地使用。因此将本地的可再生能源如太阳能、风能经过变流器接入电网，同时为了提高供电可靠性，使用燃气轮机、燃料电池作后备调度，并加入储能系统如：蓄电池、飞轮储能等，对于本地重要负载在孤岛运行时，也能保证不间断供电质量；微电网也可通过开关连接到区域电网上，再通过并网开关与公共电网相连，实现并网运行、功率双向流动。

图3为微电网分布式电源逆变器的结构图。为了使微电网在孤岛运行时拥有更好的运行频率，设计采用了基于相角下垂的控制策略。图3中，U_i和i_L分别为输入电网电压和电流；U_o和i_o分别为逆变器输出的电压和电流，U_dc为直流侧电压，i_c为滤波电容电流。由图中可以看出直流侧电压U_dc由分布式电源或储能装置经过电力电子变换器后提供，通过使用SVPWM（电压空间矢量脉宽调制）技术的逆变器输出三相交流电，由微电网运行模式决定逆变器采用PQ控制或者VSI相角下垂控制。并网运行时，逆变器采用PQ控制，此时有功功率及无功功率由微电网上层调度管理系统给定；在孤岛运行时，采用相角下垂控制策略，跟踪负荷功率变化，实现微电网内部功率平衡。

图4和图5为微电网分布式电源逆变器中的VSI相角下垂控制方法。图4中可等效成两个分量 作为输出电压参考值的dq轴分量。由图4可以看出，VSI控制器经过abc/dq变换后，进入功率计算模块，产生的有功、无功功率经过功率控制模块产生参考信号，最后由电压电流双环控制和坐标变换等部分完成整个过程，其中角频率ω,相角θ和参考电压都由功率控制器产生。

首先结合图3得到DG单元的输出有功、无功功率为：

式中U_om和E_m分别为分布式电源的输出电压和母线电压幅值；δ和δ_e分别为分布式电源输出电压和母线电压相角；Z为线路阻抗，为线路阻抗相角。可以近似认为微电网线路阻抗呈阻性，因此当相角差δ-δ_e很小时，由(1)式可以得到以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{om}}=E_m+\frac{2R{P}_o}{3E_m}\\ \mathrm{\δ}={\mathrm{\δ}}_e-\frac{2R{Q}_o}{3U_{\mathrm{om}}{E}_m}\end{array}\right.---\left(2\right)$

由式（2）可以看出U_om和δ分别受P_o和Q_o的影响。为得到符合要求的逆变器输出特性，可以通过改变P_o和Q_o的值进行控制，采用电压定向控制且引入负反馈可以得到DG单元的相角下垂控制的规律为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{od}}^{*}=U_{\mathrm{odref}}-m{P}_o\\ {\mathrm{\δ}}^{*}={\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ref}}+n{Q}_o\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中和U_odref分别为分布式电源输出电压参考值的d轴分量（电压参考值的q轴分量）和空载时输出电压参考值的d轴分量；δ^*和δ_ref分别为相角值和空载时的相角参考值；m和n分别为电压幅值下垂系数和相角下垂系数。其中参考频率f^*在微电网并网运行时以公共电网的频率为基准，孤岛运行时为工频50Hz基准。

采用图3所示的微电网分布式电源逆变器结构及图4和图5所示的控制方法，就使得微电网电压源型逆变器既能实现对本地负载在两种模式下的不间断供电，又能通过电压幅值和相角的微调，实现能量在多个微电网双向变流器之间的可控流动，跟踪负荷功率变化，实现微电网内部功率平衡。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或应用，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1.一种基于相角下垂控制的微电网系统，其特征在于，

所述微电网系统包括调度系统、微电网本体，所述微电网本体至少包括由风能和太阳能通过逆变器转换成符合供电质量的分布式电源，每个微电网本体均通过相应的并网开关连接至公用电网，所述调度系统用于控制并网开关的启闭以实现微电网系统在孤岛模式和并网模式两种运行模式之间的切换；

组网的多个微电网本体之间以及微电网系统内部的多台逆变器均以公共脉冲基准作为同步基准；

所述逆变器采用DSP控制系统，以收集本地数据，同时还接受上层调度系统的指令，按照上层调度系统的给定值输出有功功率以及无功功率，所述本地数据包括输入电压、电流、功率以及逆变输出电压、电流和有功、无功功率；

所述微电网系统在孤岛模式下运行时，并网开关断开，上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用VSI相角下垂控制器，使用相角下垂控制产生参考信号，用以为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑；

所述微电网系统在并网模式下运行时，并网开关闭合，上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用PQ控制器输出指定功率，由公用电网为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑。

2.根据权利要求1所述的基于相角下垂控制的微电网系统，其特征在于，所述公共脉冲基准为由GPS同步时钟产生的公共脉冲形成的同步基准，逆变器在检测到同步基准的上升沿时开始产生一定频率的脉冲，同时进行同步锁相，在检测到下一个同步基准的上升沿时进行频率校验。

3.根据权利要求1所述的基于相角下垂控制的微电网系统，其特征在于，所述PQ控制为通过对P和Q的参考值进行解耦得到电感电流参考值，该电感电流参考值与电感电流实际值的差值经过电流环比例积分控制器以及前馈解耦之后产生调制信号。

4.根据权利要求1所述的基于相角下垂控制的微电网系统，其特征在于，所述逆变器均采用空间矢量脉宽调制技术，以实现了两种运行模式的无缝切换。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于相角下垂控制的微电网系统，其特征在于，所述微电网系统还包括通过并网开关接入公用电网的燃气轮机、燃料电池以及蓄电池或/和飞轮储能形成的储能系统，以提高微电网系统运行的稳定性以及供电的可靠性。

6.一种基于相角下垂控制的微电网方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤S1、判断微电网系统的运行模式，当为孤岛模式时，执行步骤S2，反之，当为并网模式时，执行步骤S3；

步骤S2、上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用VSI相角下垂控制器，使用相角下垂控制产生参考信号，用以为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑；

步骤S3、上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用PQ控制器输出指定功率，由公用电网为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑。

7.根据权利要求6所述的基于相角下垂控制的微电网组网方法，其特征在于，VSI相角下垂控制器包括VSI控制器、功率控制器，所述VSI控制器的输入端连接于公用电网输入端，其输出端通过功率控制器连接至逆变器的空间矢量脉冲调制器，在VSI控制器与功率控制器之间以及功率控制器与空间矢量脉冲调制器之间分别设有abc/dq坐标变换器和abc/αβ坐标变换器。

8.根据权利要求7所述的基于相角下垂控制的微电网组网方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

步骤S2.1、VSI控制器经过abc/dq坐标变换器变换，得到分布式电源的输出有功功率P_o和无功功率Q_o：

式（1）中U_om和E_m分别为分布式电源的输出电压和母线电压幅值；δ和δ_e分别为分布式电源输出电压和母线电压相角；Z为线路阻抗，为线路阻抗相角，令：当相角差δ-δ_e很小时，由式(1)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{om}}=E_m+\frac{2R{P}_o}{3E_m}\\ \mathrm{\δ}={\mathrm{\δ}}_e-\frac{2R{Q}_o}{3U_{\mathrm{om}}{E}_m}\end{array}\right.---\left(2\right)$

步骤S2.2、通过功率控制器对P_o和Q_o的值进行控制，获得输出参考信号，所述输出参考信号包括输出电压参考值和角频率参考值ω，以得到符合要求的逆变器输出特性，对P_o和Q_o的值进行控制的方法为采用电压定向控制且引入负反馈可以得到DG单元的相角下垂控制：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{od}}^{*}=U_{\mathrm{odref}}-m{P}_o\\ {\mathrm{\δ}}^{*}={\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ref}}+n{Q}_o\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中和U_odref分别为分布式电源输出电压参考值的d轴分量和空载时输出电压参考值的d轴分量；δ^*和δ_ref分别为相角值和空载时的相角参考值；m和n分别为电压幅值下垂系数和相角下垂系数；

输出电压参考值等效成d轴和q轴的分量和其中，由式（3）计算得出，角频率参考值ω通过功率控制器获得，ω=2πf^*，f^*为参考频率，孤岛运行时为工频50Hz基准；

步骤S2.3、将输出参考信号经abc/αβ坐标变换器变换后，通过空间矢量脉宽调制器调制后，为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑。

9.根据权利要求7或8所述的基于相角下垂控制的微电网组网方法，其特征在于，功率控制器、abc/dq坐标变换器和abc/αβ坐标变换器采用相同的相角θ，所述相角θ由功率控制器产生，

10.根据权利要求8所述的基于相角下垂控制的微电网组网方法，其特征在于，所述步骤S2.2和步骤S2.3之间还包括以下步骤：通过电压电流双环控制器对输出参考信号以及VSI控制器经过abc/dq坐标变换器变换的信号进行内外环控制。