CN104011959A - 带分散电源系统的电源网格中频率和电压的主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在反馈控制中主动控制分散电力产生单元(1)的至少一个输出参数(f_i,V_i,P_i,Q_i)的方法，该分散电力产生单元(1)将电力馈送到具有多个这种分散电力产生单元的电源网格(14)中，该电力产生单元(1)在网格结点(16)处与网格(14)耦合。结点(16)处的电力产生单元(1)的实际电阻(R_i)、电抗(X_i)和阻抗(Z_i)的大小(|Z_i|)被确定，并且，电阻(R_i)与阻抗大小(|Z_i|)之间的第一商(R_i/|Z_i|)以及电抗(X_i)与阻抗大小(|Z_i|)之间的第二商(X_i/|Z_i|)被计算。这些商(R_i/|Z_i|，X_i/|Z_i|)被用于至少一个输出参数(f_i,V_i,P_i,Q_i)的反馈控制。

Description

带分散电源系统的电源网格中频率和电压的主动控制方法

技术领域

本发明处于电力系统的技术领域中。更具体而言，本发明处于负载共享控制的技术领域中。它涉及用于在反馈控制中主动控制分散电力产生单元的至少一个输出参数的方法，该分散电力产生单元电力将电力馈送到具有多个这种分散电力产生单元的电源网格中，该电力产生单元在网格结点处与网格耦合。

背景技术

分布式产生(DG)技术正变为向电业供给电力的潜在贡献因素。将大量的基于分布能量资源(DER)并部分地基于可再生能源(RES)的这种能量转换系统(ECS)集成到主网格中自动地导致产生波动、网格基础构架改变、动态行为变化等。由于主网格结构不能迅速改变，因此基于常规的电力系统的现有控制结构应被用作开发分散电源系统的新的网格控制的指导方针。

但是，由于高电压传送网络中的电站中的常规的一次控制策略基于电力系统的电感本质，因此，中电压和低电压网络关于电力系统的电阻本质的主要问题没有被考虑。因此，在常规的电力系统中使用以得到与网格频率和电压有关的负载共享的常规的下垂控制当应用于中电压和低电压网络时不再有效。

本发明是用于电力共享的灵活、自适应和一般的下垂控制，其可实现为产生单元(同步机器、逆变器等)控制，并可应用于电源系统的所有电压电平中。

附图说明

图1：本发明的与网格侧有关的馈送模式的示意图；

图2：本发明的ECS与网格之间的作为柔性一次界面的ECS从动馈送模式(ECS driven feeding mode)中的逆变器的示意图；

图3：本发明的在网格从动馈送模式逆变器(网格形成、网格支持)中动作的系统的一般控制的示意图；

图4：本发明的在ECS从动馈送模式逆变器(网格并行)中动作的系统的一般控制的示意图；

图5：本发明的与网格(栅极阻抗)连接的逆变器的一般示图的示意图；

图6：本发明的基于AGIDC和网格阻抗测量方法在网格从动馈送模式逆变器(形成、支持)中动作的系统的新型控制的示意图；

图7：本发明的基于AGIDC和网格阻抗测量方法在ECS从动馈送模式逆变器(并行)中动作的系统的新型控制的示意图；

图8：本发明的电力流动研究中的总线i处的有功功率和无功功率的示意图；

图9：本发明的常规下垂功能(a)频率/有功功率和(b)电压/无功功率的示意图；

图10：本发明的坐标系统的旋转的示意图；

图11：本发明的具有对P′变量的三角法解释的坐标系的旋转的示意图；

图12：本发明的具有对Q′变量的三角法解释的坐标系的旋转的示意图；

图13：本发明的与旋转角有关的阻抗Z的移动的示意图；

图14：本发明的网格形成模式的新的下垂控制图的示意图；

图15：本发明的通过新的下垂控制在网格从动馈送模式逆变器i(网格形成)中动作的系统的一般控制的示意图；

图16：本发明的通过新的下垂控制在网格从动馈送模式同步产生器i(网格形成)中动作的系统的一般控制的示意图；

图17：本发明的常规的下垂功能(a)有功功率/频率和(b)无功功率/电压的示意图；

图18：本发明的坐标系的旋转的示意图；

图19：本发明的具有对δ′变量的三角法解释的坐标系的旋转的示意图；

图20：本发明的具有对V′变量的三角法解释的坐标系的旋转的示意图；

图21：本发明的网格支持模式的新的下垂控制图的示意图；

图22：本发明的通过新的下垂控制在网格从动馈送模式逆变器i(网格支持)中动作的系统的一般控制的示意图；

图23：本发明的通过新的下垂控制在网格从动馈送模式同步产生器i(网格支持)中动作的系统的一般控制的示意图；

图24：本发明的通过新的下垂控制在ECS从动馈送模式逆变器i(网格并行)中动作的系统的一般控制的示意图；

图25：本发明的具有附加的选择功能的网格形成模式的新的下垂控制图的示意图；

图26：本发明的具有附加的选择功能的网格支持和网格并行模式的新的下垂控制图的示意图。

具体实施方式

中心电源系统的基本结构的特征是，电力从位于超高电压(EHV)和高电压(HV)电平的中心电站单向向下流向位于分布网络的中电压(MV)和低电压(LV)电平的分布的消费者。通过大的电站完成状态变量(频率和电压)的控制和稳定化，这意味着，网格只能通过连续地平衡位于EHV和HV电平的电站的输出来主动控制和响应扰动。相反，MV和LV电平处于常规的被动控制的布局中。消费者需求或多或少地不可控，并且，网格只能通过中心控制被动地应对所述需求的变化。中心电力系统的动作受基本网络部件(即，电线、变压器、开关、可切换电容器)限制。这意味着电力和网络控制的调度一般在调度中心分别由电站和中心控制单元负责。

当老的中心电源系统改变时，将来的电源系统的趋势将向与可再生能量资源(RES)组合的分散电源系统移动。与RES组合的分布产生(DG)和分布能量资源(DER)的电力系统突破有望在将来的电力系统中并进一步在智能网格(Smart Grid)中扮演关键角色。特别是主要用于MV和LV网络中的中间和小能量转换系统(ECS)的DER将是分散电源系统的主要焦点。这些分散系统可通过它们的双向电力流动被识别，这意味着，电力流动的范围可以从低电压电平到高电压电平。

根据电源系统的将来的要求，基于DER的DG应被主动集成到主动网格控制中以保持网格的状态变量频率和电压。为了得到DG的动态控制的一般策略，对于常规网格的建立的控制功能，必须考虑电源系统中的物理行为的要求。这意味着，DG的控制功能需要在兼容的共存中将分散产生器和集中产生器结合在一起。为了满足将来的分散电源系统的这些要求，可以利用类似于逆变器的电力电子器件作为ECS与网格之间的智能和多功能一次接口。在图1中表示关于它们的动作模式的逆变器布局的一般分类。

逆变器的馈送模式可分为图1所示的两种类型，它们是ECS从动馈送模式A的逆变器和网格从动馈送模式B的逆变器，参见公开“Advanced Control Strategy for Three-Phase Grid Inverters withUnbalanced Loads for PV/Hybrid Power Systems”by E.Ortjohann,A.Mohd,N.Hamsic,D.Morton,O.Omari,presented at 21^th EuropeanPV Solar Energy Conference,Dresden,2006的公开。可通过网格并行逆变器C实现ECS从动馈送模式A的逆变器。在本上下文中，必须以扩展的方式解释ECS。这指逆变器用作网格结合接口的所有机会。如图2所示，逆变器10提供跨着来自一侧的ECS12的端子的电压与来自另一侧的网格14的网格电压之间的去耦合。它还提供来自一侧的ECS12的频率与来自另一侧的网格频率之间的去耦合。

在图2中，示出ECS2可以是通过两个线向逆变器10提供DC电压的光伏产生器的例子。在替代方案中，它可以是具有通过三个线向逆变器10提供三相AC电压的三相同步产生器G的风力系统。逆变器10通过通向网格的三个线或者还考虑接地的四个线的连接向网格14提供三相AC电压。网格14在图2中示意性地示为具有五个偏心电力馈送结点16和与电力消费负载连接的两个点18。逆变器10基于逆变器10的输入和输出侧的电气参数由实现到逆变器10自身中的一次控制20、并在局部的水平上由二次控制22控制。一次控制20和二次控制22通过通信链接24互连。

可通过两种不同的情况实现网格从动馈送模式B中的逆变器，这两种情况是网格形成D和网格支持模式E。网格形成模式D中的逆变器负责建立电压和网格频率作为状态变量并保持它们，参见公开“Conceptual Development of a General Supply Philosophy forIsolated Electrical Power Systems”by O.Omari,vol.PhD.Soest,Germany:South Westphalia University of Applied Sciences,2005。为了在电气系统中保持电力平衡，通过增加或减小其电力产生来完成这一点。网格支持模式E中的逆变器馈送一般由管理单元规定的预定量的电力，该管理单元例如为负载调度中心。因此，这种情况下的电力产生不依赖于网格中的电力失衡。尽管如此，这此单元的预定量的电力可被调整。管理系统可根据系统的要求和单元的自身资格改变基准值，参见A.Mohd：“Development of Modular Grid Architecture forDecentralized Generators in Electrical Power Supply System withFlexible Power Electronics”,Dissertation,Joint-PhD Programbetween The University of Bolton,Bolton,UK,in cooperation withSouth Westphalia University of Applied Sciences-Soest,Soest,Germany,January2010。可在图3中描述网格从动馈送模式逆变器B的一般控制策略。另外，这种类型的定义是一般定义，它也可扩展到控制侧的同步产生器。

图3表示网格从动馈送模式中的逆变器10，该网格从动馈送模式将电力从DC链接32馈送到通过一般表示为RL组合的线26与逆变器10连接的网格14中。控制基于在结点16处测量的提供给控制单元30的电压V_G和电流I_G。基准值也被提供给控制单元30，在网格形成模式的情况下，为网格电压V_ref和网格频率f_ref，并且，在网格支持模式的情况下，为有功功率P_ref和无功功率Q_ref。控制单元30计算α和β坐标中的设定电压作为为了在逆变器10的输出端子处获得规定的设定电压控制逆变器10的电力电子开关的状态变量模型的输入变量。从网格的视点看，在具有对地电容29和电感28的结点16处表示产生单元10、32。示意性地，在该电容29处测量电压V_G，并且在该电感28处测量电流I_G。

电气系统必须包含网格从动馈送单元(逆变器、同步产生器)以保持其电力平衡和单元的电力共享。如果电气系统仅具有一个网格从动馈送单元，那么它应是在O.Omari“Conceptual Development of aGeneral Supply Philosophy for Isolated Electrical Power Systems”中描述的网格形成单元。如果在电气系统中存在多于一个的网格从动馈送点，那么至少它们中的一个负责形成网格状态变量频率和电压以及作为网格支持单元(E)的其它功能。

ECS从动馈送模式A中的逆变器是作为电力产生单元的网格并行模式C。不根据电气系统的要求控制它。诸如风能转换器和光伏系统(参见图2)的RES可被用作ECS12以将它们的最大的电力馈送到网格14(常规网格中的标准应用)中。可在图4中描述ECS从动馈送模式逆变器10的一般控制策略。另外，这种类型的定义是一般定义，它也可扩展到控制侧的同步产生器。

图4示出与图3相同的基本电气结构，但是用于网格并行模式中的逆变器10。逆变器10的控制与图3中的控制的不同在于，作为输出逆变器电压V_G的替代，DC链接32电压V_dc、DC链接32的基准值Vdc_ref和无功功率基准值Q_ref被提供到控制单元30并被用于计算设定电压的α和β坐标。

由于现有电力系统的控制布局和基础构架不能迅速改变，因此，与维护、动作、安全、保护和效率有关的新系统的设计和开发必须遵循应用于传送系统中的the Union for the Coordination of theTransmission of Electricity(UCTE)handbook,Grid Coderegulations(UCTE：“Operation Handbook–Introduction”,Final v2.5E,24.06.2004,July2004以及UCTE:Operational Handbook-Policy1:Load-Frequency Control",Final Version(SC在2009年3月19日批准)，March2009)。网格集成的新的控制策略和概念应基于常规的电力系统。并且，为了与状态变量组合得到与有功功率和无功功率有关的电力产生器的负载共享，在常规的电源系统中使用在德国专利申请DE10140783A1中引入的下垂控制功能。该负载共享策略主要在网格中的EHV和HV电平中实现。该负载共享策略主要面向传送网络行为，并且基于电力系统的电感本质。

因此，用于常规电力系统中的DE10140783A1中的常规的下垂功能当被应用于MV和LV网络中时不能被有效地使用。MV和LV网络关于这种类型的网格的电阻本质的物理行为在该下垂功能中没有被考虑。在公开“A Voltage and Frequency Droop Control Method forParallel Inverters”by K.De Brabandere,B.Bolsens,J.Van denKeybus,A.Woyte,J.Driesen,R.Belmans,IEEE Transactions onPower Electronic,Vol.22(4),pp-1107-1115,2007中引入考虑电阻(R)和无功(X)线阻抗比的基于频率和电压下垂的控制方案的理论背景。但是，为了实现有效的自适应的下垂控制，考虑阻抗和无功线阻抗比是不够的。

因此，本发明的目的是，提供一种为了在馈送网格的所有电力产生器之间得到平衡的负载共享而主动控制网格馈送电力产生单元的电压和频率的新方法，该方法能够有效地被应用于EHV和HV以及MV和LV网络中。

通过根据权利要求1的方法实现该目的。在从属权利要求中给出并在后面描述其它的有利的优化。

根据本发明，提出一种用于在反馈控制中主动控制分散电力产生单元的至少一个输出参数(f_i,V_i,P_i,Q_i)的方法，该分散电力产生单元将电力馈送到具有多个这种分散电力产生单元的电源网格中，该电力产生单元在网格结点处与网格耦合，其中，结点处的电力产生单元(1)的实际电阻(R_i)、电抗(X_i)和阻抗(Z_i)的大小(|Z_i|)被确定，并且，电阻(R_i)与阻抗大小(|Z_i|)之间的第一商(R_i/|Z_i|)、以及电抗(X_i)与阻抗大小(|Z_i|)之间的第二商(X_i/|Z_i|)被计算并被用于至少一个输出参数(f_i,V_i,P_i,Q_i)的反馈控制。

根据本发明的方法的基本思想是考虑图5所示的各电力产生单元1的网格结点的单个阻抗，这是根据本发明的该方法导致一般自适应网格阻抗下垂控制的主要的重要关键方面，该一般自适应网格阻抗下垂控制在后面被缩写为AGIDC。并且，提出的发展的一般AGIDC当与栅极阻抗测量方法组合时可处理电力系统的任何电压电平的任何扰动的任何变化。

例如，从下述文献可以获知可使用的栅极阻抗测量方法。

Bernd Voges：″Schutzmaβnahmen gegen Selbstlauf dezentralerWandlersysteme in elektrischen Energieversorgungsnetzen″，DissertationPaderborn,D14-123,1997,page43andfollowing,或者DetlefSchulz："Netzrückwirkungen-Theorie,Simulation,Messung und Bewertung",VDE-Verlag,1.Issue2004,ISBN-Nr.:3-8007-2757-9,page65and following.

图6表示根据本发明的电力产生单元1基于AGIDC和网格阻抗测量与网格从动馈送模式逆变器10(网格形成D或网格支持E)一起动作的新型控制方法。图6的示意性公开基于通过其中实现提出的新型控制方法的新型控制单元36扩展的图3。该控制单元36包含用于确定网格结点16处的电力产生单元1的电阻阻抗R_i和电抗阻抗X_i的阻抗确定单元38和自适应网格阻抗下垂控制(AGIDC)单元40。以下解释网格从动馈送模式B(网格形成D或网格支持E)中的逆变器10的自适应网格阻抗下垂控制(AGIDC)。

如下所述，阻抗确定单元38可确定电力产生单元1的电阻阻抗R_i和电抗阻抗X_i：

参照图6和图7中的阻抗确定单元38，功能块38即阻抗确定单元的阻抗计算算法需要高分辨率的电流I_G和电压V_G。复阻抗Z由下式给出：

$\underset{\‾}{Z}=R+\mathrm{jX}=\underset{\underset{\‾}{I}}{\overset{V}{=}}\frac{{\mathrm{Ve}}^{\mathrm{j\δ}}}{{\mathrm{Ie}}^{\mathrm{j\γ}}}=\frac{V}{I}{e}^{j(\mathrm{\δ}-\mathrm{\γ})}$

这里，R是实部，X是虚部。考虑假定复电压V和复电流I为静止正弦函数的情况。但是，必须考虑阻抗与频率之间的关系。在Voges,page44中阐明基于测量分类的描述(参见以上给出的参考文献)。

为了确定复阻抗，显然需要电压和电流的绝对值。但是，为了计算阻抗角(α＝δ－γ)，还需要电压和电流之间的相移。

确定方法被分成两个组(也参见Voges)：

·测量以上的标称频率(nominal frequency)。

·测量稳态频率。

在Voges中讨论了阻抗确定方法的问题和其它信息。

事实上，通过网格连接点处的电流或电力的注入完成复阻抗的确定(图6和图7)。因此，为了计算复阻抗Z，连接点处的电流I_G和电压V_G的值被测量(在单相以及在多相系统中)并被应用于功能块38(图6和图7)。并且，电压和电流的测量的时间分辨率和精度是功能块38中的算法对AGIDC得到具有足够精度的阻抗Z值的重要因素。

然后，计算的复网格阻抗被应用于AGIDC功能块(图6和图7)。关于计算过程，复网格阻抗可被确定并被循环传送(在固定时间点处)以及被事件驱动。这样，可基于AGIDC功能块40自适应地控制控制器参数。

图7表示根据本发明的电力产生单元1基于AGIDC和网格阻抗测量操作ECS从动馈送模式逆变器10(网格并行C)的新型控制方法。图7的示意性公开基于通过实现提出的新型控制方法的新型控制36′扩展的图4。该控制36′包含前面参照图6描述的用于确定网格结点16处的电力产生单元1的电阻阻抗R_i和无功阻抗X_i的阻抗确定单元38以及自适应网格阻抗下垂控制(AGIDC)单元40′。并且，图7示出为了控制馈送DC链接32的ECS12特别是同步产生器接收自适应网格阻抗下垂控制(AGIDC)单元40′的输出参数的另一控制单元31。在后面解释网格并行模式C中的逆变器10的自适应网格阻抗下垂控制(AGIDC)。

根据本发明，受控的输出参数可以是电力产生单元的频率f_i，其中，该方法可包括以下的步骤：

－确定在网格结点处馈送到网格中的电力产生单元的实际有功功率P_i和无功功率Q_i；

－计算从电力产生单元1传输的实际有功功率P_i与给定的基准有功功率P_ref,i之间的有功功率差ΔP_i；

－计算从电力产生单元1传输的实际有功功率Q_i与给定的基准有功功率Q_ref,i之间的无功功率差ΔQ_i；

－使用第二商X_i/|Z_i|以计算有功功率差ΔP_i、第二商X_i/|Z_i|和给定的频率下垂因子K_f,i的第一频率积Δf_i,P；

－使用第一商R_i/|Z_i|以计算无功功率差ΔQ_i、第一商R_i/|Z_i|和频率下垂因子K_f,i的第二频率积Δf_i,Q；和

－计算第一频率积Δf_i,P与负的第二频率积Δf_i,Q的和，以得到频率校正项Δf_i,P-Δf_i,Q，该频率校正项Δf_i,P-Δf_i,Q被添加到频率f_i的反馈控制的误差f_ref-f_i。

这些方法步骤可被用于在网格形成模式D中用逆变器或同步产生器对电力产生单元进行频率下垂控制。

另外，或者，作为替代方案，受控的输出参数或另一受控输出参数可以是电力产生单元的电压V_i。在这种情况下，所述方法使用预先计算的有功功率差ΔP_i和无功功率差ΔQ_i并进一步包括以下的步骤：

－使用第一商R_i/|Z_i|以计算有功功率差ΔP_i、第一商R_i/|Z_i|和给定的电压下垂因子K_V,i的第一电压积ΔV_i,P；

－使用第二商X_i/|Z_i|以计算无功功率差ΔQ_i、第二商X_i/|Z_i|和电压下垂因子K_V,i的第二电压积ΔV_i,Q；和

－计算第一电压积ΔV_i,P与第二电压积ΔV_i,Q的和，以得到电压校正项ΔV_i,P+ΔV_i,Q，该电压校正项ΔV_i,P+ΔV_i,Q被添加到电压V_i的反馈控制的误差V_ref,i-V_i。

这些方法步骤可被用于在网格形成模式D中用逆变器或同步产生器对电力产生单元进行电压下垂控制。频率下垂控制和电压下垂控制一起形成网格形成模式D中的逆变器或同步产生器的自适应网格阻抗下垂控制(AGIDC)。

在本发明的另一实施例中，受控的输出参数可以是电力产生单元的有功功率P_i。在这种情况下，该方法可包括以下的步骤：

－确定网格结点处的电力产生单元的实际频率f_i和电压V_i；

－计算电力产生单元1的实际频率f_i与给定基准频率f_ref之间的频率差Δf_i；

－计算电力产生单元的实际电压V_i与给定基准电压V_ref,i之间的电压差ΔV_i；

－使用第二商X_i/|Z_i|以计算频率差Δf_i、第二商X_i/|Z_i|和给定的有功功率下垂因子1/K_f,i的第一有功功率积ΔP_i,f；

－使用第一商R_i/|Z_i|以计算电压差ΔV_i、第一商R_i/|Z_i|和有功功率下垂因子1/K_f,i的第二有功功率积ΔP_i,V；和

－计算第一有功功率积ΔP_i,f与负的第二有功功率积ΔP_i,V的和，以得到有功功率校正项ΔP_i,f+ΔP_i,V，该有功功率校正项ΔP_i,f+ΔP_i,V被添加到有功功率P_i的反馈控制的误差P_ref,i-P_i。

这些方法步骤可被用于在网格支持模式E中用逆变器或同步产生器或者在网格并行模式C中用ECS-从动逆变器对电力产生单元进行主动电压下垂控制。

另外，或者，作为替代方案，受控的输出参数可以是电力产生单元的无功功率Q_i。在这种情况下，所述方法使用预先计算的频率差Δf_i和电压差ΔV_i并进一步包括以下的步骤：

－使用第一商R_i/|Z_i|以计算频率差Δf_i、第一商R_i/|Z_i|和给定的无功功率下垂因子1/K_V,i的第一无功功率积ΔQ_i,f；

－使用第二商X_i/|Z_i|以计算电压差ΔV_i、第二商X_i/|Z_i|和无功功率下垂因子1/K_V,i的第二无功功率积ΔQ_i,V；和

－计算第一无功功率积ΔQ_i,f与第二无功功率积ΔQ_i,V的和以得到无功功率校正项ΔQ_i,f+ΔQ_i,V，该无功功率校正项ΔQ_i,f+ΔQ_i,V被添加到无功功率Q_i的反馈控制的误差Q_ref,i-Q_i。

这些方法步骤可被用于在网格支持模式E中用逆变器或同步产生器或者在网格并行模式C中用ECS-从动逆变器对电力产生单元进行无功功率下垂控制。有功功率下垂控制和无功功率下垂控制一起形成网格支持模式E中的逆变器或同步产生器或网格并行模式C中的ECS从动逆变器的自适应网格阻抗下垂控制(AGIDC)。

为了清楚地描述，负载流动的物理行为将是分析问题的起点。如“Power system Analysis”by Grainger and W.Stevenson,“McGraw-Hill Series in Electrical and Computer Engineering”,ISBN,0-07-061293-5中那样，可通过去耦合的负载流动描述以数学的方式阐明这种关于电力系统中的控制任务的物理行为。

对于一般的电力网络，也可如图8那样描述发送总线i即电力产生单元与网格连接的网格结点处的复电力。有功功率P_i和无功功率Q_i的方程代表在总线i处即在网格结点处传输到网络中的电力，该电力可表达为极型方程：

$P_i=P_{G,i}-P_{L,i}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i\·V_j\·Y_{\mathrm{ij}}\·\cos ({\mathrm{\δ}}_i-{\mathrm{\δ}}_j-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})---\mathrm{Eq}.1$

$Q_i=Q_{G,i}-Q_{L,i}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i\·V_j\·Y_{\mathrm{ij}}\·\sin ({\mathrm{\δ}}_i-{\mathrm{\δ}}_j-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})---\mathrm{Eq}.2$

这里，n是网络中的总线的数量。P_G,i是在总线i处产生的调度有功功率，P_L,i是总线i处的有功功率负载。类似地，对于无功功率，Q_G,i是在总线i处产生的调度无功功率，Q_L,i是总线i处的无功功率负载。V_i是总线i处的电压，V_j是总线j处的电压。Y_ij是i·j导纳元件(admittanceelement)。θ_ij是i·j导纳元件的角度。δ_i是总线i处的电压角度。δ_j是总线j处的电压角度。

为了表示有功功率、无功功率、电压角度和电压大小之间的关系，与这些变量有关的负载流动的线性化式可被描述为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔP}\\ \mathrm{\ΔQ}\end{array}\right]=\left[J\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\δ}\\ \mathrm{\ΔV}\end{array}\right]---\mathrm{Eq}.3$

这里，ΔP是线性化有功功率，ΔQ是线性化无功功率，Δδ是线性化电压角度，ΔV是线性化电压大小。[J]是可表达如下的Jacobian矩阵：

$\left[J\right]=\left[\begin{array}{cc}{J}_{11}& J_{12}\\ J_{21}& J_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\∂P/\∂\mathrm{\δ}& \∂P/\∂V\\ \∂Q/\∂\mathrm{\δ}& \∂Q/\∂V\end{array}\right]---\mathrm{Eq}.4$

考虑对于松驰总线即网格结点，电压大小V和电压角度δ是已知的，n个总线的负载流动的线性化式可表达为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔP}}_2\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\Δ}{P}_n\\ \mathrm{\Δ}{Q}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔQ}}_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{\∂P}_2/\∂{\mathrm{\δ}}_2& ...& {\∂P}_2/{\∂\mathrm{\δ}}_n& {\∂P}_2/\∂V_2& ...& {\∂P}_2/\∂V_n\\ .& & .& .& & .\\ .& & .& .& & .\\ .& & .& .& & .\\ {\∂P}_n/\∂{\mathrm{\δ}}_2& ...& {\∂P}_n/\∂{\mathrm{\δ}}_n& \∂P_n/\∂V_2& ...& {\∂P}_n/{\∂V}_n\\ {\∂Q}_2/{\∂\mathrm{\δ}}_2& ...& \∂Q_2/{\∂\mathrm{\δ}}_n& \∂Q_2/\∂V_2& ...& \∂Q_2/\∂V_n\\ \text{.}& & .& .& & .\\ .& & .& .& & .\\ .& & .& .& & .\\ \∂Q_n/\text{\∂}{\text{\δ}}_2& ...& {\∂Q}_n/\∂{\mathrm{\δ}}_n& \∂Q_n/\∂V_2& ...& \∂Q_n/\∂V_n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δ}}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\Δ\δ}}_n\\ \mathrm{\Δ}{V}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔV}}_n\end{array}\right]---\mathrm{Eq}.5$

在具有电感行为的电力传送网络中，可以使用所谓的“去耦合电力流动方法”来描述有功功率、无功功率、电压角度和电压大小的关系。所述方法的原理基于两个主要的数学和物理关系：

·总线处的电压角度δ的较小的变化仅或多或少地引起有功功率P传送到网格中。

·总线处的电压大小V的较小的变化仅或多或少地引起无功功率Q传送到网格中。

这些情况将导致关于Jacobi矩阵[J]的结果如下：

使得子矩阵J₂₁的要素为约零，并且，

使得子矩阵J₁₂的要素为约零。

可以概括如下：有功功率P直接与电压角度δ有关，而无功功率Q直接与电压大小V有关。结果，线性化式可被描述为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔP}}_2\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\Δ}{P}_n\\ \mathrm{\Δ}{Q}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔQ}}_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{\∂P}_2/\∂{\mathrm{\δ}}_2& ...& {\∂P}_2/{\∂\mathrm{\δ}}_n& & & \\ .& & .& & & \\ .& & .& & & \\ .& & .& & & \\ {\∂P}_n/\∂{\mathrm{\δ}}_2& ...& {\∂P}_n/\∂{\mathrm{\δ}}_n& & & \\ & & & \∂Q_2/\∂V_2& ...& \∂Q_2/\∂V_n\\ & & & .& & .\\ & & & .& & .\\ & & .& & .& \\ & & & \∂Q_n/\∂V_2& ...& \∂Q_n/\∂V_n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δ}}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\Δ\δ}}_n\\ \mathrm{\Δ}{V}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔV}}_n\end{array}\right]---\mathrm{Eq}.6$

该矩阵被称为“P-Q去耦合”。该矩阵式6可分成两个单独的式子如下：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔP}}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔP}}_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\∂P}_2/{\∂\mathrm{\δ}}_2& ...& {\∂P}_2/{\∂\mathrm{\δ}}_n\\ .& & .\\ .& & .\\ .& & .\\ {\∂P}_n/\∂{\mathrm{\δ}}_2& ...& {\∂P}_n/{\∂\mathrm{\δ}}_n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\δ}}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\Δ\δ}}_n\end{array}\right]---\mathrm{Eq}.7$

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔQ}}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔQ}}_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\∂Q}_2/{\∂V}_2& ...& {\∂Q}_2/{\∂V}_n\\ .& & .\\ .& & .\\ .& & .\\ {\∂Q}_n/\∂V_2& ...& {\∂Q}_n/{\∂V}_n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔV}}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔV}}_n\end{array}\right]---\mathrm{Eq}.8$

在动态系统行为中，电压角度δ与网格的频率有关。这意味着，电压角度δ的变化只能受频率变化影响。从控制的观点看，在具有电感行为的传送网络中，有功功率P因此与系统频率有关。无功功率Q与电压有关。这将导致常规的电力产生单元(网格形成情况D)的基本的常规的频率和电压下垂控制，其可写作：

(f_ref-f_i)＝K_f，i·(P_ref，i-P_i)       Eq.9

(K_ref，i-V_i)＝K_V，i·(Q_ref，i-Q_i)      Eq.10

关于动态系统描述，在式9和式10中，f_ref是给定的基准频率，例如，为50Hz或60Hz，f_i是产生单元i的结点中的实际的系统频率。K_f,i是产生单元i的频率下垂因子。P_ref,i是产生单元I应提供的基准有功功率。P_i是产生单元i的实际有功功率输出。V_ref,i是产生单元i应传输的基准电压。V_i是产生单元i的实际电压。K_V,_i是产生单元i的电压下垂因子。Q_ref,i是产生单元i应传输的基准无功功率。Q_i是产生单元i的实际无功功率输出。

图9表示在UCTE Grid Code(UCTE:"Operation Handbook-Introduction",a.m.and UCTE:"Operational Handbook-Policy1:Load-Frequency Control",a.m.)中使用的常规的频率和电压下垂控制关系。但是，如上所述，常规的下垂功能当应用于MV和LV网络时不能被有效地使用。原因是，关于网格阻抗的电气行为与网格的电阻本质有关。常规的下垂控制策略不能处理单元控制中的状态变量的维护。因此，新的下垂控制需要处理MV和LV网格中的特殊行为。以下的引入的方法对电力电子逆变器和同步产生器提供灵活和一般的下垂控制功能。描述的方法是对建立下垂控制功能考虑网格阻抗特性的自适应的控制策略。

当产生单元的结点中的复网格阻抗Z＝R+jX的实部R和虚部jX之间的关系改变时，这将导致频率f(电压角度δ)与有功功率P之间的关系以及电压大小V与无功功率Q之间的关系的变化。为了描述频率和电压上的有功功率和无功功率的关系，平面的旋转变换可被用于以数学的方式解释该关系。图10表示作为δ′V′坐标系和δV坐标系的两个不同的基准框架。δV坐标面在未旋转的δ′V′坐标系中逆时针旋转角度必须考虑未旋转δ′V′坐标系中的P′值和Q′值相对于旋转的δV坐标系中的P值和Q值的位置。P′和Q′可通过以下的一般形式被写为旋转角有功功率P和无功功率Q的函数：

在式13和式14中，在δV旋转坐标面中陈述有功功率P和无功功率Q，而在δ′V′未旋转坐标面中陈述有功功率P′和无功功率Q′。对于动态电力和负载共享，各单元的网格结点的阻抗之间的关系实现到下垂控制中。可基于旋转变换调整式9和式10中的常规的下垂控制，以得到与网格阻抗的变化有关的新的下垂控制。旋转坐标系关于产生单元i的未旋转坐标系的新频率和电压下垂控制(网格形成情况D)可一般重写为：

(f_ref-f_i)＝K_f，i·(P′_ref，i-P′_i)      Eq.13

(V_ref-V_i)＝K_V，i·(Q′_ref，i-Q′_i)     Eq.14

关于动态系统描述，在式11和式12中，f_ref是网格的基准频率，例如，为50Hz或60Hz，f_i是产生单元i的结点中的实际的系统频率。K_f,i是产生单元i的频率下垂因子。V_ref,i是产生单元i的基准电压。V_i是产生单元i的电压。K_V,i是产生单元i的电压下垂因子。P′_ref,i和Q′_ref,i分别是关于未旋转的坐标系从旋转面投影的产生单元i的基准有功功率和无功功率。P′_i和Q′_i分别是关于未旋转的坐标系从旋转面投影的产生单元i的有功功率和无功功率。

关于式13和式14，在未旋转坐标系中陈述的P′和Q′函数可关于旋转角有功功率P和无功功率Q导出如下。

为了关于P和Q导出P′，如图11所示的那样采用变量P1和P₂。旋转δV坐标系中的有功功率的一般式可表达如下：

P₁＝P-P₂          Eq.15

这里，如图11所示，这导致以下的关系：

式16乘以得到以下的关系：

式17除以这导致：

为了关于P和Q导出Q′，如图12所示的那样采用变量Q₁和Q₂。旋转δV坐标系中的无功功率的一般式可表达如下：

Q′＝Q₁+Q₂                 Eq.19

这里，如图12所示，且这导致：

因此，新的有功功率P′和无功功率Q′也可通过基于式18和式20的旋转变换矩阵修改如下：

当旋转角在称为电感本质轴的未旋转δ′V′坐标系内移动时，旋转δV坐标系被称为电阻本质轴。因此，可如图13那样示出与从电感本质轴到电阻本质轴的旋转角有关的阻抗Z的关系，这里，旋转角与电阻R和电抗X之间的关系也可被断定如下：

将式22和式23代入旋转矩阵(式21)中导致一般的关系：

$\left[\begin{array}{c}{P}^{\′}\\ Q^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{X}{\left|Z\right|}& -\frac{R}{\left|Z\right|}\\ \frac{R}{\left|Z\right|}& \frac{X}{\left|Z\right|}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}P\\ Q\end{array}\right]---\mathrm{Eq}.24$

矩阵式24描述了关于单个单元的网格结点的阻抗的有功功率和无功功率之间的关系。对于电感和电阻本质两者，考虑与产生单元的网格结点的栅极阻抗有关的电阻R和电抗X：导致有功功率与无功功率之间的一般关系：

$P^{\′}=\left(\frac{X}{\left|Z\right|}\right)P-\left(\frac{R}{\left|Z\right|}\right)Q---\mathrm{Eq}.25$

$Q^{\′}=\left(\frac{R}{\left|Z\right|}\right)P+\left(\frac{X}{\left|Z\right|}\right)Q---\mathrm{Eq}.26$

如式13和式14所示，各单元i的网格结点的阻抗Z_i之间的关系可实现到负载共享的下垂控制中。组合式13、式14、式25和式26，网格形成模式D中的产生单元i的新的频率下垂控制可通过数学式描述如下：

$\begin{array}{c}(f_{\mathrm{ref}}-f_i)=K_{f,i}\·(P_{\mathrm{ref},i}^{\′}-{p_i}^{\′})\\ =K_{f,i}\·((\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)P_{\mathrm{ref},i}-\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)Q_{\mathrm{ref},i})-(\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)P_i-\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)Q_i))\\ =K_{f,i}\·(\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)P_{\mathrm{ref},i}-\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)P_i-\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)Q_{\mathrm{ref},i}+\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)Q_i)\\ =K_{f,i}\·\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)(P_{\mathrm{ref},i}-P_i)-K_{f,i}\·\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)(Q_{\mathrm{ref},i}-Q_i)\end{array}---\mathrm{Eq}.27$

并且，网格形成模式D中的产生单元i的新的电压下垂控制可通过数学式描述如下：

$\begin{array}{c}(V_{\mathrm{ref},i}-V_i)=K_{V,i}\·(Q_{\mathrm{ref},i}^{\′}-{Q_i}^{\′})\\ =K_{V,i}\·((\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)P_{\mathrm{ref},i}+\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)Q_{\mathrm{ref},i})-(\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)P_i+\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)Q_i))\\ =K_{V,i}\·(\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)P_{\mathrm{ref},i}-\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)P_i+\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)Q_{\mathrm{ref},i}-\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)Q_i)\\ =K_{V,i}\·\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)(P_{\mathrm{ref},i}-P_i)+K_{V,i}\·\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)(Q_{\mathrm{ref},i}-Q_i)\end{array}---\mathrm{Eq}.28$

关于动态系统描述，在式27和式28中，f_ref是网格的基准频率，f_i是产生单元i的结点中的实际的系统频率。K_f,i是产生单元i的频率下垂因子。P_ref,i是产生单元i应提供的基准有功功率。P_i是产生单元i的有功功率输出。V_ref,i是产生单元i应提供的基准电压。V_i是产生单元i的实际电压。K_V,i是产生单元i的电压下垂因子。Q_ref,i是产生单元i应提供的基准无功功率。Q_i是产生单元i的实际无功功率输出。R_i是产生单元i的结点中的电阻。X_i是产生单元i的结点中的电抗。|Z_i|是产生单元i的结点中的阻抗的大小。

基于式27和式28的新下垂控制可构建为图14所示的网格形成模式D(电力电子逆变器和同步产生器)的新下垂控制的控制结构图，分别如图15和图16所示，该新下垂控制可实现到图6中的控制单元40中。

图14对电力产生单元1的控制分别通过使用关系即电阻R_i与阻抗大小|Z_i|之间的商和关系即电抗X_i与阻抗大小|Z_i|之间的商表示新频率下垂控制和新电压下垂控制的方法步骤。可以看出，例如，通过直接测量或者通过测量网格结点16处的电压和电流流动并从该电压和电流计算有功功率和无功功率，确定馈送到网格14中的电力产生单元1的实际有功功率P_i和无功功率Q_i。基准有功功率P_ref,i和基准无功功率Q_ref,i是给定/已知的。根据图6，这些基准值P_ref,i和Q_ref,i以及测量或计算的实际功率值P_i和Q_i是新控制单元40的输入值。

从这些值，计算从电力产生单元1传输的实际有功功率P_i与给定的基准有功功率P_ref,i之间的有功功率差ΔP_i以及从电力产生单元1传输的实际无功功率Q_i与给定的基准无功功率Q_ref,i之间的无功功率差ΔQ_i。然后，使用电阻R_i与阻抗大小|Z_i|的第一商R_i/|Z_i|和电抗X_i与阻抗大小|Z_i|的第二商X_i/|Z_i|，以计算四个积。可在需要各商值的阶段或者事先在前面的步骤中执行第一商和第二商的计算，使得所述值可在后面用于进行的步骤中。然后计算有功功率差ΔP_i、第二商X_i/|Z_i|和给定的频率下垂因子K_f,i的第一频率积Δf_i,P，无功功率差ΔQ_i、第一商R_i/|Z_i|和频率下垂因子K_f,i的第二频率积Δf_i,Q，有功功率差ΔP_i、第一商R_i/|Z_i|和给定的电压下垂因子K_V,i的第一电压积ΔV_i,_P，以及无功功率差ΔQ_i、第二商X_i/|Z_i|和电压下垂因子K_V,i的第二电压积ΔV_i,Q。四个积Δf_i,P、Δ_fi,Q、ΔV_i,P和ΔV_i,P被提供给控制电力产生单元1的频率f_i和输出电压V_i的控制单元30。

然后，计算第一频率积Δf_i,P与负的第二频率积Δf_i,Q的和，以得到频率校正项Δf_i,P-Δf_i,Q，该频率校正项Δf_i,P-Δf_i,Q随后被添加到频率f_i的反馈控制的误差f_ref-f_i。可在图6和图14所示的新的控制单元40或控制单元30内完成这一点。并且，计算第一电压积ΔV_i,P与第二电压积ΔV_i,Q的和，以得到电压校正项ΔV_i,P+ΔV_i,Q，该电压校正项ΔV_i,P+ΔV_i,Q被添加到电压V_i的反馈控制的误差V_ref,i-V_i。也可在图6和图14所示的新的控制单元40或控制单元30内完成这一点。从图6可以看出，给定的电压基准值V_ref和频率f_ref被提供给控制单元30以执行频率和电压反馈控制。并且，测量电压V_G和电流I_G被输入到控制单元30，该控制单元30从这些参数中的一个导出电力产生单元1的实际频率f_i。重新返回图14，从负的实际频率f_i、基准频率f_ref和频率校正项Δf_i,p-Δf_i,Q计算所述和形成作为频率的反馈控制的基础的新的频率误差Δf_i′。并且，从负的实际电压大小V_i、基准电压V_ref,i和电压校正项ΔV_i,p+ΔV_i,Q计算所述和形成作为电压的反馈控制的基础的新的电压误差ΔV_i′。

图14中的新的下垂控制可实现到图6中的控制单元40中，并因此实现到分别如图15和图16所示的产生单元i(电力电子逆变器和同步产生器)的网格形成模式D的一般控制策略内。

图16表示根据本发明的在网格形成模式中通过逆变器10下垂控制动作的电力产生单元1的一般控制。产生单元1的网格结点的阻抗之间的关系实现到新的下垂控制单元40中。当产生单元1的网格结点16的阻抗Z _i 改变时，这将导致产生单元1的频率f_i、有功功率P_i、电压的大小V_i和无功功率Q_i之间的关系的变化。例如，在电感本质(传送网络)的情况下，电抗X_i的值远大于电阻R_i(X_i>>R_i)。因此，无功功率Q_i与系统频率之间的关系以及有功功率P_i与实际电压V_i之间的关系可以被忽略。另一方面，在电阻本质(分布网络)的情况下，电抗X_i的值远小于电阻R_i(X_i<<R_i)。因此，有功功率P_i与系统频率f_i之间的关系以及有功功率Q_i与实际电压V_i之间的关系可以被忽略。总之，可以使用该新的下垂控制策略，并将其实现到电感本质的电力系统和电阻本质的电力系统两者中。这是由于对电力的动态控制和共享考虑产生单元1的网格结点16的阻抗Z _i 。

类似地，可实现到用于同步产生器33的控制单元36、40(参见图16)的根据本发明的新的下垂控制以与前面解释的电力电子逆变器10相同的方式去动作。图16表示ECS12即通过同步产生器33在网格形成模式D中动作的电力产生单元1的一般控制，在该同步产生器33的控制下实现新的下垂控制。产生单元1的网格结点16的阻抗之间的关系实现到新的下垂控制单元36中。其输出值部分地提供给控制同步产生器33的激励场绕组的第一常规控制单元30，并部分地提供给控制ECS12的值的第二常规控制单元31，该ECS12例如为直接与同步产生器33的转子机械连接的涡轮35。

在网格支持模式E的情况下，从控制的观点看，在具有电感行为的传送网络中，有功功率P与系统频率f有关。无功功率Q与电压V有关。这导致可被写为以下形式的常规电力系统(网格支持情况E)的基本常规有功功率和无功功率下垂控制：

$(P_{\mathrm{ref},i}-P_i)=\frac{1}{K_{f,i}}\&CenterDot;(f_{\mathrm{ref}}-f_i)---\mathrm{Eq}.29$

$(Q_{\mathrm{ref},i}-Q_i)=\frac{1}{K_{V,i}}\&CenterDot;(V_{\mathrm{ref},i}-V_i)---\mathrm{Eq}.30$

关于动态系统描述，在式29和式30中，f_ref是基准频率，f_i是产生单元i的结点中的实际的系统频率。K_f,i是产生单元i的频率下垂因子。P_ref,i是产生单元i的基准有功功率。P_i是产生单元i的有功功率输出。V_ref,i是产生单元i的基准电压。V_i是产生单元i的电压。K_V,i是产生单元i的电压下垂因子。Q_ref,i是产生单元i的基准无功功率。Q_i是产生单元i的无功功率输出。图16所示的旋转频率ω_ref等于2πf_ref。只有该基准值ω_ref被提供给控制单元31，并且，只有基准电压V_ref作为基准值被提供给控制单元30。

图17表示常规的有功功率和无功功率下垂控制关系。但是，如提到的那样，常规的下垂功能当被应用于MV和LV网络中时不能被有效地使用。对网格支持模式中的电力电子逆变器和同步产生器，还需要新的下垂控制。

当网格阻抗的实部和虚部之间的关系改变时，这导致频率f_i(电压角δ)与有功功率P_i之间的关系以及电压大小V_i和无功功率Q_i之间的关系的变化。为了描述有功功率P_i、无功功率Q_i与频率f_i和电压V_i的关系，可以使用平面的旋转变换以通过数学的方式解释，参见图18，该数学方式表示两个不同的基准框架，即，P′Q′坐标系和PQ坐标系。PQ坐标面在未旋转的P′Q′坐标系中逆时针旋转角度必须考虑未旋转P′Q′坐标系中的δ′值和V′值相对于旋转的PQ坐标系中的δ值和V值的位置。δ′和V′可通过以下的一般形式被写为旋转角电压角δ和电压V的函数：

在式31和式32中，在PQ旋转坐标面中陈述电压角δ和电压V，而在P′Q′未旋转坐标面中陈述新的电压角δ′和新的电压V′。对于动态电力和负载共享，各单元的网格结点的阻抗之间的关系可实现到下垂控制中。可基于旋转变换调整式29和式30中的网格支持模式E中的常规的下垂控制，以得到与网格阻抗的变化有关的新的下垂控制。旋转坐标系关于产生单元i的未旋转坐标系的新的有功功率和无功功率下垂控制(网格支持情况)可一般重写为：

$(P_{\mathrm{ref},i}-P_i)=\frac{1}{K_{f,i}}\&CenterDot;({f^{\&prime;}}_{\mathrm{ref}}-{f^{\&prime;}}_{,i})---\mathrm{Eq}.33$

$(Q_{\mathrm{ref},i}-Q_i)=\frac{1}{K_{V,i}}\&CenterDot;({V^{\&prime;}}_{\mathrm{ref}}-{V^{\&prime;}}_{,i})---\mathrm{Eq}.34$

关于动态系统描述，在式33和式34中，P_ref,i是产生单元i的基准有功功率，P_i是产生单元i的网格结点中的有功功率输出。K_f,i是产生单元i的频率下垂因子。Q_ref,i是产生单元i的基准无功功率。Q_i是产生单元i的无功功率输出。K_V,i是产生单元i的电压下垂因子。f′_ref和V′_ref,i分别是关于未旋转的坐标系从旋转面投影的产生单元i的基准频率和电压。f′_i和V′_i分别是关于未旋转坐标系从旋转面投影的产生单元i的频率和电压。

关于式33和式34，代表δ′的f′和V′在未旋转的坐标系中被陈述，可关于旋转角电压角δ和电压V被导出如下。

为了关于δ和V导出δ′，如图19所示的那样采用变量δ₁和δ₂。旋转PQ坐标系中的电压角的一般式可表达为：

δ₁＝δ-δ₂      Eq.35

这里，如图19所示，这导致：

式36乘以得到：

式37除以这导致：

为了关于δ和V导出V′，如图20所示的那样采用变量V₁和V₂。旋转PQ坐标系中的无功功率的一般式可表达如下：

V′＝V₁+V₂       Eq.39

这里，如图20所示，且这导致：

因此，新的电压角δ′和电压V′也可通过基于式38和式40的旋转变换矩阵修改如下：

将式22和式23代入旋转矩阵(式41)中导致一般的关系：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&delta;}}^{\&prime;}\\ V^{\&prime;}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{X}{\left|Z\right|}& -\frac{R}{\left|Z\right|}\\ \frac{R}{\left|Z\right|}& \frac{X}{\left|Z\right|}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&delta;}\\ V\end{array}\right]---\mathrm{Eq}.42$

该矩阵式42描述了关于单个电力单元的网格结点的阻抗Z的电压角δ和电压V之间的关系。对于电感和电阻本质，考虑与产生单元的网格结点的栅极阻抗Z有关的电阻R和电抗X：导致电压角δ和电压V之间的一般关系：

${\mathrm{\&delta;}}^{\&prime;}=\left(\frac{X}{\left|Z\right|}\right)\mathrm{\&delta;}-\left(\frac{R}{\left|Z\right|}\right)V---\mathrm{Eq}.43$

$V^{\&prime;}=\left(\frac{R}{\left|Z\right|}\right)\mathrm{\&delta;}+\left(\frac{X}{\left|Z\right|}\right)V---\mathrm{Eq}.44$

如式33和式34所示，各单元i的网格结点的阻抗Z_i之间的关系可实现到负载共享的下垂控制中。如式42所示，在运行系统行为中，电压角δ与网格的频率f有关。这意味着，电压角δ的变化可只受频率f变化影响。因此，组合式33、式34、式43和式44，网格支持模式中的产生单元i的新的有功功率下垂控制可通过数学式描述为：

$\begin{array}{c}(P_{\mathrm{ref},i}-P_i)=\frac{1}{K_{f,i}}\&CenterDot;({f_{\mathrm{ref}}}^{\&prime;}-{f_i}^{\&prime;})\\ ={\frac{1}{K_{f,i}}}_{}\&CenterDot;((\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)f_{\mathrm{ref}}-\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)V_{\mathrm{ref},i})-(\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)f_i-\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)V_i))\\ =\frac{1}{K_{f,i}}\&CenterDot;(\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)f_{\mathrm{ref}}-\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)f_i-\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)V_{\mathrm{ref},i}+\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)V_i)\\ ={\frac{1}{K_{f,i}}}_{}\&CenterDot;\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)(f_{\mathrm{ref}}-f_i)-\frac{1}{K_{f,i}}\&CenterDot;\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)(V_{\mathrm{ref},i}-V_i)\end{array}$

                                   式(Eq.)45

并且，网格支持模式中的产生单元i的新的无功功率下垂控制可通过数学式被描述为：

$\begin{array}{c}(Q_{\mathrm{ref},i}-Q_i)=\frac{1}{K_{V,i}}\&CenterDot;({V^{\&prime;}}_{\mathrm{ref},i}-{V^{\&prime;}}_i)\\ ={\frac{1}{K_{V,i}}}_{}\&CenterDot;((\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)f_{\mathrm{ref}}+\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)V_{\mathrm{ref},i})-(\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)f_i+\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)V_i))\\ =\frac{1}{K_{V,i}}\&CenterDot;(\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)f_{\mathrm{ref}}-\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)f_i+\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)V_{\mathrm{ref},i}-\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)V_i)\\ ={\frac{1}{K_{V,i}}}_{}\&CenterDot;\left(\frac{R_i}{\left|Z_i\right|}\right)(f_{\mathrm{ref}}-f_i)+\frac{1}{K_{V,i}}\&CenterDot;\left(\frac{X_i}{\left|Z_i\right|}\right)(V_{\mathrm{ref},i}-V_i)\end{array}---\mathrm{Eq}.46$

关于动态系统描述，在式45和式46中，f_ref是基准频率，例如，为50Hz或60Hz，f_i是产生单元i的结点中的实际的系统频率。K_f,i是产生单元i的频率下垂因子。P_ref,i是产生单元i应提供的基准有功功率。P_i是产生单元i的实际有功功率输出。V_ref,i是产生单元i应提供的基准电压。Vi是产生单元i的电压。K_V,i是产生单元i的电压下垂因子。Q_ref,i是产生单元i应提供的基准无功功率。Q_i是产生单元i的无功功率输出。R_i是产生单元i的结点中的电阻。X_i是产生单元i的结点中的电抗。|Z_i|是产生单元i的结点中的阻抗的大小。基于式45和式46的新下垂控制可构建为图21所示的网格支持模式的新下垂控制的控制结构图。分别如图22和图23所示，图21中的该新下垂控制可实现到可实现到图6中的控制单元36中的产生单元i(电力电气逆变器和同步产生器)的网格支持模式E的一般控制策略中。

图21对电力产生单元1的控制分别通过使用电阻R_i与阻抗大小|Z_i|之间的关系/商、以及电抗X_i与阻抗大小|Z_i|的关系/商来表示新有功功率下垂控制和新无功功率下垂控制的方法步骤。可以看出，例如，通过电压的情况下的直接测量，以及/或者，只要考虑频率，通过测量网格结点16处的电压或电流流动并从该电压或电流计算频率，确定单元1的实际系统频率f_i及其实际电压V_i。给出基准频率f_ref和基准电压V_ref,i。根据图6，这些基准值f_ref和V_ref,i以及测量或计算的实际频率和电压值f_i和V_i是新控制单元36的输入值。

从这些值，计算电力产生单元1的实际频率f_i与给定基准频率f_ref之间的频率差Δf_i以及电力产生单元1的输出端子处的实际电压V_i与给定基准电压V_ref,i之间的电压差ΔV_i。然后，使用电阻R_i与阻抗大小|Z_i|的第一商R_i/|Z_i|以及电抗X_i与阻抗大小|Z_i|的第二商X_i/|Z_i|，以计算四个积。可在需要各商值的阶段或者事先在前面的步骤中执行第一商和第二商的计算，使得值可在后面用于进行的步骤中。然后计算频率差Δf_i、第二商X_i/|Z_i|和等于逆转的给定频率下垂因子K_f,i的给定有功功率下垂因子1/K_f,i的第一有功功率积ΔP_i,f。并且，计算电压差ΔV_i、第一商R_i/|Z_i|和有功功率下垂因子(1/K_f,i)的第二有功功率积ΔP_i,V，频率差Δf_i、第一商R_i/|Z_i|和等于逆转的给定电压下垂因子K_f,i的给定无功功率下垂因子1/K_V,i的第一无功功率积ΔQ_i,f。最后，计算电压差ΔV_i、第二商X_i/|Z_i|和无功功率下垂因子1/K_V,i的第二无功功率积ΔQ_i,V。四个积ΔP_i,f、ΔP_i,V、ΔQ_i,f和ΔQ_i,V被提供给控制电力产生单元1的有功功率P_i和无功功率Q_i输出的控制单元30。

然后，计算第一有功功率积ΔP_i,f与负的第二有功功率积ΔP_i,V的和以得到有功功率校正项ΔP_i,f-ΔP_i,V，该有功功率校正项ΔP_i,f-ΔP_i,V被添加到有功功率P_i的反馈控制的误差P_ref,i-P_i。可在图21和图22所示的新的控制单元40或控制单元30内完成这一点。并且，计算第一无功功率积ΔQ_i,f与第二无功功率积ΔQ_i,V的和以得到无功功率校正项ΔQ_i,f+ΔQ_i,V，该无功功率校正项ΔQ_i,f+ΔQ_i,V被添加到无功功率Q_i的反馈控制的误差Q_ref,i-Q_i。也可在图21和图22所示的新的控制单元40或控制单元30内完成这一点。如图6所示，有功功率P_ref,i和无功功率Q_ref,i的给定的基准值被提供给该控制单元30以执行频率和电压反馈控制。并且，测量的实际电压V_G和电流I_G被输入到控制单元30，该控制单元30从这些参数计算电力产生单元1的实际有功功率P_i和无功功率Q_i。

重新返回图21，从负的实际有功功率Pi、基准有功功率P_ref,i和有功功率校正项ΔP_i,f-ΔP_i,V计算和(sum)形成作为有功功率P_i的反馈控制的基础的新的有功功率误差ΔP_i′。并且，从负的实际无功功率Q_i、基准无功功率Q_ref,i和无功功率校正项ΔQ_i,f+ΔQ_i,V计算和(sum)形成作为无功功率的反馈控制的基础的新的无功功率误差ΔQ_i′。

图22表示在网格支持模式E中通过在新的下垂控制单元36中实现的新的下垂控制操作逆变器10的系统的一般控制。对新的下垂控制考虑产生单元1的网格结点16的阻抗Z _i 之间的关系。这里，直接测量有功功率P_i和无功功率Q_i。它们的值是控制单元30的输入值。当产生单元1的网格结点16的阻抗Z _i 改变时，这将导致产生单元1的频率f_i、有功功率P_i、电压的大小V_i和无功功率Q_i之间的关系的变化。例如，在电感本质(传送网络)的情况下，电抗X_i的值远大于电阻R_i(X_i>>R_i)。因此，无功功率Q_i与系统频率f_i之间的关系以及有功功率P_i与实际电压V_i之间的关系可以被忽略。另一方面，在电阻本质(分布网络)的情况下，电抗X_i的值远小于电阻R_i(X_i<<R_i)。因此，有功功率P_i与系统频率f_i之间的关系以及有功功率Q_i与实际电压V_i之间的关系可以被忽略。

总之，可以使用该新的下垂控制策略，并将其实现到电力系统的电感和电阻本质中。这是由于对电力的动态控制和共享/平衡考虑产生单元1的网格结点16的阻抗Z _i 。

类似地，实现到同步产生器33中的新的下垂控制以与图22中的电力电子逆变器10相同的方式动作。图23表示在网格支持模式E中通过包含由涡轮35驱动的同步产生器33的ECS12动作的电力产生单元1的一般控制，电力产生单元1由控制同步产生器33的激励场绕组的第一控制单元30、对控制驱动同步产生器33的转子的涡轮轴的旋转频率ω_i的至少一个阀进行控制的第二控制单元31、以及包含向第一和第二控制单元30、31传输校正值的新的自适应网格阻抗下垂控制(AGIDC)40的第三控制单元36控制。产生单元6的网格结点16的阻抗Z _i 之间的关系被实现到新的下垂控制单元36、40中。

第一控制单元30控制同步产生器33的无功功率输出。测量的实际无功功率Q_i是输入值以及第三积ΔQ_i,f和第四积ΔQ_i,V。第二控制单元31控制同步产生器33的有功功率输出。测量的实际有功功率P_i是输入值以及第一积ΔP_i,f和第二积ΔP_i,V。

在ECS从动馈送模式A(网格并行模式C)中的逆变器的情况下，从控制的观点看，在具有电感行为的传送网络中，有功功率P与系统频率有关。无功功率Q与电压有关。与网格支持情况E类似，这将导致常规的电力系统的基本的常规的有功功率和无功功率下垂控制。因此，提出的开发的一般AGIDC当与用于网格支持模式E中的栅极阻抗测量组合时也可被应用于网格并行模式C中。ECS从动馈送模式A(网格并行模式C)中的逆变器10需要来自网格侧的无功功率共享控制和来自ECS侧的有功功率控制。由于提出的开发的AGIDC是一般的且可调整的，因此图21中的新的下垂控制可实现到图24所示的产生单元1(电力电子逆变器)的网格并行模式C的一般控制策略中。对于网格并行情况C的同步产生器的新的下垂控制，有功功率控制也与ECS12侧有关。

并且，对于将来的电力系统的进一步的要求，提出的AGIDC可对于所有馈送的模式通过附加的选择功能37、39被扩展。这种附加的选择功能可以是非线性的功能、死区功能或饱和功能，比如可限制或过滤、特别是忽视或以不同的方式加权复杂坐标面中的某个区域的滞后或带隙功能。图25表示具有用于有功功率控制的附加选择功能37和用于产生单元1(电力电子逆变器或同步产生器)的无功功率控制的附加选择功能39的网格形成模式D中的新的下垂控制图。图26表示具有用于频率控制的附加选择功能41和用于产生单元1(电力电子逆变器或同步产生器)的电压控制的附加选择功能43的网格支持模式E和网格并行模式C的新的下垂控制图。

总之，提出的新型控制(与栅极阻抗测量组合的一般的AGIDC)是可对任何电压电平EHV、HV、MV或LV中的电力产生单元使用和实现的共享和电力平衡控制。根据本发明提出的新型控制方法考虑各产生单元1的网格结点16的单个阻抗Z _i 。这意味着，对于各单个电力产生单元之间的自适应电力共享和平衡，考虑通过未知的线、负载变化和扰动导致的测量网格点16处的电流I_i和电压V_i的变化。提出的用于分散电源系统1的一般“AGIDC”提供以兼容共存的方式将分散和集中电源系统放在一起的机会。

Claims (16)

1.一种用于在反馈控制中主动控制分散电力产生单元(1)的至少一个输出参数(f_i,V_i,P_i,Q_i)的方法，该分散电力产生单元(1)将电力馈送到具有多个这种分散电力产生单元的电源网格(14)中，该电力产生单元(1)在网格结点(16)处与网格(14)耦合，其特征在于，所述结点(16)处的电力产生单元(1)的实际电阻(R_i)、电抗(X_i)和阻抗(Z _i )的大小(|Z_i|)被确定，并且，所述电阻(R_i)与所述阻抗大小(|Z_i|)之间的第一商(R_i/|Z_i|)以及所述电抗(X_i)与所述阻抗大小(|Z_i|)之间的第二商(X_i/|Z_i|)被计算并被用于至少一个输出参数(f_i,V_i,P_i,Q_i)的反馈控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，受控的输出参数是电力产生单元(1)的频率(f_i)，并且该方法包括以下的步骤：

－确定在网格结点(16)处馈送到网格(14)中的电力产生单元(1)的实际有功功率(P_i)和无功功率(Q_i)；

－计算从电力产生单元(1)传输的实际有功功率(P_i)与给定的基准有功功率(P_ref,i)之间的有功功率差(ΔP_i)；

－计算从电力产生单元(1)传输的实际有功功率(Q_i)与给定的基准有功功率(Q_ref,i)之间的无功功率差(ΔQ_i)；

－使用第二商(X_i/|Z_i|)以计算有功功率差(ΔP_i)、第二商(X_i/|Z_i|)和给定的频率下垂因子(K_f,i)的第一频率积(Δ_fi,P)；

－使用第一商(R_i/|Z_i|)以计算无功功率差(ΔQ_i)、第一商(R_i/|Z_i|)和所述频率下垂因子(K_f,i)的第二频率积(Δf_i,Q)；和

－计算第一频率积(Δf_i,P)与负的第二频率积(Δf_i,Q)的和，以得到频率校正项(Δf_i,P-Δf_i,Q)，该频率校正项(Δf_i,P-Δf_i,Q)被添加到频率(f_i)的反馈控制的误差(f_ref-f_i)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，受控的输出参数是电力产生单元(1)的电压(V_i)，并且，该方法包括以下的步骤：

－确定在网格结点(16)处馈送到网格(14)中的电力产生单元(1)的实际有功功率(P_i)和无功功率(Q_i)；

－计算从电力产生单元(1)传输的实际有功功率(P_i)与给定的基准有功功率(P_ref,i)之间的有功功率差(ΔP_i)；

－计算从电力产生单元(1)传输的实际有功功率(Q_i)与给定的基准有功功率(Q_ref,i)之间的无功功率差(ΔQ_i)；

－使用第一商(R_i/|Z_i|)以计算有功功率差(ΔP_i)、第一商(R_i/|Z_i|)和给定的电压下垂因子(K_V,i)的第一电压积(ΔV_i,P)；

－使用第二商(X_i/|Z_i|)以计算无功功率差(ΔQ_i)、第二商(X_i/|Z_i|)和所述电压下垂因子(K_V,i)的第二电压积(ΔV_i,Q)；和

－计算第一电压积(ΔV_i,P)与第二电压积(ΔV_i,Q)的和，以得到电压校正项(ΔV_i,P+ΔV_i,Q)，该电压校正项(ΔV_i,P+ΔV_i,Q)被添加到电压(V_i)的反馈控制的误差(V_ref,i-V_i)。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，受控的输出参数是电力产生单元(1)的有功功率(P_i)，并且，该方法包括以下的步骤：

－确定网格结点(16)处的电力产生单元(1)的实际频率(f_i)和电压(V_i)；

－计算电力产生单元(1)的实际频率(f_i)与给定基准频率(f_ref)之间的频率差(Δf_i)；

－计算电力产生单元(1)的实际电压(V_i)与给定基准电压(V_ref,i)之间的电压差(ΔV_i)；

－使用第二商(X_i/|Z_i|)以计算频率差(Δf_i)、第二商(X_i/|Z_i|)和给定的有功功率下垂因子(1/K_f,i)的第一有功功率积(ΔP_i,f)；

－使用第一商(R_i/|Z_i|)以计算电压差(ΔV_i)、第一商(R_i/|Z_i|)和所述有功功率下垂因子(1/K_f,i)的第二有功功率积(ΔP_i,V)；和

－计算第一有功功率积(ΔP_i,f)与负的第二有功功率积(ΔP_i,V)的和，以得到有功功率校正项(ΔP_i,f+ΔP_i,V)，该有功功率校正项(ΔP_i,f+ΔP_i,V)被添加到有功功率(P_i)的反馈控制的误差(P_ref,i-P_i)。

5.根据以上的权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，受控的输出参数是电力产生单元(1)的无功功率(Q_i)，并且，该方法包括以下的步骤：

－确定网格结点(16)处的电力产生单元(1)的实际频率(f_i)和电压(V_i)；

－计算电力产生单元(1)的实际频率(f_i)与给定基准频率(f_ref)之间的频率差(Δf_i)；

－计算电力产生单元(1)的实际电压(V_i)与给定基准电压(V_ref,i)之间的电压差(ΔV_i)；

－使用第一商(R_i/|Z_i|)以计算频率差(Δf_i)、第一商(R_i/|Z_i|)和给定的无功功率下垂因子(1/K_V,i)的第一无功功率积(ΔQ_i,f)；

－使用第二商(X_i/|Z_i|)以计算电压差(ΔV_i)、第二商(X_i/|Z_i|)和无功功率下垂因子(1/K_V,i)的第二无功功率积(ΔQ_i,V)；和

－计算第一无功功率积(ΔQ_i,f)与第二无功功率积(ΔQ_i,V)的和，以得到无功功率校正项(ΔQ_i,f+ΔQ_i,V)，该无功功率校正项(ΔQ_i,f+ΔQ_i,V)被添加到无功功率(Q_i)的反馈控制的误差(Q_ref,i-Q_i)。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，有功功率下垂因子(1/K_f,i)等于频率下垂因子(1/K_f,i)的倒数值。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，无功功率下垂因子(1/K_V,i)等于电压下垂因子(1/K_V,i)的倒数值。

8.根据以上的权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，对于参数(f_i,V_i或P_i,Q_i)的相应反馈控制通过使用第一商(R_i/|Z_i|)和第二商(X_i/|Z_i|)来控制网格(14)的各分散电力产生单元(1)的有功功率(P_i)和无功功率(Q_i)、或者频率(f_i)和电压(V_i)。

9.根据权利要求2、3或8所述的方法，其特征在于，有功功率差(ΔP_i)在它被用于计算积(Δf_i,P,ΔV_i,P)之前通过选择函数(37)被过滤。

10.根据权利要求2、3、8或9所述的方法，其特征在于，无功功率差(ΔQ_i)在被它用于计算积(Δf_i,Q,ΔV_i,Q)之前通过选择函数(39)被过滤。

11.根据权利要求4、5或8所述的方法，其特征在于，频率差(Δf_i)在它被用于计算积(ΔP_i,f,ΔQ_i,f)之前通过选择函数(41)被过滤。

12.根据权利要求4、5或8所述的方法，其特征在于，电压差(ΔV_i)在它被用于计算积(ΔP_i,V,ΔQ_i,V)之前通过选择函数(43)被过滤。

13.根据权利要求1～12中的任一项所述的方法的用途，其特征在于，所述方法对于任何电压电平、特别是超高电压(EHV)、高电压(HV)、中电压(MV)或低电压(LV)在电力产生单元(1)中被实现。

14.根据前面的权利要求1～12中的任一项所述的方法的用途，其特征在于，所述方法被实现到具有电感或电阻本质的功率系统中。

15.根据前面的权利要求1～12中的任一项所述的方法的用途，其特征在于，所述方法被实现到同步马达(12)或逆变器(10)的控制中。

16.根据前面的权利要求1～12中的任一项所述的方法的用途，其特征在于，所述方法被实现到一相或三相逆变器(10)的控制中。