CN104810848A - 一种面向孤岛工作模式的光伏微网的驱动-响应同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向孤岛工作模式的光伏微网的驱动-响应同步方法，包括：根据欺负选举算法选出光伏微网内通信地址最大的光伏微电源作为协调者；协调者对光伏微网内所有光伏微电源以直流储能排序。直流储能最大的光伏微电源充当驱动系统，工作于电压源模式，其余光伏微电源作为响应系统，工作于电流源模式。驱动系统的直流-交流转换器输入端电压和输出端电压作为驱动变量作用于响应系统。本发明用于确定孤岛光伏微网的微电源工作模式和解决光伏微电源输出的交流电流的同步问题，实现光伏微电源输出电流的快速同步。本发明的适用范围比传统同步方法广，不仅在系统工作于周期态时可以同步，即使系统出现混沌时仍然能实现同步。

Description

一种面向孤岛工作模式的光伏微网的驱动-响应同步方法

技术领域

本发明涉及电力系统控制领域，具体涉及一种面向孤岛工作模式的光伏微网的驱动-响应同步方法。

背景技术

光伏微网是由多个光伏微电源组成的电力系统，这些光伏微电源共同为本地负荷提供电能或向公共电网供电。光伏微网有并网模式和孤岛模式(或称为自主模式)两个主要的工作模式，通常情况下微网工作在并网模式下，微网通过公共耦合点与公共电网并联，微网中的微电源向电网输出符合指标的交流电流，微网的交流电流要与电网同步，即同频同相。微网可计划或非计划地与电网解列而自主运行，即孤岛模式运行。孤岛模式是微网的重要工作模式，在一些情形下甚至是微网的主要运行模式。在孤岛模式下各个微电源协同为负载供电，各个微电源输出电流的同步是微电源协同的关键内容之一。

在目前基于孤岛模式的微网，采用基于下垂特性的控制方法占主导地位,但下垂控制方法有着内在不可解决的矛盾。在孤岛模式下，当负荷变化时微网的电压和频率会随之变化，这时微网控制器要兼顾负荷分配以维持功率平衡和电压、频率的调节。然而，越陡峭的下垂曲线越有利于负荷分配，同时却会引起更大的电压和频率偏移。

发明内容

由于光伏微电源的小惯性和负荷快速变化需要更快的同步控制方法以保证微网的可靠性，本发明基于欺负选举算法(Bully algorithm)给出了一种确定光伏微电源的工作模式的分布式控制方法，用于解决孤岛运行模式下各微电源工作模式的确定，然后根据混沌驱动-响应同步的思想给出解决微电源之间交流电流输出同步问题的方法，实现光伏微电源输出电流的快速同步。相比传统的同步方法，本发明适用的范围更广，不仅在系统工作于周期态时可以同步，当系统出现混沌时仍然能实现完全同步。

下面介绍本发明的技术方案。

在典型的光伏微电源的基础上加入了通信单元、以DDS为核心的内部交流参考电压源和控制回路的选通开关构造出了一种分布式微网控制器，取代了主从控制结构的集中式控制器，得出了如图2所示的可以运行于电压源模式和电流源模式光伏微电源。在图2中，光伏微电源通过选通开关适当选择反馈回路切换光伏微电源的工作模式。若选通开关接通内部参考电压源，则将光伏微电源设为电压源模式。此时，内部参考电压源与电源输出端的反馈接入控制器，从而得到逆变器的SPWM控制信号，电力母线上的电压就是电压源输出的电压；相反，选通开关断开内部参考电压源，而接通电流反馈回路，则将微电源切换到电流源模式。在本发明中，同一时刻只能有一个光伏微电源接通内部参考电压源，微网内其他微电源通过驱动-响应同步间接共享这一参考电压源。

将具有上述结构的光伏微电源通过逆变器接口和通信接口并联起来，构成光伏微网，每个微电源抽象成通信网络的一个节点。光伏微电源互联后，通过欺负选举的方法，选出通信地址最大的光伏微电源作为协调者，由协调者对光伏微网内所有微电源的直流储能进行排序，选出直流储能最大者并将其工作模式设为电压源模式，即作为驱动系统，其余光伏微电源的工作模式设为电流源模式，即作为响应系统，从而确立微电源间的驱动-响应关系。以驱动系统中的直流-交流转换器输入端电压和输出端电压作为驱动变量作用于响应系统。光伏微网内的光伏微电源同步运行后，当驱动系统依据退出机制退出时，协调者将直流储能最大的响应系统的工作模式切换为电压源模式，使其成为新的驱动系统，维持微网的运行。退出机制可以采用下述三种之一或者是多种组合：(1)当驱动系统的直流储能消耗至低于其标称容量的30％时。(2)协调者定时对光伏微网内所有微电源的直流储能进行排序，当驱动系统的直流储能达不到全网最大时。(3)依据发电计划需要关闭作为驱动系统的光伏微电源时。

附图说明

图1为孤岛模式的光伏微网结构示意图。

图2为光伏微电源原理图。

图3为本发明的总体流程图。

图4为本发明仿真效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

孤岛模式的光伏微网的基本结构框图如图1所示，系统由一个运行于电压源模式的光伏微电源和若干个运行于电流源模式的光伏微电源通过电力母线并联连接，同时通过通信接口互联成一个网络，其中电压源模式光伏微电源维持微网电压，电流源模式光伏微电源通过反馈回路与标准参考信号的误差来控制电流的输出，并使其输出电流与母线电压同步。为实现以上目标，按以下步骤实施，总体流程如图3所示。

(1)将具有如图2所示结构的光伏微电源通过u_ac端口并联，并通过通信接口互联成网络。同一条母线上的光伏微电源共同为并联在母线上的负载供电。

(2)微电源并联后，在向负载提供能量之前要先完成微电源之间的同步，同步的首要工作是确定光伏微电源的驱动-相应关系，即光伏微电源的工作模式。通过如图4所示的欺负选举的方法，选出通信地址最大的光伏微电源作为协调者。主机地址为N的微电源发起并主持选举，向所有地址比它大的微电源发送一个Election消息，如果无人响应，则它将成为由协调者；如有地址比它大的微电源响应，则有响应者接管选举工作,N的工作完成。最后，地址最大的微电源将成为协调者。协调者对光伏微网内所有微电源的直流储能进行排序，应选出直流储能最大者并将其工作模式设为电压源模式，即作为驱动系统。其余光伏微电源的工作模式设为电流源模式，即作为响应系统。直流储能最多的光伏微电源在同等情况维持电压、电流幅度和频率的能力最强，可最大程度保障在微网交流母线的波动最小，而且维持系统稳定的持续时间最长。

光伏微网内的光伏微电源同步运行后，协调者会定时对响应系统的直流储能进行排序，当驱动系统退出时，协调者将直流储能最大的响应系统的工作模式切换为电压源模式，维持微网的母线电压，并使其成为新的驱动系统。如其他节点发现协调者不能正常应答，将再次选举，选出新的协调者。

(3)确定了光伏微电源之间驱动-响应的关系后，通过驱动-响应的方法这些微电源将再快速实现输出电流同步。驱动-响应同步依赖于微电源逆变器的非线性动力学方程。方程确定了逆变器各个状态变量的关系，本例以驱动系统中电容C₀的电压u_C0和电容C的电压u_C作为驱动变量，以根据光伏微电源逆变器的原理构造的非线性动力学模型为响应系统。

首先根据电路中KCL、KVL及欧姆定律，并考虑理想运算放大器的特性可构造出光伏微电源的非线性动力学模型。其中，电流源模式光伏微电源电流控制的基本原理是,通过来自母线的反馈有参考基准的误差产生控制率从而控制电流源模式的光伏微电源与母线电压同步。即利用电阻R_S将馈入母线的电流采样后得到反馈电流反馈电流与参考电流i_ref相减得到误差信号，再经过A₄放大后输出控制电压u_con，u_con经三角波u_tri调制得到直流-交流变换器的PWM控制信号，经PWM控制逆变器输出与母线交流电压同步的交流电流。

由图2所示逆变器的结构，令X表示系统状态变量元组有：X＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇,x₈}，x₃＝u_i，x₄＝i_L，x₅＝u_C，x₆＝u_con，x₇＝u_ac，x₈＝u，u＝U_m coswt， μ为动力学方程的参数集，得光伏微电源的动力学方程为:

       $\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=-\frac{x_2}{L_1}+\frac{U_{\mathrm{PV}}}{L_1}{S}_1\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=\frac{x_1}{C_0}-\frac{x_2}{C_0(R_1+R_2)}-\frac{2S--1}{C_0}{x}_4\\ {\stackrel{\·}{x}}_3=\frac{R_2}{C_0(R_1+R_2)}{x}_1+\frac{R_2(R_3+R_4)}{C_3{R}_4{R}_3(R_1+R_2)}-\frac{R_2}{C_0(R_1+R_2)}{x}_2-\frac{R_2}{C_0(R_1+R_2)}(2S-1)x_4-\frac{x_3}{C_3{R}_3}\\ {\stackrel{\·}{x}}_4=-\frac{1}{L}{x}_5+\frac{2S-1}{L}{x}_2\\ {\stackrel{\·}{x}}_5=\frac{1}{C}{x}_4-\mathrm{\α}{x}_5+\mathrm{\β}{x}_7\\ {\stackrel{\·}{x}}_6=-\mathrm{\κ}\frac{1}{C}{x}_4+[\mathrm{\κ\α}-\mathrm{\τ}]x_5+[\mathrm{\τ}+\mathrm{\τ}\·\mathrm{\γ}-\mathrm{\κ\β}]x_7+(\mathrm{\κ}+\mathrm{\κ}\·\mathrm{\γ}+\mathrm{\γ}){\mathrm{\ωx}}_8\\ {\stackrel{\·}{x}}_7={\mathrm{\ωx}}_8\\ {\stackrel{\·}{x}}_8=-\mathrm{\ω}{x}_7\end{array}\right.$

记为：

       $\stackrel{\·}{X}=F(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5,x_6,x_7,x_8,\mathrm{\μ})---\left(1\right)$

方程中U_m是母线电压峰值，S_2,5＝S，S和S₁的开关条件为：

       $S=\left\{\begin{array}{c}1,(u_{\mathrm{con}}>u_{\mathrm{tri}})\\ 0,(u_{\mathrm{con}}<u_{\mathrm{tri}})\end{array}\right.,S_1=\left\{\begin{array}{c}1,(u_{\mathrm{ramp}}>u_i)\\ 0,(u_{\mathrm{ramp}}<u_i)\end{array}\right.$

本实例中光伏微电源的电路参数如下：

L₁＝11.6mH，C₀＝200.0μF，C₃＝20.0nF，R₁＝100.0Ω，R₂＝0.1Ω，R₃＝1.0×10⁴，R₄＝1.0×10³，L＝11.6mH，C＝47.0μF，R_S＝1.0Ω，R_d＝1.0×10⁴Ω，R_f＝1.0×10⁴Ω，R_ref＝0.5Ω，C_f＝1.0μF,母线电压频率w＝100π。

复制如式(1)所示的驱动系统，令复制系统状态变量的初始值不同驱动系统的状态变量的初始值，得到复制系统F(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇,x₈,m)，再令其中的x₂′＝x₂，x₅′＝x₅，即以状态变量x₂和x₅作为驱动变量，得到如式(2)所示的响应系统：

       $\stackrel{\&CenterDot;}{X}=F(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5,x_6,x_7,x_8,\mathrm{\&mu;})---\left(2\right)$

由驱动系统(1)式，响应系统(2)式，得响应系统的动力学方程如下：

       $\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_1^{\&prime;}=-\frac{x_2}{L_1}+\frac{U_{\mathrm{PV}}}{L_1}{S}_1\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_2=\frac{x_1^{\&prime;}}{C_0}-\frac{x_2}{C_0(R_1+R_2)}-\frac{2S--1}{C_0}{x}_4\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_3=\frac{R_2}{C_0(R_1+R_2)}{x}_1+\frac{R_2(R_3+R_4)}{C_3{R}_4{R}_3(R_1+R_2)}-\frac{R_2}{C_0(R_1+R_2)}{x}_2-\frac{R_2}{C_0(R_1+R_2)}(2S-1)x_4-\frac{x_3^{\&prime;}}{C_3{R}_3}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_4^{\&prime;}=-\frac{1}{L}{x}_5+\frac{2S-1}{L}{x}_2\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_5=\frac{1}{C}{x}_4-\mathrm{\&alpha;}{x}_5+\mathrm{\&beta;}{x}_7\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_6=-\mathrm{\&kappa;}\frac{1}{C}{x}_4+[\mathrm{\&kappa;\&alpha;}-\mathrm{\&tau;}]x_5+[\mathrm{\&tau;}+\mathrm{\&tau;}\&CenterDot;\mathrm{\&gamma;}-\mathrm{\&kappa;\&beta;}]x_7+(\mathrm{\&kappa;}+\mathrm{\&kappa;}\&CenterDot;\mathrm{\&gamma;}+\mathrm{\&gamma;}){\mathrm{\&omega;x}}_8\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_7={\mathrm{\&omega;x}}_8\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_8=-\mathrm{\&omega;}{x}_7\end{array}\right.$

经程序仿真，得到如图4所示的同步效果，效果显示，4个初始状态不同的光伏微电源快速实现了同步。

以上的同步方法，以欺负选举在光伏微电源中选出协调者，有协调者指定光伏微电源的工作模式，从而确立光伏微电源的驱动-响应关系。在集中控制策略下，当集中控制器发生故障时整个微网将不可避免地崩溃。相比之下，分布式策略以可以重新选举的协调者代替了集中控制策略中的唯一中心控制器，从而提高了微网的整体鲁棒性。本发明根据混沌同步的思想，给出面向光伏微网的驱动-响应同步的方法，取得了良好的效果，仿真结果表明驱动-响应同步方法很快实现了驱动系统与响应系统的同步。

Claims (5)

1.一种面向孤岛工作模式的光伏微网的驱动-响应同步方法，所述方法包括：

根据欺负选举算法选出光伏微网内通信地址最大的光伏微电源作为协调者；

由协调者对光伏微网内所有微电源的直流储能进行排序，选出直流储能最大的光伏微电源作为驱动系统，并指定其工作模式为电压源模式，其余微电源作为响应系统，工作模式为电流源模式，由此建立光伏微电源的驱动-响应关系；

以驱动系统中的直流-交流转换器输入端电压和输出端电压作为驱动变量作用于响应系统。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：光伏微网内的光伏微电源同步运行后，当驱动系统依据退出机制退出时，协调者将直流储能最大的响应系统的工作模式切换为电压源模式，使其成为新的驱动系统。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述退出机制包括：当驱动系统的直流储能消耗至低于其标称容量的30％时。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述退出机制包括：协调者定时对光伏微网内所有微电源的直流储能进行排序，当驱动系统的直流储能达不到全网最大时。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述退出机制包括：依据发电计划需要关闭作为驱动系统的光伏微电源时。