CN104836234A

CN104836234A - 一种用于孤岛条件下微电网主从控制的实现方法

Info

Publication number: CN104836234A
Application number: CN201510259677.1A
Authority: CN
Inventors: 程启明; 褚思远; 杨小龙; 张强; 黄山; 张海清
Original assignee: Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Shanghai University of Electric Power; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2015-05-20
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2035-05-20
Also published as: CN104836234B

Abstract

本发明涉及一种用于孤岛条件下微电网主从控制的实现方法，实现微电网中多个并联的DG的主从运行，每个DG采用分段式新型下垂控制方法，包括改进型下垂控制与传统下垂控制，作为主控单元的DG处于改进型下垂控制状态时，作为从控单元的DG处于传统下垂控制状态；所述改进型下垂控制中，P-f控制采用自动调节P-f曲线的下垂系数的方法，实现对系统频率f的维持，Q-V控制采用平行改变下垂外特性的方法，实现对系统电压V的维持。与现有技术相比，本发明用于解决微电网在运行过程中负荷或模式转换引起的频率和电压大幅变化，从而提高微电网电能质量。

Description

一种用于孤岛条件下微电网主从控制的实现方法

技术领域

本发明涉及新能源发电协调控制领域，尤其是涉及一种用于孤岛条件下微电网主从控制的实现方法。

背景技术

随着对于分布式发电以及相应的分布式储能技术的深入研究，逐步形成了将分布式发电相关技术综合在一起而形成的特殊电网形式“微电网”，分布式电源的介入对于电网电能质量和可靠性产生不利的影响，为了更加合理、有效地利用分布式电源，一些学者对于“微电网”概念进行了大量的研究。微电网主要有两种运行模式，即并网运行模式、孤岛运行模式。这两种模式都需要对微网内部的分布式电源进行控制，微电网协调控制策略主要有主从控制、对等控制和分层控制3种。其中：主从控制策略是指微电网的控制系统中某一个控制器为主控制器，其余是从控制器的控制方式，主从控制策略主要用于孤网运行时的微电网。

从微电源的控制方法上来看，微电源控制分为恒功率控制(PQ control)、下垂控制(Droop control)、恒压恒频控制(Vf control)以及恒压恒功率控制(PVcontrol)。下垂控制相当于传统发电机的一次调频，即有差调节，通过解耦有功P、无功Q与电压V、频率f之间的下垂特性曲线，进行系统电压和频率的调节。控制的目标是保证在微电网孤网运行时，按照有功P-频率f对微电网孤网下的负荷进行均分。

传统的主从控制主要用于PQ控制和Vf控制，并没有考虑下垂控制。而对于对等网络中的下垂控制方法，无论是在与电网断开时还是孤岛运行所带负荷有巨大变化时，都会有很大的功率缺额，这将引起微电网整体的频率和电压的大幅度变化，从而不能满足电能质量的要求。另外，单个的主从网络对于主控微电源的依赖性过大，如果主控微电源的容量较小，系统的稳定性就不能保证。

《电力系统自动化学报》第2013年4月第7期刊出了论文“自适应调节下垂系数的微电网控制”，该文提出了一个改进下垂控制算法，该改进算法通过对下垂系数的调整来改善微电网电压或频率，此法可以减少微电网中逆变器的控制误差，提高微电网的控制精度。为了更好地实现电压方面的稳定，本发明提出了一种有别于上述改进下垂控制算法的新方法，并应用于微电网主从控制中。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于孤岛条件下微电网主从控制的实现方法，不仅可以克服单个传统控制的缺点，并且相对于其他的混合控制型逆变器在结构上得到很大的优化。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于孤岛条件下微电网主从控制的实现方法，用于对微电网中多个并联的DG(Distributed Generation，分布式电源)进行主从控制，每个DG采用分段式新型下垂控制方法，包括改进型下垂控制与传统下垂控制，作为主控单元的DG处于改进型下垂控制状态时，作为从控单元的DG处于传统下垂控制状态；

所述改进型下垂控制中，P-f控制采用自动调节P-f曲线的下垂系数的方法，实现对系统频率f的维持，Q-V控制采用平行改变下垂外特性的方法，实现对系统电压V的维持。

所述分段式新型下垂控制方法根据DG的外特性分切成3段，中间段为改进型下垂控制，首末段为传统下垂控制。

所述传统下垂控制满足以下公式：

\{\begin{matrix} f = f_{n} - m (P - P_{n}) \\ V = V_{n} - n (Q - Q_{n}) \end{matrix}

式中：f、V、P和Q分别表示DG频率、电压、有功功率和无功功率的测量值，f_n、V_n、P_n和Q_n分别表示DG频率、电压、有功功率和无功功率的额定值，m、n分别代表P-f、Q-V曲线的下垂系数。

所述自动调节P-f曲线的下垂系数的方法将P-f曲线的下垂系数m切换为具有自适应调节能力的P-f曲线的下垂系数m_i，满足以下公式：

\{\begin{matrix} m_{i} = - \frac{f - f_{n}}{P_{t - t_{0}} - P_{n}} \\ f = f_{n} - m_{i} (P - P_{n}) = f_{n} + \frac{f - f_{n}}{P_{t - t_{0}} - P} (P - P_{n}) \end{matrix}

式中：f和P分别表示DG频率和有功功率的测量值，f_n和P_n分别表示DG频率和有功功率的额定值，为DG在t-t₀时刻输出的有功功率，由P延迟t₀时间间隔得到，m_i为自适应下垂系数，根据检测到的有功功率变化进行自动调节。

所述平行改变下垂外特性的方法通过引入反馈的比例积分PI控制环节来实现保持Q-V曲线的下垂系数不变而改变下垂特性的位置，使得电压的快速校正，满足以下公式：

V - V_{n} = - n [(Q - Q_{n}) + \frac{k_{p} s + k_{i}}{s} (V - V_{n})]

式中：V和Q分别表示DG电压和无功功率的测量值，V_n和Q_n分别表示DG电压和无功功率的额定值，n代表Q-V曲线的下垂系数，k_p、k_i是对于DG输出的电压变动进行补偿，相当于PI控制的比例、积分系数，s为拉普拉斯算子。

所述改进型下垂控制与传统下垂控制之间平滑切换。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明基于传统下垂控制中的有功P、无功Q与电压V、频率f之间的解耦关系，对P-f和Q-V两对独立的关系采用不同的方法分别进行控制。采用本发明方法的特性曲线更加接近传统发电机的输出特性，使得主控电源切换运行方式时系统的频率变化与电压变化都比较平缓，减小了系统的频率抖动，用于解决微电网在运行过程中负荷或模式转换引起的频率和电压大幅变化，从而提高微电网电能质量。

2)与传统的下垂控制相比，分段式新型下垂控制方法(即改进型Droop-传统Droop方式)不同于普通的一次调频，在改进型Droop控制段可以维持频率保持不变，相当于是二次调频，属于无差调频，减少微网中逆变器的控制误差，提高微电网的控制精度。

3)另外，这种分段式混合型的控制方法对于自适应多主从控制方法也同样适用，即将这种混合下垂电源作为主控电源，应用于自适应多主从的微电网，能够实现主控电源切换时更加平稳，从而弥补了单主从微电网对于主控的依赖性，提高系统的稳定性。

4)通过应用本发明方法的逆变器不仅可以克服单个传统控制的缺点，并且相对于其他的混合控制型逆变器在结构上得到很大的优化。

附图说明

图1为下垂控制中P-f外特性；

图2为下垂控制中Q-V外特性；

图3为新型下垂控制器的系统控制结构图；

图4为改进型Droop与传统Droop混合控制逆变器中P-f外特性；

图5为馈线功流控制的微电网的实施例结构图；

图6为基于多个混合特征主控的自适应微电网原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种用于孤岛条件下微电网主从控制的实现方法，用于对微电网中多个并联的DG进行主从控制，每个DG采用分段式新型下垂控制方法，包括改进型下垂控制与传统下垂控制，分段式新型下垂控制方法根据DG的外特性分切成三段，中间段为改进型下垂控制，首末段为传统下垂控制，如图4所示。改进型下垂控制与传统下垂控制之间平滑切换。作为主控单元的DG处于改进型下垂控制状态时，作为从控单元的DG处于传统下垂控制状态。

根据微电源分布式的功率特性，在电压相位差相对较小且R＜＜X时候，传统下垂控制可以表示为：

\{\begin{matrix} f = f_{n} - m (P - P_{n}) \\ V = V_{n} - n (Q - Q_{n}) \end{matrix}

改进型下垂控制中，由于电气设备对于频率较为敏感，因此频率很小的变化就可能引起设备运行参数的变化，采用自动调节P-f曲线的下垂系数的方法就可以使得微电网在孤岛运行时候频率维持在额定值附近；而通常电气设备对于电压的变化敏感性较弱，如果采用上面的自动调节下垂系数方法，效果并不尽如人意，此时可采用保持下垂系数不变而改变下垂特性位置的方法，使微电网电压保持稳定。

从传统下垂控制的公式可以看出，P-f和Q-V之间有着很强的解耦关系，因此可以根据设备对于频率f与电压V不同的敏感性质，选择适当的方法，对他们进行控制。例如P-f采用自动调节P-f曲线的下垂系数方法，如图1所示，自动调节P-f曲线的下垂系数的方法为了将传统的下垂控制改造成无静差下垂控制，将P-f曲线的下垂系数m切换为具有自适应调节能力的P-f曲线的下垂系数m_i，满足以下公式：

\{\begin{matrix} m_{i} = - \frac{f - f_{n}}{P_{t - t_{0}} - P_{n}} \\ f = f_{n} - m_{i} (P - P_{n}) = f_{n} + \frac{f - f_{n}}{P_{t - t_{0}} - P} (P - P_{n}) \end{matrix}

式中：为DG在t-t₀时刻输出的有功功率，由P延迟t₀时间间隔得到，m_i为自适应下垂系数，根据检测到的有功功率变化进行自动调节。

如图2所示，相应的Q-V控制采用的是保持下垂系数不变而改变下垂特性的位置来实现电压的快速校正，通过引入反馈的比例积分PI控制环节来实现保持Q-V曲线的下垂系数不变而改变下垂特性的位置，使得电压的快速校正，满足以下公式：

V - V_{n} = - n [(Q - Q_{n}) + \frac{k_{p} s + k_{i}}{s} (V - V_{n})]

式中：k_p、k_i是对于DG输出的电压变动进行补偿，相当于PI控制的比例、积分系数，s为拉普拉斯算子。

传统的单个V/f电源的主从控制策略主要受到主控电源容量与特性的限定，本发明创新性地提出一种将下垂控制中P-f和Q-V两对独立的关系分别采用不同的方法进行控制的概念，并将改进后的下垂控制与传统的下垂控制相结合，形成一种新的分离式混合控制方法，实现微电网多主从的自适应调节。

为了更好地提高微电源的输出电能质量，在上面分离式混合控制的基础上提出一种将改进型Droop控制与传统Droop相结合的分段式混合控制方法，其外特性如图4所示。图中可以看到，在改进型Droop-传统Droop混合控制当中，改进型Droop控制的范围为P_n～P_m，而当DG的输出功率在这个范围之外时，则采用传统的Droop控制。采用这种分段式混合的控制特性，不仅能够增加微电源功率的调节范围，而且能够在传统Droop与改进型Droop实现平滑的切换。另外，改进型Droop与传统的Droop的结构相似，改进型Droop是在传统的Droop上面的改良，它们之间的切换十分方便，也正是因为两个控制的结构相似，使得这种混合式结构比现有的其它结构都要更加简单可靠。

据上述的分离式新型下垂控制原理，具有稳定微电网电压频率的下垂控制系统控制框图如图3所示。图中，LCL滤波器由L₁、L₂和C构成，LPF为低通滤波器，以得到P和Q，图中点线框为实现改进型Droop控制与传统Droop相结合的改进型下垂控制器。在改进型下垂控制器中，KT为延时单元，t₀为延时时间，S用于控制两个开关，当开关S闭合时采用改进型下垂控制，而当开关打开时采用传统的下垂控制；PI为比例积分控制环节；V、δ分别为产生空间矢量脉宽调制(SVPWM)逆变器开关信号所需三相输出相电压合成空间矢量的幅值、相位的期望值。这种结构还可以实现微电网混合式下垂控制，系统需要对微电源输出的功率进行实时监测，当检测到输出的功率超过了新型控制可控的范围时候，需要相应的断路器动作，实现控制方法的转换。

下面详细描述本发明的一个实施例，如图5所示。微电网当中包含有3个分布式电源DG1、DG2、DG3，它们额定的有功、无功功率大小为P_DG1>P_DG2>P_DG3、Q_DG1>Q_DG2>Q_DG3，它们的额定频率为f₁、f₂、f₃，QF1、QF2、QF3分别为3条支路上的断路器，由微电网集中控制系统(MicroGrid Central Control System，MGCCS)经过控制信号线(虚线)来控制其通断，它们也可以受自身单元控制，QF为公共连接点PCC上的断路器，它主要决定微电网是否与主电网连接，QF断开时，微电网孤岛运行。

将本实例中的3个分布式电源DG单元逆变器都设置成混合式(改进型Droop-传统Droop)控制形式时，不同于单个主从控制中只有1个分布式电源作为主控，本发明的基于多个混合式电源自适应主控控制方式中，微电网孤岛运行时候，整个过程可以看有多个主控电源，但在一段时间内只有1个混合式控制微电源做主控单元，其它2个都在传统的Droop控制模式下运行作为从控单元，如图6所示。假如系统初始运行时，DG2作为主控电源维持系统的频率为f₂，并运行在改进型Droop阶段，此时DG2、DG3分别运行在A、C点，运行在传统的Droop段。

当系统的负荷增加时，主控电源DG2输出的功率就要增大，只要它的输出功率在P_n～P_m范围之内，DG2就能够保持系统的频率不变，而DG2、DG3仍然运行在A、C点保持不变。当主控电源DG2输出的有功功率达到P_m仍然不能满足负荷需求时，需要平滑地将DG2的控制方法变为传统的Droop方式，3个分布式电源将都工作在传统的下垂控制阶段，如果仍不能满足负荷的需求，3个微电源都会增加有功输出，系统的频率就会下降，下降一段时间后功率达到平衡且系统频率比f₃要大，系统将会稳定在f₂～f₃某一个频率上。但是如果频率下降到f₃的时候还是不能满足符合的需要时，DG3将会平缓地切换到改进型Droop控制，作为主控将系统的频率维持在f₃。当负荷需求减少时，分析过程跟上面基本相同。

针对于上面描述的多主从自适应控制，需要指出3个DG在改进型Droop控制时的f₁、f₂、f₃之间偏差如果很小就能够保证系统频率的稳定性要求，并且增加主控的个数可避免对于单个主控的依赖性。

Claims

1.一种用于孤岛条件下微电网主从控制的实现方法，用于对微电网中多个并联的DG进行主从控制，其特征在于，每个DG采用分段式新型下垂控制方法，包括改进型下垂控制与传统下垂控制，作为主控单元的DG处于改进型下垂控制状态时，作为从控单元的DG处于传统下垂控制状态；

2.根据权利要求1所述的一种用于孤岛条件下微电网主从控制的实现方法，其特征在于，所述分段式新型下垂控制方法根据DG的外特性分切成3段，中间段为改进型下垂控制，首末段为传统下垂控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于孤岛条件下微电网主从控制的实现方法，其特征在于，所述传统下垂控制满足以下公式：

\{\begin{matrix} f = f_{n} - m (P - P_{n}) \\ V = V_{n} - n (Q - Q_{n}) \end{matrix}

4.根据权利要求1或2所述的一种用于孤岛条件下微电网主从控制的实现方法，其特征在于，所述自动调节P-f曲线的下垂系数的方法将P-f曲线的下垂系数m切换为具有自适应调节能力的P-f曲线的下垂系数m_i，满足以下公式：

\{\begin{matrix} m_{i} = - \frac{f - f_{n}}{P_{t - t_{0}} - P_{n}} \\ f = f_{n} - m_{i} (P - P_{n}) = f_{n} + \frac{f - f_{n}}{P_{t - t_{0}} - P} (P - P_{n}) \end{matrix}

5.根据权利要求1或2所述的一种用于孤岛条件下微电网主从控制的实现方法，其特征在于，所述平行改变下垂外特性的方法通过引入反馈的比例积分PI控制环节来实现保持Q-V曲线的下垂系数不变而改变下垂特性的位置，使得电压的快速校正，满足以下公式：

V - V_{n} = - n [(Q - Q_{n}) + \frac{k_{p} s + k_{i}}{s} (V - V_{n})]

6.根据权利要求1或2所述的一种用于孤岛条件下微电网主从控制的实现方法，其特征在于，所述改进型下垂控制与传统下垂控制之间平滑切换。