CN105281350A - 微电网频率控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种微电网频率控制方法和系统，其方法包括：获取逆变电源网侧LC滤波器的输出电压、输出电流、滤波电感电流的d轴和q轴分量；结合输出电压、输出电流的d轴和q轴分量获取LC滤波器的输出无功功率、输出有功功率、输出电压幅值；将输出无功功率、输出电压幅值作为虚拟励磁控制器的输入获得虚拟励磁电势；将虚拟同步发电机控制器的输出角频率输入频率控制器得到有功功率增量；将输出有功功率、虚拟励磁电势、有功功率增量以及滤波电感电流的d轴和q轴分量作为虚拟同步发电机控制器的输入量，获得逆变器输出电压的d轴和q轴参考指令值和输出角频率。本发明方案能够有效抑制负载扰动引起的微电网频率变化，有利于孤岛微电网的稳定运行。

Description

微电网频率控制方法和系统

技术领域

本发明涉及新能源电力变换领域，特别是涉及一种微电网频率控制方法和系统。

背景技术

随着能源的日渐枯竭和环境污染的日益严重，分布式能源迅速发展起来，传统集中式电力系统正面临向分布式发电转变的深刻变革。其中，微电网是实现对分布式电源智能管理的一种有效途径。

然而，微电网在孤岛运行模式下缺少主网对其的电压和频率支撑，需要依靠逆变电源自身的控制实现系统稳定运行。为此，国内外学者相继提出了一些控制方式，如V/F控制、下垂控制、反下垂控制等。但是随着逆变电源容量的增加，其低惯量的特点将影响系统的稳定运行，特别在孤岛微电网中，分布式新能源和负荷波动更为明显的情况下，低惯性将引起系统频率不稳定。

为此，许多学者提出了虚拟同步发电机的控制方式，但是这些方式在模型的选择、二次调频性能方面均存在一定的缺陷，使得控制的有效性偏低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微电网频率控制方法和系统，可以有效控制微电网频率的稳定。

本发明的目的通过如下方案实现：

一种微电网频率控制方法，包括如下步骤：

获取逆变电源网侧LC滤波器的输出电压的d轴分量和q轴分量，获取所述LC滤波器的输出电流的d轴分量和q轴分量，并获取所述LC滤波器的滤波电感电流的d轴分量和q轴分量；

结合所述输出电压的d轴分量和q轴分量、所述输出电流的d轴分量和q轴分量获取所述LC滤波器的输出无功功率、输出有功功率、输出电压幅值；

将所述输出无功功率、所述输出电压幅值作为虚拟励磁控制器的输入，获得用于维持微电网电压稳定的虚拟励磁电势；

将虚拟同步发电机控制器的输出角频率作为反馈信号输入频率控制器，得到用于维持微电网频率稳定的有功功率增量；

将所述输出有功功率、所述虚拟励磁电势、所述有功功率增量以及所述滤波电感电流的d轴分量和q轴分量作为虚拟同步发电机控制器的输入量，获得逆变器输出电压的d轴参考指令值、q轴参考指令值和输出角频率。

一种微电网频率控制系统，包括：

采集模块，用于获取逆变电源网侧LC滤波器的输出电压的d轴分量和q轴分量，获取所述LC滤波器的输出电流的d轴分量和q轴分量，并获取所述LC滤波器的滤波电感电流的d轴分量和q轴分量；

处理模块，用于结合所述输出电压的d轴分量和q轴分量、所述输出电流的d轴分量和q轴分量获取所述LC滤波器的输出无功功率、输出有功功率、输出电压幅值；

电势获取模块，用于将所述输出无功功率、所述输出电压幅值作为虚拟励磁控制器的输入，获得用于维持微电网电压稳定的虚拟励磁电势；

增量获取模块，用于将虚拟同步发电机控制器的输出角频率作为反馈信号输入频率控制器，得到用于维持微电网频率稳定的有功功率增量；

指令获取模块，用于将所述输出有功功率、所述虚拟励磁电势、所述有功功率增量以及所述滤波电感电流的d轴分量和q轴分量作为虚拟同步发电机控制器的输入量，获得逆变器输出电压的d轴参考指令值、q轴参考指令值和输出角频率。

根据上述本发明的方案，其是获取逆变电源网侧LC滤波器的输出电压的d轴分量和q轴分量，获取所述LC滤波器的输出电流的d轴分量和q轴分量，并获取所述LC滤波器的滤波电感电流的d轴分量和q轴分量，结合所述输出电压的d轴分量和q轴分量、所述输出电流的d轴分量和q轴分量获取所述LC滤波器的输出无功功率、输出有功功率、输出电压幅值，将所述输出无功功率、所述输出电压幅值作为虚拟励磁控制器的输入，获得用于维持微电网电压稳定的虚拟励磁电势，将虚拟同步发电机控制器的输出角频率作为反馈信号输入频率控制器，得到用于维持微电网频率稳定的有功功率增量，将所述输出有功功率、所述虚拟励磁电势、所述有功功率增量以及所述滤波电感电流的d轴分量和q轴分量作为虚拟同步发电机控制器的输入量，获得逆变器输出电压的d轴参考指令值、q轴参考指令值和输出角频率；可见上述各虚拟同步发电机控制器的输入信号经过虚拟同步发电机控制器最终形成调制波的d轴电压分量(d轴参考指令值)、q轴电压分量(q轴参考指令值)；调制波的d轴电压分量和q轴电压分量经dq/abc变换后，形成调制波的三相电压量，与载波比较后，形成控制全控型开关器件通断的脉冲触发信号，当系统因为扰动引起输出角频率变化时，频率控制器会产生抑制输出角频率变化的有功功率增量，从而改变逆变电源的输出有功功率，使频率恢复额定值。采用上述方案，够有效抑制负载扰动引起的微电网频率变化，有利于孤岛微电网的稳定运行。

附图说明

图1为本发明的微电网频率控制方法实施例的流程示意图；

图2为本发明的微电网频率控制的原理示意图；

图3为频率控制器原理示意图；

图4为虚拟同步发电机控制器原理示意图；

图5为主电路拓扑结构示意图，其中，5-a为二极管钳位式多电平结构示意图，5-b为三相两电平结构示意图，5-c为MMC结构示意图，5-d为多重化结构示意图，5-e为H桥级联结构示意图；

图6为本发明的微电网频率控制系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

在下述说明中，首先针对本发明的微电网频率控制方法的实施例进行说明，再对本发明的微电网频率控制系统的各实施例进行说明。

参见图1所示，为本发明的微电网频率控制方法实施例的流程示意图。如图1所示，该实施例的微电网频率控制方法包括：

步骤S101：获取逆变电源网侧LC滤波器的输出电压的d轴分量和q轴分量，获取所述LC滤波器的输出电流的d轴分量和q轴分量；

具体地，可以分别采集逆变电源网侧LC滤波器的输出电压、输出电流，由于一般采集到的输出电压、输出电流是abc坐标系下的，需要对所采集的输出电压、输出电流进行dq变换，分别输出电压的d轴分量和q轴分量，并获得输出电流的d轴分量和q轴分量；

这里，所述dq变换是一种解耦控制方式，它是将异步电动机的三相绕组变换为等价的二相绕组，并且把旋转坐标系变换成正交的静止坐标系，即将相应物理量由abc坐标系转换到dq坐标系，即可得到用直流量表示电压及电流的关系式；

其中，根据如下的公式(1)可以将相应物理量由abc坐标系转换到dq坐标系；

式中，f_a、f_b、f_c为abc坐标系下的对应的a相、b相和c相的物理量(如电流、电压)；f_d、f_q为dq坐标系下的d轴分量和q轴分量，θ为虚拟转子旋转角度；

步骤S102：获取所述LC滤波器的滤波电感电流的d轴分量和q轴分量；

具体地，可以采集所述LC滤波器的滤波电感电流，对所采集的滤波电感电流进行dq变换，获得所述滤波电感电流的d轴分量和q轴分量；

步骤S103：结合所述输出电压的d轴分量和q轴分量、所述输出电流的d轴分量和q轴分量获取所述LC滤波器的输出无功功率、输出有功功率、输出电压幅值；

具体地，可以根据如下的公式(2)计算p，p经低通滤波器作用后得到输出有功功率P_e，根据如下的公式(3)计算q，q经低通滤波器作用后得到输出无功功率Q，根据如下的公式(4)计算v，v经低通滤波器作用后得到输出电压幅值V_-；

p＝v_di_od+v_qi_oq(2)

q＝v_qi_od-v_di_oq(3)

$v=\sqrt{{v_d}^2+{v_q}^2}---\left(4\right)$

步骤S104：将所述输出无功功率、所述输出电压幅值作为虚拟励磁控制器的输入，获得用于维持微电网电压稳定的虚拟励磁电势；

具体地，可以通过如下的公式(5)获取所述虚拟励磁电势；

$E_f=\[Q_{ref}-Q+D_q(V_{ref}-V)\](k_{vp}+\frac{k_{vi}}{s})---\left(5\right)$

其中：Q_ref，V_ref分别为输出无功功率和输出电压的参考值；k_vp，k_vi分别为PI(ProportionIntegrationDifferentiation，比例积分微分)控制器的比例系数和积分系数；D_q为无功-电压下垂系数，E_f为所述虚拟励磁电势，s为拉普拉斯算子；

步骤S105：将虚拟同步发电机控制器的输出角频率作为反馈信号输入频率控制器，得到用于维持微电网频率稳定的有功功率增量；

步骤S106：将所述输出有功功率、所述虚拟励磁电势、所述有功功率增量以及所述滤波电感电流的d轴分量和q轴分量作为虚拟同步发电机控制器的输入量，获得逆变器输出电压的d轴参考指令值、q轴参考指令值和输出角频率；

其中，d轴参考指令值、q轴参考指令值经dq/abc变换后，形成调制波的三相电压量，与载波比较后，形成控制全控型开关器件通断的脉冲触发信号；

具体地，可以通过如下的公式(6)可以将相应物理量由dq坐标系转换到abc坐标系(dq/abc变换)。

据此，根据上述实施例的方案，其是获取逆变电源网侧LC滤波器的输出电压的d轴分量和q轴分量，获取所述LC滤波器的输出电流的d轴分量和q轴分量，并获取所述LC滤波器的滤波电感电流的d轴分量和q轴分量，结合所述输出电压的d轴分量和q轴分量、所述输出电流的d轴分量和q轴分量获取所述LC滤波器的输出无功功率、输出有功功率、输出电压幅值，将所述输出无功功率、所述输出电压幅值作为虚拟励磁控制器的输入，获得用于维持微电网电压稳定的虚拟励磁电势，将虚拟同步发电机控制器的输出角频率作为反馈信号输入频率控制器，得到用于维持微电网频率稳定的有功功率增量，将所述输出有功功率、所述虚拟励磁电势、所述有功功率增量以及所述滤波电感电流的d轴分量和q轴分量作为虚拟同步发电机控制器的输入量，获得逆变器输出电压的d轴参考指令值、q轴参考指令值和输出角频率；可见上述各虚拟同步发电机控制器的输入信号经过虚拟同步发电机控制器最终形成调制波的d轴电压分量(d轴参考指令值)、q轴电压分量(q轴参考指令值)；调制波的d轴电压分量和q轴电压分量经dq/abc变换后，形成调制波的三相电压量，与载波比较后，形成控制全控型开关器件通断的脉冲触发信号，当系统因为扰动引起输出角频率变化时，频率控制器会产生抑制输出角频率变化的有功功率增量，从而改变逆变电源的输出有功功率，使频率恢复额定值。采用上述方案，够有效抑制负载扰动引起的微电网频率变化，有利于孤岛微电网的稳定运行。

为了便于理解本发明的方案，以下结合附图2对本发明的方案进行进一步阐述。图2为基于SPWM控制的全控型逆变电源用于微电网频率控制的示意图。

首先提取逆变电源LC滤波器的输出电压的d轴分量和q轴分量、输出电流的d轴分量和q轴分量，通过计算和低通滤波器得到LC滤波器的输出有功功率、输出无功功率和输出电压幅值，作为虚拟同步发电机控制器和虚拟励磁控制器的输入；提取逆变电源LC滤波器滤波电感电流d、q轴分量作为虚拟同步发电机控制器输入。

逆变电源LC滤波器输出无功功率Q和输出电压幅值V通过下垂系数形成下垂控制特性，经PI调节后生成虚拟励磁电势E_f作为虚拟同步发电机控制器的输入。将虚拟同步发电机控制器的输出角频率ω作为反馈信号输入频率控制器得到有功功率增量Δp_m，作为虚拟同步发电机控制器的输入。上述各虚拟同步发电机控制器的输入信号经过虚拟同步发电机控制器最终形成调制波的d轴电压分量e_dref、q轴电压分量e_qref；调制波的d轴电压分量e_dref、q轴电压分量e_qref经dq/abc变换后，形成调制波的三相电压量，与载波比较后，形成控制全控型开关器件通断的脉冲触发信号。当系统因为扰动引起输出角频率ω变化时，频率控制器会产生抑制输出角频率ω变化的有功功率增量Δp_m，从而改变逆变电源的输出有功功率，使频率恢复额定值。

图3是频率控制器原理示意图。频率控制器由基于下垂控制的一次调频和基于内模控制的二次调频组成。将虚拟转子角频率ω作为输入，与额定角频率ω_N比较，两者的差值分别经过基于下垂控制的一次调频和基于内模控制的二次调频生成维持系统频率稳定的有功功率增量。其中D_p为有功-频率下垂系数；H(s)为内模控制的反馈滤波器；

图4是虚拟同步发电机控制器的原理示意图，将LC滤波器的滤波电感电流的d轴分量i_d、q轴分量i_q，有功功率增量Δp_m、LC滤波器的有功输出功率P和Δp_m作为输入，利用同步发电机经典三阶模型得到逆变电源输出电压参考指令e_dref、e_qref。

同步发电机经典三阶模型可以表示为：

$2H\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=P_m-P_e-K_D\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}$

$\frac{d\mathrm{\δ}}{dt}=\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}$

$T_{d0}^{\′}\frac{{\mathrm{dE}}_q^{\′}}{dt}=E_f-E_q^{\′}-(X_d-X_d^{\′})i_d$

e_d＝X_qi_q-Ri_d

e_q＝E′_q-X_di_d-Ri_q

其中：H为惯性常数，K_D为阻尼系数，δ为功角，T′_d0为暂态时间常数，E′_q为q轴暂态电势，X_d、X_q为分别为d轴同步电抗、q轴同步电抗，X′_d为d轴暂态电抗，t表示时间。

此外，上述的逆变电源网一般采用主拓扑结构。所述主拓扑结构具体可以包括三相两电平结构、多重化结构、钳位式多电平结构、H桥级联结构或者MMC结构。其中，图5中是这几种主拓扑结构的示意图。

根据上述本发明的微电网频率控制方法，本发明还提供一种微电网频率控制系统，以下就本发明的微电网频率控制系统的实施例进行详细说明。图6中示出了本发明的微电网频率控制系统的实施例的结构示意图。为了便于说明，在图6中只示出了与本发明相关的部分。

如图6所示，一种微电网频率控制系统，其包括采集模块201、处理模块202、电势获取模块203、增量获取模块204、指令获取模块205，其中：

采集模块201，用于获取逆变电源网侧LC滤波器的输出电压的d轴分量和q轴分量，获取所述LC滤波器的输出电流的d轴分量和q轴分量，并获取所述LC滤波器的滤波电感电流的d轴分量和q轴分量；

处理模块202，用于结合所述输出电压的d轴分量和q轴分量、所述输出电流的d轴分量和q轴分量获取所述LC滤波器的输出无功功率、输出有功功率、输出电压幅值；

电势获取模块203，用于将所述输出无功功率、所述输出电压幅值作为虚拟励磁控制器的输入，获得用于维持微电网电压稳定的虚拟励磁电势；

增量获取模块204，用于将虚拟同步发电机控制器的输出角频率作为反馈信号输入频率控制器，得到用于维持微电网频率稳定的有功功率增量；

指令获取模块205，用于将所述输出有功功率、所述虚拟励磁电势、所述有功功率增量以及所述滤波电感电流的d轴分量和q轴分量作为虚拟同步发电机控制器的输入量，获得逆变器输出电压的d轴参考指令值、q轴参考指令值和输出角频率。

在其中一个实施例中，所述逆变电源网采用主拓扑结构，所述主拓扑结构可以包括三相两电平结构、多重化结构、钳位式多电平结构、H桥级联结构或者MMC结构。

在其中一个实施例中，电势获取模块203可以通过 $E_f=\[Q_{ref}-Q+D_q(V_{ref}-V)\](k_{vp}+\frac{k_{vi}}{s})$ 获取所述虚拟励磁电势；

其中Q_ref，V_ref分别为输出无功功率和输出电压的参考值；k_vp，k_vi分别为PI控制器的比例系数和积分系数；D_q为无功-电压下垂系数，E_f为所述虚拟励磁电势，s为拉普拉斯算子。

在其中一个实施例中，所述虚拟同步发电机控制器采用同步发电机经典三阶模型。

在其中一个实施例中，所述频率控制器包括基于下垂控制的一次调频和基于内模控制的二次调频。

本发明的微电网频率控制系统与本发明的微电网频率控制方法一一对应，在上述微电网频率控制方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于微电网频率控制系统的实施例中，特此声明。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种微电网频率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取逆变电源网侧LC滤波器的输出电压的d轴分量和q轴分量，获取所述LC滤波器的输出电流的d轴分量和q轴分量，并获取所述LC滤波器的滤波电感电流的d轴分量和q轴分量；

结合所述输出电压的d轴分量和q轴分量、所述输出电流的d轴分量和q轴分量获取所述LC滤波器的输出无功功率、输出有功功率、输出电压幅值；

将所述输出无功功率、所述输出电压幅值作为虚拟励磁控制器的输入，获得用于维持微电网电压稳定的虚拟励磁电势；

将虚拟同步发电机控制器的输出角频率作为反馈信号输入频率控制器，得到用于维持微电网频率稳定的有功功率增量；

将所述输出有功功率、所述虚拟励磁电势、所述有功功率增量以及所述滤波电感电流的d轴分量和q轴分量作为虚拟同步发电机控制器的输入量，获得逆变器输出电压的d轴参考指令值、q轴参考指令值和输出角频率。

2.根据权利要求1所述的微电网频率控制方法，其特征在于，所述逆变电源网采用主拓扑结构。

3.根据权利要求2所述的微电网频率控制方法，其特征在于，所述主拓扑结构包括三相两电平结构、多重化结构、钳位式多电平结构、H桥级联结构或者MMC结构。

4.根据权利要求1所述的微电网频率控制方法，其特征在于：

通过 $E_f=\[Q_{ref}-Q+D_q(V_{ref}-V)\](k_{vp}+\frac{k_{vi}}{s})$ 获取所述虚拟励磁电势；

其中：Q_ref，V_ref分别为输出无功功率和输出电压的参考值；K_vp，K_vi分别为PI控制器的比例系数和积分系数；D_p为无功-电压下垂系数，E_f为所述虚拟励磁电势，s为拉普拉斯算子。

5.根据权利要求1所述的微电网频率控制方法，其特征在于：

所述虚拟同步发电机控制器采用同步发电机经典三阶模型；

或者/和

所述频率控制器包括基于下垂控制的一次调频和基于内模控制的二次调频。

6.一种微电网频率控制系统，其特征在于，包括：

采集模块，用于获取逆变电源网侧LC滤波器的输出电压的d轴分量和q轴分量，获取所述LC滤波器的输出电流的d轴分量和q轴分量，并获取所述LC滤波器的滤波电感电流的d轴分量和q轴分量；

处理模块，用于结合所述输出电压的d轴分量和q轴分量、所述输出电流的d轴分量和q轴分量获取所述LC滤波器的输出无功功率、输出有功功率、输出电压幅值；

电势获取模块，用于将所述输出无功功率、所述输出电压幅值作为虚拟励磁控制器的输入，获得用于维持微电网电压稳定的虚拟励磁电势；

增量获取模块，用于将虚拟同步发电机控制器的输出角频率作为反馈信号输入频率控制器，得到用于维持微电网频率稳定的有功功率增量；

指令获取模块，用于将所述输出有功功率、所述虚拟励磁电势、所述有功功率增量以及所述滤波电感电流的d轴分量和q轴分量作为虚拟同步发电机控制器的输入量，获得逆变器输出电压的d轴参考指令值、q轴参考指令值和输出角频率。

7.根据权利要求6所述的微电网频率控制系统，其特征在于，所述逆变电源网采用主拓扑结构。

8.根据权利要求7所述的微电网频率控制系统，其特征在于，所述主拓扑结构包括三相两电平结构、多重化结构、钳位式多电平结构、H桥级联结构或者MMC结构。

9.根据权利要求6所述的微电网频率控制系统，其特征在于：

所述电势获取模块通过 $E_f=\[Q_{ref}-Q+D_q(V_{ref}-V)\](k_{vp}+\frac{k_{vi}}{s})$ 获取所述虚拟励磁电势；

其中，Q_ref，V_ref分别为输出无功功率和输出电压的参考值；K_vp，K_vi分别为PI控制器的比例系数和积分系数；D_p为无功-电压下垂系数，E_f为所述虚拟励磁电势，s为拉普拉斯算子。

10.根据权利要求6所述的微电网频率控制系统，其特征在于：

所述虚拟同步发电机控制器采用同步发电机经典三阶模型；

或者/和

所述频率控制器包括基于下垂控制的一次调频和基于内模控制的二次调频。