CN105515006A - 一种基于改进型下垂控制的微电网多主从混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于改进型下垂控制的微电网多主从混合控制方法，采用主从控制法控制微电网中的多个分布式电源DG，所述的DG分别与交流母线连接，其特征在于，所述的主从控制法对主控DG采用改进型droop控制，将频率差f-f_n与电压差U-U₀作为反馈信号分别加入到f和U，其中f、f_n、U、U₀分别为主控DG输出频率、电网频率额定值、主控DG输出电压、主控DG输出无功功率为0时的输出电压幅值。与现有技术相比，本发明主控DG采用改进型droop控制，将频率差f-f_n与电压差U-U₀作为反馈信号，在反馈信号上增加PI环节，并对下垂系数进行放大修正，放大反馈环节的补偿作用，实现系统中负荷变动的快速功率补偿，提高系统的适应性和稳定性；无需改变控制策略，系统运行流畅。

Description

一种基于改进型下垂控制的微电网多主从混合控制方法

技术领域

本发明涉及一种微电网控制方法，尤其是涉及一种基于改进型下垂控制的微电网多主从混合控制方法。

背景技术

近年来，随着经济快递发展，一次性能源消耗随之增加，环境问题日益凸显，利用先进的电力电子技术将风力发电、光伏发电、储能电池等整合在一起的微电网应运而生。微电网能够在一定程度上克服分布式电源出力随机性和间歇性的缺陷，更加合理有效的利用分布式发电，提高了能源利用率，解决了偏远地区的供电难题。但是在微电网中包含了多个分布式电源(DistributedGeneration，即DG或微电源)，而各个DG之间需要进行合理的协调控制，不同微电源需要采用不同的控制器。微电网中多个微电源协调控制是解决微电网持续稳定运行、减小微电网对配电网的冲击、提高运行经济性和提高能源利用率的重要保障。

微电网层面的控制策略主要分为对等控制、主从控制和分层控制。其中：主从控制策略要求微电网内部存在主控单元与从控单元，这种控制策略在微电网运行模式由并网向孤岛模式过渡过程中，存在控制策略的切换过程；对等控制策略则认为微电网内部电源地位平等，可以实现“即插即用”，在并网向孤岛模式过渡过程中微电网不需要改变控制方法，但是控制方式单一，一些波动性微电源不能经济运行；分层控制策略能够实时与所有的微电源及负荷通信，并不断修正当前的运行点参考值，但是其完全依赖于上层的控制通信单元。微电源的控制策略可以分为恒功率(PQ)控制、恒压恒频(V/F)控制和下垂(droop)控制。下垂控制无需联络就可以实现多微电源的功率非配，得到广泛应用。但是传统的droop控制受到线路等的影响难以实现功率的快速分配，较大的负荷会引起系统频率偏移，需要对droop进行改进。

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频率稳定、抗冲击性能好的基于改进型下垂控制的微电网多主从混合控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于改进型下垂控制的微电网多主从混合控制方法，采用主从控制法控制微电网中的多个分布式电源DG，所述的DG分别与交流母线连接，其特征在于，所述的主从控制法对主控DG采用改进型droop控制，将频率差f-f_n与电压差U-U₀作为反馈信号分别加入到f和U，其中f、f_n、U、U₀分别为主控DG输出频率、电网频率额定值、主控DG输出电压、主控DG输出无功功率为0时的输出电压幅值。

所述的反馈信号带有PI控制环节，并对下垂系数进行修正，反馈信号f-f_n、U-U₀与主控DG输出频率f、主控DG输出电压U的关系为：

$f=f_n+m(P_n-P)+m^{*}\frac{K_{p}s+K_i}{s}(f-f_n)$

$U=U_0-\[nQ+n^{*}\frac{K_{p}s+K_i}{s}(U-U_0)\]$

其中，P_n为DG在额定频率下的输出有功功率，U₀为DG输出无功功率为0(即Q_n＝0)时的电压幅值，P、Q分别为DG输出有功功率、无功功率的实测值，m、n分别为有功、无功的下垂系数，m^*、n^*分别为修正后的有功、无功的下垂系数，并满足m^*＞m、n^*＞n，K_p、K_i分别为PI控制的比例系数、积分系数，s为拉普拉斯算子。

所述的有功的下垂系数m和无功的下垂系数n计算方法为：

$m=\frac{f_n-f_{min}}{P_{max}-P_n}$

$n=\frac{U_0-U_{min}}{Q_{max}}$

式中，P_max为DG在频率下降时允许输出的最大有功功率，f_min为DG输出有功功率最大时相应的最小频率，Q_max为DG在电压幅值下降时允许输出的最大无功功率，U_min为DG输出无功功率最大时相应的最小电压幅值。

所述的主从控制法的从控DG采用恒功率控制。

所述的主控DG设有至少两个。

本发明提出了对传统droop控制进行改进的方法，并且综合考虑传统的主从控制与对等控制的特点，将本发明所提的改进型droop控制应用到多主从混合协调控制当中，通过合理设置droop控制的下垂系数，可以实现外界功率变化在各个分布式电源之间的合理分配，从而满足负荷变化的需要，维持孤岛运行模式下对于电压和频率的支持作用。仿真结果验证了本发明所提控制方法应用于多主从混合协调控制系统上的有效性和可行性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)主控DG采用改进型droop控制，将频率差f-f_n与电压差U-U₀作为反馈信号，实现补偿，使频率和电压稳定。

(2)在反馈信号上增加PI环节，并对下垂系数进行放大修正，放大反馈环节的补偿作用，提高系统的适应性和稳定性。

(3)从控DG采用恒功率控制，有助于间歇性微电源实现最经济运行，同时还具有对等控制的“即插即用”特点，只要保证至少有一个微电源运行在下垂状态下，其余的微电源都可以进行微电源的“即插即用”。

(4)功率分配由多个主控DG一起完成，更加可靠简单，单个主控DG的故障不会影响系统的运行稳定性；在并网向孤岛模式过渡过程中微电网无需改变控制策略，系统运行更加流畅。

附图说明

图1为本发明改进型droop控制原理框图；

图2为多主从控制微电网系统结构示意图；

图3(a)～图3(g)为采用本发明控制方法控制微电网的仿真曲线图，其中图3(a)为DG1的输出电压波形图，图3(b)为DG1的输出电流波形图，图3(c)为DG1的有功功率和无功功率波形图，图3(d)为母线电压波形图，图3(e)为母线电流波形图，图3(f)为母线的有功功率和无功功率波形图，图3(g)为母线处的频率变化曲线图；

图4为传统droop控制和本发明改进型droop控制分别应用在混合控制系统时的系统频率。

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。

实施例

对于线路阻抗主要呈感性的逆变器，微电网中的分布式电源输出具有P-f、Q-U都呈线性关系(即P-f和Q-U特性)，通过这种关系实现并联分布式电源输出功率的合理分配。由此可得传统的droop控制关系式为：

f＝f_n+m(P_n-P)(1)

U＝U₀-nQ(2)

式中：f_n为电网频率的额定值；P_n为微电源在额定频率下的输出有功功率；U₀为微电源输出无功功率为0(即Q_n＝0)时的电压幅值；P、Q分别为逆变电源输出有功、无功功率的实测值；m、n为有功、无功的下垂系数，其计算公式为：

$m=\frac{f_n-f_{min}}{P_{\max }-P_n}---\left(3\right)$

$n=\frac{U_0-U_{min}}{Q_{max}}---\left(4\right)$

式中：P_max为微电源在频率下降时允许输出的最大有功功率；f_min为微电源输出有功功率最大时相应的最小频率；Q_max为微电源在电压幅值下降时允许输出的最大无功功率；U_min为微电源输出无功功率最大时相应的最小电压幅值。同时需要说明的是由于电能质量的要求，在设置m、n的时候，需要保证电压与频率变化在一定范围内。

传统的droop控制中下垂特性是一条位置恒定的曲线，它们对于环境的适应性较差，不能满足微电网控制的需求，需要进一步改进。常见的改进型droop控制在下垂系数不变的情况下引入反馈，由于下垂系数的数值很小，引入的反馈在经过下垂系数后对于系统的性能改善很少，系统优化效果并不明显。

本发明提出的改进型droop控制可解决此问题。本发明提出的改进型droop控制原理框图如图1所示。图1中，通过引入反馈环节实现逆变器输出频率和电压幅值的补偿，从而提高系统的适应性和稳定性。本发明所提改进型droop控制的表示式为：

$f=f_n+m(P_n-P)+m^{*}\frac{K_{p}s+K_i}{s}(f-f_n)---\left(5\right)$

$U=U_0-\[nQ+n^{*}\frac{K_{p}s+K_i}{s}(U-U_0)\]---\left(6\right)$

式中：m^*、n^*为修正后的下垂系数，是对下垂系数m、n的放大，一般为m、n的十倍到一万倍之间，取值范围与m、n一致，具体扩大多少主要根据系统要求的不同而不同，本发明采用扩大一千倍的下垂修正可以得到理想仿真效果；K_p、K_i为PI控制的比例系数、积分系数；s为拉普拉斯算子。

通过调节PI控制的比例系数K_p、积分系数Ki来补偿微电源输出电压变动的影响，增强频率和电压的动态稳定性；m^*、n^*是对droop系数m、n的放大修正，主要是放大反馈环节的补偿作用，因为原来的反馈系数m、n太小反馈效果不明显，需要对反馈线上的下垂系数m、n进行放大处理。这种改进在下垂特性上具体表现为：对于前一时刻的下垂特性的平移，平移的多少、快慢主要由系统参数、PI控制参数和修正的下垂系数来决定。

本发明研究的多主从控制微电网系统结构示意图如图2所示。图中，假设微电源有DG1、DG2和DG3共3个分布式电源(即微电源)，它们通过各自的变换器连接到交流母线上，LC滤波器用于滤掉高次谐波，并将3个微电源和负荷通过线路、开关、变压器连接到配电网上。其中：DG1与DG2采用本发明提出的改进型下垂(droop)控制方式，且两者参数完全相等，以利于体现droop控制所拥有的冗余性特点，即单个droop控制单元的故障不会影响系统的运行稳定性，DG1与DG2在孤岛运行时候可以充当主控部分；DG3采用PQ控制，以保证DG3能够输出恒定功率，在孤岛运行时候可以充当从控部分。在并网与孤岛运行时候所有微电源的控制方式可以保持不变，省去了检测孤岛状态的环节，减少微电网的构建成本。敏感负荷1、2分别与2个改进型droop控制微电源直接连接，公共负荷接在微电网公共交流母线上，微电网通过总断路器QF、变压器、高压输电线路接入到配电网中。

与传统的主从控制相比，本发明混合协调控制的功率分配由多个主控单元的微电源一起完成，更加可靠简单。另外，在微电网孤岛/并网模式切换前后，本发明混合协调控制无需改变控制策略，系统运行更加流畅。与对等控制相比，本发明混合协调控制突破了对等控制采用单一droop控制模式的缺点，通过引入PQ控制有助于间歇性微电源实现最经济运行，同时还具有对等控制的“即插即用”特点。随着微电网技术的不断发展，微电网的规模不断加大，传统的主从控制仅用单个主控单元，这对单个的主控要求太高，而本发明提出的混合控制中多个droop组成的多主从混合控制更适应于多个微电源的情况，微电源越多适应性越好，并且与对等网络一样，只要保证至少有一个微电源运行在下垂状态下，其余的微电源都可以进行微电源的“即插即用”。

为了验证本发明的可行性与优点，在MATLAB/Simulink软件中建立了如图2所示的多分布式电源微电网的模型，并进行算例仿真。为了分析微电源采用不同控制的特性以及与微电网与主网之间的联系，本算例对微电网孤岛和并网运行进行仿真，仿真时间为4s，具体操作如下：t＝0～2s：断路器QF处于断开状态，微电网孤岛运行。期间t＝0～1s断路器QF1、QF2、QF3、QF4都处于闭合状态，待系统稳定后QF4在1s时将母线上的负荷4切除，在1.5s时又将其并入到微电网。t＝2s：断路器QF动作，微电网孤岛/并网模式切换。t＝2～4s：QF处于闭合状态，微电网并网运行。期间t＝2～2.5s断路器QF1、QF2、QF3、QF4都处于闭合状态，待系统稳定后QF4在2.5s、3s时分别动作一次，进行并网时公共负荷的投入与切除。

图3为采用本发明提出的混合控制时微电网7组仿真曲线。它们包含了DG1与母线处的电压波形、电流波形、有功无功波形和频率变化波形。

由这些曲线可见孤岛运行、并网运行以及并网/孤岛模式切换3个过程变化曲线。这3个过程中，混合控制微电网系统的稳定性与传统的主从控制微电网系统相关波形相比有了很明显改善。在整个一系列变化过程中，DG1与母线处的电压保持300V恒定不变、频率稳定在50Hz附近，DG1电流基本在50A附近、母线侧电流在70A左右，能够与传统的主从微电网中一样输出恒定的有功功率和无功功率。DG1在0～2s输出有功26kW、在2～4s输出有功变为22kW，说明了DG1、DG2输出的功率分别消耗在输电线路、各自所带的负荷以及公共负荷上，当公共负荷切除时其输出功率有所减少；而在2～4s并网运行时，由于主网(即配电网)的支持，其输出功率基本保持不变，维持在20kW左右，相对于孤岛运行时的功率有所减少，这符合实际运行情况。母线处的频率波形距离50Hz更加接近，上下波动不超过0.3％，对于传统的主从(频率波动2％)微电网有了明显的改善。因此，本发明混合控制微电网的各项指标都能够满足电网质量的要求，尤其在并网/孤岛模式切换过程中，对于传统的主从微电网存在明显冲击，本发明的混合控制微电网具有更为平滑的过渡过程。

图4为孤岛条件下两种droop控制方法用于本发明的多主从混合控制系统中输出的频率信号。由图可见，本发明提出的改进型droop控制的频率控制精度明显优于传统droop控制。其中：改进型droop控制中反馈支路上(参见图1)PI控制的动作时间为0.5s，0.5s后改进型droop控制系统的频率更接近频率的设定值(50Hz)，尤其在公共负荷切除的时间段内(1～1.5s)，频率更加接近于50Hz。因此，本发明提出的改进型droop控制的性能优于传统droop控制。

Claims (5)

1.一种基于改进型下垂控制的微电网多主从混合控制方法，采用主从控制法控制微电网中的多个DG，所述的DG分别与交流母线连接，其特征在于，所述的主从控制法对主控DG采用改进型droop控制，将频率差f-f_n与电压差U-U₀作为反馈信号分别加入到f和U，其中f、f_n、U、U₀分别为主控DG输出频率、电网频率额定值、主控DG输出电压、主控DG输出无功功率为0时的输出电压幅值。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进型下垂控制的微电网多主从混合控制方法，其特征在于，所述的反馈信号带有PI控制环节，并对下垂系数进行修正，反馈信号f-f_n、U-U₀与主控DG输出频率f、主控DG输出电压U的关系为：

$f=f_n+m(P_n-P)+m^{*}\frac{K_{p}s+K_i}{s}(f-f_n)$

$U=U_0-\[nQ+n^{*}\frac{K_{p}s+K_i}{s}(U-U_0)\]$

其中，P_n为DG在额定频率下的输出有功功率，U₀为DG输出无功功率为0(即Q_n＝0)时的电压幅值，P、Q分别为DG输出有功功率、无功功率的实测值，m、n分别为有功、无功的下垂系数，m^*、n^*分别为修正后的有功、无功的下垂系数，并满足m^*＞m、n^*＞n，K_p、K_i分别为PI控制的比例系数、积分系数，s为拉普拉斯算子。

3.根据权利要求2所述的一种基于改进型下垂控制的微电网多主从混合控制方法，其特征在于，所述的有功的下垂系数m和无功的下垂系数n计算方法为：

$m=\frac{f_n-f_{min}}{P_{max}-P_n}$

$n=\frac{U_0-U_{min}}{Q_{max}}$

式中，P_max为DG在频率下降时允许输出的最大有功功率，f_min为DG输出有功功率最大时相应的最小频率，Q_max为DG在电压幅值下降时允许输出的最大无功功率，U_min为DG输出无功功率最大时相应的最小电压幅值。

4.根据权利要求1所述的一种基于改进型下垂控制的微电网多主从混合控制方法，其特征在于，所述的主从控制法的从控DG采用恒功率控制。

5.根据权利要求1所述的一种基于改进型下垂控制的微电网多主从混合控制方法，其特征在于，所述的主控DG设有至少两个。