CN105656047A - 微电网电压摄动控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微电网电压摄动控制系统和方法，其中，该系统包括：储能单元、变换器单元、坐标变换和有功功率计算单元、功率控制器、电压控制器、自适应限幅器、电流控制器、PWM发生器；自适应限幅器，用于对功率控制器输出的有功电流参考值和电压控制器输出的无功电流参考值进行限幅，输出有功参考电流和无功参考电流；PWM发生器，用于对电压控制信号进行PWM调制产生PWM波形，输入至变换器单元中。本发明解决了现有技术中微电网中电压频繁波动和无功功率难以优化分配的技术问题，达到了有效抑制微电网的电压波动，保证电压稳定运行的技术效果。

Description

微电网电压摄动控制系统和方法

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，特别涉及一种微电网电压摄动控制系统和方法。

背景技术

近些年来，随着微电网的迅猛发展，以风力发电和太阳能发电形成的微电网逐步成了新能源供电的主流。由于风力发电和光伏发电具有随机性、波动性和间歇性的特点，使得风光发电形成的微电网中的电压经常出现频繁波动，造成电压摄动，从而严重影响了微电网的电压稳定性。为了解决上述问题，在微电网中接入了大规模储能装置，以用来平抑微电网内的电压和频率。通过大规模储能技术的引入，可以实时有效地改善间歇式电源运行特性，提升微电网的调控能力，从而提高微电网运行的稳定性和可靠性，同时也增加了微电网的并网能力。

目前，以电化学储能为代表的新型储能技术已经从小容量、小规模发展为大容量与规模化储能系统的研究和应用，通过对微电网中的风光储联合发电系统的研究，可以解决大规模新能源并网的难题，依托风光储示范电站的储能系统，还可以开展包括联合发电系统全景监控、运维技术等多项相关课题的研究。

然而，如何充分利用大规模储能装置参与微电网电压的摄动控制，优化调度微电网中的功率分配，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种微电网电压摄动控制系统，以解决现有技术中微电网中电压频繁波动和无功功率难以优化分配的技术问题。该系统包括：

储能单元、变换器单元、坐标变换和有功功率计算单元、功率控制器、电压控制器、自适应限幅器、电流控制器、PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)发生器；

其中，所述储能单元，用于为微电网供电；

所述变换器单元，与所述储能单元的输出端相连，用于调节所述储能单元的输出电流至满足所述微电网的无功电流需求；

所述坐标变换和有功功率计算单元，输入端与所述变换器单元的输出端相连，用于将所述变换器单元输出的ABC坐标系上的变量转换至旋转坐标系dq上的变量，其中，所述坐标变换和有功功率计算单元的输出端包括：有功电流反馈输出端、无功电流反馈输出端和有功功率输出端；

所述功率控制器，输入端与有功功率参考值相连，且与所述坐标变换和有功功率计算单元的有功功率输出端相连，输出端包括：有功电流参考值输出端；

所述电压控制器，输入端与微电网电压和微电网电压参考值相连，输出端包括：无功电流参考值输出端；

所述自适应限幅器，输入端与所述功率控制器的有功电流参考值输出端和所述电压控制器的无功电流参考值输出端相连，用于对所述功率控制器输出的有功电流参考值和所述电压控制器输出的无功电流参考值进行限幅，输出有功参考电流和无功参考电流；

所述电流控制器，输入端与所述自适应性限幅器的输出端相连，且与所述坐标变换和有功功率计算单元的有功电流反馈输出端和无功电流反馈输出端相连，用于对微电网的有功电流和无功电流进行调节，使有功电流和无功电流能够跟踪所述有功参考电流和无功参考电流，所述电流控制器的输出端输出的是电压控制信号；

所述PWM发生器，与所述电流控制器的输出端相连，用于对所述电压控制信号进行PWM调制产生PWM波形，输入至所述变换器单元中。

在一个实施例中，所述自适应限幅器包括：有功电流限幅电路、无功电流限幅电路、第一平方处理电路、第二平方处理电路、累加电路、开平方处理电路、求最小值电路，其中：

所述有功电流限幅电路的输入端与所述功率控制器的有功电流参考值输出端相连，所述有功电流限幅电路的输出端与所述求最小值电路的第一输入端相连；

所述无功电流限幅电路的输入端与所述电压控制器的无功电流参考值输出端相连，所述无功电流限幅电路的输出端为所述自适应限幅器的无功参考电流输出端；

所述第一平方处理电路的输入为所述变换器单元输出的参考电流限幅值，所述第一平方处理电路的输出端与所述第一累加电路的正值输入端相连；

所述第二平方处理电路的输入端与所述电压控制器的无功电流参考值输出端相连，所述第二平方处理电路的输出端与所述累加电路的负值输入端相连；

所述累加电路的输出端与所述开平方处理电路的输入端相连，所述开平方处理电路的输出端与所述求最小值电路的第二输出端相连；

所述求最小值电路的输出端为所述自适应限幅器的有功参考电流输出端。

在一个实施例中，所述变换器单元包括：三相变换器，用于将所述储能单元的能量变换为微电网电压摄动时所需补偿的能量；

滤波电抗，与所述三相变换器相连，用于滤除所述储能单元中的直流功率转换为微电网交流无功功率时产生的高次谐波。

在一个实施例中，所述三相变换器包括：用于在PWM控制下将直流电能变换为交流电能。

在一个实施例中，所述功率控制器中设置有第一PI调节器，所述第一PI调节器用于将所述三相变换器输出的有功功率所需补偿的功率设定值，输入到所述微电网中；

所述电压控制器中设置有第二PI调节器，所述第二PI调节器用于将所述三相变换器输出的无功功率所需补偿的电压摄动设定值，输入到所述微电网中。

在一个实施例中，所述PWM发生器还用于对主电路同一桥臂上的两路驱动信号进行互锁、电气隔离和功率放大。

在一个实施例中，所述功率控制器和所述电压控制器中设置有PI调节器，用于进行PI调节。

在一个实施例中，所述PWM发生器为SKYPER32型号的PWM发生器。

本发明实施例还提供了一种微电网电压摄动控制方法，以解决现有技术中微电网中电压频繁波动和无功功率难以优化分配的技术问题。该方法包括：

检测变换器单元输出的三相电流；

将所述三相电流转换为以微电网基波频率同步旋转的直流变量；

获取功率控制器输出的有功电流参考值，和电压控制器输出的无功功率参考值；

将所述直流变量与所述有功电流参考值和所述无功功率参考值进行比较，得到比较结果；

将所述比较结果经过自适应限幅器进行优化，最大限度地输出有功参考电流和无功参考电流；

通过电流控制器，对所述自适应限幅器最大限度输出的有功参考电流和无功参考电流，进行控制得到两相电压控制信号；

对所述两相电压控制信号进行PWM调制得到PWM波形，并将所述PWM波形输入所述变换器单元中。

在一个实施例中，将所述比较结果经过自适应限幅器进行优化，最大限度地输出有功参考电流和无功参考电流，包括：

按照以下限幅条件进行优化：

$\sqrt{i_{\mathrm{d\; lin}}^{*2}+i_{\mathrm{q\; lim}}^{*2}}=1.5i_e$

其中，表示有功参考电流限幅值，表示无功参考电流限幅值，自适应限幅器最大限度输出的无功参考电流，i_e表示微电网侧交流电流的额定值；

最大限度地输出的有功参考电流和无功参考电流为：

$i_d^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{i}_{d1}^{*},& i_{\mathrm{d\; lim}}^{*}<i_{d1}^{*}\&le;\sqrt{i_{\lim }^{*2}-i_{q1}^{*2}}\\ \sqrt{i_{\lim }^{*2}-i_{q1}^{*2}},& \sqrt{i_{\lim }^{*2}-i_{q1}^{*2}}<i_{d1}^{*}<i_{\lim }^{*}\\ i_{\lim }^{*},& i_{d1}^{*}\&GreaterEqual;i_{\lim }^{*}\\ i_{\mathrm{d\; lim}}^{*},& i_{d1}^{*}\&le;i_{\mathrm{d\; lim}}^{*}\end{array}\right.$

$i_q^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{i}_{q1}^{*},& -i_{\lim }^{*}<i_{q1}^{*}<i_{\lim }^{*}\\ i_{\lim }^{*},& i_{q1}^{*}\&GreaterEqual;i_{\lim }^{*}\\ {-i}_{\lim }^{*},& i_{q1}^{*}\&le;{-i}_{\lim }^{*}\end{array}\right.$

其中，表示功率控制器输出的有功电流参考值，表示电压控制器输出的无功功率参考值。

在一个实施例中，所述以微电网基波频率同步旋转的直流变量，包括：有功电流反馈、无功电流反馈和有功功率。

在一个实施例中，通过电流控制器对所述自适应限幅器最大限度输出的有功参考电流和无功参考电流进行控制得到两相电压控制信号，包括：

按照以下传递函数得到两相电压控制信号：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d=(K_P+\frac{K_I}{s})(i_d^{*}-i_d)-{\mathrm{\&omega;Li}}_q+U_m\\ v_q=(K_P+\frac{K_I}{s})(i_q^{*}-i_q)+\mathrm{\&omega;}{\mathrm{Li}}_d\end{array}\right.$

其中，v_d和v_q表示两相电压控制信号，K_P表示PI控制器的比例系数，K_I表示PI控制器的积分系数，i_d表示有功电流反馈，i_q表示无功电流反馈，L表示电感的电感值，ω表示微电网电压的角频率，U_m表示微电网相电压的幅值，s表示复变量。

在本发明实施例中，提供了一种微电网电压摄动控制系统，在微电网中电压出现频繁波动时，通过检测微电网中的电压和电流，应用电压控制摄动装置，使得大规模储能单元中的能量转换成稳定微电网中的无功电流，使暂态电压能够恢复到正常水平，同时通过加入自适应限幅器，使微电网电压能够在大范围波动时，更快地稳定在正常水平，从而保证了微电网的安全可靠运行，本发明解决了现有技术中微电网中电压频繁波动和无功功率难以优化分配的技术问题，达到了有效抑制微电网的电压波动，保证电压稳定运行的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例的微电网电压摄动控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的变换器单元的电路图；

图3是本发明实施例的自适应限幅器的电路图；

图4是本发明实施例的自适应限幅器输出参考电流轨迹示意图；

图5是本发明实施例的网侧电压下降时电压摄动装置输出功率曲线示意图；

图6是本发明实施例的变换器单元内环电流控制框图；

图7是本发明实施例的控制系统的总体架构图；

图8是本发明实施例的带电压摄动装置的微电网结构图；

图9是本发明实施例的电压摄动装置输出的相电压波形示意图；

图10是本发明实施例的电压摄动装置输出的相电流波形示意图；

图11是本发明实施例的补偿前微电网电压幅值波动波形示意图；

图12是本发明实施例的补偿后微电网电压幅值波动波形示意图；

图13是本发明实施例的电压摄动装置输出的有功功率波形示意图；

图14是本发明实施例的电压摄动装置输出的无功功率波形示意图；

图15是本发明实施例的电压摄动装置的硬件原理电路框图；

图16是本发明实施例的微电网电压摄动控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本例中，提供了一种微电网电压摄动控制系统，如图1所示，包括：储能单元、变换器单元、坐标变换和有功功率计算单元、功率控制器、电压控制器、自适应限幅器、电流控制器、PWM发生器，下面对这几个组成单元的功能和相互之间的连接关系和信号流向进行说明；

1)储能单元，用于为微电网供电；

2)变换器单元，与储能单元的输出端相连，用于调节储能单元的输出电流至满足所述微电网的无功电流需求；

3)坐标变换和有功功率计算单元，输入端与变换器单元的输出端相连，用于将所述变换器单元输出的ABC坐标系上的变量转换至旋转坐标系dq上的变量，其中，所述坐标变换和有功功率计算单元的输出端包括：有功电流反馈输出端、无功电流反馈输出端和有功功率输出端；

4)功率控制器，输入端与有功功率参考值相连，且与所述坐标变换和有功功率计算单元的有功功率输出端相连，输出端包括：有功电流参考值输出端；

5)电压控制器，输入端与微电网电压和微电网电压参考值相连，输出端包括：无功电流参考值输出端；

6)自适应限幅器，输入端与所述功率控制器的有功电流参考值输出端和所述电压控制器的无功电流参考值输出端相连，用于对所述功率控制器输出的有功电流参考值和所述电压控制器输出的无功电流参考值进行限幅，输出有功参考电流和无功参考电流；

7)电流控制器，输入端与所述自适应性限幅器的输出端相连，且与所述坐标变换和有功功率计算单元的有功电流反馈输出端和无功电流反馈输出端相连，用于对微电网的有功电流和无功电流进行调节，使有功电流和无功电流能够跟踪所述有功参考电流和无功参考电流，所述电流控制器的输出端输出的是电压控制信号；

8)PWM发生器，与所述电流控制器的输出端相连，用于对所述电压控制信号进行PWM调制产生PWM波形，输入至所述变换器单元中。

在本例中，提供了一种微电网电压摄动控制系统，在微电网中电压出现频繁波动时，通过检测微电网中的电压和电流，应用电压控制摄动装置，使得大规模储能单元中的能量转换成稳定微电网中的无功电流，使暂态电压能够恢复到正常水平，同时通过加入自适应限幅器，使微电网电压能够在大范围波动时，更快地稳定在正常水平，从而保证了微电网的安全可靠运行，本发明解决了现有技术中微电网中电压频繁波动和无功功率难以优化分配的技术问题，达到了有效抑制微电网的电压波动，保证电压稳定运行的技术效果。

下面结合图1，对上述几个组成单元的具体作用和工作原理进行说明：

1)大规模储能单元(即，上述的储能单元)

微电网中的大规模储能单元主要由多组各种类型电池组成，将风能和太阳能的能量存储在电池中，用于微电网供电和平抑电压。

2)变换器单元

变换器单元可以由三相电力电子变换器和滤波电抗组成，采用同步补偿器的基本原理，将自换相桥式电路经一个串联电抗与微电网相连，根据输入微电网电压和有功功率的指令，适当地调节其交流侧电流，以满足微电网无功电流需求，实现动态无功补偿的目的，最终实现电压的快速稳定。具体的，该变换器单元中的三相变换器将大规模储能单元的能量变换为微电网电压摄动时所需补偿的能量，变换器单元中的滤波电抗用于滤除储能单元中的直流功率转换为微电网交流无功功率时产生的高次谐波。

具体的，变换器的结构可以如图2所示，由直流电容C、IGBT、滤波电感L和电阻R等组成，控制器根据微电网电压波动情况，通过6个全控型开关器件构成的三相变换器向系统输入感性或容性无功电流，通过三相变换器中设置的6个全控型开关器件IGBT可以在PWM控制方法下更加快速地将直流电能变换为交流电能。

以U_A表示变换器输出电压u_Aa、u_Ab和u_Ac的空间矢量，以U_S表示微电网电压u_Sa、u_Sb、u_Sc的空间矢量。

则，变换器输出电压与直流侧电压的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Aa}}={\mathrm{MU}}_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\&omega;t}-\mathrm{\&delta;})\\ u_{\mathrm{Ab}}={\mathrm{MU}}_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}-\mathrm{\&delta;})\\ u_{\mathrm{Ac}}={\mathrm{MU}}_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}-\mathrm{\&delta;})\end{array}\right.$ (公式1)

其中，M为比例系数，U_dc为直流侧电压，δ为U_A和U_S之间的夹角，均为可控量。

从图2的变换器单元示意图，可以得出：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Aa}}={\mathrm{Ri}}_a+L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}+u_{\mathrm{Sa}}\\ u_{\mathrm{Ab}}={\mathrm{Ri}}_b+L\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}{+u}_{\mathrm{Sb}}\\ u_{\mathrm{Ac}}={\mathrm{Ri}}_c+L\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}+u_{\mathrm{Sc}}\end{array}\right.$ (公式2)

将公式1代入公式2，可得：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}={\mathrm{MU}}_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\&omega;t}-\mathrm{\&delta;}){-u}_{\mathrm{Sa}}-{\mathrm{Ri}}_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}={\mathrm{MU}}_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}-\mathrm{\&delta;}){-u}_{\mathrm{Sb}}{-\mathrm{Ri}}_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}={\mathrm{MU}}_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}-\mathrm{\&delta;})-u_{\mathrm{Sc}}-{\mathrm{Ri}}_c\end{array}\right.$ (公式3)

由能量关系可得直流侧电压方程：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}^2\right)=-[u_{\mathrm{Aa}}{i}_a+u_{\mathrm{Ab}}{i}_b+u_{\mathrm{Ac}}{i}_c]$ (公式4)

将公式1代入公式4中，并进行简化可得：

$\frac{d{U}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=-\frac{M}{C}[i_a\sin (\mathrm{\&omega;t}-\mathrm{\&delta;})+i_b\sin (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}-\mathrm{\&delta;})+i_c\sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}-\mathrm{\&delta;})]$ (公式5)

进一步的，可以得出ABC坐标系下的主电路单元的数学模型：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}=M{U}_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\&omega;t}-\mathrm{\&delta;})-u_{\mathrm{Sa}}-{\mathrm{Ri}}_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}={\mathrm{MU}}_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}-\mathrm{\&delta;})-u_{\mathrm{Sb}}-{\mathrm{Ri}}_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}={\mathrm{MU}}_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}-\mathrm{\&delta;})-u_{\mathrm{Sc}}-{\mathrm{Ri}}_c\\ \frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=-\frac{M}{C}[i_a\sin (\mathrm{\&omega;t}-\mathrm{\&delta;})+i_b\sin (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}-\mathrm{\&delta;})+i_c\sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}-\mathrm{\&delta;})]\end{array}\right.$ (公式6)

3)坐标变换和有功功率计算单元

对上述公式6进行分析，可以得知变换器单元各变量的变化规律，公式6中的系数随时间发生改变，分析求解时难度较大，因此，应用ABC/dq变换，将ABC坐标系上的变量转换至旋转坐标系dq上的变量。假设三相平衡，并取d轴方向与微电网电压空间矢量U_S方向一致，则进行dq坐标变换后的数学模型为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ U_{\mathrm{dc}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-\frac{R}{L}& -\mathrm{\&omega;}& \frac{M}{L}\sin \mathrm{\&delta;}\\ -\mathrm{\&omega;}& -\frac{R}{L}& \frac{M}{L}\cos \mathrm{\&delta;}\\ -\frac{M}{C}\sin \mathrm{\&delta;}& -\frac{M}{C}\sin \mathrm{\&delta;}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ U_{\mathrm{dc}}\end{array}\right]+\frac{1}{L}\left[\begin{array}{c}{-U}_m\\ 0\\ 0\end{array}\right]$ (公式7)

其中，i_d表示dq坐标系中的d轴电流(内环电流控制器的有功电流反馈)，i_q表示dq坐标系中的q轴电流(内环电流控制器的无功电流反馈)，U_m表示微电网相电压幅值。

因公式7为常系数微分方程组，可以方便地对坐标变换和有功功率计算单元各个变量进行分析求解，dq变换后单元等效电压为直流电压，为：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d=M\sin \mathrm{\&delta;}\\ v_q=M\cos \mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$ (公式8)

因此，dq坐标轴上单元各电压、电流之间的关系为：

$L\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-R& \mathrm{\&omega;L}\\ -\mathrm{\&omega;L}& -R\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_d-U_m\\ v_q\end{array}\right]$ (公式9)

按照瞬时功率理论，可得单元输出的有功功率P为：

$P=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{Sd}}{i}_d+U_{\mathrm{Sq}}{i}_q)=\frac{3}{2}{U}_m{i}_d$ (公式10)

因此，该单元输出d轴电流i_d，作为内环电流控制器的有功电流反馈，输出q轴电流i_q，作为内环电流控制器的无功电流反馈，输出有功功率P，作为外环功率控制器的有功功率反馈。

4)自适应限幅器

当微电网电压波动时，为了实现暂态电压支撑能力的快速恢复，减小常规控制方法对功率外环控制器输出参考电流限幅值的束缚，提出了一种自适应限幅器，其结构图如图3所示，该自适应限幅器能在微电网电压波动，甚至故障时，根据功率外环控制器输出的无功参考电流来动态调整有功参考电流的限幅值，使输出无功参考电流最大化，最终能更快速地恢复微电网电压的稳定。

如图3所示，该自适应限幅器可以包括：有功电流限幅电路、无功电流限幅电路、第一平方处理电路、第二平方处理电路、第一累加电路、开平方处理电路、求最小值电路，其中：有功电流限幅电路的输入端与功率控制器的有功电流参考值输出端相连，有功电流限幅电路的输出端与求最小值电路的第一输入端相连；无功电流限幅电路的输入端与电压控制器的无功电流参考值输出端相连，无功电流限幅电路的输出端为自适应限幅器的无功参考电流输出端；第一平方处理电路的输入为变换器单元输出的参考电流限幅值，第一平方处理电路的输出端与第一累加电路的正值输入端相连；第二平方处理电路的输入端与电压控制器的无功电流参考值输出端相连，第二平方处理电路的输出端与第一累加电路的负值输入端相连；第一累加电路的输出端与开平方处理电路的输入端相连，开平方处理电路的输出端与求最小值电路的第二输出端相连；求最小值电路的输出端为自适应限幅器的有功参考电流输出端。

为了防止系统过电流，电流参考值通常要在外环功率控制器中进行限幅，变换器输出的最大电流一般取额定电流的1.5倍，即变换器输出的电流参考值的限幅条件为：

$i_{\lim }^{*}={1.5i}_e$ (公式11)

其中，表示变换器输出的参考电流限幅值，i_e表示微电网侧交流电流的额定值，参考电流限幅值包括有功参考电流限幅值和无功参考电流限幅值两者之间的关系满足：

$i_{\lim }^{*}=\sqrt{i_{\mathrm{d\; lim}}^{*2}+i_{\mathrm{q\; lim}}^{*2}}$ (公式12)

该自适应限幅器的工作原理如图3所示，由图3可以得出和的输出范围为：

$i_q^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{i}_{q1}^{*},& -i_{\lim }^{*}<i_{q1}^{*}<i_{\lim }^{*}\\ i_{\lim }^{*},& i_{q1}^{*}\&GreaterEqual;i_{\lim }^{*}\\ {-i}_{\lim }^{*},& i_{q1}^{*}\&le;{-i}_{\lim }^{*}\end{array}\right.$ (公式13)

$i_d^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{i}_{d1}^{*},& i_{\mathrm{d\; lim}}^{*}<i_{d1}^{*}\&le;\sqrt{i_{\lim }^{*2}-i_{q1}^{*2}}\\ \sqrt{i_{\lim }^{*2}-i_{q1}^{*2}},& \sqrt{i_{\lim }^{*2}-i_{q1}^{*2}}<i_{d1}^{*}<i_{\lim }^{*}\\ i_{\lim }^{*},& i_{d1}^{*}\&GreaterEqual;i_{\lim }^{*}\\ i_{\mathrm{d\; lim}}^{*},& i_{d1}^{*}\&le;i_{\mathrm{d\; lim}}^{*}\end{array}\right.$ (公式14)

由上述公式13和公式14可知，在微电网电压下降的情况下，自适应限幅器输出的参考电流轨迹如图4所示。在初始运行点D，自适应限幅器输出的参考电流与外环控制器输出的参考电流相同，为和当微电网电压小幅下降时，外环控制器输出的参考电流仍在图4的半圆之内，系统将达到一个新的稳定运行点M，但是当微电网电压大幅下降时，将导致外环控制器输出的有功、无功参考电流大幅增加，当参考电流增大到其限幅条件时，根据公式13和公式14可得：自适应限幅器输出的有功参考电流变为因此参考电流轨迹达到A点，并可沿电流控制范围的半圆顺时针旋转，如图4所示。根据微电网电压下降的程度不同，参考电流矢量可能达到B点后稳定运行，或继续旋转至C点。当参考电流矢量移动至点C时，此时变换器输出的功率因数角为因此，变换器只输出无功功率。

如图5所示，是微电网电压下降时，变换器输出的功率曲线。假设系统开始稳定运行在Z点，微电网电压突然下降，使运行点变为图5中的F点。当采用常规控制方法时，限制了外环控制器输出的无功参考电流，则其输出的无功参考电流最大值为在暂态过后，系统在M点稳定运行，此时的微电网电压为U₁。而采用了自适应限幅器后，可以使输出的无功参考电流直接最大值暂态过后，系统将过渡到N点稳定运行，此时微电网电压为U₂。如图5所示，采用自适应限幅器可以使变换器输出无功功率的能力变大，对于微电网电压的恢复更有利，优于常规的控制方法。

5)电流控制器和PWM发生器

电流控制器主要调节有功电流和无功电流，电流内环控制的目的是使主电路单元的输出电流i_d、i_q能够跟踪其参考值，从而使微电网电压U_S稳定在一个需要的定值上，并输出PWM控制信号。由公式9可以看出：i_d、i_q可由v_d、v_q控制调节，但变换器各电压、电流量在d轴与q轴之间存在耦合，i_d的变化将会引起v_q与i_q随之变化，反之亦然。耦合的回路无法将其分开进行独立分析，因此需要进行解耦。在电流内环的PI控制器输出值上增加前馈补偿项ωLi_d、ωLi_q，具体的控制框图如图6所示。

图6中变换器输出电压的传递函数为：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d=(K_P+\frac{K_I}{s})(i_d^{*}-i_d)-{\mathrm{\&omega;Li}}_q+U_m\\ v_q=(K_P+\frac{K_I}{s})(i_q^{*}-i_q)+\mathrm{\&omega;}{\mathrm{Li}}_d\end{array}\right.$ (公式15)

其中，K_P和K_I分别为PI控制器的比例系数和积分系数，将公式15带入公式9中，可以得到：

$L\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R+K_P+\frac{K_I}{s}& 0\mathrm{\&omega;}\\ 0& R+K_P+\frac{K_I}{s}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+(K_P+\frac{K_I}{s})\left[\begin{array}{c}{i}_d^{*}\\ i_q^{*}\end{array}\right]$ (公式16)

其中，非对角线元素为0，由此可知，在电流内环的PI输出上增加前馈补偿后，d、q轴变量实现了解耦控制，电流控制器最后输出v_d、v_q给PWM发生器，PWM发生器接收电流控制器输出的控制信号v_d、v_q，经过PWM调制后产生PWM波形。

PWM发生器不仅用于产生PWM调制波形，还用于对主电路同一桥臂上的两路驱动信号进行互锁、电气隔离和功率放大，从而保证输出基波频率和电压幅值与微电网相同。

6)电压控制器和功率控制器

电压控制器和功率控制器都是外环控制器，也可以称之为有功功率控制器和电压控制器，在功率控制器和电压控制器中都设置有PI(比例积分)调节器，用于进行PI调节。

其中，有功功率控制器，通过PI调节，输出有功电流的给定值进行变换器输出有功功率的调节，有功功率给定值与变换器输出有功功率值比较，再经过PI调节，产生d轴电流参考值以稳定变换器输出的有功功率电压。满足：

$i_{d1}^{*}=(K_{\mathrm{dP}}+\frac{K_{\mathrm{dI}}}{s})(P^{*}-P)$ (公式17)

其中，K_dP和K_dI分别为d轴PI控制器的比例系数和积分系数。

电压控制器，通过PI调节，输出无功电流的给定值进行变换器输出无功功率的调节，进而调节微电网电压的波动。微电网电压摄动控制环节是通过微电网电压U_S与其参考值的比较，产生q轴电流参考值以控制微电网电压，防止微电网电压摄动，其中，需要满足：

$i_{q1}^{*}=(K_{\mathrm{qP}}+\frac{K_{\mathrm{qI}}}{s})(U_S^{*}-U_S)$ (公式18)

其中，K_qP和K_qI分别为q轴PI控制器的比例系数和积分系数。

即，功率控制器中设置的PI调节器，可以将变换器输出的有功功率根据需要补偿的功率设定值，输入到微电网中，保持微电网中的有功功率平衡，电压控制器中设置的PI调节器，可以将变换器输出的无功功率根据需要补偿的电压摄动设定值，输入到微电网中，保持微电网中的电压稳定。

在本例中，在微电网内的电压发生频繁波动时，通过电压互感器检测出微电网电压，进行电压有效值和幅值计算，形成对微电网电压波动的控制。通过电流互感器检测出变换器的输出电流，然后利用ABC/dq坐标变换，将三相电流转换为以微电网基波频率同步旋转的直流变量，并和外环电压/功率控制器得到的有功和无功的参考电流进行比较，再经过自适应限幅器的优化，最大限度地输出无功电流的参考值，同时也获得相应的有功功率的电流参考值，再经由内环电流控制得到两相电压，经过PWM发生器，控制电力电子主电路输出相应的交流电压，电力电子主电路的直流侧电压就是大规模储能装置输出的电压。通过对大规模储能装置中的能量转换，来调控对微电网的无功补偿量，进而起到稳定微电网电压的作用。

下面以一个微电网电压摄动控制的仿真实例对上述微电网电压摄动控制系统的作用和效果进行说明，如图7所示是控制系统的总体架构图，如图8所示，是带电压摄动装置的微电网结构图，当图8中的风机突然并入微电网或是某一负载出现短路情况下，都会引起微电网电压的波动。在本例中，仿真的交流电源使用三相交流可编程电源模型，设置线电压为0.4kV，频率为50Hz。仿真时，微电网电压波动：在0.2s时升高为额定值的1.06倍，在0.3s时降低为额定值的0.94倍，在0.4s时再恢复到额定值，具体的仿真结果如图9至14所示，其中横坐标表示时间，单位为s，纵坐标表示相对于额定值的升高倍数。

其中，图9和图10为电网电压波动时电压摄动装置对应输出的相电压波形和相电流波形，从图10可以看出，电压摄动装置在正常情况下既不消耗有功功率也不消耗无功功率，电流基本为零，当微电网电压出现波动时，电压摄动装置可快速地产生无功电流，在0.3s前后，无功电流流向发生改变，且电流相位能够迅速平稳地进行过渡，冲击很小。

图11和图12为补偿前后的电网电压幅值波形，从图12可以看出，补偿后电压幅值的变化幅度比补偿前电压幅值变化的幅度大幅降低，补偿后可以基本维持额定电压不变。图13和14为电压摄动装置的有功功率和无功功率，有功功率在无功突变且在自适应限幅器的作用下减少有功输出，进而使输出的无功功率最大化，当电网电压发生波动后，电压摄动装置迅速做出反应，产生相应的无功功率，从而使得微电网电压波动能快速恢复到额定值。

如图15所示是电压摄动系统的工作原理图，系统以TMS320F28335数字信号处理器为核心控制单元，拥有A/D采样模块、主程序模块、串口通信模块、PWM生成模块等，在系统工作的时候，采样调理电路将微电网中的三相电压和电流模拟量信号，转换成DSP(DigitalSignalProcess，数字信号处理)所能接受的数字量信号，然后送到DSP的I/O引脚，DSP对输入信号进行采样、滤波、校正，得到与模拟信号相对应的数值，系统控制程序根据采样结果和控制方法计算出相应的控制量并输出。FPGA(Field－ProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)在接收到外环控制和内环控制器的输出量后，生成PWM脉冲信号，进而控制驱动电路输出，使主电路输出，控制微电网中的电压波动，使微电网电压稳定运行。具体的，A/D可以采用AD7656，DSP可以采用TMS320F28335，RAM可以采用IS61LV51216-12T，FPGA可以采用XC6SLX45-3CSG324I，PWM可以采用SKYPER32。

在本例中，还提供了一种微电网电压摄动控制方法，如图16所示，包括以下步骤：

步骤1601：检测变换器单元输出的三相电流；

步骤1602：将所述三相电流转换为以微电网基波频率同步旋转的直流变量；

步骤1603：获取功率控制器输出的有功电流参考值，和电压控制器输出的无功功率参考值；

步骤1604：将所述直流变量与所述有功电流参考值和所述无功功率参考值进行比较，得到比较结果；

步骤1605：将所述比较结果经过自适应限幅器进行优化，最大限度地输出有功参考电流和无功参考电流；

步骤1606：通过电流控制器，对所述自适应限幅器最大限度输出的有功参考电流和无功参考电流，进行控制得到两相电压控制信号；

步骤1607：对所述两相电压控制信号进行PWM调制得到PWM波形，并将所述PWM波形输入所述变换器单元中。

具体实施时，上述步骤1605中，可以按照以下限幅条件进行优化：

$\sqrt{i_{\mathrm{d\; lin}}^{*2}+i_{\mathrm{q\; lim}}^{*2}}=1.5i_e$

其中，表示有功参考电流限幅值，表示无功参考电流限幅值，自适应限幅器最大限度输出的无功参考电流，i_e表示微电网侧交流电流的额定值；

最大限度地输出的有功参考电流和无功参考电流为：

$i_d^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{i}_{d1}^{*},& i_{\mathrm{d\; lim}}^{*}<i_{d1}^{*}\&le;\sqrt{i_{\lim }^{*2}-i_{q1}^{*2}}\\ \sqrt{i_{\lim }^{*2}-i_{q1}^{*2}},& \sqrt{i_{\lim }^{*2}-i_{q1}^{*2}}<i_{d1}^{*}<i_{\lim }^{*}\\ i_{\lim }^{*},& i_{d1}^{*}\&GreaterEqual;i_{\lim }^{*}\\ i_{\mathrm{d\; lim}}^{*},& i_{d1}^{*}\&le;i_{\mathrm{d\; lim}}^{*}\end{array}\right.$

$i_q^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{i}_{q1}^{*},& -i_{\lim }^{*}<i_{q1}^{*}<i_{\lim }^{*}\\ i_{\lim }^{*},& i_{q1}^{*}\&GreaterEqual;i_{\lim }^{*}\\ {-i}_{\lim }^{*},& i_{q1}^{*}\&le;{-i}_{\lim }^{*}\end{array}\right.$

其中，表示功率控制器输出的有功电流参考值，表示电压控制器输出的无功功率参考值。

上述步骤1602中的以微电网基波频率同步旋转的直流变量，可以包括：有功电流反馈、无功电流反馈和有功功率，具体的，通过电流控制器对所述自适应限幅器最大限度输出的有功参考电流和无功参考电流进行控制得到两相电压控制信号，可以包括：

按照以下传递函数得到两相电压控制信号：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d=(K_P+\frac{K_I}{s})(i_d^{*}-i_d)-{\mathrm{\&omega;Li}}_q+U_m\\ v_q=(K_P+\frac{K_I}{s})(i_q^{*}-i_q)+\mathrm{\&omega;}{\mathrm{Li}}_d\end{array}\right.$

其中，v_d和v_q表示两相电压控制信号，K_P表示PI控制器的比例系数，K_I表示PI控制器的积分系数，i_d表示有功电流反馈，i_q表示无功电流反馈，L表示电感的电感值，ω表示微电网电压的角频率，U_m表示微电网相电压的幅值，s表示复变量。

在上述实施例中，正是考虑到现有的以风力发电和太阳能发电形成的微电网中，经常出现频繁电压波动(即，电压摄动)从而导致微电网无法独立运行，同时也无法并入大电网中运行，提出了在微电网中加入了大规模储能装置，形成风光储一体化，通过电压摄动装置和控制方法，将大规模储能装置中的能量根据微电网中电压波动裕度和频度，实时转化成微电网中所需的无功能量，从而保证微电网电压稳定和安全可靠运行。进一步的，在电力电子装置中嵌入了一种自适应限幅器，形成微电网电压摄动控制装置，该自适应限幅器能在微电网中产生电压波动，甚至故障时产生电压跌落，在大规模储能装置的支持下，根据功率外环控制器输出的无功参考电流来动态调整有功参考电流的限幅值，使输出无功参考电流最大化，最终能更快速地恢复网侧电压的稳定，从而有效控制微电网中的电压摄动。

从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：提供了一种微电网电压摄动控制系统，在微电网中电压出现频繁波动时，通过检测微电网中的电压和电流，应用电压控制摄动装置，使得大规模储能单元中的能量转换成稳定微电网中的无功电流，使暂态电压能够恢复到正常水平，同时通过加入自适应限幅器，使微电网电压能够在大范围波动时，更快地稳定在正常水平，从而保证了微电网的安全可靠运行，本发明解决了现有技术中微电网中电压频繁波动和无功功率难以优化分配的技术问题，达到了有效抑制微电网的电压波动，保证电压稳定运行的技术效果。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微电网电压摄动控制系统，其特征在于，包括：储能单元、变换器单元、坐标变换和有功功率计算单元、功率控制器、电压控制器、自适应限幅器、电流控制器、PWM发生器；

其中，所述储能单元，用于为微电网供电；

所述变换器单元，与所述储能单元的输出端相连，用于调节所述储能单元的输出电流至满足所述微电网的无功电流需求；

所述坐标变换和有功功率计算单元，输入端与所述变换器单元的输出端相连，用于将所述变换器单元输出的ABC坐标系上的变量转换至旋转坐标系dq上的变量，其中，所述坐标变换和有功功率计算单元的输出端包括：有功电流反馈输出端、无功电流反馈输出端和有功功率输出端；

所述功率控制器，输入端与有功功率参考值相连，且与所述坐标变换和有功功率计算单元的有功功率输出端相连，输出端包括：有功电流参考值输出端；

所述电压控制器，输入端与微电网电压和微电网电压参考值相连，输出端包括：无功电流参考值输出端；

所述自适应限幅器，输入端与所述功率控制器的有功电流参考值输出端和所述电压控制器的无功电流参考值输出端相连，用于对所述功率控制器输出的有功电流参考值和所述电压控制器输出的无功电流参考值进行限幅，输出有功参考电流和无功参考电流；

所述电流控制器，输入端与所述自适应性限幅器的输出端相连，且与所述坐标变换和有功功率计算单元的有功电流反馈输出端和无功电流反馈输出端相连，用于对微电网的有功电流和无功电流进行调节，使有功电流和无功电流能够跟踪所述有功参考电流和无功参考电流，所述电流控制器的输出端输出的是电压控制信号；

所述PWM发生器，与所述电流控制器的输出端相连，用于对所述电压控制信号进行PWM调制产生PWM波形，输入至所述变换器单元中。

2.如权利要求1所述的微电网电压摄动控制系统，其特征在于，所述自适应限幅器包括：有功电流限幅电路、无功电流限幅电路、第一平方处理电路、第二平方处理电路、累加电路、开平方处理电路、求最小值电路，其中：

所述有功电流限幅电路的输入端与所述功率控制器的有功电流参考值输出端相连，所述有功电流限幅电路的输出端与所述求最小值电路的第一输入端相连；

所述无功电流限幅电路的输入端与所述电压控制器的无功电流参考值输出端相连，所述无功电流限幅电路的输出端为所述自适应限幅器的无功参考电流输出端；

所述第一平方处理电路的输入为所述变换器单元输出的参考电流限幅值，所述第一平方处理电路的输出端与所述第一累加电路的正值输入端相连；

所述第二平方处理电路的输入端与所述电压控制器的无功电流参考值输出端相连，所述第二平方处理电路的输出端与所述累加电路的负值输入端相连；

所述累加电路的输出端与所述开平方处理电路的输入端相连，所述开平方处理电路的输出端与所述求最小值电路的第二输出端相连；

所述求最小值电路的输出端为所述自适应限幅器的有功参考电流输出端。

3.如权利要求1所述的微电网电压摄动控制系统，其特征在于，所述变换器单元包括：

三相变换器，用于将所述储能单元的能量变换为微电网电压摄动时所需补偿的能量；

滤波电抗，与所述三相变换器相连，用于滤除所述储能单元中的直流功率转换为微电网交流无功功率时产生的高次谐波。

4.如权利要求3所述的微电网电压摄动控制系统，其特征在于，所述三相变换器包括：用于在PWM控制下将直流电能变换为交流电能。

5.如权利要求3所述的微电网电压摄动控制系统，其特征在于：

所述功率控制器中设置有第一PI调节器，所述第一PI调节器用于将所述三相变换器输出的有功功率所需补偿的功率设定值，输入到所述微电网中；

所述电压控制器中设置有第二PI调节器，所述第二PI调节器用于将所述三相变换器输出的无功功率所需补偿的电压摄动设定值，输入到所述微电网中。

6.如权利要求1所述的微电网电压摄动控制系统，其特征在于，所述PWM发生器还用于对主电路同一桥臂上的两路驱动信号进行互锁、电气隔离和功率放大。

7.一种微电网电压摄动控制方法，其特征在于，包括：

检测变换器单元输出的三相电流；

将所述三相电流转换为以微电网基波频率同步旋转的直流变量；

获取功率控制器输出的有功电流参考值，和电压控制器输出的无功功率参考值；

将所述直流变量与所述有功电流参考值和所述无功功率参考值进行比较，得到比较结果；

将所述比较结果经过自适应限幅器进行优化，最大限度地输出有功参考电流和无功参考电流；

通过电流控制器，对所述自适应限幅器最大限度输出的有功参考电流和无功参考电流，进行控制得到两相电压控制信号；

对所述两相电压控制信号进行PWM调制得到PWM波形，并将所述PWM波形输入所述变换器单元中。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述比较结果经过自适应限幅器进行优化，最大限度地输出有功参考电流和无功参考电流，包括：

按照以下限幅条件进行优化：

$\sqrt{i_{\mathrm{d\; lim}}^{*2}+i_{\mathrm{q\; lim}}^{*2}}=1.5i_e$

其中，表示有功参考电流限幅值，表示无功参考电流限幅值，自适应限幅器最大限度输出的无功参考电流，i_e表示微电网侧交流电流的额定值；

最大限度地输出的有功参考电流和无功参考电流为：

$i_d^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{i}_{d1}^{*},& i_{\mathrm{d\; lim}}^{*}<i_{d1}^{*}\&le;\sqrt{i_{\lim }^{*2}-i_{q1}^{*2}}\\ \sqrt{i_{\lim }^{*2}-i_{q1}^{*2}},& \sqrt{i_{\lim }^{*2}-i_{q1}^{*2}}<i_{d1}^{*}<i_{\lim }^{*}\\ i_{\lim }^{*},& i_{d1}^{*}\&GreaterEqual;i_{\lim }^{*}\\ i_{\mathrm{d\; lim}}^{*},& i_{d1}^{*}\&le;i_{\mathrm{d\; lim}}^{*}\end{array}\right.$

$i_q^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{i}_{q1}^{*},& -i_{\lim }^{*}<i_{q1}^{*}<i_{\lim }^{*}\\ i_{\lim }^{*},& i_{q1}^{*}\&GreaterEqual;i_{\lim }^{*}\\ -i_{\lim }^{*},& i_{q1}^{*}\&le;-i_{\lim }^{*}\end{array}\right.$

其中，表示功率控制器输出的有功电流参考值，表示电压控制器输出的无功功率参考值。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述以微电网基波频率同步旋转的直流变量，包括：有功电流反馈、无功电流反馈和有功功率。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过电流控制器对所述自适应限幅器最大限度输出的有功参考电流和无功参考电流进行控制得到两相电压控制信号，包括：

按照以下传递函数得到两相电压控制信号：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d=(K_P+\frac{K_I}{s})(i_d^{*}-i_d)-{\mathrm{\&omega;Li}}_q+U_m\\ v_q=(K_P+\frac{K_I}{s})(i_q^{*}-i_q)+{\mathrm{\&omega;Li}}_d\end{array}\right.$

其中，v_d和v_q表示两相电压控制信号，K_P表示PI控制器的比例系数，K_I表示PI控制器的积分系数，i_d表示有功电流反馈，i_q表示无功电流反馈，L表示电感的电感值，ω表示微电网电压的角频率，U_m表示微电网相电压的幅值，s表示复变量。