CN105846460B - 一种交直流混合微网接口变换器控制方法及装置 - Google Patents

一种交直流混合微网接口变换器控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种交直流混合微网接口变换器IC控制方法及装置，所述方法通过获取混合微网中IC的个数，根据下垂系数对IC的功率进行第一次调节，其中，第一次调节具体为针对无功功率的调节,使得IC本地电压偏差较小；根据下垂系数对IC的功率进行第二次调节，第二次调节具体为针对无功功率和有功功率的调节，第二次调节将交直流混合微网公共母线的频率和电压调整至所述交直流混合微网与上一级电网并网运行时的频率和电压。采用本发明的控制方法或装置能够有效提高微网运行的可靠性、稳定性、灵活性以及经济性。

Description

一种交直流混合微网接口变换器控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电力系统领域，特别是涉及一种交直流混合微网接口变换器控制方法及装置。
背景技术
在交直流混合微网结构中，并联接在交流母线与直流母线之间的接口变换器(Interface Converter，IC)对整个系统的稳定运行和功率的协调分配与控制有着至关重要的作用。当微网孤岛运行时，接口变换器既要靠直流侧储能装置的能量来支撑交流母线的电压和频率，又要实现交直流母线之间能量的双向流动，平衡交流母线功率，合理分配各个微源发出的电能。因此，采用合适的方式对接口变换器进行控制是实现交直流混合母线微网稳定高效运行的前提。目前，对包含多个直流子网的接口变换器并联运行控制策略研究较少。
关于微网接口变换器器的并联控制方法，现阶段的研究主要采用模拟传统同步发电机输出特性的下垂控制和倒下垂控制。然而，基本的下垂特性控制策略存在稳定性差和无法实现无功功率精确分配的缺点。
一些学者将电力系统调频原理应用到微网孤岛频率控制中，设计了参与调频的变换器接入电源和旋转性发电机组电源相配合的频率调节方法，其配合关系为主从关系(即变换器接入电源和旋转性发电机组电源分别为主电源或从电源)。其中，只有采用V/f控制(恒压/恒频控制)的单个主电源进行一次调节，因而采用此种控制策略时微网运行的可靠性和暂态过程的稳定性较差；二次调节的作用是对微网内电源发电负荷重新分配并保证频率一次调节机组有充足的调节裕度，二次调节通过微网的中央控制器分配调节功率来实现，不能实现自动调节。
还有学者设计了孤岛微网的基于功率控制的全分布式自趋优频率控制方法，该方法基于分层控制的思想，在不借助微网中央控制器和通信系统的情况下，使微网能具有三次调节中以等微增率准则为基础的经济调度功能，还具有动态特性较好的一次调节的功能。然而，该方法中的二次控制主要是为一次和三次控制服务，是一次与三次控制的前提，其作用是使得频率偏差较小，本身不具备功率调节功能；该方法中各台发电机之间是对等关系，适用于有调频能力的发电机组的协同控制，不适用于并联接口变换器的控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种交直流混合微网接口变换器的控制方法，能够实现无需考虑馈线阻抗的差异，实现孤岛微网频率与交流母线电压无差调节，使孤岛微网运行更加稳定和可靠。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种交直流混合微网接口变换器IC控制方法，其特征在于，
获取所述混合微网中所述IC的个数；
根据下垂系数对所述IC的功率进行第一次调节；所述第一次调节具体为针对无功功率的调节；
根据下垂系数对所述IC的功率进行第二次调节；所述第二次调节具体为针对无功功率和有功功率的调节；
所述第二次调节的交直流混合微网的频率和电压调整至所述交直流混合微网与上一级电网并网运行时的频率和电压。
可选的，所述第一次调节具体为针对无功功率的调节，具体包括：
根据幅值下垂系数KiU对所述IC的无功功率进行第一次无功功率调节。
可选的，所述第二次调节具体为针对无功功率和有功功率的调节，具体包括：
根据频率下垂系数Kif对所述IC的有功功率进行第二次有功功率调节；
根据幅值下垂系数KiU对所述IC的无功功率进行第二次无功功率调节；
可选的，所述频率下垂系数Kif和所述幅值下垂系数KiU满足第一约束条件，所述第一约束条件具体为：
其中，Kif为频率下垂系数，KiU为幅值下垂系数，Pi为第i台逆变器的有功功率实际输出给定值，Pi0为第i台逆变器的有功功率基准值，Pimax为第i台逆变器的最大有功功率，Qi为第i台逆变器的无功功率实际输出给定值，Qi0第i台逆变器的无功功率基准值,Qimax为第i台逆变器的最大无功功率，fN为第i逆变器的频率基准值，fmax为第i台逆变器基准频率最大值，UN为第i台逆变器的电压基准幅值，Uimin为为第i台逆变器基准电压最小值，Tf和TU为时间积分常数。
可选的，还包括：对所述IC的功率按照中央控制器的调度进行第三次调节，所述第三次调节为综合考虑交直流混合微网中的各子网的储能荷电率SOC(state of charge)状态、新能源发电量和负荷大小进行调节。
本申请的技术方案中还包括一种交直流混合微网接口变换器IC控制装置，其特征在于，
获取单元，用于获取所述混合微网中所述IC的个数；
第一次调节单元，用于根据下垂系数对所述IC的功率进行第一次调节；
第二次调节单元，用于根据下垂系数对所述IC的功率进行第二次调节；
结束单元，用于将所述第二次调节的交直流混合微网的频率和电压调整至所述交直流混合微网与上一级电网并网运行时的频率和电压。
可选的，所述第一次调节单元具体包括：
第一次调节子单元，用于根据幅值下垂系数KiU对所述IC的无功功率进行第一次无功功率调节。
可选的，所述第二次调节单元具体包括：
第二次调节子单元，用于根据频率下垂系数Kif对所述IC的有功功率进行第二次有功功率调节，根据幅值下垂系数KiU对所述IC的无功功率进行第二次无功功率调节。
可选的，所述第一调节子单元和所述第二调节组单元中的下垂系数Kif和所述幅值下垂系数KiU满足第一约束条件，所述第一约束条件具体为：
其中，Kif为频率下垂系数，KiU为幅值下垂系数，Pi为第i台逆变器的有功功率实际输出给定值，Pi0为第i台逆变器的有功功率基准值，Pimax为第i台逆变器的最大有功功率，Qi为第i台逆变器的无功功率实际输出给定值，Qi0第i台逆变器的无功功率基准值,Qimax为第i台逆变器的最大无功功率，fN为第i逆变器的频率基准值，fmax为第i台逆变器基准频率最大值，UN为第i台逆变器的电压基准幅值，Uimin为为第i台逆变器基准电压最小值，Tf和TU为时间积分常数。
可选的，本申请中的交直流混合微网接口变换器控制装置还包括：
第三次调节单元，用于对所述IC的功率按照中央控制器的调度进行第三次调节，综合考虑交直流混合微网中的各子网的储能荷电率SOC(state of charge)状态、新能源发电量和负荷大小进行调节。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明中的交直流混合微网接口变换器控制方法可以实现频率和电压的无差调节，与此同时实现各并联IC输出功率的合理分配，这样就有效地克服了基本下垂特性控制的缺点。
本发明中并联IC采用对等控制策略控制孤岛交直流混合微网中交流母线的电压和频率，并按下垂系数对各IC功率进行自动分配，再由微网中央控制器对各IC功率进行最优分配，这样可以有效提高微网运行的可靠性、稳定性、灵活性以及经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明交直流混合微网接口变换器控制方法实施例的流程图；
图2为本发明交直流混合微网接口变换器控制装置实施例的结构图；
图3为本发明交直流混合微网接口变换器控制方法的控制框图；
图4为本发明交直流混合微网接口变换器的交直流混合微网结构；
图5为本发明交直流混合微网接口变换器在DigSILENT/PowerFactory中搭建的简化微网模型；
图6为本发明交直流混合微网接口变换器仿真模型中微网频率f仿真结果；
图7为本发明交直流混合微网接口变换器仿真模型交流母线电压仿真结果；
图8为本发明交直流混合微网接口变换器仿真模型中IC本地电压仿真结果；
图9为本发明交直流混合微网接口变换器仿真模型中IC输出有功功率仿真结果；
图10为本发明交直流混合微网接口变换器仿真模型中IC输出无功功率仿真结果；
图11为本发明交直流混合微网接口变换器仿真模型中系统的电路和控制参数图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
作为本发明的一个具体实施例，一种交直流混合微网接口变换器IC控制方法，如图1所示包括，
步骤101，获取所述混合微网中所述IC的个数；
步骤102，根据下垂系数对所述IC的功率进行第一次调节；所述第一次调节具体为针对无功功率的调节；
步骤103，根据下垂系数对所述IC的功率进行第二次调节；所述第二次调节具体为针对无功功率和有功功率的调节；
步骤104，所述第二次调节的交直流混合微网的频率和电压调整至所述交直流混合微网与上一级电网并网运行时的频率和电压。本申请中交直流混合微网在与上一级电网脱网孤岛运行时，实现与上一级的电网并网运行时相同的频率和电压，能够保证所述微网在孤岛运行时保证网内用户正常使用。
可选的，所述第一次调节具体为针对无功功率的调节，具体包括：
根据幅值下垂系数KiU对所述IC的无功功率进行第一次无功功率调节。
可选的，所述第二次调节具体为针对无功功率和有功功率的调节，具体包括：
根据频率下垂系数Kif对所述IC的有功功率进行第二次有功功率调节；
根据幅值下垂系数KiU对所述IC的无功功率进行第二次无功功率调节；
可选的，所述频率下垂系数Kif和所述幅值下垂系数KiU满足第一约束条件，所述第一约束条件具体为：
其中，Kif为频率下垂系数，KiU为幅值下垂系数，Pi为第i台逆变器的有功功率实际输出给定值，Pi0为第i台逆变器的有功功率基准值，Pimax为第i台逆变器的最大有功功率，Qi为第i台逆变器的无功功率实际输出给定值，Qi0第i台逆变器的无功功率基准值,Qimax为第i台逆变器的最大无功功率，fN为第i逆变器的频率基准值，fmax为第i台逆变器基准频率最大值，UN为第i台逆变器的电压基准幅值，Uimin为为第i台逆变器基准电压最小值，Tf和TU为时间积分常数。
Tf和TU的整定需要考虑响应特性的差异，包括接口变换器及其控制器整体的响应特性和直流子网储能系统的响应特性，以响应较慢的特性为参考整定，保证响应时间较长的直流子网可以跟踪功率的二次调节量。Tf和TU较小时，频率和电压的调节过程较快，而响应时间较长的直流子网将无法跟踪积分环节输出的二次调节量，这会造成调节进入稳态时功率的分配出现误差。Tf和TU一般可在0.1-1范围内取值。
如图3所示为本申请的控制框图，当控制器参数设计良好，系统达到稳定状态后，积分器的输入是0，fN＝f，UN＝UPCC，稳态时有：
ΔPi1＝0
\*MERGEFORMAT (1)
ΔP12:ΔP22:ΔP32＝K1f：K2f：K3f
\*MERGEFORMAT (2)
ΔQi1＝KiUΔUi
\*MERGEFORMAT (3)
ΔQ12：ΔQ22：ΔQ32＝K1U：K2U：K3U
\*MERGEFORMAT (4)
式中：ΔPi1和ΔPi2分别为第i台IC的改进f-P下垂环的比例环节和积分环节输出，ΔQi1和ΔQi2分别为第i台IC的改进U-Q下垂环的比例环节和积分环节输出。
由式(1)、(2)可知，稳态时，各并联IC的有功功率二次调节量ΔPi2按频率下垂系数Kif进行分配，而有功功率一次调节量均为零。由式(3)、(4)可知，稳态时，各并联IC的无功功率二次调节量ΔQi2按幅值下垂系数KiU进行分配，而无功功率一次调节量ΔQi1与KiU和IC本地电压偏差ΔUi相关，在ΔUi较大时，ΔQi1较大。
可选的，还包括：对所述IC的功率按照中央控制器的调度进行第三次调节，所述第三次调节为综合考虑交直流混合微网中的各子网的储能荷电率SOC(state ofcharge)状态、新能源发电量和负荷大小进行调节。
第三次调节过程和功率调度指令计算：
(1)三次调节的实质是微网内功率的再分配，多个直流子网并联时需要分别调度，而两个直流子网并联时只需对其中一个子网进行调度即可，另一个子网的功率再分配会通过二次调节自动进行。
(2)功率调度指令计算过程为：
a.两个直流子网并联时，如图4所示，设中央控制器的优化计算结果为直流子网2增发功率ΔP30，则下发的新功率指令为在系统调节进入稳态时，直流子网2的新的实际功率输出值为P3’＝P3+ΔP30，而直流子网1的新的实际功率输出则自动减少ΔP30。若中央控制器需要控制IC1退出运行，则在切出IC1的同时给IC2下发新的功率指令P20’＝P20+P1，如此就可以使稳态时直流子网1的输出功率保持不变，也就使直流子网2的输出功率保持不变。
b.多个直流子网并联时，设中央控制器的优化计算结果为第i台IC增发功率ΔPi0，则新的调度指令为Pi0’＝Pi0+ΔPi0。在满足ΣPi0’＝ΣPi0时，直接对各子网分别下发指令Pi0’，就能使得稳态时第i台IC的新的实际功率输出增加ΔPi0。
本申请还公开了一种交直流混合微网接口变换器IC控制装置，
获取单元201，用于获取所述混合微网中所述IC的个数；
第一次调节单元202，用于根据下垂系数对所述IC的功率进行第一次调节；
第二次调节单元203，用于根据下垂系数对所述IC的功率进行第二次调节；
结束单元204，用于将所述第二次调节的交直流混合微网的频率和电压调整至所述交直流混合微网与上一级电网并网运行时的频率和电压。
可选的，所述第一次调节单元202具体包括：
第一次调节子单元，用于根据幅值下垂系数KiU对所述IC的无功功率进行第一次无功功率调节。
可选的，所述第二次调节单元203具体包括：
第二次调节子单元，用于根据频率下垂系数Kif对所述IC的有功功率进行第二次有功功率调节，根据幅值下垂系数KiU对所述IC的无功功率进行第二次无功功率调节。
可选的，所述第一调节子单元和所述第二调节子单元中的下垂系数Kif和所述幅值下垂系数KiU满足第一约束条件，所述第一约束条件具体为：
其中，Kif为频率下垂系数，KiU为幅值下垂系数，Pi为第i台逆变器的有功功率实际输出给定值，Pi0为第i台逆变器的有功功率基准值，Pimax为第i台逆变器的最大有功功率，Qi为第i台逆变器的无功功率实际输出给定值，Qi0第i台逆变器的无功功率基准值,Qimax为第i台逆变器的最大无功功率，fN为第i逆变器的频率基准值，fmax为第i台逆变器基准频率最大值，UN为第i台逆变器的电压基准幅值，Uimin为为第i台逆变器基准电压最小值，Tf和TU为时间积分常数。
可选的，本申请中的交直流混合微网接口变换器控制装置还包括：
第三次调节单元，用于对所述IC的功率按照中央控制器的调度进行第三次调节，综合考虑交直流混合微网中的各子网的储能荷电率SOC(state of charge)状态、新能源发电量和负荷大小进行调节。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的具体实施例如下：
在DigSILENT/PowerFactory中搭建的简化微网模型如图5，微网系统的电路和控制参数如图11。
仿真控制：仿真开始时微网孤岛稳态运行，Load3未投入运行，P10＝P20＝30kW，P30＝80kW。1.1s时Load3接入，2.1s时Load3再断开。3.1s时假设中央控制器的调度目标为直流子网2增发功率ΔP30＝50kW，则给IC3下发新功率指令P30’＝(80+100)kW。4.1s时控制IC2退出运行，并给IC1下发新的功率指令P20’＝30+P1。得到的仿真结果如图6到图10所示。
由图6、7可得，在负载突变、功率调度和IC2切出时，本发明的控制方法均能实现微网的稳定运行，并且在调节过程进入稳态时，可实现微网频率和交流母线电压的无差调节。由图8可得，稳态时IC本地电压偏差较小，在暂态调节过程中，IC本地电压均在允许的偏差范围内，其中IC2切出时其本地电压偏差较大，这是由IC2交流侧的突然空载而导致。
由图9、10可得，在负载突变的调节过程进入稳态时，本发明的控制策略可以实现有功和无功功率按下垂系数的分配；在功率调度和IC2切出的调节过程进入稳态时，本发明的控制策略可以实现有功功率按调度目标的精确分配。由图6到图10可看出微网系统的暂态调节过程在1s内完成。以负载突增时的调节过程为例，暂态过程大体可分为两个阶段，即最初的0.2s时段(图6到图10中①时段)和随后的0.6s时段(②时段)，之后系统进入稳态运行。①时段主要是一次调节(倒下垂控制)起作用，保证暂态过程中的稳定性；当电压幅值和频率的波动平缓后，进入②时段，二次调节(积分环节)开始发挥主要作用，其目的是实现频率和交流母线电压的无差调节，同时使得各IC按下垂系数进行有功和无功功率分配。
由图9、10可看出IC1的动态响应相对较快，能快速响应系统的扰动来调节自身出力，在①时段其无功输出甚至出现了超调，但由于②时段积分环节的作用，在调节过程进入稳态时有功和无功功率仍能够按下垂系数进行分配。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种交直流混合微网接口变换器IC控制方法，其特征在于，
获取所述混合微网中所述IC的个数；
根据下垂系数对所述IC的功率进行第一次调节；所述第一次调节具体为针对无功功率的调节；
根据幅值下垂系数KiU对所述IC的无功功率进行无功功率调节；
根据下垂系数对所述IC的功率进行第二次调节；所述第二次调节具体为针对无功功率和有功功率的调节；
根据频率下垂系数Kif对所述IC的有功功率进行有功功率调节；
根据幅值下垂系数KiU对所述IC的无功功率进行无功功率调节；
所述频率下垂系数Kif和所述幅值下垂系数KiU满足第一约束条件，所述第一约束条件具体为：
其中，Kif为频率下垂系数，KiU为幅值下垂系数，Pi为第i台逆变器的有功功率实际输出给定值，Pi0为第i台逆变器的有功功率基准值，Pimax为第i台逆变器的最大有功功率，Qi为第i台逆变器的无功功率实际输出给定值，Qi0第i台逆变器的无功功率基准值，Qimax为第i台逆变器的最大无功功率，fN为第i台逆变器的频率基准值，f为第i台逆变器的频率，fmax为第i台逆变器基准频率最大值，UN为第i台逆变器的电压基准幅值，Uimin为第i台逆变器基准电压最小值，Tf和TU为时间积分常数，Ui为第i台逆变器的输出电压，UPCC为所述交直流混合微网的输出电压；
所述第二次调节将交直流混合微网的频率和电压调整至所述交直流混合微网与上一级电网并网运行时的频率和电压。
2.根据权利要求1所述的一种交直流混合微网接口变换器IC控制方法，其特征在于，还包括：
对所述IC的功率按照中央控制器的调度进行第三次调节，所述第三次调节为综合考虑交直流混合微网中的各子网的储能荷电率SOC(state of charge)状态、新能源发电量和负荷大小进行调节。
3.一种交直流混合微网接口变换器IC控制装置，其特征在于，
获取单元，用于获取所述混合微网中所述IC的个数；
第一次调节单元，用于根据下垂系数对所述IC的功率进行第一次调节；所述第一次调节单元，用于根据幅值下垂系数KiU对所述IC的无功功率进行第一次无功功率调节；
第二次调节单元，用于根据下垂系数对所述IC的功率进行第二次调节；所述第二次调节单元，用于根据频率下垂系数Kif对所述IC的有功功率进行第二次有功功率调节，根据幅值下垂系数KiU对所述IC的无功功率进行第二次无功功率调节；
所述频率下垂系数Kif和所述幅值下垂系数KiU满足第一约束条件，所述第一约束条件具体为：
其中，Kif为频率下垂系数，KiU为幅值下垂系数，Pi为第i台逆变器的有功功率实际输出给定值，Pi0为第i台逆变器的有功功率基准值，Pimax为第i台逆变器的最大有功功率，Qi为第i台逆变器的无功功率实际输出给定值，Qi0第i台逆变器的无功功率基准值，Qimax为第i台逆变器的最大无功功率，fN为第i台逆变器的频率基准值，f为第i台逆变器的频率，fmax为第i台逆变器基准频率最大值，UN为第i台逆变器的电压基准幅值，Uimin为第i台逆变器基准电压最小值，Tf和TU为时间积分常数，Ui为第i台逆变器的输出电压，UPCC为所述交直流混合微网的输出电压；
结束单元，用于将所述第二次调节的交直流混合微网的频率和电压调整至所述交直流混合微网与上一级电网并网运行时的频率和电压。
4.根据权利要求3所述的一种交直流混合微网接口变换器IC控制装置，其特征在于，还包括：
第三次调节单元，用于对所述IC的功率按照中央控制器的调度进行第三次调节，综合考虑交直流混合微网中的各子网的储能荷电率SOC(state of charge)状态、新能源发电量和负荷大小进行调节。
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