CN106253265A - 一种含分布式电源的微电网系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种含分布式电源的微电网系统，包括改进的PQ控制模块和Droop控制模；所述改进的PQ控制模块是由输入输出模块、锁相环模块、dq变换模块、电流内环控制模块以及功率外环控制模块构成；所述Droop控制模块是由dq变换模块、功率计算模块、功率控制模块、电压电流双环控制模块构成；本发明通过研究分析，提出了基于PQ控制的含分布式电源微电网控制方法，并进行了仿真分析，在PQ控制模块中建立的锁相环模块具有良好的反馈和同步性能，内环使用了PI控制环节，大大的改善了电流环和功率换的控制性能；Droop控制模型，满足P‑V、Q‑f控制特性，参有效的参与微电网的孤岛运行调节，能够满足微电网的控制要求。

Description

一种含分布式电源的微电网系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及化学催化剂技术领域，具体是涉及一种含分布式电源的微电网系统及其控制方法。

背景技术

随着电网规模的不断扩大与电压等级的不断提升，能源的过量使用开采以及环境问题的频发，远距离大规模发输变配电的电力系统运行弊端性以及电网稳定性问题越来越倍受关注，传统电力建设维护成本要求高，运行难度大，并且很难满足用户对用电多样化的供电需求及可靠性与安全性的要求。基于此，分布式电源发电技术应运而生，分布式电源优势很多，适应了能源分布与分散电力的需求，它污染小、可靠性高、能源利用率高并且比较灵活，可以大大地改善大电网的供电稳定性。

尽管分布式电源的优点突出，但其缺点也是显而易见的，首先分布式电源具有随机波动的特点，并且分布式电源的单机接入成本高、控制困难，分布式电源的接入电网会引起电压和频率的波动，导致大电网的供电质量下降；其次由于分布式电源的不可控性和随机性，一旦电网发生故障，分布式电源必须要立刻与大电网断开，并且分布式电源接入与退出引起的分布式电源的输出功率短时巨变都会带来电压的闪变问题等等。分布式电源不能得到充分的利用，新能源的发展受阻，基于此，微电网(Microgrid)可以形成一个将小的功率发电单元与储能装置以及负荷等连接起来的控制系统。

实践研究证明，将分布式发电系统以微网的形式并网运行，可以使微电网与大电网相互支撑互为备用，能增加供电系统的供电可靠性、灵活性、经济性、能满足当今社会的供电需求。

分布式电源与微电网技术在当前社会具有很重要的意义。研究含分布式电源的微电网功率控制作为研究微电网控制技术研究的重要一环对微电网的发展具有重要意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种含分布式电源的微电网系统及其控制方法，大大的改善了电流环和功率换的控制性能，有效的参与微电网的孤岛运行调节，能够满足微电网的控制要求。

本发明的技术方案是：一种含分布式电源的微电网系统，包括改进的PQ控制模块和Droop控制模；所述改进的PQ控制模块是由输入输出模块、锁相环模块、dq变换模块、电流内环控制模块以及功率外环控制模块构成；所述Droop控制模块是由dq变换模块、功率计算模块、功率控制模块、电压电流双环控制模块构成；所述dq变换模块是利用坐标变换，将三相对称静止坐标系(a，b，c)转换成两相同步旋转坐标系(d，q)；所述功率计算模块其功能是实现有功功率和无功功率的解耦，将功率控制问题转化为电压或者电流的控制问题，功率计算环节利用测量模块采集的负荷点电压和电流，计算出微电源输出的瞬时有功、无功功率；所述改进的PQ控制模块和Droop控制模是分别作用的，开关闭合时并网，此时完成PQ控制，断开时是离网，此时属于Droop控制，即当并网运行时，微电网内的各个微电源只需控制功率的输出以保证微电网内部功率的平衡，由于微电网的总体容量相对于主电网来说较小，因此电压水平和额定频率都由主电网来支持和和调节，Droop控制模块针对离网时应用，当孤岛运行时，微电网和主电网连接断开，此时微电网内部要保特电压和频率的额定值，就需要某个或几个分布式电源担当主电网的角色来调节额定电压和频率。

进一步地，所述PQ控制模块是由DQ&PLL&Measure模块和Power loop模块封装而成，DQ&PLL&Measure本模块的输出是Power loop的输入。Power loop的输出信号经过z变换后，再通过Discrete 3-phase PWMGenerator得到一个逆变的反馈信号给输入，进而达到控制的目的。所述DQ&PLL&Measure模块是由输入信号模块(Inputs)、PLL&DQTransform模块、输出信号模块(Outputs)组成，Inputs的输出信号为PLL&DQTransform模块的输入，Outputs模块为输出信号，它即是DQ&PLL&Measure的输出信号。其它都是matlab中自带的。

一种含分布式电源的微电网系统的控制方法为，通过改进的PQ控制法和Droop控制方法相结合，具体控制方法如下：

1)开关闭合，并网，此时完成PQ控制：

a.电流内环控制模块采用PI控制器使稳态误差为0，对电流或者电压进行控制，通过控制逆变器的相关参数以保证DG的输出有功和无功功率保持为恒定值；

b.功率外环控制模块使用电压型逆变器，其输出为电压信号，用输入的调制信号来控制输出电压，将电流控制信号转化为电压控制信号，经过派克变化，将三相电压变换到旋转坐标系后，得到逆变器电压方程，通过有功功率和无功功率的解耦，将功率控制问题转化为电压或者电流的控制问题；

c.再通过锁相环模块来采集逆变器的出口电流并且跟踪其变化，然后Park变换；

d.通过dq变换模块实现三相交流的电压或者电流变换到dq坐标系，令并网逆变器输出三相基波电压U，实现PQ控制；

2)开关断开，离网，此时完成Droop控制：

a.dq变换模块利用坐标变换，为了便于对逆变器交流侧时变交流量的控制，将三相对称静止坐标系(a，b，c)转换成两相同步旋转坐标系(d，q)，这样原来三相静止坐标系中的基波正弦量转化成了两相同步旋转坐标系中的直流量；

b.功率计算模块利用测量模块采集的负荷点电压和电流，计算出微电源输出的瞬时有功、无功功率；

c.功率控制模块的功率为微电源输出的平均功率，逆变电源的额定输出功率P_n，电网额定频率f_n,幅值U₀，经下垂控制得到其输出的电压U和频率f；

d.用得到的f、U经过相应的控制环节得到逆变器出口的电压，再经park变换得到分量u_dref、u_qref,之后再通过电压电流双环控制环节和dq反变换得到逆变器的输入信号。

进一步地，在上述方案中，所述锁相环模块是利用反馈控制原理实现频率及相位的同步技术，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，用来检测电压的相位和频率的。

进一步地，在上述方案中，所述dq变换模块其功能是利用坐标变换，为了便于对逆变器交流侧时变交流量的控制，将三相对称静止坐标系(a，b，c)转换成两相同步旋转坐标系(d，q)，这样原来三相静止坐标系中的基波正弦量转化成了两相同步旋转坐标系中的直流量。

式中，U_M为每一项电压的幅值。u_a、u_b、u_c为三相电压根据派克变换的转变公式，可以得到转变到旋转坐标系转换的公式为：

P_abc→dq为坐标变换矩阵，由此可以得到：

dq变换模块即利用dq变换原理利用matalb进行搭建的模块。

进一步地，在上述方案中，所述电流内环控制模块在微电网并网时，采用前馈补偿措施，独立的控制d轴和q轴的电流变量，消除交叉耦合项的干扰；通过PI控制器的电流和参考电流值比较，然后来再对逆变器进行控制。

进一步地，在上述方案中，在功率外环控制模块中通常使用电压型逆变器，其输出为电压信号，用输入的调制信号来控制输出电压，将电流控制信号转化为电压控制信号，经过派克变化，将三相电压变换到旋转坐标系后，得到逆变器电压方程，可以用一下式子来表示：

式中：ω反应馈线中电压的频率，通过有功功率和无功功率的解耦，将功率控制问题转化为电压或者电流的控制问题。

进一步地，在上述方案中，所述功率控制模块中对平均功率P和Q的要求是：0≤P≤P_max和-Q_max≤Q≤Q_max。

进一步地，在上述方案中，所述电压电流双环控制模块的输入为参考电压的d轴和q轴的分量，输出为逆变器驱动开关的电压控制信号。

本发明的有益效果是：本发明通过研究分析，提出了基于PQ控制的含分布式电源微电网控制方法，并进行了仿真分析，在离网情况下建立了基于Droop的微电网控制方法，分别应用配电网系统控制系统，利用坐标变换法实现功率向电流的转换；建立了PQ控制、Droop控制两种控制方式，其中在PQ控制模块中建立的锁相环模块具有良好的反馈和同步性能，内环使用了PI控制环节，大大的改善了电流环和功率换的控制性能；Droop控制模型，满足P-V、Q-f控制特性，参有效的参与微电网的孤岛运行调节，能够满足微电网的控制要求。

附图说明

图1是dq变换原理图；

图2是是PQ控制模块；

图3是DQ&PLL&Measure模块和Power loop模块；

图4是DQ&PLL&Measure内部连接关系；

图5是功率控制模块；

图6是Droop控制仿真模型；

图7是微电源输出有功功率图；

图8是微电源输出无功功率图。

其中，K为开关、V_abc为输入电压、I_abc为输入电流、Q_ref②为无功功率参考值、P_ref①为有功功率参考值、Freq②为输出频率标幺值、Ppu④为有功功率标幺值、Qpu⑤为分无功功率标幺值、Inputs为输入信号模块、PLL&DQTransform模块、Outputs为输出信号模块。

具体实施方式

下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明：

一种含分布式电源的微电网系统，包括改进的PQ控制模块和Droop控制模；如图2所示，所述改进的PQ控制模块是由输入输出模块、锁相环模块、dq变换模块、电流内环控制模块以及功率外环控制模块构成；所述Droop控制模块是由dq变换模块、功率计算模块、功率控制模块、电压电流双环控制模块构成；所述dq变换模块是利用坐标变换，将三相对称静止坐标系(a，b，c)转换成两相同步旋转坐标系(d，q)；所述功率计算模块其功能是实现有功功率和无功功率的解耦，将功率控制问题转化为电压或者电流的控制问题，功率计算环节利用测量模块采集的负荷点电压和电流，计算出微电源输出的瞬时有功、无功功率；所述改进的PQ控制模块和Droop控制模是分别作用的，开关闭合时并网，此时完成PQ控制，断开时是离网，此时属于Droop控制，即当并网运行时，微电网内的各个微电源只需控制功率的输出以保证微电网内部功率的平衡，由于微电网的总体容量相对于主电网来说较小，因此电压水平和额定频率都由主电网来支持和和调节，Droop控制模块针对离网时应用，当孤岛运行时，微电网和主电网连接断开，此时微电网内部要保特电压和频率的额定值，就需要某个或几个分布式电源担当主电网的角色来调节额定电压和频率。

所述PQ控制模块是由DQ&PLL&Measure模块和Power loop模块封装而成，如图3所示，DQ&PLL&Measure模块的输出是Power loop模块的输入。Powerloop模块的输出信号经过z变换后，再通过Discrete 3-phase PWMGenerator得到一个逆变的反馈信号给输入，进而达到控制的目的。

如图4所示，所述DQ&PLL&Measure模块是由输入模块(Inputs)、PLL&DQTransform模块、输出信号模块(Outputs)组成，Inputs的输出信号为PLL&DQTransform模块的输入，Outputs模块为输出信号，它即是DQ&PLL&Measure的输出信号。其它都是matlab中自带的。

一种含分布式电源的微电网系统的控制方法为，通过改进的PQ控制法和Droop控制方法相结合，具体控制方法如下：

1)开关闭合，并网，此时完成PQ控制：

a.电流内环控制模块采用PI控制器使稳态误差为0，对电流或者电压进行控制，通过控制逆变器的相关参数以保证DG的输出有功和无功功率保持为恒定值；

b.功率外环控制模块使用电压型逆变器，其输出为电压信号，用输入的调制信号来控制输出电压，将电流控制信号转化为电压控制信号，经过派克变化，将三相电压变换到旋转坐标系后，得到逆变器电压方程，通过有功功率和无功功率的解耦，将功率控制问题转化为电压或者电流的控制问题；

c.再通过锁相环模块来采集逆变器的出口电流并且跟踪其变化，然后Park变换；

d.如图1所示，通过dq变换模块实现三相交流的电压或者电流变换到dq坐标系，令并网逆变器输出三相基波电压U，实现PQ控制；

2)开关断开，离网，此时完成Droop控制，如图2所示：

a.dq变换模块利用坐标变换，为了便于对逆变器交流侧时变交流量的控制，将三相对称静止坐标系(a，b，c)转换成两相同步旋转坐标系(d，q)， 这样原来三相静止坐标系中的基波正弦量转化成了两相同步旋转坐标系中的直流量；

b.功率计算模块利用测量模块采集的负荷点电压和电流，计算出微电源输出的瞬时有功、无功功率；

c.如图5所示的功率控制模块，其功率为微电源输出的平均功率，逆变电源的额定输出功率P_n，电网额定频率f_n,幅值U₀，经下垂控制得到其输出的电压U和频率f；

d.用得到的f、U经过相应的控制环节得到逆变器出口的电压，再经park变换得到分量u_dref、u_qref,之后再通过电压电流双环控制环节和dq反变换得到逆变器的输入信号。

所述锁相环模块是利用反馈控制原理实现频率及相位的同步技术，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，用来检测电压的相位和频率的。

所述dq变换模块其功能是利用坐标变换，为了便于对逆变器交流侧时变交流量的控制，将三相对称静止坐标系(a，b，c)转换成两相同步旋转坐标系(d，q)，这样原来三相静止坐标系中的基波正弦量转化成了两相同步旋转坐标系中的直流量。

式中，U_M为每一项电压的幅值。u_a、u_b、u_c为三相电压根据派克变换的转变公式，可以得到转变到旋转坐标系转换的公式为：

P_abc→dq为坐标变换矩阵，由此可以得到：

dq变换模块即利用dq变换原理利用matalb进行搭建的模块。

所述电流内环控制模块在微电网并网时，采用前馈补偿措施，独立的控制d轴和q轴的电流变量，消除交叉耦合项的干扰；通过PI控制器的电流和参考电流值比较，然后来再对逆变器进行控制。

在功率外环控制模块中通常使用电压型逆变器，其输出为电压信号，用输入的调制信号来控制输出电压，将电流控制信号转化为电压控制信号，经过派克变化，将三相电压变换到旋转坐标系后，得到逆变器电压方程，可以用一下式子来表示：

式中：ω反应馈线中电压的频率，通过有功功率和无功功率的解耦，将功率控制问题转化为电压或者电流的控制问题。

所述功率控制模块中对平均功率P和Q的要求是：0≤P≤P_max和-Q_max≤Q≤Q_max。

所述电压电流双环控制模块的输入为参考电压的d轴和q轴的分量，输出为逆变器驱动开关的电压控制信号。

如图6所示的Droop控制仿真模型，结合原理图，建立Droop控制的小系统，微电源用直流电源替代，负荷Load1和Load2都采用恒功率负荷，在0.5s时，切除负荷Load2，具体参数设置如下：

表1Droop控制参数设置

微电源在开始工作至稳定工作短暂阶段，由于微电源侧接入的大负载以及电容、电感等储能原件的存在，使得微电源的输出有功功率和无功功率在初始时刻出现冲击性波动，短暂波动后，微电网系统进入稳定工作状态。在0.5s时刻切除Load2,微电源发出的有功和无功从90kW和13kvar减少到75kW和11kvar，显示其功率控制环节具有良好的功率检测跟踪特性。

从对功率波形的波动分析，由Droop控制的设计原理，有功功率的波动会引起电压的短暂波动，无功功率的冲击波动同样会引起系统频率的冲击性波动。

仿真结果分析：

从图7和8看出0.5s时刻切除负载Load2,微电源发出的有功和无功从90kW和13kvar减少到75kW和11kvar，从图7和8可以看出母线电压略有下降，频率由50.38Hz减少到50.32Hz，最大波动为0.06Hz。由此可见Droop控制模型满足P-V和Q-f控制原理，并且能保证电压波动较小，频率变化不大于1％，以上仿真模型表明该Droop控制模型有效。

Claims (8)

1.一种含分布式电源的微电网系统，其特征在于，包括改进的PQ控制模块和Droop控制模；所述改进的PQ控制模块是由输入输出模块、锁相环模块、dq变换模块、电流内环控制模块以及功率外环控制模块构成；所述Droop控制模块是由dq变换模块、功率计算模块、功率控制模块、电压电流双环控制模块构成；所述dq变换模块是利用坐标变换，将三相对称静止坐标系(a，b，c)转换成两相同步旋转坐标系(d，q)；所述功率计算模块其功能是实现有功功率和无功功率的解耦，将功率控制问题转化为电压或者电流的控制问题；所述改进的PQ控制模块和Droop控制模是分别作用的，开关闭合时并网，此时完成PQ控制，断开时是离网，此时属于Droop控制。

2.如权利要求1所述的一种含分布式电源的微电网系统的控制方法，其特征在于，所述系统通过改进的PQ控制法和Droop控制方法相结合，具体控制方法为：

1)开关闭合，并网，此时完成PQ控制：

a.电流内环控制模块采用PI控制器使稳态误差为0，对电流或者电压进行控制，通过控制逆变器的相关参数以保证DG的输出有功和无功功率保持为恒定值；

b.功率外环控制模块使用电压型逆变器，其输出为电压信号，用输入的调制信号来控制输出电压，将电流控制信号转化为电压控制信号，经过派克变化，将三相电压变换到旋转坐标系后，得到逆变器电压方程，通过有功功率和无功功率的解耦，将功率控制问题转化为电压或者电流的控制问题；

c.再通过锁相环模块来采集逆变器的出口电流并且跟踪其变化，然后Park变换；

d.通过dq变换模块实现三相交流的电压或者电流变换到dq坐标系，令并网逆变器输出三相基波电压U，实现PQ控制；

2)开关断开，离网，此时完成Droop控制：

a.dq变换模块利用坐标变换，将三相对称静止坐标系(a，b，c)转换成两相同步旋转坐标系(d，q)，这样原来三相静止坐标系中的基波正弦量转化成了两相同步旋转坐标系中的直流量；

b.功率计算模块利用测量模块采集的负荷点电压和电流，计算出微电源输出的瞬时有功、无功功率；

c.功率控制模块的功率为微电源输出的平均功率，逆变电源的额定输出功率P_n，电网额定频率f_n,幅值U₀，经下垂控制得到其输出的电压U和频率f；

d.用得到的f、U经过相应的控制环节得到逆变器出口的电压，再经park变换得到分量u_dref、u_qref,之后再通过电压电流双环控制环节和dq反变换得到逆变器的输入信号。

3.如权利要求1所述的一种含分布式电源的微电网控制方法，其特征在于，所述锁相环模块是利用反馈控制原理实现频率及相位的同步技术，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，用来检测电压的相位和频率的。

4.如权利要求1所述的一种含分布式电源的微电网控制方法，其特征在于，所述dq变换模块其功能是利用坐标变换，为了便于对逆变器交流侧时变交流量的控制，将三相对称静止坐标系(a，b，c)转换成两相同步旋转坐标系(d，q)，这样原来三相静止坐标系中的基波正弦量转化成了两相同步旋转坐标系中的直流量。

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_{M}cos\left(\mathrm{\ω}t\right)\\ U_{M}cos(\mathrm{\ω}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ U_M\cos (\mathrm{\ω}t+\frac{4\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

式中，U_M为每一项电压的幅值。u_a、u_b、u_c为三相电压根据派克变换的转变公式，可以得到转变到旋转坐标系转换的公式为：

$P_{abc\→dq}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ω}t& \cos \left(\mathrm{\ω}t-\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)& \cos \left(\mathrm{\ω}t+\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)\\ -\sin \mathrm{\ω}t& \sin \left(\mathrm{\ω}t-\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)& -\sin \left(\mathrm{\ω}t+\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)\end{array}\right]$

P_abc→dq为坐标变换矩阵，由此可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=P_{abc\→dq}\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]$

dq变换模块即利用dq变换原理利用matalb进行搭建的模块。

5.如权利要求1所述的一种含分布式电源的微电网控制方法，其特征在于，所述电流内环控制模块在微电网并网时，采用前馈补偿措施，独立的控制d轴和q轴的电流变量，消除交叉耦合项的干扰；通过PI控制器的电流和参考电流值比较，然后来再对逆变器进行控制。

6.如权利要求1所述的一种含分布式电源的微电网控制方法，其特征在于，在功率外环控制模块中通常使用电压型逆变器，其输出为电压信号，用输入的调制信号来控制输出电压，将电流控制信号转化为电压控制信号，经过派克变化，将三相电压变换到旋转坐标系后，得到逆变器电压方程，可以用一下式子来表示：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{nd}\left(t\right)=u_{Ld}\left(t\right)-\left(R_l{i}_{Ld}\left(t\right)+L_l\frac{{\mathrm{di}}_{Ld}\left(t\right)}{dt}-{\mathrm{\ωL}}_l{i}_{Lq}\left(t\right)\right)\\ u_{nq}\left(t\right)=u_{Lq}\left(t\right)-\left(R_l{i}_{Lq}\left(t\right)+L_l\frac{{\mathrm{di}}_{Lq}\left(t\right)}{dt}-{\mathrm{\ωL}}_l{i}_{Ld}\left(t\right)\right)\end{array}\right.$

式中：ω反应馈线中电压的频率，通过有功功率和无功功率的解耦，将功率控制问题转化为电压或者电流的控制问题。

7.如权利要求1所述的一种含分布式电源的微电网控制方法，其特征在于，所述功率控制模块中对平均功率P和Q的要求是：0≤P≤P_max和-Q_max≤Q≤Q_max。

8.如权利要求1所述的一种含分布式电源的微电网控制方法，其特征在于，所述电压电流双环控制模块的输入为参考电压的d轴和q轴的分量，输出为逆变器驱动开关的电压控制信号。