CN107591848B - 一种下垂控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子控制技术领域，特别涉及一种下垂控制方法和系统，在传统下垂控制的基础上引入具有发电机调速特性的调速步骤、电压惯性步骤和频率惯性步骤，进一步提升了分布式发电单元的刚性；在调速步骤中增加有功下垂调节步骤，使分布式发电单元具有有功下垂特性；引入电磁方程，改变分布式发电单元输出阻抗特性；通过电压电流双闭环控制实现电源输出电压精确快速反应指令信号；本发明可以运用于基于多电源并联领域、岸电领域和新能源微电网领域等领域，能满足多个分布式发电单元间并联、或与多种电源间的稳定并联运行。

Description

一种下垂控制方法和系统

技术领域

本发明涉及电力电子控制技术领域，特别涉及一种下垂控制方法和系统。

背景技术

因为环境问题的迫切需要，近年来新能源和储能发电越来越受到研究人员的关注。为了提高发电系统的利用率和稳定性，基于新能源和储能的分布式发电单元是一种可行选择，而由多个分布式发电单元组成的微电网则能够提高系统容量以及能更好的进行能量管理。

传统下垂控制策略模拟了同步发电机的稳态下垂特性，因其结构简单，并且具有功率自调节能力(根据频率调节有功功率，根据电压调节无功功率)，因此传统下垂控制能广泛运用在微电网中。但该策略缺少足够的惯性，所以在与具有较大惯性的柴油发电机并联时，或接入刚性电网时，因两者特性的不同会带来较大的暂态功率冲击；当电流源接入时，功率冲击对电压和频率的影响无法避免，降低了系统运行的稳定性；且如果下垂系数设计不当，多台分布式发电单元直接并联可能直接导致系统不稳定。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种下垂控制方法和系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种下垂控制方法，包括如下步骤：

S1、有功下垂调节步骤，所述有功下垂调节步骤模拟同步发电机静态有功下垂调节特性，根据有功功率实时改变输出角频率；根据功率大小实时改变输出转矩，为频率惯性环节提供转矩信号；

S2、惯性发电机调速步骤，所述惯性发电机调速步骤模拟柴油发电机的调速特性；

S3、频率惯性步骤，所述频率惯性步骤模拟虚拟同步发电机中的转子运动方程，将阻尼系数和转动惯量简化为一阶惯性环节中的参数；并通过一阶惯性环节减小有功功率对频率的影响，最终输出具有惯性的角频率信号；

S4、无功下垂调节步骤，所述无功下垂调节步骤模拟同步发电机静态无功下垂调节特性，根据无功功率大小实时改变输出电压大小；

S5、引入电磁方程，所述电磁方程中加入虚拟阻抗模拟分布式发电单元的输出阻抗，通过修改虚拟阻抗参数，改变分布式发电单元中的输出阻抗特性；输出电压数据为电压惯性步骤提供输入信号。

S6、电压惯性步骤，所述电压惯性步骤采用一阶惯性环节减小无功功率对电压的影响，输出具有惯性的电压信号。

作为一种优选方式，还包括步骤：

S7、双闭环控制步骤，所述双闭环控制步骤具体为电压电流双闭环控制；其中，电压电流双闭环控制中外环为电压环PI控制，内环为电流环PI控制，控制信号通过SVPWM调制输出脉冲信号。

作为一种改进，所述有功下垂调节步骤包括一有功下垂调节方程：

(P_s-P)d_ω+ω_s＝ω_ref

式中Ps、P、dω和ωs分别为给定有功功率、分布式发电单元输出有功功率、有功下垂系数和给定角频率。

作为进一步的改进，所述惯性发电机调速步骤包括调速控制器、执行器和柴油机三个模块共同完成；调速控制器为PI控制，其方程为：

式中kdp和kdi分别为调速控制器的比例控制参数和积分控制参数；

执行器将调速控制器输出的信号转换成柴油机的轴位移信号，该环节和惯性发电机简化为一阶惯性环节，该环节方程为：

式中Kμ和Td分别为执行器的等效增益系数和柴油机的延时常数；通过增益系数kT可以得到输出机械转矩。

进一步的，所述频率惯性步骤包含一个一阶惯性方程，该方程为：

式中a和λ分别为增益系数和延时常数。

更进一步的，所述无功下垂调节步骤的无功下垂调节方程为

(Q_s-Q)d_V+V_s＝V

式中Qs、Q、dV和Vs分别为给定无功功率、分布式发电单元输出无功功率、无功下垂系数和给定电压。

作为一种改进，所述电磁方程中加入了虚拟阻抗，改变分布式发电单元的输出线路阻抗特性，其方程为：

式中Rs和Ls为虚拟电阻和虚拟电抗；iod和ioq分别为三相电感电流进dq变换后的d轴电感电流和q轴电感电流。

作为一种改进，所述电压惯性步骤也包含一个一阶惯性方程，该方程为

式中η为延时常数。

具体的，所述惯性发电机为内燃机发电机，具体为柴油发电机。

一种下垂控制系统，包括：

有功下垂调节模块，所述有功下垂调节模块模拟同步发电机静态有功下垂调节特性，根据有功功率实时改变输出角频率；根据功率大小实时改变输出转矩，为频率惯性环节提供转矩信号；

惯性发电机调速模块，所述惯性发电机调速模块模拟柴油发电机的调速特性；

频率惯性模块，所述频率惯性模块模拟虚拟同步发电机中的转子运动方程，将阻尼系数和转动惯量简化为一阶惯性环节中的参数；并通过一阶惯性环节减小有功功率对频率的影响，最终输出具有惯性的角频率信号；

无功下垂调节模块，所述无功下垂调节模块模拟同步发电机静态无功下垂调节特性，根据无功功率大小实时改变输出电压大小；

引入电磁方程，所述电磁方程中加入虚拟阻抗模拟分布式发电单元的输出阻抗，通过修改虚拟阻抗参数，改变分布式发电单元中的输出阻抗特性；输出电压数据为电压惯性模块提供输入信号。

电压惯性模块，所述电压惯性模块采用一阶惯性环节减小无功功率对电压的影响，输出具有惯性的电压信号。

本发明公开了一种下垂控制方法和系统，在传统下垂控制的基础上引入具有发电机调速特性的调速步骤、电压惯性步骤和频率惯性步骤，进一步提升了分布式发电单元的刚性；在调速步骤中增加有功下垂调节步骤，使分布式发电单元具有有功下垂特性；引入电磁方程，改变分布式发电单元输出阻抗特性；通过电压电流双闭环控制实现电源输出电压精确快速反应指令信号；本发明可以运用于基于多电源并联领域、岸电领域和新能源微电网领域等领域，能满足多个分布式发电单元间并联、或与多种电源间的稳定并联运行。

附图说明

图1是本发明一种下垂控制方法示意框图；

图2是本发明一种下垂控制方法明细示意框图；

图3是本发明一种下垂控制方法中电压电流双闭环控制框图；

图4是本发明一种下垂控制系统示意框图；

图5是本发明一种下垂控制系统应用在微电网中的结构框图。

具体实施方式

以下结合图1至图5具体说明本发明提供的一种下垂控制方法和系统。

为了更好的说明本发明的技术方案，结合图1-2所示，本发明提供具体实施例一种下垂控制方法，包括如下步骤：

S1、有功下垂调节步骤，所述有功下垂调节步骤模拟同步发电机静态有功下垂调节特性，根据有功功率实时改变输出角频率；根据功率大小实时改变输出转矩，为频率惯性环节提供转矩信号；

S2、惯性发电机调速步骤，所述惯性发电机调速步骤模拟柴油发电机的调速特性；

S3、频率惯性步骤，所述频率惯性步骤模拟虚拟同步发电机中的转子运动方程，将阻尼系数和转动惯量简化为一阶惯性环节中的参数；并通过一阶惯性环节减小有功功率对频率的影响，最终输出具有惯性的角频率信号；

S4、无功下垂调节步骤，所述无功下垂调节步骤模拟同步发电机静态无功下垂调节特性，根据无功功率大小实时改变输出电压大小；

S5、引入电磁方程，所述电磁方程中加入虚拟阻抗模拟分布式发电单元的输出阻抗，通过修改虚拟阻抗参数，改变分布式发电单元中的输出阻抗特性；输出电压数据为电压惯性步骤提供输入信号。

S6、电压惯性步骤，所述电压惯性步骤采用一阶惯性环节减小无功功率对电压的影响，输出具有惯性的电压信号。

如图3所示，作为一种优选实施例，还包括步骤：

S7、双闭环控制步骤，所述双闭环控制步骤具体为电压电流双闭环控制；其中，电压电流双闭环控制中外环为电压环PI控制，内环为电流环PI控制，控制信号通过SVPWM调制输出脉冲信号。

电压电流双闭环控制为dq轴控制，忽略dq轴间耦合，因两者对称，所以dq轴控制参数相同。

作为一种优选方式，所述有功下垂调节步骤包括一有功下垂调节方程：

(P_s-P)d_ω+ω_s＝ω_ref

式中Ps、P、dω和ωs分别为给定有功功率、分布式发电单元输出有功功率、有功下垂系数和给定角频率。

作为进一步改进的实施例，所述惯性发电机调速步骤包括调速控制器、执行器和柴油机三个模块共同完成；调速控制器为PI控制，其方程为：

式中kdp和kdi分别为调速控制器的比例控制参数和积分控制参数；

执行器将调速控制器输出的信号转换成柴油机的轴位移信号，该环节和惯性发电机简化为一阶惯性环节，该环节方程为：

式中Kμ和Td分别为执行器的等效增益系数和柴油机的延时常数；通过增益系数kT可以得到输出机械转矩。

进一步的，所述频率惯性步骤包含一个一阶惯性方程，该方程为：

式中a和λ分别为增益系数和延时常数。

作为本发明一个较优实施例，所述无功下垂调节步骤的无功下垂调节方程为

(Q_s-Q)d_V+V_s＝V

式中Qs、Q、dV和Vs分别为给定无功功率、分布式发电单元输出无功功率、无功下垂系数和给定电压。

作为一种改进，所述电磁方程中加入了虚拟阻抗，改变分布式发电单元的输出线路阻抗特性，其方程为：

式中Rs和Ls为虚拟电阻和虚拟电抗；iod和ioq分别为三相电感电流进dq变换后的d轴电感电流和q轴电感电流。

作为本发明的一个较优实施例，所述电压惯性步骤也包含一个一阶惯性方程，该方程为

式中η为延时常数。

具体的，所述惯性发电机为内燃机发电机，具体为柴油发电机。

如图4所示，本发明还提供另一实施例，一种下垂控制系统，包括：

有功下垂调节模块，所述有功下垂调节模块模拟同步发电机静态有功下垂调节特性，根据有功功率实时改变输出角频率；根据功率大小实时改变输出转矩，为频率惯性环节提供转矩信号；

惯性发电机调速模块，所述惯性发电机调速模块模拟柴油发电机的调速特性；

频率惯性模块，所述频率惯性模块模拟虚拟同步发电机中的转子运动方程，将阻尼系数和转动惯量简化为一阶惯性环节中的参数；并通过一阶惯性环节减小有功功率对频率的影响，最终输出具有惯性的角频率信号；

无功下垂调节模块，所述无功下垂调节模块模拟同步发电机静态无功下垂调节特性，根据无功功率大小实时改变输出电压大小；

引入电磁方程，所述电磁方程中加入虚拟阻抗模拟分布式发电单元的输出阻抗，通过修改虚拟阻抗参数，改变分布式发电单元中的输出阻抗特性；输出电压数据为电压惯性模块提供输入信号。

电压惯性模块，所述电压惯性模块采用一阶惯性环节减小无功功率对电压的影响，输出具有惯性的电压信号。

为了更进一步的阐述本发明的技术方案，本发明还提供一个应用在微电网中的具体实施例，如图5所示，该微电网由储能分布式发电单元、柴油发电机组、光伏逆变电源、电网和负载组成。其中ud和Cd分别为储能电池直流电压和直流电容；ilk、uok、iok、usk(k＝a,b,c)分别为电感电流、分布式发电单元输出电压、分布式发电单元输出电流、微网公共点电压；Lk和Ck分别为滤波电感和滤波电容；Δωs、ωos和ωds分别为预同步相位补偿信号、微网公共点电压检测相位信号和分布式发电单元输出电压检测相位信号；P和Q分别为分布式发电单元输出有功功率和分布式发电单元输出无功功率；s1、s2、s3、s4和s5分别为光伏逆变电源线路开关、电网线路开关、柴油发电机组线路开关、负载线路开关和储能分布式发电单元线路开关。采用新型改进下垂控制策略可以实现微电网中分布式发电单元与多种电源间的稳定并联运行，微电网系统并/离网运行步骤为：

(1)并网运行

步骤1：首先开关s2闭合，让电网接入微电网主电路，使得公共点电压为电网电压。

步骤2：然后同时闭合开关s1和s3，让光伏逆变电源和柴油发电机组同时并网。

此时，储能分布式发电单元数字控制系统中的锁相环同时检测本发电单元输出电压相位信号和公共点电压相位信号，并通过锁相环得到预同步相位补偿信号。锁相环控制结构框图如图5所示，该锁相环较为简单：只需利用电压进行dq轴坐标变换，并对q轴电压采用PI控制，保证q轴电压接近0，得到的输出相位为所检测的电压相位。

步骤3：当检测到多个周期的相位信号ωds和ωos基本相等后，说明储能分布式发电单元已经成功与微网公共点同步，开关控制器控制s5闭合，此时储能分布式发电单元接入微网。

步骤4：储能分布式发电单元接入微网后，不再接收锁相环相位信号，通过计算本单元输出有功功率和无功功率调节自身输出频率和电压，反过来实现功率自调节。因此储能分布式发电单元可根据公共点电压幅值大小及其频率大小改变自身输出功率大小和方向。其中功率计算方程为

式中uod、uoq、iod和ioq为分布式发电单元的输出电压和输出电流进过dq坐标变换后的dq轴电压和dq轴电流。

(2)离网运行

步骤5：在微电网并网运行时，闭合开关s4，整个系统给负载供电。

步骤6：此时直接切除电网(开关s2断开)，便可实现微电网离网运行。

步骤7：当负载所需功率小于柴油发电机组和光伏逆变电源输出功率时，储能分布式发电单元可吸收多余功率；而当负载所需功率大于柴油发电机组和光伏逆变电源输出功率时，储能分布式发电单元可补充剩余所需功率。

通过以上步骤，实现了微电网中分布式发电单元与多种电源间的并联运行；因采用改进下垂控制可以提高分布式发电单元的刚性，引入虚拟阻抗改变了分布式发电单元的输出阻抗特性，因此在并/离网切换时和功率调节过程中整个微网系统能够稳定运行。

经过试验验证，本发明真实可行，能够达到本发明所称效果。

本发明公开了一种下垂控制方法和系统，在传统下垂控制的基础上引入具有发电机调速特性的调速步骤、电压惯性步骤和频率惯性步骤，进一步提升了分布式发电单元的刚性；在调速步骤中增加有功下垂调节步骤，使分布式发电单元具有有功下垂特性；引入电磁方程，改变分布式发电单元输出阻抗特性；通过电压电流双闭环控制实现电源输出电压精确快速反应指令信号；本发明可以运用于基于多电源并联领域、岸电领域和新能源微电网领域等领域，能满足多个分布式发电单元间并联、或与多种电源间的稳定并联运行。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种下垂控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、有功下垂调节步骤，所述有功下垂调节步骤模拟同步发电机静态有功下垂调节特性，根据有功功率实时改变输出角频率；根据功率大小实时改变输出转矩，为频率惯性环节提供转矩信号；

S2、惯性发电机调速步骤，所述惯性发电机调速步骤模拟柴油发电机的调速特性；

S3、频率惯性步骤，所述频率惯性步骤模拟虚拟同步发电机中的转子运动方程，将阻尼系数和转动惯量简化为一阶惯性环节中的参数；并通过一阶惯性环节减小有功功率对频率的影响，最终输出具有惯性的角频率信号；

S4、无功下垂调节步骤，所述无功下垂调节步骤模拟同步发电机静态无功下垂调节特性，根据无功功率大小实时改变输出电压大小；

S5、引入电磁方程，所述电磁方程中加入虚拟阻抗模拟分布式发电单元的输出阻抗，通过修改虚拟阻抗参数，改变分布式发电单元中的输出阻抗特性；输出电压数据为电压惯性步骤提供输入信号；

S6、电压惯性步骤，所述电压惯性步骤采用一阶惯性环节减小无功功率对电压的影响，输出具有惯性的电压信号。

2.如权利要求1所述下垂控制方法，其特征在于，还包括步骤：

S7、双闭环控制步骤，所述双闭环控制步骤具体为电压电流双闭环控制；其中，电压电流双闭环控制中外环为电压环PI控制，内环为电流环PI控制，控制信号通过SVPWM调制输出脉冲信号。

3.如权利要求1或2所述的下垂控制方法，其特征在于，所述有功下垂调节步骤包括一有功下垂调节方程：

(P_s-P)d_ω+ω_s＝ω_ref

式中Ps、P、dω和ωs分别为给定有功功率、分布式发电单元输出有功功率、有功下垂系数和给定角频率，ω_ref为参考角频率。

4.如权利要求1或2所述的下垂控制方法，其特征在于，所述惯性发电机调速步骤包括调速控制器、执行器和柴油机三个模块共同完成；调速控制器为PI控制，其方程为：

式中kdp和kdi分别为调速控制器的比例控制参数和积分控制参数；

执行器将调速控制器输出的信号转换成柴油机的轴位移信号，该环节和惯性发电机简化为一阶惯性环节，该环节方程为：

式中Kμ和Td分别为执行器的等效增益系数和柴油机的延时常数；通过增益系数kT可以得到输出机械转矩。

5.如权利要求1或2所述的下垂控制方法，其特征在于，所述频率惯性步骤包含一个一阶惯性方程，该方程为：

式中a和λ分别为增益系数和延时常数。

6.如权利要求1或2所述的下垂控制方法，其特征在于，所述无功下垂调节步骤的无功下垂调节方程为

(Q_s-Q)d_V+V_s＝V

式中Qs、Q、dV和Vs分别为给定无功功率、分布式发电单元输出无功功率、无功下垂系数和给定电压。

7.如权利要求1或2所述的下垂控制方法，其特征在于，所述电磁方程中加入了虚拟阻抗，改变分布式发电单元的输出线路阻抗特性，其方程为：

式中Rs和Ls为虚拟电阻和虚拟电抗；id和iq分别为三相电感电流进dq变换后的d轴电感电流和q轴电感电流，V为参考电压。

8.如权利要求1或2所述的下垂控制方法，其特征在于，所述电压惯性步骤也包含一个一阶惯性方程，该方程为

式中η为延时常数。

9.一种下垂控制系统，其特征在于，包括：

有功下垂调节模块，所述有功下垂调节模块模拟同步发电机静态有功下垂调节特性，根据有功功率实时改变输出角频率；根据功率大小实时改变输出转矩，为频率惯性环节提供转矩信号；

惯性发电机调速模块，所述惯性发电机调速模块模拟柴油发电机的调速特性；

频率惯性模块，所述频率惯性模块模拟虚拟同步发电机中的转子运动方程，将阻尼系数和转动惯量简化为一阶惯性环节中的参数；并通过一阶惯性环节减小有功功率对频率的影响，最终输出具有惯性的角频率信号；

无功下垂调节模块，所述无功下垂调节模块模拟同步发电机静态无功下垂调节特性，根据无功功率大小实时改变输出电压大小；

引入电磁方程，所述电磁方程中加入虚拟阻抗模拟分布式发电单元的输出阻抗，通过修改虚拟阻抗参数，改变分布式发电单元中的输出阻抗特性；输出电压数据为电压惯性模块提供输入信号；

电压惯性模块，所述电压惯性模块采用一阶惯性环节减小无功功率对电压的影响，输出具有惯性的电压信号。

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