CN107612050A - 一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统及其协调控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统。一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统，其特征在于，包括交流子网、直流子网、耦合变换器单元、交流负荷和直流负荷，交流负荷与交流子网连接，直流负荷与直流子网连接，耦合变换器单元通过交流配电母线与交流子网连接，耦合变换器单元通过直流配电母线与直流子网连接，交流子网通过交流线路阻抗与交流配电母线连接，直流子网通过直流线路阻抗与直流配电母线连接。本发明提供一种上述混合微电网系统的协调控制方法。本发明的协调控制方法充分考虑交、直流子网潮流合理优化分配、稳定运行区域与容量受限等特征，能够适应不同用户的用电需求，并提供虚拟惯性保证系统电压/频率稳定。
Description
技术领域
本发明涉及分布式发电、混合微电网技术领域，更具体地，涉及一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统及其协调控制方法。
背景技术
分布式发电具有污染少、能源利用率高、安装地点灵活、输配电资源和输电线路损耗小等特有优势，逐渐成为未来大型电网的有力补充和有效支撑，是未来电力系统的发展趋势之一，太阳能光伏发电就是其中一种极具应用前景的分布式发电形式。微电网正是充分利用这些分布式能源的价值和效益，将储能装置、电力电子装置、相关负荷和监控保护汇集而成的一种微型发电系统。
分布式微源输出功率的随机和波动性，一定程度上影响微电网的电能质量。同时，一些分布式交流微源相互连接为微电网时，需经过多级环节的能量转换，也影响微电网的运行效率。因此，在微网中建立直流传输线，连接部分微电源及储能系统而形成的直流子网，有利于各微电源间的优势互补与协调控制，从而提高供电质量、减小对主网的影响。而交流子网和直流子网通过耦合变换器连接形成交直流混合型微电网，将充分发挥直流微电网和交流微电网各自优势；另外还可利用耦合变换器的协调作用，提高微电网效率，改善电能质量。因此，混合型微电网已成为微网技术中一种新的研究方向。
针对混合微电网耦合变换器的协调控制策略方面，目前主要的研究是恒功率控制、电压频率-控制和下垂控制，这些控制策略较易实现，但是没有考虑交直流两侧的电网特性。此外，还有基于标幺化的耦合变换器功率传输控制策略，这种方法收到线路参数的影响，系统惯性小，不具有较高的系统可靠性和鲁棒性。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统及其协调控制方法。本发明的协调控制方法充分考虑交、直流子网潮流合理优化分配、稳定运行区域与容量受限等特征，能够适应不同用户的用电需求，并提供虚拟惯性保证系统电压/频率稳定。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统，其中，包括交流子网、直流子网、耦合变换器单元、交流负荷和直流负荷，所述交流负荷与所述交流子网连接，所述直流负荷与所述直流子网连接，所述耦合变换器单元通过交流配电母线与所述交流子网连接，所述耦合变换器单元通过直流配电母线与所述直流子网连接，所述交流子网通过交流线路阻抗与交流配电母线连接，所述直流子网通过直流线路阻抗与直流配电母线连接。
进一步的，所述耦合变换器单元包括DC/AC换流器，以及用于控制所述DC/AC换流器的交直流协调控制器，所述交直流协调控制器灵活控制DC/AC换流器以实现交流子网和直流子网有功功率、无功功率的优化分配，保证系统为稳定运行。
进一步的，为了很好地实现直流/交流(DC/AC)电力变换的能力，所述DC/AC换流器采用典型的三相全桥电压型逆变器，其直流侧与直流子网的直流配电母线相连，交流侧与交流子网的交流配电母线相连，所述DC/AC换流器直流侧设有开关管S1-S6。直流配电母线的母线电压表示为Vdc，交流配电母线的母线电压幅值、频率和角度分别表示为Vacm、fac和θac。
进一步的，所述交直流协调控制器包括相互电连接的功率计算模块、采样归一化模块、虚拟同步电机控制模块、无功-电压控制模块、参考电压生成模块、电压电流控制模块和PWM调制模块。
本发明还提供一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统的协调控制方法，其中，包括如下步骤：
步骤(1)：采样交流配电母线的电压Vac、直流配电母线的电压Vdc、耦合变换器单元的滤波电感电流Iac、滤波电容电压Voac和输出线路电流Ioac；
步骤(2)：采用锁相环技术检测交流配电母线的频率fac；
步骤(3)：通过归一化模块对交流配电母线的频率fac和直流配电母线的电压Vdc进行归一化处理，得到频率标幺值fpu和电压标幺值Vpu；
步骤(4)：将步骤(1)采样的耦合变换器单元的滤波电容电压Voac和输出线路电流Ioac送到功率计算模块，经过滤波处理后得到平均有功功率Po和平均无功功率Qo；
步骤(5)：将归一化模块得到的频率标幺值fpu和电压标幺化值Vpu、功率计算模块得到平均有功功率Po送到虚拟同步电机控制模块，得到耦合变换器单元的输出角频率参考值ωoref；
步骤(6)：将功率计算模块得到平均无功功率Qo送到无功-电压控制模块，得到耦合变换器单元的输出电压幅值参考值Vomref；
步骤(7)：将耦合变换器单元的输出角频率参考值ωoref、输出电压幅值参考值Vomref送到参考电压生成模块，生成耦合变换器单元的参考电压Voref，为电压电流控制模块提供输入值；
步骤(8)：将参考电压生成模块生成的参考电压Voref和耦合变换器单元的滤波电感电流Iac送到电压电流控制模块，进行双闭环控制，得到控制信号，提高逆变器自身动态响应，为PWM调制模块提供逆变器内电压参考；
步骤(9)：将步骤(8)得到的控制信号送到PWM调制模块，采用基本脉冲宽度调制技术(PWM)，将三相静止坐标系下的控制信号调制输出得到三相全桥电压型逆变器的开关管控制信号，开关管控制信号经过外部驱动电路输出脉冲信号控制开关管S1-S6的通断。
进一步的，交流子网的有功功率与频率相关，直流子网的有功功率与电压相关，为了实现交流子网和直流子网的有功传输，交流配电母线的频率和直流配电母线的电压需要进行归一化处理。所述步骤(3)中，交流配电母线的频率fac和直流配电母线的电压Vdc的归一化策略表示为：
其中，fpu、Vpu分别为交流配电母线的频率fac和直流配电母线的电压Vdc进行归一化后的频率标幺值和电压标幺值，fmax、fmin分别为交流配电母线频率的最大值和最小值，Vmax、Vmin分别为直流配电母线电压的最大值和最小值。
进一步的，所述步骤(4)中平均有功功率Po和平均无功功率Qo的表达式如下：
其中，V′oac为Voac滞后90度的电压，τ为功率低通滤波常数，S为拉普拉斯算子；
进一步的，所述步骤(5)中，为了很好地实现交子网和直流子网的有功功率合理优化调动分配、系统电压频率稳定以及系统容量输出特性，虚拟同步电机控制模块的控制策略表示为：
其中，J为耦合变换器单元采用的虚拟同步电机控制的虚拟惯量，ω*、ωoref为耦合变换器单元输出电压的角频率额定值和参考值，kp、ki分别为耦合变换器单元采用的虚拟同步电机控制的比例系数和微分系数，adc、aac分别为直流子网和交流子网的有功功率传输因子，D为耦合变换器单元采用的虚拟同步电机控制的阻尼值。
在虚拟同步电机控制模块中，adc、aac可以根据交流子网和直流子网的容量限制设置其大小。当交流子网和直流子网的容量一致时，可设置adc＝aac，当交流子网和直流子网的容量不一致时，可设置交流子网和直流子网的有功功率传输因子与对应子网的容量成为反比。系统达到稳态时，有功功率传输因子与交流配电母线频率标幺值、直流配电母线电压标幺值的关系为：
进一步的，所述步骤(6)中，为了很好地实现直流子网向交流子网提供合适的无功功率，保证交流子网的电压质量和无功支撑，无功-电压控制模块的控制策略为：
其中，kv为耦合变换器单元采用的无功-电压控制的积分系数，V*、Vomref为耦合变换器单元输出电压幅值的额定值和参考值，Qref为耦合变换器单元输出无功功率的给定值，n为直流子网向交流子网传输无功功率的系数；
在无功-电压控制模块中，n可以根据耦合变换器的无功容量限制，确定直流子网向交流子网传输无功功率的大小；系统达到稳态时，无功功率传输系数与传输的无功功率值关系为：
进一步的，所述步骤(7)中，参考电压生成模块生成参考电压的公式为：
Voref＝Vomrefsin(ωoreft)
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的基于虚拟同步电机的混合微电网系统的协调控制方法简单、容易实现、控制灵活且稳定可靠。
本发明提供的基于虚拟同步电机的混合微电网系统的协调控制方法能够考虑混合微电网系统交流子网和直流子网的容量限制特性，实现交直流子网有功潮流和无功潮流合理优化调动分配。
本发明提供的基于虚拟同步电机的混合微电网系统，整体系统的设计为混合微电网系统耦合变换器提供较大的虚拟惯性，具有抑制扰动的能力，提供系统可靠性和鲁棒性。
附图说明
图1是本发明的混合微电网系统的整体控制原理框图。
图2是本发明的交直流协调控制器的控制原理框图。
图3是本发明的虚拟同步电机控制原理框图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图1所示，一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统，其中，包括交流子网1、直流子网2、耦合变换器单元、交流负荷和直流负荷，所述交流负荷与所述交流子网1连接，所述直流负荷与所述直流子网2连接，所述耦合变换器单元通过交流配电母线与所述交流子网1连接，所述耦合变换器单元通过直流配电母线与所述直流子网2连接，所述交流子网1通过交流线路阻抗与交流配电母线连接，所述直流子网2通过直流线路阻抗与直流配电母线连接。
如图1所示，所述耦合变换器单元包括DC/AC换流器3，以及用于控制所述DC/AC换流器3的交直流协调控制器4，所述交直流协调控制器4灵活控制DC/AC换流器3以实现交流子网1和直流子网2有功功率、无功功率的优化分配，保证系统为稳定运行。
本实施例中，为了很好地实现直流/交流(DC/AC)电力变换的能力，所述DC/AC换流器3采用典型的三相全桥电压型逆变器，其直流侧与直流子网2的直流配电母线相连，交流侧与交流子网1的交流配电母线相连，所述DC/AC换流器3直流侧设有开关管S1-S6。直流配电母线的母线电压表示为Vdc，交流配电母线的母线电压幅值、频率和角度分别表示为Vacm、fac和θac。
如图2所示，所述交直流协调控制器4包括相互电连接的功率计算模块、采样归一化模块、虚拟同步电机控制模块、无功-电压控制模块、参考电压生成模块、电压电流控制模块和PWM调制模块。
实施例2
本实施例为实施例1所述的混合微电网系统的协调控制方法，其中，包括如下步骤：
步骤(1)：采样交流配电母线的电压Vac、直流配电母线的电压Vdc、耦合变换器单元的滤波电感电流Iac、滤波电容电压Voac和输出线路电流Ioac；
步骤(2)：采用锁相环技术检测交流配电母线的频率fac；
步骤(3)：通过归一化模块对交流配电母线的频率fac和直流配电母线的电压Vdc进行归一化处理，得到频率标幺值fpu和电压标幺值Vpu；
步骤(4)：将步骤(1)采样的耦合变换器单元的滤波电容电压Voac和输出线路电流Ioac送到功率计算模块，经过滤波处理后得到平均有功功率Po和平均无功功率Qo；
步骤(5)：将归一化模块得到的频率标幺值fpu和电压标幺化值Vpu、功率计算模块得到平均有功功率Po送到虚拟同步电机控制模块，得到耦合变换器单元的输出角频率参考值ωoref；
步骤(6)：将功率计算模块得到平均无功功率Qo送到无功-电压控制模块，得到耦合变换器单元的输出电压幅值参考值Vomref；
步骤(7)：将耦合变换器单元的输出角频率参考值ωoref、输出电压幅值参考值Vomref送到参考电压生成模块，生成耦合变换器单元的参考电压Voref，为电压电流控制模块提供输入值；
步骤(8)：将参考电压生成模块生成的参考电压Voref和耦合变换器单元的滤波电感电流Iac送到电压电流控制模块，进行双闭环控制，得到控制信号，提高逆变器自身动态响应，为PWM调制模块提供逆变器内电压参考；
步骤(9)：将步骤(8)得到的控制信号送到PWM调制模块，采用基本脉冲宽度调制技术(PWM)，将三相静止坐标系下的控制信号调制输出得到三相全桥电压型逆变器的开关管控制信号，开关管控制信号经过外部驱动电路输出脉冲信号控制开关管S1-S6的通断。
本实施例中，交流子网1的有功功率与频率相关，直流子网2的有功功率与电压相关，为了实现交流子网1和直流子网2的有功传输，交流配电母线的频率和直流配电母线的电压需要进行归一化处理。所述步骤(3)中，交流配电母线的频率fac和直流配电母线的电压Vdc的归一化策略表示为：
其中，fpu、Vpu分别为交流配电母线的频率fac和直流配电母线的电压Vdc进行归一化后的频率标幺值和电压标幺值，fmax、fmin分别为交流配电母线频率的最大值和最小值，Vmax、Vmin分别为直流配电母线电压的最大值和最小值。
本实施例中，所述步骤(4)中平均有功功率Po和平均无功功率Qo的表达式如下：
其中，V′oac为Voac滞后90度的电压，τ为功率低通滤波常数，S为拉普拉斯算子；
如图3所示，所述步骤(5)中，为了很好地实现交子网和直流子网2的有功功率合理优化调动分配、系统电压频率稳定以及系统容量输出特性，虚拟同步电机控制模块的控制策略表示为：
其中，J为耦合变换器单元采用的虚拟同步电机控制的虚拟惯量，ω*、ωoref为耦合变换器单元输出电压的角频率额定值和参考值，kp、ki分别为耦合变换器单元采用的虚拟同步电机控制的比例系数和微分系数，adc、aac分别为直流子网2和交流子网1的有功功率传输因子，D为耦合变换器单元采用的虚拟同步电机控制的阻尼值。
在虚拟同步电机控制模块中，adc、aac可以根据交流子网1和直流子网2的容量限制设置其大小。当交流子网1和直流子网2的容量一致时，可设置adc＝aac，当交流子网1和直流子网2的容量不一致时，可设置交流子网1和直流子网2的有功功率传输因子与对应子网的容量成为反比。系统达到稳态时，有功功率传输因子与交流配电母线频率标幺值、直流配电母线电压标幺值的关系为：
本实施例中，所述步骤(6)中，为了很好地实现直流子网2向交流子网1提供合适的无功功率，保证交流子网1的电压质量和无功支撑，无功-电压控制模块的控制策略为：
其中，kv为耦合变换器单元采用的无功-电压控制的积分系数，V*、Vomref为耦合变换器单元输出电压幅值的额定值和参考值，Qref为耦合变换器单元输出无功功率的给定值，n为直流子网2向交流子网1传输无功功率的系数；
在无功-电压控制模块中，n可以根据耦合变换器的无功容量限制，确定直流子网2向交流子网1传输无功功率的大小；系统达到稳态时，无功功率传输系数与传输的无功功率值关系为：
本实施例中，所述步骤(7)中，参考电压生成模块生成参考电压的公式为：
Voref＝Vomrefsin(ωoreft)
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统，其特征在于，包括交流子网(1)、直流子网(2)、耦合变换器单元、交流负荷和直流负荷，所述交流负荷与所述交流子网(1)连接，所述直流负荷与所述直流子网(2)连接，所述耦合变换器单元通过交流配电母线与所述交流子网(1)连接，所述耦合变换器单元通过直流配电母线与所述直流子网(2)连接，所述交流子网(1)通过交流线路阻抗与交流配电母线连接，所述直流子网(2)通过直流线路阻抗与直流配电母线连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统，其特征在于，所述耦合变换器单元包括DC/AC换流器(3)，以及用于控制所述DC/AC换流器(3)的交直流协调控制器(4)，所述交直流协调控制器(4)控制DC/AC换流器(3)以实现交流子网(1)和直流子网(2)有功功率、无功功率的优化分配，保证系统为稳定运行。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统，其特征在于，所述DC/AC换流器(3)采用典型的三相全桥电压型逆变器，其直流侧与直流子网(2)的直流配电母线相连，交流侧与交流子网(1)的交流配电母线相连，所述DC/AC换流器(3)直流侧设有开关管S1-S6。
4.根据权利要求2所述的一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统，其特征在于，所述交直流协调控制器(4)包括相互电连接的功率计算模块、采样归一化模块、虚拟同步电机控制模块、无功-电压控制模块、参考电压生成模块、电压电流控制模块和PWM调制模块。
5.一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统的协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：采样交流配电母线的电压Vac、直流配电母线的电压Vdc、耦合变换器单元的滤波电感电流Iac、滤波电容电压Voac和输出线路电流Ioac；
步骤(2)：采用锁相环技术检测交流配电母线的频率fac；
步骤(3)：通过归一化模块对交流配电母线的频率fac和直流配电母线的电压Vdc进行归一化处理，得到频率标幺值fpu和电压标幺值Vpu；
步骤(4)：将步骤(1)采样的耦合变换器单元的滤波电容电压Voac和输出线路电流Ioac送到功率计算模块，经过滤波处理后得到平均有功功率Po和平均无功功率Qo；
步骤(5)：将归一化模块得到的频率标幺值fpu和电压标幺化值Vpu、功率计算模块得到平均有功功率Po送到虚拟同步电机控制模块，得到耦合变换器单元的输出角频率参考值ωoref；
步骤(6)：将功率计算模块得到平均无功功率Qo送到无功-电压控制模块，得到耦合变换器单元的输出电压幅值参考值Vomref；
步骤(7)：将耦合变换器单元的输出角频率参考值ωoref、输出电压幅值参考值Vomref送到参考电压生成模块，生成耦合变换器单元的参考电压Voref；
步骤(8)：将参考电压生成模块生成的参考电压Voref和耦合变换器单元的滤波电感电流Iac送到电压电流控制模块，进行双闭环控制，得到控制信号；
步骤(9)：将步骤(8)得到的控制信号送到PWM调制模块，采用基本脉冲宽度调制技术(PWM)，将三相静止坐标系下的控制信号调制输出得到三相全桥电压型逆变器的开关管控制信号，开关管控制信号经过外部驱动电路输出脉冲信号控制开关管S1-S6的通断。
6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统的协调控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，交流配电母线的频率fac和直流配电母线的电压Vdc的归一化策略表示为：
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其中，fpu、Vpu分别为交流配电母线的频率fac和直流配电母线的电压Vdc进行归一化后的频率标幺值和电压标幺值，fmax、fmin分别为交流配电母线频率的最大值和最小值，Vmax、Vmin分别为直流配电母线电压的最大值和最小值。
7.根据权利要求5所述的一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统的协调控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中平均有功功率Po和平均无功功率Qo的表达式如下：
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其中，V′oac为Voac滞后90度的电压，τ为功率低通滤波常数，S为拉普拉斯算子；
8.根据权利要求5所述的一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统的协调控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中，虚拟同步电机控制模块的控制策略表示为：
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其中，J为耦合变换器单元采用的虚拟同步电机控制的虚拟惯量，ω*、ωoref为耦合变换器单元输出电压的角频率额定值和参考值，kp、ki分别为耦合变换器单元采用的虚拟同步电机控制的比例系数和微分系数，adc、aac分别为直流子网(2)和交流子网(1)的有功功率传输因子，D为耦合变换器单元采用的虚拟同步电机控制的阻尼值。
在虚拟同步电机控制模块中，adc、aac可以根据交流子网(1)和直流子网(2)的容量限制设置其大小。当交流子网(1)和直流子网(2)的容量一致时，可设置adc＝aac，当交流子网(1)和直流子网(2)的容量不一致时，可设置交流子网(1)和直流子网(2)的有功功率传输因子与对应子网的容量成为反比。系统达到稳态时，有功功率传输因子与交流配电母线频率标幺值、直流配电母线电压标幺值的关系为：
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9.根据权利要求5所述的一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统的协调控制方法，其特征在于，所述步骤(6)中，无功-电压控制模块的控制策略为：
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</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中，kv为耦合变换器单元采用的无功-电压控制的积分系数，V*、Vomref为耦合变换器单元输出电压幅值的额定值和参考值，Qref为耦合变换器单元输出无功功率的给定值，n为直流子网(2)向交流子网(1)传输无功功率的系数；
在无功-电压控制模块中，n可以根据耦合变换器的无功容量限制，确定直流子网(2)向交流子网(1)传输无功功率的大小；系统达到稳态时，无功功率传输系数与传输的无功功率值关系为：
<mrow>
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</mrow>
10.根据权利要求5所述的一种基于虚拟同步电机的混合微电网系统的协调控制方法，其特征在于，所述步骤(7)中，参考电压生成模块生成参考电压的公式为：
Voref＝Vomrefsin(ωoreft)。
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