CN107634540B - 一种分布式电源并网控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种分布式电源并网控制方法及系统，在并网过程中考虑了系统的不平衡状态，通过以有功功率不平衡量作为目标函数，并且利用拉格朗日乘数法计算分布式电源三相中每一相的参考输出电流，利用每一相的参考输出电流对每一项的实际输出电流进行调节，进而实现对分布式电源的并网控制，并且降低了配电网的电压不平衡度。

Description

一种分布式电源并网控制方法及系统

技术领域

本发明实施例涉及配电网分布式发电技术领域，更具体地，涉及一种分布式电源并网控制方法及系统。

背景技术

分布式发电具有广泛的经济和社会效益，在能源日益紧缺的今天，国家大力提倡分布式发电，特别是太阳能的利用，光伏发电得到大力发展。分布式发电在满足自给自足的同时，多余的电力需要输入配电网供其他用户使用，相应地，在分布式发电不能满足自身供给的情况下，需要配电网提供电力支持。多个分布式电源可以各自独立接入配电网也可以组成微网系统接入配电网。相对于配电网，多个分布式电源或由多个分布式电源组成的微网系统是相对独立的可控单元，是对大电网的有力补充。而在分布式电源的利用过程中，最关键的技术环节是分布式电源的并网和离网控制。

配电网处于电力系统末端，是联系电源与用户的一个重要环节，电力系统必须通过配电网来实现对用户供电。随着城市配电网智能化建设和改造工作的推进，大规模分布式能源接入配电网，配电网规模大，随着动力电逐渐接入用户，而且用户用电存在差异性，会导致配电网出现三相不平衡的状态逐渐增多。

在大规模分布式能源接入配电网和动力电逐渐增多的新场景下，传统的分布式电源并网控制策略并未考虑三相不平衡状态，均假设配电网为三相平衡状态，采用三相平衡电流作为分布式电源参考输入电流，但是由于电压为不平衡状态，采用传统的分布式电源并网控制策略，无法降低配电网中的三相不平衡状态，且存在进一步加剧配电网三相不平衡状态的风险。

发明内容

本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的分布式电源并网控制方法及系统。

一方面本发明实施例提供了一种分布式电源并网控制方法，所述方法包括：

S1，根据分布式电源三相中每一相的正序电压、所述每一相的负序电压、所述每一相的有功功率和所述每一相的无功功率获取所述每一相的目标函数，利用拉格朗日乘数法将所述目标函数展开得到所述每一相的第一调节系数和所述每一相的第二调节系数；其中，所述目标函数为使所述每一相的不平衡功率量最小；

S2，根据所述每一相的正序电压、所述每一相的负序电压、所述每一相的有功功率和所述每一相的无功功率，结合所述每一相的第一调节系数和所述每一相的第二调节系数，计算所述每一相的正序参考输出电流和所述每一相的负序参考输出电流；

S3，利用所述每一相的正序参考输出电流和所述每一相的负序参考输出电流分别对所述每一相的正序实际输出电流和所述每一相的负序实际输出电流进行调节，以实现对所述分布式电源的并网控制。

其中，所述每一相的第一调节系数为所述每一相的有功功率的正序量与所述每一相的有功功率的平衡量的比值；所述每一相的第二调节系数为所述每一相的无功功率的正序量与所述每一相的无功功率的平衡量的比值。

其中，在步骤S1之前还包括：

将每一相电压转换为对应的两相静止坐标系下的两相电压，并根据所述每一相电压对应的两相静止坐标系下的两相电压，计算所述每一相电压的正序电压和负序电压。

其中，所述计算所述每一相电压的正序电压和负序电压具体包括：

S11，对所述分布式电源的三相电压进行相序分析，分别得到正序三相电压和负序三相电压；

S12，将所述正序三相电压分别转换为三个两相静止坐标系下的三组正序两相电压；将所述负序三相电压分别转换至三个两相静止坐标系下的三组负序两相电压；

S13，分别对所述三组正序两相电压中的每一组正序两相电压求平方根得到所述每一相的正序电压；分别对所述三组负序两相电压中的每一组负序两相电压求平方根得到所述每一相的负序电压。

其中，步骤S12具体包括：

将所述正序三相电压分别通过克拉克变换转换为三个两相静止坐标系下的三组正序两相电压；将所述负序三相电压分别通过克拉克变换转换至三个两相静止坐标系下的三组负序两相电压。

其中，步骤S1中，所述不平衡功率量的计算公式如下：

其中，P_DG为有功功率的平衡量，Q_DG为无功功率的平衡量，k₁为第一调节系数，k₂为第二调节系数，为每一相的正序电压，为每一相的负序电压，为每一相的无功功率对应的正序电压。

其中，步骤S1中，所述目标函数为：

其中，F为目标函数的函数名。

另一方面本发明实施例提供了一种分布式电源并网控制系统，所述系统包括：

调节系数计算模块，用于根据分布式电源三相中每一相的正序电压、所述每一相的负序电压、所述每一相的有功功率和所述每一相的无功功率，以所述每一相的不平衡功率量为目标函数，利用拉格朗日乘数法计算得到所述每一相的调节系数和所述每一相的第二调节系数；

参考输出电流计算模块，用于根据所述每一相的正序电压、所述每一相的负序电压、所述每一相的有功功率和所述每一相的无功功率，结合所述每一相的调节系数和所述每一相的第二调节系数，计算所述每一相的正序参考输出电流和所述每一相的负序参考输出电流；

并网控制模块，用于根据上一时刻所述每一相的正序实际输出电流和所述每一相负序实际输出电流，利用所述每一相的正序参考输出电流和所述每一相的负序参考输出电流分别对当前时刻所述每一相的正序实际输出电流和所述每一相的负序实际输出电流进行调节，以实现对所述分布式电源的并网控制。

其中，所述系统还包括：

两相静止坐标系转换模块，用于将每一相电压转换为对应的两相静止坐标系下的两相电压，并根据所述每一相电压对应的两相静止坐标系下的两相电压，计算所述每一相电压的正序电压和负序电压。

本发明实施例提供的一种分布式电源并网控制方法及系统，在并网过程中考虑了系统的不平衡状态，通过以有功功率不平衡量作为目标函数，并且利用拉格朗日乘数法计算分布式电源三相中每一相的参考输出电流，利用每一相的参考输出电流对每一项的实际输出电流进行调节，进而实现对分布式电源的并网控制，并且降低了配电网的电压不平衡度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种分布式电源的并网控制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的另一种分布式电源的并网控制方法的流程图；

图3为本发明实施例中每一相电压在两相静止坐标系下正序分量的求解示意图；

图4为本发明实施例中每一相电压在两相静止坐标系下负序分量的求解示意图；

图5为本发明实施例中IEEE13不平衡配电系统接入分布式电源的示意图；

图6为图5所述不平衡系统中采用PQ控制策略的632节点电压；

图7为图5所述不平衡系统中采用本发明实施例所提供的控制方法的632节点电压；

图8为本发明实施例提供的一种分布式电源并网控制系统的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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。

图1为本发明实施例提供的一种分布式电源的并网控制方法的流程图，如图1所示，所述方法包括：S1，根据分布式电源三相中每一相的正序电压、所述每一相的负序电压、所述每一相的有功功率和所述每一相的无功功率获取所述每一相的目标函数，利用拉格朗日乘数法将所述目标函数展开得到所述每一相的第一调节系数和所述每一相的第二调节系数；其中，所述目标函数为使所述每一相的不平衡功率量最小；S2，根据所述每一相的正序电压、所述每一相的负序电压、所述每一相的有功功率和所述每一相的无功功率，结合所述每一相的第一调节系数和所述每一相的第二调节系数，计算所述每一相的正序参考输出电流和所述每一相的负序参考输出电流；S3，利用所述每一相的正序参考输出电流和所述每一相的负序参考输出电流分别对所述每一相的正序实际输出电流和所述每一相的负序实际输出电流进行调节，以实现对所述分布式电源的并网控制。

具体地，在对分布式电源进行并网控制时，为了使得分布式电源输出电压的不平衡量尽可能的小，对于分布式电源的三相中的每一相来说，即令每一相的负序电压尽可能的小，进而需要令每一相的有功功率不平衡量和无功功率不平衡量尽可能小。在非故障情况下，分布式电源的功率因素为1，即全功率输出，非常小，可忽略不计，在利用拉格朗日乘数法计算每一相的第一调节系数k₁和每一相的第二调节系数k₂时，目标函数设为最小。

分布式电源通常通过LCL滤波器进行并网，能够对多次谐波进行过滤，在不平衡系统中，分布式电源输出功率可以用公式(1)表示：

其中，p_DG(abc)为分布式电源的有功功率，q_DG(abc)为分布式电源的无功功率，V_pcc(abc)为分布式电源的有功功率对应的三相电压，i_DG(abc)为分布式电源的有功功率对应的三相电流，为无功功率对应的三相电压。

由V_pcc(abc)在两相静止坐标系中顺时针旋转90度得来，具体计算方法如公式(2)所示：

在当前的配电网中分布式能源大多通过不接地星形方式与进行并网，即分布式电源不输出零序电流，不存在零序电压，对于分布式电源并网点的三相中的每一相的有功功率p_DG和无功功率q_DG可用公式(3)表示：

其中，为每一相的正序电压，为每一相的正序电流。

为每一相的负序电流，为每一相的无功功率对应的正序电压，为每一相的无功功率对应的负序电压。

将公式(3)展开，可以分解出其中的不平衡功率量，如公式(4)、(5)所示：

其中，为每一相的有功功率的正序量，为有功功率的负序量，P_DG为有功功率的平衡量。

其中，为每一相的无功功率的正序量，为无功功率的负序量，Q_DG为无功功率的平衡量。

在具体实施时，分布式电源并网控制流程如图2所示，通过上述过程分解出每一相的不平衡功率量，并将其中的有功功率不平衡量作为目标函数求取每一相的第一调节系数和第二调节系数，并利用第一调节系数和第二调节系数求出每一相的参考输出电流。将每一相的参考输出电流用于调节每一相的实际输出电流。

本发明实施例提供的一种分布式电源并网控制方法，在并网过程中考虑了系统的不平衡状态，通过以有功功率不平衡量作为目标函数，并且利用拉格朗日乘数法计算分布式电源三相中每一相的参考输出电流，利用每一相的参考输出电流对每一项的实际输出电流进行调节，进而实现对分布式电源的并网控制，并且降低了配电网的不平衡状态。

基于上述实施例，在步骤S1中，所述每一相的第一调节系数为所述每一相的有功功率的正序量与所述每一相的有功功率的平衡量的比值；所述每一相的第二调节系数为所述每一相的无功功率的正序量与所述每一相的无功功率的平衡量的比值。

基于上述实施例，在步骤S1之前还包括：

将每一相电压转换为对应的两相静止坐标系下的两相电压，并根据所述每一相电压对应的两相静止坐标系下的两相电压，计算所述每一相电压的正序电压和负序电压。

在传统的分布式电源并网控制中，基于旋转坐标系下的控制，并没有考虑三相电压处于不平衡状态。在发明实施例中为了得到每一相的正向电压，提出基于αβ两相静止坐标系变换的电压转换方法，简化了控制变量，提高了控制速度。

基于上述实施例，所述计算所述每一相电压的正序电压和负序电压具体包括：

S11，对所述分布式电源的三相电压进行相序分析，分别得到正序三相电压和负序三相电压；

S12，将所述正序三相电压分别转换为三个两相静止坐标系下的三组正序两相电压；将所述负序三相电压分别转换至三个两相静止坐标系下的三组负序两相电压；

S13，分别对所述三组正序两相电压中的每一组正序两相电压求平方根得到所述每一相的正序电压；分别对所述三组负序两相电压中的每一组负序两相电压求平方根得到所述每一相的负序电压。

进一步地，步骤S11中，所述对所述分布式电源的三相电压进行相序分析，具体包括：

采用对称分量法对所述分布式电源的三相电压进行相序分析。

进一步地，步骤S12具体包括：

将所述正序三相电压分别通过克拉克变换转换为三个两相静止坐标系下的三组正序两相电压；将所述负序三相电压分别通过克拉克变换转换至三个两相静止坐标系下的三组负序两相电压。

具体地，如图3和图4所示，对于三相不平衡系统，数学上通常采用对称分量法，将三相不对称系统变换为三相对称系统，分别为对称的正序、负序、零序，由于在配电网中的分布式电源采用不接地星形方式并网，并不存在零序电流，也不存在零序电压，使用对称分量法得到的电压或者电流，三相电气量相加为0，为了优化控制方法，对使用对称分量法得到的电压或者电流，进行克拉克变换，变换到两相静止坐标系下的αβ分量，具体变换过程如公式(6)：

其中，为两相静止坐标系下的两相电压，为旋转坐标系下的三相电压。

在αβ两相静止坐标系中，每一相不平衡功率计算如公式(7)所示：

其中，为α相正序电压，为α相负序电压，为β相正序电压，为β相负序电压。

基于上述实施例，步骤S1中，所述不平衡功率量的计算公式如下：

其中，P_DG为有功功率的平衡量，Q_DG为无功功率的平衡量，k₁为第一调节系数，k₂为第二调节系数，为每一相的正序电压，为每一相的负序电压，为每一相的无功功率对应的正序电压。

基于上述实施例，所述目标函数为：

其中，F为目标函数的函数名。

具体地，将目标函数展开成拉格朗日乘数形式如公式所示：

L(L₁,L₂)＝A²L₁ ²+B²L₂ ²+CL₁+EL₂+F (8)

其中：

L₁＝1-k₁；

L₂＝1-k₂

对于故障情况下，目标函数可类似于非故障情况。

拉格朗日乘数法限制条件构建如下：

基于上述实施例，步骤S2中所述每一相的正序参考输出电流和所述每一相的负序参考输出电流的计算公式如下：

其中，为每一相的正序参考输出电流，为每一相电压对应的负序参考输出电流。

具体地，将公式(4)展开即可得到分布式电源输出电流，在此定义为分布式电源的每一相的参考输出电流，可用公式(11)表示：

分布式电源的每一相的参考输出电流则可用公式(12)表示为：

则分布式电源参考输出电流表示为：

同时可知不平衡功率量可用如下公式表示：

下面通过一个具体实例来对本发明实施例提供的方法进行进一步说明，需要指出的是，本实例只是本发明的一种优选方式，本发明并不以此为限。

如图4所示，以IEEE13不平衡系统为标准算例，电压等级为4.16kV，DG接入配电网以不超过接入点该条馈线负荷总量的30％为原则，具体接入容量如表1所示：

表1

接入点	分布式电源	容量(kW)
			634	DG1	200
675	DG2	200
			682	DG3	200

以上述容量接入IEEE13节点不平衡配电系统，传统PQ控制策略下的632节点电压如图6所示，本发明实施例提供的并网控制方法下的632节点电压如图7所示。

本发明实施例提供的分布式电源并网控制方法能够有效减少不平衡系统中的三相不平衡度，根据国际大电网委员会的三相电压不平衡度计算方法，具体计算描述如下公式所示：

其中，D_UNB为三相不平衡度，U_AB、U_BC、U_AC分别为线电压，U_AVG为平均线电压。

在传统PQ控制策略下三相不平衡度为3.75％，本发明实施例提供的并网控制方法下三相不平衡度为1.58％。

图8为本发明实施例提供的一种分布式电源并网控制系统的结构框图，如图8所示，所述系统包括：调节系数计算模块1、参考输出电流计算模块2以及并网控制模块3。其中：

调节系数计算模块1用于根据分布式电源三相中每一相的正序电压、所述每一相的负序电压、所述每一相的有功功率和所述每一相的无功功率，以所述每一相的不平衡功率量为目标函数，利用拉格朗日乘数法计算得到所述每一相的调节系数和所述每一相的第二调节系数。参考输出电流计算模块2用于根据所述每一相的正序电压、所述每一相的负序电压、所述每一相的有功功率和所述每一相的无功功率，结合所述每一相的调节系数和所述每一相的第二调节系数，计算所述每一相的正序参考输出电流和所述每一相的负序参考输出电流。并网控制模块3用于根据上一时刻所述每一相的正序实际输出电流和所述每一相负序实际输出电流，利用所述每一相的正序参考输出电流和所述每一相的负序参考输出电流分别对当前时刻所述每一相的正序实际输出电流和所述每一相的负序实际输出电流进行调节，以实现对所述分布式电源的并网控制。

本发明实施例提供的一种分布式电源并网控制系统，在并网过程中考虑了系统的不平衡状态，通过以有功功率不平衡量作为目标函数，并且利用拉格朗日乘数法计算分布式电源三相中每一相的参考输出电流，利用每一相的参考输出电流对每一项的实际输出电流进行调节，进而实现对分布式电源的并网控制，并且降低了配电网的不平衡状态。

基于上述实施例，所述系统还包括：两相静止坐标系转换模块。所述两相静止坐标系转换模块用于将每一相电压转换为对应的两相静止坐标系下的两相电压，并根据所述每一相电压对应的两相静止坐标系下的两相电压，计算所述每一相电压的正序电压和负序电压。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种分布式电源并网控制方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，根据分布式电源三相中每一相的正序电压、所述每一相的负序电压、所述每一相的有功功率和所述每一相的无功功率获取所述每一相的目标函数，利用拉格朗日乘数法将所述目标函数展开得到所述每一相的第一调节系数和所述每一相的第二调节系数；其中，所述目标函数为使所述每一相的不平衡功率量最小；

S2，根据所述每一相的正序电压、所述每一相的负序电压、所述每一相的有功功率和所述每一相的无功功率，结合所述每一相的第一调节系数和所述每一相的第二调节系数，计算所述每一相的正序参考输出电流和所述每一相的负序参考输出电流；

S3，利用所述每一相的正序参考输出电流和所述每一相的负序参考输出电流分别对所述每一相的正序实际输出电流和所述每一相的负序实际输出电流进行调节，以实现对所述分布式电源的并网控制；

所述每一相的第一调节系数为所述每一相的有功功率的正序量与所述每一相的有功功率的平衡量的比值；所述每一相的第二调节系数为所述每一相的无功功率的正序量与所述每一相的无功功率的平衡量的比值。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括：

将每一相电压转换为对应的两相静止坐标系下的两相电压，并根据所述每一相电压对应的两相静止坐标系下的两相电压，计算所述每一相电压的正序电压和负序电压。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述计算所述每一相电压的正序电压和负序电压具体包括：

S11，对所述分布式电源的三相电压进行相序分析，分别得到正序三相电压和负序三相电压；

S12，将所述正序三相电压分别转换为三个两相静止坐标系下的三组正序两相电压；将所述负序三相电压分别转换至三个两相静止坐标系下的三组负序两相电压；

S13，分别对所述三组正序两相电压中的每一组正序两相电压求平方根得到所述每一相的正序电压；分别对所述三组负序两相电压中的每一组负序两相电压求平方根得到所述每一相的负序电压。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，步骤S12具体包括：

将所述正序三相电压分别通过克拉克变换转换为三个两相静止坐标系下的三组正序两相电压；将所述负序三相电压分别通过克拉克变换转换至三个两相静止坐标系下的三组负序两相电压。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S1中，所述不平衡功率量的计算公式如下：

其中，P_DG为有功功率的平衡量，Q_DG为无功功率的平衡量，k₁为第一调节系数，k₂为第二调节系数，为每一相的正序电压，为每一相的负序电压，为每一相的无功功率对应的正序电压。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，步骤S1中，所述目标函数为：

其中，F为目标函数的函数名。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，步骤S2中所述每一相的正序参考输出电流和所述每一相的负序参考输出电流的计算公式如下：

其中，为每一相的正序参考输出电流，为每一相电压对应的负序参考输出电流。

8.一种分布式电源并网控制系统，其特征在于，所述系统包括：

调节系数计算模块，用于根据分布式电源三相中每一相的正序电压、所述每一相的负序电压、所述每一相的有功功率和所述每一相的无功功率，以所述每一相的不平衡功率量为目标函数，利用拉格朗日乘数法计算得到所述每一相的第一调节系数和所述每一相的第二调节系数；

参考输出电流计算模块，用于根据所述每一相的正序电压、所述每一相的负序电压、所述每一相的有功功率和所述每一相的无功功率，结合所述每一相的第一调节系数和所述每一相的第二调节系数，计算所述每一相的正序参考输出电流和所述每一相的负序参考输出电流；

并网控制模块，用于根据上一时刻所述每一相的正序实际输出电流和所述每一相负序实际输出电流，利用所述每一相的正序参考输出电流和所述每一相的负序参考输出电流分别对当前时刻所述每一相的正序实际输出电流和所述每一相的负序实际输出电流进行调节，以实现对所述分布式电源的并网控制；

所述每一相的第一调节系数为所述每一相的有功功率的正序量与所述每一相的有功功率的平衡量的比值；所述每一相的第二调节系数为所述每一相的无功功率的正序量与所述每一相的无功功率的平衡量的比值。

9.根据权利要求8所述系统，其特征在于，所述系统还包括：

两相静止坐标系转换模块，用于将每一相电压转换为对应的两相静止坐标系下的两相电压，并根据所述每一相电压对应的两相静止坐标系下的两相电压，计算所述每一相电压的正序电压和负序电压。