CN107834564B - 一种微电网系统的小干扰电压稳定性的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微电网系统的小干扰电压稳定性的控制方法,该方法控制的微电网系统包括分别与10kV母线的一端连接的光伏电源、柴油发电机和DFIG,所述的控制方法包括以下步骤:1)状态变量获取,包括光伏电源状态变量获取、柴油发电机状态变量获取和DFIG状态变量获取;2)特征值计算,联立光伏电源状态变量、柴油发电机状态变量和DFIG状态变量,构建系统状态空间模型,获取系统状态矩阵的特征值;3)特定参数确定,结合获取的特征值与PCC点处电压动态响应曲线的变化趋势,确定影响小干扰电压稳定性的特定参数;4)电压控制,对特定参数进行改进,改善小干扰电压的稳定性。与现有技术相比,本发明具有简便直观、降低成本、控制效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微电网系统电压控制领域,尤其是涉及一种微电网系统的小干扰电压稳定性的控制方法。
背景技术
在能源需求和环境保护双重压力下,国际上已将更多目光投向了既可提高传统能源利用效率又能充分利用各种可再生能源的分布式发电相关技术领域。微电网技术是发挥分布式电源效能的有效方式,具有重要的经济意义和社会价值。微电网在并网时电压由外部大电网支撑,孤岛运行只能由内部分布式电源调节控制,因此对于微源在微电网中的电压控制研究受到热切关注。在微电网中,为了以最大效率利用可再生能源,风力发电和光伏发电通常运行在最大风能和最大光能追踪模式,为了在负荷突变或分布式电源出线故障时快速响应电压的变化,在柴油发电机的自动调压器和储能调节之外,还需要各发电单元的协调作用,共同维持微电网电压稳定。
小干扰电压稳定是指电力系统受到诸如负荷增加等小扰动后,系统所有母线维持稳定电压的能力。而目前的小干扰电压稳定性的研究大多只是针对单一的发电机或风电机组,并没有具体的针对微电网系统的研究方法;对于可以达到三层分层控制保证电压质量以及控制无功功率的研究方法中,所有的微源都参与联络线功率控制和电压频率控制,这种控制方法复杂且效率低,增加了系统控制的成本。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简便直观、降低成本、控制效率高的微电网系统的小干扰电压稳定性的控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种微电网系统的小干扰电压稳定性的控制方法,该方法控制的微电网系统包括分别与10kV母线的一端连接的光伏电源、柴油发电机和DFIG,所述的光伏电源包括PWM变流器,所述的柴油发电机设有自动电压调节器,所述的DFIG包括异步电机、网侧变流器和转子侧变流器;
所述的控制方法包括以下步骤:
1)状态变量获取,包括:
光伏电源状态变量获取,采用P-Q模式控制光伏电源,采用P-Q解耦控制PWM变流器,设定光伏电源处于最大输出功率运行点,获取光伏电源状态变量;
柴油发电机状态变量获取,采用设有Q-V下垂控制的自动电压调节器,对微电网调频调压,获取柴油发电机状态变量;
DFIG状态变量获取,设定DFIG的有功控制为虚拟惯量控制和超速减载控制,设定DFIG的无功控制为V-Q下垂控制,根据DFIG功率变化进行微电网调压,获取DFIG状态变量;
2)特征值计算,联立光伏电源状态变量、柴油发电机状态变量和DFIG状态变量,构建系统状态空间模型,获取系统状态矩阵的特征值;
3)特定参数确定,结合获取的特征值与PCC点处电压动态响应曲线的变化趋势,确定影响小干扰电压稳定性的特定参数;
4)电压控制,对特定参数进行改进,改善小干扰电压的稳定性。
优选地,所述的系统状态空间模型的表达式为,
优选地,所述的DFIG的无功控制设有辅助V-Q下垂控制调压的积分逻辑环节。
优选地,所述的DFIG的无功控制的工作条件为,
其中,Δu为电压波动幅值,Δuf为积分逻辑环节的动作阈值,ΔQ为无功补偿量,ΔQ=Kf∫Δudt,Kf为积分逻辑环节比例系数。
优选地,所述的特定参数为Kf。
优选地,所述的系统状态矩阵的特征值采用小干扰分析法获取。
优选地,所述的微电网系统还包括固定负荷和临时负荷,所述的固定负荷和临时负荷分别与10kV母线的另一端连接。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
一、微电网系统的功率分配由光伏电源、柴油发电机、DFIG三个微源共同完成,简单可靠,可使微电网在光-柴-风三种微源协调作用下拥有更好的小干扰电压稳定性,且单一微源控制产生的故障不会影响微电网系统的稳定性;光伏电源和柴油发电机分别采用PQ控制、下垂控制,DFIG有功控制结合了虚拟惯量控制和超速减载控制,无功控制采用V-Q下垂控制并引入积分逻辑环节,进一步提高了控制方法的效率。
二、根据计算的特征值与电压响应曲线的关系获取影响小干扰电压稳定性的特定因素,通过改进特定因素即可改善小干扰电压的稳定性,直观且方便。
三、DFIG的无功控制采用V-Q下垂控制并引入电压积分逻辑环节,可达到更好的调压效果,且对等控制下当有微源投入或切出时,对其他微源影响较小,稳定性高,能够实现“即插即用”,降低了系统成本。
附图说明
图1为本发明方法控制的微电网系统结构示意图;
图2为本发明方法的流程图;
图3为本发明光伏电源P-Q控制结构图;
图4为本发明柴油发电机自动电压调节器环节结构框图;
图5为本发明DFIG无功控制框图;
图6(a)为本发明不同下垂系数下微电网特征值计算结果,图6(b)为本发明不同下垂系数下微电网电压动态响应曲线;
图7为本发明改进积分逻辑环节比例系数前后的微电网电压动态响应曲线图;
图8为本发明改进积分逻辑环节比例系数后的微电网特征值计算结果图;
图9为采用本发明控制方法的微电网仿真电压动态响应曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明涉及一种微电网系统的小干扰电压稳定性的控制方法,如图1所示,该方法控制的微电网系统包括分别与10kV母线的一端连接的光伏电源、柴油发电机和DFIG,以及与10kV母线另一端连接的固定负荷和临时负荷。如图2所示,本发明的控制方法包括以下步骤:
1)状态变量获取,包括:
光伏电源状态变量获取,采用P-Q模式控制光伏电源,采用P-Q解耦控制PWM变流器,设定光伏电源处于最大输出功率运行点,获取光伏电源状态变量;
柴油发电机状态变量获取,采用设有Q-V下垂控制的自动电压调节器,对微电网调频调压,获取柴油发电机状态变量;
DFIG状态变量获取,设定DFIG的有功控制为虚拟惯量控制和超速减载控制,设定DFIG的无功控制为V-Q下垂控制,根据DFIG功率变化进行微电网调压,获取DFIG状态变量;
2)特征值计算,联立光伏电源状态变量、柴油发电机状态变量和DFIG状态变量,构建系统状态空间模型,获取系统状态矩阵的特征值,特征值采用小干扰分析法获取;
3)特定参数确定,结合获取的特征值与PCC点处电压动态响应曲线的变化趋势,确定影响小干扰电压稳定性的特定参数;
4)电压控制,对特定参数进行改进,改善小干扰电压的稳定性。
联立光伏电源状态变量、柴油发电机状态变量和DFIG状态变量,获取系统状态空间模型如式(1)所示,
本发明中的微源配置如表1所示。
表1微电网系统的微源及其参数
光伏电源由恒压源和PWM变流器组成,经变压器接入微电网10kV母线。柴油发电机包括调速器和自动电压调节器,经输电线路直接接入10kV母线。DFIG主要由异步电机、网侧变流器和转子侧变流器组成。微电网中的固定负荷和临时负荷均为综合负荷。孤岛模式下,柴油发电机、DFIG共同参与调压控制。
为了最大化利用太阳能,光伏电源按恒功率(P-Q)控制模式运行,假设孤岛运行时间内光照强度和温度不变,光伏电源处于最大功率运行点。PWM变流器采用P-Q解耦的电流控制。如图3所示,Pref和Qref分别表示光伏电源有功功率与无功功率的参考值,Pref和Qref通过功率外环、电流内环两个PI环节分别控制d、q轴电流id、iq恒定,控制逆变器输出恒定功率。
柴油发电机配备调速器和自动电压调节器参与孤岛模式下微电网调频调压。图4为带有Q-V下垂控制的自动电压调节器结构。其中Kq*为柴油发电机的无功下垂系数。微电网在负荷增减、微源出力随机性变化等小干扰事件下发生电压偏移时,Q-V下垂控制使柴油发电机增发无功功率维持微电网内部无功功率平衡以及电压稳定。
当在变风速条件下,DFIG的有功功率输出变化会导致微电网电压波动,仅依靠定下垂系数的V-Q下垂控制无法得到较好的调压效果,特此引入一个电压积分逻辑环节,可为微电网提供电压支撑,如图5所示,则DFIG的无功控制的工作条件为,
其中,Δu为电压波动幅值,Δuf为电压积分逻辑环节的动作阈值,ΔQ为无功补偿量,ΔQ=Kf∫Δudt,Kf为积分逻辑环节比例系数。当Δu值小于等于Δuf时,即对应着电压波动幅度较小情况,输出相应计算式的无功补偿量ΔQ,弥补一定的无功差额,与V-Q下垂控制共同作用抑制电压波动。相反,当Δu值大于Δuf时,仅留有V-Q下垂控制作用,与柴油发电机的下垂控制构成对等控制;考虑到微网中常发生负荷变化和微源投切活动,对应着电压波动幅度较大情况,对等控制下当有微源投入或切出时,对其它微源影响较小,稳定性高,可实现“即插即用”,而且可以降低系统成本。
微电网发生负荷扰动时电压将发生波动,RSC无功控制V-Q下垂环节可在一定程度上抑制电压波动,如图6所示。图6(b)所示为微电网负荷扰动时,DFIG无功下垂系数Kq取不同值时系统电压动态响应曲线。可以看到,Kq在一特定范围内增加时,电压最低点逐渐抬升,动态响应的时间也减小,但Kq过小时电压波动明显较严重。图6(a)特征值计算结果也说明,Kq在此范围内增加时,典型特征值向系统稳定方向移动,若Kq过小,DFIG不能充分利用机组实时可用无功容量,则微电网受到负荷扰动时电压跌落过大,系统电压得不到有效控制,不利于微电网的安全稳定运行。如图7所示,Kq=5时,改进积分逻辑环节比例系数Kf为最大值55前后的微电网受到负荷扰动时的电压动态响应曲线。从图中可看出,改进系数Kf,在下垂系数较小时能显著稳住电压响应趋势。如图8所示,改进积分逻辑环节比例系数Kf后,下垂系数Kq取不同值时系统状态矩阵A的特征值计算结果,对比图6(a),Kq=5时特征值对应振荡模态的阻尼增大,随着Kq的增大,特征值不仅向系统稳定方向移动,而且对Kq取值变化的灵敏度有所增加,因此Kf为特定参数,增大Kf可改善Kq取值过小带来的电压稳定性问题。
为验证本发明的可行性,在DIgSILENT/PowerFactory软件中搭建了图1所述的微电网系统模型,并进行了仿真。柴油发电机配备调速器和自动电压调节器参与孤岛模式下微电网调频调压;结合DFIG的有功和无功控制对微电网调频调压。本实施例以特定参数Kf为例,确定其作为影响小干扰电压稳定性的特定参数。在仿真过程中,DFIG参与调压时,Kq取30。在变风速条件下,15s时微电网负荷突增1MW+1.5Mvar,动态时预仿真时间为30s。图9中的曲线a、曲线b、曲线c、曲线d分别表示DFIG不调压、DFIG调压但无积分逻辑环节、DFIG调压+Kf改进前,以及DFIG调压+Kf改进后的控制方式下的PCC点处电压动态响应曲线,表2为不同控制方式下电压波动的最低点。
表2不同控制方式下电压波动的最低点
结合图9与表2的信息可知,微电网在15s时受到负荷扰动,在DFIG不调压下,仅由柴油发电机提供微电网电压支撑,PCC节点处微电网电压下降最大,电网电压跌幅近似4%,经过控制方式的逐步改进,电压调节效果也逐渐改善,尤其是系数Kf改进后,含有积分逻辑环节的DFIG参与调压,此时电压最低点为0.977319p.u,跌幅控制在2.3%左右,且根据图9较容易获知电压响应扰动的时间有所减小。即经过改进特定参数后既扩大了DFIG无功下垂系数的可调范围,又使微电网在改进后的各微源协调作用下拥有更好的小干扰电压稳定性。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种微电网系统的小干扰电压稳定性的控制方法,其特征在于,该方法控制的微电网系统包括分别与10kV母线的一端连接的光伏电源、柴油发电机和DFIG,所述的光伏电源包括PWM变流器,所述的柴油发电机设有自动电压调节器,所述的DFIG包括异步电机、网侧变流器和转子侧变流器;
所述的控制方法包括以下步骤:
1)状态变量获取,包括:
光伏电源状态变量获取,采用P-Q模式控制光伏电源,采用P-Q解耦控制PWM变流器,设定光伏电源处于最大输出功率运行点,获取光伏电源状态变量;
柴油发电机状态变量获取,采用设有Q-V下垂控制的自动电压调节器,对微电网调频调压,获取柴油发电机状态变量;
DFIG状态变量获取,设定DFIG的有功控制为虚拟惯量控制和超速减载控制,设定DFIG的无功控制为V-Q下垂控制,根据DFIG功率变化进行微电网调压,获取DFIG状态变量;
2)特征值计算,联立光伏电源状态变量、柴油发电机状态变量和DFIG状态变量,构建系统状态空间模型,获取系统状态矩阵的特征值;
3)特定参数确定,结合获取的特征值与PCC点处电压动态响应曲线的变化趋势,确定影响小干扰电压稳定性的特定参数,所述特定参数为积分逻辑环节比例系数;
4)电压控制,对特定参数进行改进,改善小干扰电压的稳定性。
3.根据权利要求1所述的一种微电网系统的小干扰电压稳定性的控制方法,其特征在于,所述的DFIG的无功控制设有辅助V-Q下垂控制调压的积分逻辑环节。
5.根据权利要求1所述的一种微电网系统的小干扰电压稳定性的控制方法,其特征在于,所述的系统状态矩阵的特征值采用小干扰分析法获取。
6.根据权利要求1所述的一种微电网系统的小干扰电压稳定性的控制方法,其特征在于,所述的微电网系统还包括固定负荷和临时负荷,所述的固定负荷和临时负荷分别与10kV母线的另一端连接。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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