CN108711880B - 并网逆变型分布式电源的暂态稳定控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种并网逆变型分布式电源的暂态稳定控制方法系统及方法，包括：功率计算模块、下垂参数调整模块、下垂控制模块、双闭环控制器以及相坐标变换器，其中：功率计算模块采集并计算并网逆变型分布式电源的输出功率输出至下垂参数调整模块，下垂参数调整模块根据暂态状态下的功率突变速率生成下垂参数，下垂控制模块根据下垂参数生成控制角度信号和控制电压信号并分别输出至双闭环控制器以及相坐标变换器，相坐标变换器根据控制角度信号对来自双闭环控制器的电压控制信号进行相变处理并得到最终逆变器控制信号。本发明在暂态过程中实时改变并网逆变型分布式电源的下垂参数，从而实现逆变电源的暂态稳定性控制。

Description

并网逆变型分布式电源的暂态稳定控制系统及方法
技术领域
本发明涉及的是一种电网控制领域的技术，具体是一种基于自适应下垂参数的自适应下垂参数的并网逆变型分布式电源的暂态稳定控制系统及方法。
背景技术
目前对分布式电源的暂态稳定性研究主要集中于直接仿真研究与能量函数法研究。直接仿真研究通常对电压源型逆变器(voltage source converter，VSC)以代数微分方程的形式进行建模，对多个采用P-f和Q-V三环下垂控制的分布式电源进行建模，分析在面对电机启动、电机故障与电网发生故障情况下分布式电源的电压、功率以及系统频率的动态变化，并对利用模型对分布式电源的功角、电压暂态稳定性进行研究。也有研究在仿真平台上搭建了拥有分布式电源、同步电机型电源以及感应电机负荷的微电网模型，通过仿真对比了不同逆变器控制策略对于临界故障消除时间(critical clearing time，CCT)的影响。直接仿真法通过建立实际的分布式电源模型，以分组仿真对比的方式优化逆变型分布式电源的控制方法与控制参数。然而该方法不具备扩展性，且前期计算量大，后期迭代方式复杂，适用性不高。
能量函数法通常对多个分布式电源并联入微电网的场景进行分析，用能量函数来定义系统的稳定运行状态，并通过数学推导得到系统的稳定性特征与判据。能量函数法结合李雅普诺夫第二法给出了不同控制方法、控制参数下系统的稳定性。该种方法能够有效地提高系统暂态稳定性，然而该方法需要前期对系统进行计算，每当系统有设备更新或参数改变时则需重新计算、判断，对于实际系统运行适用性较低。
总体而言，面向分布式电源的暂态稳定性的控制方法研究较少，主要集中于对分布式电源的参数优化调配、系统功率配额优化、线路分布参数优化等。此类方法对于直接提高分布式电源暂态稳定性的能力不足，对于系统故障、运行方式切换等大干扰暂态事件的稳定裕量与适用性不足，无法实现分布式电源的暂态稳定控制。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种并网逆变型分布式电源的暂态稳定控制方法系统及方法，通过输入并网逆变型分布式电源的输出功率与下垂参数，使用基于暂态稳定机理的控制方法，对并网型逆变器在暂态事件后功角与功率的变化轨迹进行计算。利用本发明提出的控制流程，在暂态过程中实时改变并网逆变型分布式电源的下垂参数，从而实现逆变电源的暂态稳定性控制。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种并网逆变型分布式电源的控制系统，包括：功率计算模块、下垂参数调整模块、下垂控制模块、双闭环控制器以及相坐标变换器，其中：功率计算模块采集并计算并网逆变型分布式电源的输出功率输出至下垂参数调整模块，下垂参数调整模块根据暂态状态下的功率突变速率生成下垂参数，下垂控制模块根据下垂参数生成控制角度信号和控制电压信号并分别输出至双闭环控制器以及相坐标变换器，相坐标变换器根据控制角度信号对来自双闭环控制器的电压控制信号进行相变处理并得到最终逆变器控制信号。
所述的双闭环控制器包括：依次连接的电压外环控制模块、限流模块和电流内环控制模块，将所述的控制电压信号转换为电流后进行限幅处理后转换为限幅后的控制电压信号。
所述的暂态状态下的功率突变速率为
Figure BDA0001653538310000021
其中：P是逆变电源的输出有功功率，t是时间，通过对功率突变速率进行αPn的阈值判断作为是否对下垂参数进行优化的指标，其中：α为极限斜率系数，Pn为分布式电源额定有功功率。
技术效果
与现有技术相比，本发明能够在线实现对并网逆变型分布式电源暂态稳定控制，为配电网中的分布式电源的稳定运行提供保证，为配电网的调度人员与管理人员提供稳定运行的条件。同时，通过并网逆变型分布式电源暂态稳定控制，能够预防系统稳定裕度的降低，提高系统运行阻尼，在暂态事件，如故障、负荷突变等发生时，保证系统的安全性，实现系统的可靠运行。
附图说明
图1为并网逆变型分布式电源等效连接电网示意图；
图2为并网逆变型分布式电源控制结构示意图；
图3为并网逆变型分布式电源下垂参数调整模块示意图；
图4为并网逆变型分布式电源暂态稳定控制法流程示意图；
图5为逆变型分布式电源暂态稳定控制法算例示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例应用环境，即逆变型分布式电源的等效连接电网图，其中IIDG是并网逆变型分布式电源，PL+jQL是并网逆变型分布式电源连接的本地负荷，IIDG与大电网通过双回线电缆相连，电缆阻抗值为Z∠γ。外部电网即电压源U，PCC是为IIDG与大电网的连接点。
如图2所示，为本实施例涉及的并网逆变型分布式电源的控制系统，包括：功率计算模块、下垂参数调整模块、下垂控制模块、电压外环控制模块、限流模块、电流内环控制模块以及dq/abc变换器，其中：IIDG的输出电压vi经滤波后得到电压vo、电流io；将vo、io输至功率计算模块得到逆变器有功功率Po和无功功率Qo并输入下垂参数调整模块得到优化下垂参数mp、mq。将mp、mq输至下垂控制模块得到控制角度信号θ、控制电压信号vod；其中控制电压信号vod依次通过电压外环控制模块、限流模块以及电流内环控制模块最终生成电压控制信号vid、viq；dq/abc相坐标变换器根据电压控制信号vid、viq以及θ生成逆变器控制信号E*。
如图3所示，所述的下垂参数调整模块包括：激活单元、微分单元、除法单元、功角判定单元和调整单元，其中：输出功率Po输至激活单元，激活单元通过判断是否激活下垂参数调整操作，即将有功功率Po和无功功率Qo输入微分单元，除法单元根据微分后的结果得到有功功率Po和无功功率Qo对功角δ的微分
Figure BDA0001653538310000031
功角判定单元经功角判定得到有功调整因子kp与无功调整因子kq，调整单元根据有功调整因子kp与无功调整因子kq对原始下垂参数mp0、mq0进行调整，得到优化下垂参数mp与mq并输至逆变型分布式电源的控制系统内，实现对逆变型分布式电源的控制。
所述的激活单元通过判断
Figure BDA0001653538310000032
作为是否激活微分单元的标准，其中：α为极限斜率系数，它反映逆变型分布式电源在暂态状态下的功率突变速率，按照经验可取值0.1～0.2。Pn为分布式电源额定有功功率。当满足该不等式，则激活下垂参数调整。
所述的有功功率Po和无功功率Qo对功角δ的微分是指：
Figure BDA0001653538310000033
其中：Po、Qo是计算模块计算所得逆变器输出的有功功率与无功功率，δ是功角，mp是有功下垂参数，Pn是额定输出有功功率。
所述的功角判定是指：
Figure BDA0001653538310000034
其中：M是无功判定乘子，N是有功判定乘子；根据逆变型分布式电源的输出特性，有功功率Po对功角δ的微分最大值为
Figure BDA0001653538310000035
其中Vn是逆变型分布式电源的额定电压。
为了保证在暂态过程中降低mp、提高mq，M、N优选取值为：
Figure BDA0001653538310000036
所述的调整是指：
Figure BDA0001653538310000041
其中
Figure BDA0001653538310000042
与
Figure BDA0001653538310000043
为下垂控制参数自身控制限定值：
如图4所示，本实施例涉及上述系统的逆变型分布式电源暂态稳定控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1)功率计算模块将有功功率输至激活单元，激活单元判断暂态稳定控制是否激活：当不激活时将原始下垂参数mp0与mq0输至逆变型分布式电源控制系统中，否则启动下垂参数调整模块对下垂参数进行步骤2～步骤4的优化。
步骤2)功率计算模块将有功功率与无功功率输至微分单元，微分单元计算出有功功率对功角微分以及无功功率对功角微分并输至功角判定单元进行功角判定。
步骤3)功角判定单元将功角判定得到的有功调整因子与无功调整因子输至调整单元。
步骤4)调整单元根据有功调整因子与无功调整因子更新下垂参数后，将更新后的下垂参数输至逆变型分布式电源控制系统。
如图5所示，本方法能够有效地提高逆变型分布式电源在暂态事件过程中的稳定性，从图中可见，当逆变型分布式电源未采用了暂态稳定控制法时，系统在故障切除后会产生周期性的震荡，电源的有功功率、无功功率、功角与电压都在不断地震荡，难以维持稳定运行；当逆变型分布式电源采用了暂态稳定控制法后，系统在故障切除后出现了小幅度地功率、功角突变，但在短时间内便恢复了稳定。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种并网逆变型分布式电源的控制系统，其特征在于，包括：功率计算模块、下垂参数调整模块、下垂控制模块、双闭环控制器以及相坐标变换器，其中：功率计算模块采集并计算并网逆变型分布式电源的输出功率输出至下垂参数调整模块，下垂参数调整模块根据暂态状态下的功率突变速率生成下垂参数，下垂控制模块根据下垂参数生成控制角度信号和控制电压信号并输出控制电压信号至双闭环控制器、输出控制角度信号至相坐标变换器，相坐标变换器根据控制角度信号对来自双闭环控制器的电压控制信号进行相变处理并得到最终逆变器控制信号；
所述的暂态状态下的功率突变速率为
Figure FDA0003265215320000011
其中：P是逆变电源的输出有功功率，t是时间，通过对功率突变速率进行αPn的阈值判断作为是否对下垂参数进行优化的指标，α为极限斜率系数，Pn为分布式电源额定有功功率；
所述的下垂参数调整模块包括：激活单元、微分单元、除法单元、功角判定单元和调整单元，其中：激活单元通过判断是否激活下垂参数调整操作，即将有功功率Po和无功功率Qo输入微分单元，除法单元根据微分后的结果得到有功功率Po和无功功率Qo对功角δ的微分
Figure FDA0003265215320000012
Figure FDA0003265215320000013
功角判定单元经功角判定得到有功调整因子kp与无功调整因子kq，调整单元根据有功调整因子kp与无功调整因子kq对原始下垂参数mp0、mq0进行调整，得到优化下垂参数mp与mq并输至逆变型分布式电源的控制系统内，实现对逆变型分布式电源的控制。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征是，所述的双闭环控制器包括：依次连接的电压外环控制模块、限流模块和电流内环控制模块，将所述的控制电压信号转换为电流后进行限幅处理后转换为限幅后的控制电压信号。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征是，所述的激活单元通过判断
Figure FDA0003265215320000014
作为是否激活微分单元的标准，极限斜率系数α取0.1～0.2，当满足激活微分单元的标准时，则激活下垂参数调整。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征是，所述的有功功率Po和无功功率Qo对功角δ的微分是指：
Figure FDA0003265215320000021
其中：Po、Qo是功率计算模块计算所得逆变器输出的有功功率与无功功率，δ是功角，mp是有功下垂参数。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征是，所述的功角判定是指：
Figure FDA0003265215320000022
其中：M是无功判定乘子，N是有功判定乘子；根据逆变型分布式电源的输出特性，有功功率Po对功角δ的微分最大值为
Figure FDA0003265215320000023
Vn是逆变型分布式电源的额定电压，U为外部电网即电压源，电缆阻抗值为Z∠γ。
6.根据权利要求1或3所述的控制系统，其特征是，所述的调整是指：
Figure FDA0003265215320000024
其中：
Figure FDA0003265215320000025
与
Figure FDA0003265215320000026
为下垂控制参数自身控制限定值。
7.一种基于上述任一权利要求所述控制系统的逆变型分布式电源暂态稳定控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1)功率计算模块将有功功率输至激活单元，激活单元判断暂态稳定控制是否激活：当不激活时将原始下垂参数mp0与mq0输至逆变型分布式电源控制系统中，否则启动下垂参数调整模块对下垂参数进行步骤2～步骤4的优化；
步骤2)功率计算模块将有功功率与无功功率输至微分单元，微分单元计算出有功功率对功角微分以及无功功率对功角微分并输至功角判定单元进行功角判定；
步骤3)功角判定单元将功角判定得到的有功调整因子与无功调整因子输至调整单元；
步骤4)调整单元根据有功调整因子与无功调整因子更新下垂参数后，将更新后的下垂参数输至逆变型分布式电源控制系统。
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