CN109167365A - 一种微电网母线电压协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源接入和微电网技术领域，涉及一种微电网母线电压协调控制方法。包括以下步骤：实时计算当前系统的综合下垂曲线的数学表达式；读取各个电力电子设备节点的交换功率、各个电力电子设备节点闭锁状态信号及其储能SOC值，实时计算各电力电子设备节点的竞争权重系数，并排序；当微网系统内部源荷波动导致系统母线电压变化超过设定范围时，启动控制调节流程，并输出母线电压变化值；根据输出的电压变化值，计算系统功率波动值；根据当前电力电子设备节点竞争系数排序，将功率差额分配给排序靠前的一个或者多个电力电子设备节点，使系统电压回归至额定的电压范围。本发明的方法能解决微网内部源荷波动造成系统电压波动的工程问题。

Description

一种微电网母线电压协调控制方法

技术领域

本发明属于新能源接入和微电网技术领域，具体涉及一种微电网母线电压协调控制方法。

背景技术

当今，以气候变暖为典型特征的全球变化已引起广泛关注，新能源微网可以有效的消纳分布式能源，并可作为备用电源在主网失电的情况下给用户供电，得到越来越多的关注。然而对于结构较为复杂的微网系统如何减少可再生能源波动性对用户的影响，在充分发挥电力电子设备快速精准调节性能的同时提高系统惯性，将微电网母线电压波动控制在较小的范围内，一直以来还是一个工程应用难题。

目前对母线电压控制研究多集中于电力电子控制，缺乏系统级的控制方法，例如中国专利申请号为201711307722.1的《控制用于电动汽车的充电电源模块的直流母线电压的方法》及中国专利申请号为201710427766.1的《一种光伏并网发电系统及直流母线电压控制方法和装置》。

然而微电网是一种多节点系统，仅仅依靠单节点的调节难以保证微电网系统母线电压的稳定，因此急需一种系统级的微电网母线电压稳定控制实用方法。

发明内容

本发明目的是为了克服现有的微电网母线电压控制方法存在的缺陷，提供一种系统级微电网母线电压稳定协调控制方法，用于由多种下垂特性电力电子装置组成微电网系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术手段是：一种微电网母线电压协调控制方法，包括以下步骤：

实时计算当前系统的综合下垂曲线的数学表达式；

读取各个电力电子设备节点的交换功率、各个电力电子设备节点闭锁状态信号及其储能SOC值，实时计算各电力电子设备节点的竞争权重系数，并排序；

当微网系统内部源荷波动导致系统母线电压变化超过设定范围时，启动控制调节流程，并输出母线电压变化值ΔU；

根据输出的电压变化值ΔU，计算系统功率波动值ΔP；

根据当前电力电子设备节点竞争系数排序，将功率差额ΔP分配给排序靠前的一个或者多个电力电子设备节点，使系统电压回归至额定的电压范围。

进一步的，综合下垂曲线的数学表达式的计算过程为：

(1)实时采集母线电压实测值U和各个电力电子设备节点端口功率值并求和计算出当前功率和∑P；

(2)基于最小二乘法原则，采用线性回归模型，使所有观测值的残差平方和最小，其样本模型如下：

Y_i＝α₁+α₂X_i+ε_i

式中X_i和Y_i为样本值，ε_i为误差值，α₁和α₂为系统下垂曲线参数，α₁的物理意义为微网母线为额定电压值，α₂的实际物理意义为下垂斜率，取步骤(1)计算出的∑P组成的数组为X_i，取电压实测值U组成的数组为Y_i；

(3)计算残差平方和最小可以确定一条直线，该直线即为当前系统的综合下垂曲线；

(4)通过迭代可以计算出步骤(2)中的α₁和α₂，使用U_n代替α₁，使用k代替α₂，则综合下垂曲线数学表达式为；

U＝U_n+k×∑P

式中，U为当前母线电压，U_n为母线额定电压，∑P为当前系统电力电子设备节点功率和。

进一步的，各电力电子设备节点的竞争权重系数的计算和排序方法为：(1)每个电力电子设备节点设定一个权重系数δ(δ∈[0，1])，如果希望该设备多参与调节过程则增加该设定值；

(2)功率备用率计算，取P_n为电力电子设备节点额定输出功率，取P为当前输出功率，则此刻该下垂设备的功率备用率β为：

(3)能量备用率计算，对于储能设备其能量备用率γ计算公式如下：

式中W_n为储能额定容量，W为储能当前容量值，对于实际的控制系统而言，能量备用率可直接用储能SOC值代替，对于非储能电力电子设备取γ＝1；

(4)对于非闭锁的下垂设备，其竞争系数为：

对于闭锁设备

所述的闭锁是指如果该设备状态异常无法输出调节功率，则此刻装置不参与控制设备选择；

(5)按由大到小的顺序对各电力电子设备节点的竞争系数进行排序。

进一步的，系统功率波动值ΔP的计算方法为：根据计算得出的综合下垂曲线函数，由系统电压变化值ΔU可以计算出系统功率波动值：

本发明的方法，着眼于微电网系统母线电压稳定，给出一种基于多节点下垂的微电网母线电压协调控制的方法，解决微网内部源荷波动造成系统电压波动的工程问题，本发明只要求电力电子设备端口电压随功率变化呈下垂特性，不依赖下垂参数，可实现电力电子设备即插即用；同时，本发明可优选调节能力强的设备完成调节功能，提高了调节的鲁棒性，有力的保障了微电网系统电压的稳定。

附图说明

图1是本发明的微电网母线电压协调控制方法的流程图；

图2交直流混合微网系统一次主接线结构示意图；

图3最小二乘法下垂曲线拟合示意图；

图4微网母线电压协调控制过程示意图；

图5微网母线电压协调控制方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的微电网母线电压协调控制方法做进一步详细的阐述。

图2所示的是一个典型的交直流混合微网系统一次主接线结构示意图，接至直流母线的设备中储能变流器1、储能变流器2、光伏变流器及四象限变换器端电压随功率的变化呈下垂特性，即为上述的电力电子设备节点，图5所示为微网多节点下垂协调控制原理图，下面以直流负荷突增引起直流母线电压降低为例，结合图1所示的流程图，阐述本发明的基于多节点下垂的微电网母线电压协调控制过程。

本发明的方法，适用于具有下垂特性的电力设备，微电网系统中每个可调节节点的电力电子设备端电压随功率的变化呈下垂特性，即输出功率增加时端口电压相应下降，输出功率减少时端口电压相应升高。

本实施例的协调控制方法由电压启动模块、综合下垂曲线拟合模块及控制目标选择模块相互配合完成。

S1、综合下垂曲线拟合模块用于计算当前系统的综合下垂曲线数学表达式，并根据母线电压差值计算出系统的功率差值，并输出，其计算过程如下：

(1)综合下垂曲线拟合模块实时采集母线电压实测值U和各个电力电子设备节点端口功率值并求和计算出当前功率和∑P；

(2)基于最小二乘法原则，采用线性回归模型，使所有观测值的残差平方和最小，其样本模型如下：

Y_i＝α₁+α₂X_i+ε_i

式中X_i和Y_i为样本值，ε_i为误差值，α₁和α₂为系统下垂曲线参数，α₁的物理意义为微网母线为额定电压值，α₂的实际物理意义为下垂斜率，取(1)计算出的∑P组成的数组为X_i，取电压实测值U组成的数组为Y_i；

(3)计算残差平方和最小可以确定一条直线，该直线即为当前系统的综合下垂曲线；如图3所示；

(4)通过迭代可以计算出(2)中的α₁和α₂，使用U_n代替α₁，使用k代替α₂，则综合下垂曲线数学表达式为；

U＝U_n+k×∑P

式中，U为当前母线电压，∑P为当前系统电力电子设备节点功率和。

S2、设定母线电压允许的波动范围为ΔU_set，此刻直流负荷突然增加，微电网母线电压降至U′，如图4所示，系统工作点由A点迁移至B点，此时电压满足|U′-U_n|＞ΔU_set，电压启动模块输出启动信号，并输出电压差值为U′-U_n。

S3、综合下垂曲线拟合模块读取电压差值U′-U_n，根据当前微网系统下垂曲线数学表达式，当前系统的功率差额为：

S4、控制设备选择模块实时读取四象限变换器、光伏变流器、储能1、储能2和直流母线的交换功率值分别记为P₁、P₂、P₃、P₄，读取上述四个设备的闭锁信号值分别记为L₁、L₂、L₃、L₄，同时实时读取储能1、储能2的SOC值，按照下述方法分别计算出各设备的竞争系数：1)每个电力电子设备节点设定一个权重系数δ(δ∈[0，1])，如果希望该设备多参与调节过程则增加该设定值；

2)装置闭锁状态，即，如果该设备状态异常无法输出调节功率，则此刻装置不参与控制设备选择；

3)功率备用率计算，取P_n为电力电子设备节点额定输出功率，取P为当前输出功率，则此刻该下垂设备的功率备用率为：

4)能量备用率计算，对于储能设备其能量备用率计算公式如下：

式中W_n为储能额定容量，W为储能当前容量值，对于实际的控制系统而言，能量备用率可直接用储能SOC值代替，对于非储能电力电子设备取γ＝1；

5)对于非闭锁的下垂设备，其竞争系数为：

对于闭锁设备

记四象限变换器竞争系数为光伏变流器的竞争系数为储能变流器1的竞争系数为储能变流器2的竞争系数为并对该四个系数由大到小进行排序。

S5、此刻，四象限变换器、光伏变流器、储能1、储能2可增加输出功率分别为P_n-P₁、P_n-P₂、P_n-P₃、P_n-P₄，按照S4排序结果，由高及低选择一个或者多个设备输出由S3计算得出的功率差额ΔP，微电网系统母线电压回归至额定电压附近，控制过程完成。

Claims (4)

1.一种微电网母线电压协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时计算当前系统的综合下垂曲线的数学表达式；

读取各个电力电子设备节点的交换功率、各个电力电子设备节点闭锁状态信号及其储能SOC值，实时计算各电力电子设备节点的竞争权重系数，并排序；

当微网系统内部源荷波动导致系统母线电压变化超过设定范围时，启动控制调节流程，并输出母线电压变化值ΔU；

根据输出的电压变化值ΔU，计算系统功率波动值ΔP；

根据当前电力电子设备节点竞争系数排序，将功率差额ΔP分配给排序靠前的一个或者多个电力电子设备节点，使系统电压回归至额定的电压范围。

2.根据权利要求1所述的微电网母线电压协调控制方法，其特征在于，综合下垂曲线的数学表达式的计算过程为：

(1)实时采集母线电压实测值U和各个电力电子设备节点端口功率值并求和计算出当前功率和∑P；

(2)基于最小二乘法原则，采用线性回归模型，使所有观测值的残差平方和最小，其样本模型如下：

Y_i＝α₁+α₂X_i+ε_i

式中X_i和Y_i为样本值，ε_i为误差值，α₁和α₂为系统下垂曲线参数，α₁的物理意义为微网母线为额定电压值，α₂的实际物理意义为下垂斜率，取步骤(1)计算出的∑P组成的数组为X_i，取电压实测值U组成的数组为Y_i；

(3)计算残差平方和最小可以确定一条直线，该直线即为当前系统的综合下垂曲线；

(4)通过迭代可以计算出步骤(2)中的α₁和α₂，使用U_n代替α₁，使用k代替α₂，则综合下垂曲线数学表达式为；

U＝U_n+k×∑P

式中，U为当前母线电压，U_n为母线额定电压，∑P为当前系统电力电子设备节点功率和，k为曲线的斜率。

3.根据权利要求2所述的微电网母线电压协调控制方法，其特征在于，各电力电子设备节点的竞争权重系数的计算和排序方法为：

(1)每个电力电子设备节点设定一个权重系数δ(δ∈[0,1])，如果希望该设备多参与调节过程则增加该设定值；

(2)功率备用率计算，取P_n为电力电子设备节点额定输出功率，取P为当前输出功率，则此刻该下垂设备的功率备用率β为：

(3)能量备用率计算，对于储能设备其能量备用率γ计算公式如下：

式中W_n为储能额定容量，W为储能当前容量值，对于实际的控制系统而言，能量备用率可直接用储能SOC值代替，对于非储能电力电子设备取γ＝1；

(4)对于非闭锁的下垂设备，其竞争系数为：

对于闭锁设备

所述的闭锁是指如果该设备状态异常无法输出调节功率，则此刻装置不参与控制设备选择；

(5)按由大到小的顺序对各电力电子设备节点的竞争系数进行排序。

4.根据权利要求3所述的微电网母线电压协调控制方法，其特征在于，系统功率波动值ΔP的计算方法为：

根据综合下垂曲线函数，由系统电压变化值ΔU可以计算出系统功率波动值：