CN109474027A - 一种下垂控制方法、装置及变流器 - Google Patents

一种下垂控制方法、装置及变流器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种下垂控制方法、装置及变流器，属于微电网控制领域。本发明提出的下垂控制方法包括以下步骤：实时检测变流器输出端的电压、频率、有功功率与无功功率；若所述电压与频率不越限，则按照设定的下垂控制曲线进行控制；若所述电压或频率越限，则将下垂控制曲线中的变流器输出电压、频率设为相应的电压定值、频率定值，调整下垂控制曲线中的额定有功功率和额定无功功率，以进行控制。本发明增大了下垂系数的调节范围，同时电压、频率还不会出现越限的情况；本方法可以较好的实现对并网点电压、频率变化的快速适应，从而实现在负载变化较为复杂时，并网点的电压、频率较为稳定。

Description

一种下垂控制方法、装置及变流器
技术领域
本发明涉及一种下垂控制方法、装置及变流器，属于微电网控制领域。
背景技术
随着光伏、风电等新能源技术的快速发展，其并网容量越来越大。但是，光伏和风电等新能源存在较大的随机性，输出功率不平稳，在实际使用过程中，往往需要配合储能单元一起使用。在实际使用过程中，由于新能源往往采用分布式配置形成微型网络，而且，在实际使用过程中，很可能会出现需要离网并联运行的情况。此时，容易出现并联环流等一系列问题，为了避免此类问题，常用的方法是在变流器的控制中增加下垂控制环节，从而使得变流器能够稳定运行。
传统下垂控制根据有功功率、无功功率、电压、频率四者之间的关系，在一些特定环境下，建立有功功率和频率、无功功率和电压之间或者有功功率和电压、无功功率和频率之间的一次函数关系，例如：U＝U0+ku(P0-P)、f＝f0+kf(Q0-Q)，其中，U、f为变流器实际输出的电压、频率，U0、f0变流器空载时输出的电压值以及频率值，ku、kf分别为下垂系数，P0、Q0为额定有功功率、额定无功功率，P、Q为实际输出有功功率、实际输出无功功率，传统的控制方法为通过改变下垂系数实现对变流器输出电压和频率的控制，使得变流器能够较为接近实际发电机的工作状态，实现变流器的自适应并联。
近年来，针对下垂系数选择的研究也逐渐增多，很多研究重点研究放在如何优化下垂系数上。为了提高下垂控制性能，国内外学者提出了诸如分段设置下垂系数等方法。但是，传统下垂控制存在很多问题，比如下垂控制系数往往采用单一数值，数值选择较为依赖经验，通过控制下垂系统进行下垂控制，但是从一次函数关系可以看出，若控制的灵敏度高的话，需要较大的下垂系数，在较大下垂系数的控制下很难保证输出电压、频率的稳定性，此时电压、频率很容易越限而且调节过程中调节的精度也很难控制，因此采用下垂系数的控制方法很难兼顾控制灵敏度与调控范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种下垂控制方法、装置及变流器，用于解决传统下垂控制方法很难兼顾控制灵敏度与调控范围的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种下垂控制方法、装置及变流器，一种下垂控制方法，包括以下步骤：
实时检测变流器输出端的电压、频率、有功功率与无功功率；
若电压与频率不越限，则按照设定的下垂控制曲线进行控制；
若电压或频率越限，则将下垂控制曲线中的变流器输出电压、频率设为相应的电压定值、频率定值，调整下垂控制曲线中的额定有功功率和额定无功功率，以进行控制；
电压定值不超过越限电压，频率定值不超过越限频率。
本发明在电压、频率越限的情况下，设定电压、频率为定值，并且电压定值、频率定值处于不越限的范围内，通过改变额定有功功率以及额定无功功率来实现下垂控制，由于在进行下垂控制时不考虑输出电压、频率的越限，因此，增大了下垂系数的调节范围，同时电压、频率还不会出现越限的情况；本方法可以较好的实现对并网点电压、频率变化的快速适应，从而实现在负载变化较为复杂时，并网点的电压、频率较为稳定。
进一步的，越限电压值为0.9U额或者1.15U额；U额是额定电压；当0.9U额≤电压定值≤1.15U额时，电压定值不超过越限电压；越限频率值为f额+0.5Hz、f额-0.5Hz或者f额+0.2Hz、f额-0.2Hz；f额是额定频率；当f额-0.5Hz≤频率定值≤f额+0.5Hz或者f额-0.2Hz≤频率定值≤f额+0.2Hz时，频率定值不超过越限频率。
0.9U额或者1.15U额为电压越限的临界端点值，f额+0.5Hz、f额-0.5Hz或者f额+0.2Hz、f额-0.2Hz为频率越限的临界端点值，因此0.9U额～1.15U额、f额-0.5Hz～f额+0.5Hz、f额-0.2Hz～f额+0.2Hz为电压、频率不越限的范围，需要将电压定值、频率定值设定在不越限的范围内，保证输出电压、频率不越限。
一种下垂控制装置，包括处理器以及存储器，处理器运行存储在存储器中的计算机程序以及设定参数，实现以下步骤：
实时检测变流器输出端的电压、频率、有功功率与无功功率；
若电压与频率不越限，则按照设定的下垂控制曲线进行控制；
若电压或频率越限，则将下垂控制曲线中的变流器输出电压、频率设为相应的电压定值、频率定值，调整下垂控制曲线中的额定有功功率和额定无功功率，以进行控制；
电压定值不超过越限电压，频率定值不超过越限频率。
在电压、频率越限的情况下，设定电压、频率为定值，并且电压定值、频率定值处于不越限的范围内，通过改变额定有功功率以及额定无功功率来实现下垂控制，由于在进行下垂控制时不考虑输出电压、频率的越限，因此，增大了下垂系数的调节范围，同时电压、频率还不会出现越限的情况；本装置可以较好的实现对并网点电压、频率变化的快速适应，从而实现在负载变化较为复杂时，并网点的电压、频率较为稳定。
进一步的，越限电压值为0.9U额或者1.15U额；U额是额定电压；当0.9U额≤电压定值≤1.15U额时，电压定值不超过越限电压；越限频率值为f额+0.5Hz、f额-0.5Hz或者f额+0.2Hz、f额-0.2Hz；f额是额定频率；当f额-0.5Hz≤频率定值≤f额+0.5Hz或者f额-0.2Hz≤频率定值≤f额+0.2Hz时，频率定值不超过越限频率。
0.9U额或者1.15U额为电压越限的临界端点值，f额+0.5Hz、f额-0.5Hz或者f额+0.2Hz、f额-0.2Hz为频率越限的临界端点值，因此0.9U额～1.15U额、f额-0.5Hz～f额+0.5Hz或者f额-0.2Hz～f额+0.2Hz为电压、频率不越限的范围，需要将电压定值、频率定值设定在不越限的范围内，保证输出电压、频率不越限。
一种变流器，包括控制器和检测单元，控制器连接检测单元，控制器包括处理器以及存储器，处理器运行存储在存储器中的计算机程序以及设定参数，实现以下步骤：
实时检测变流器输出端的电压、频率、有功功率与无功功率；
若电压与频率不越限，则按照设定的下垂控制曲线进行控制；
若电压或频率越限，则将下垂控制曲线中的变流器输出电压、频率设为相应的电压定值、频率定值，调整下垂控制曲线中的额定有功功率和额定无功功率，以进行控制；
电压定值不超过越限电压，频率定值不超过越限频率。
在电压、频率越限的情况下，设定电压、频率为定值，并且电压定值、频率定值处于不越限的范围内，通过改变额定有功功率以及额定无功功率来实现下垂控制，由于在进行下垂控制时不考虑输出电压、频率的越限，因此，增大了下垂系数的调节范围，同时电压、频率还不会出现越限的情况；本变流器装置可以较好的实现对并网点电压、频率变化的快速适应，从而实现在负载变化较为复杂时，并网点的电压、频率较为稳定。
进一步的，越限电压值为0.9U额或者1.15U额；U额是额定电压；当0.9U额≤电压定值≤1.15U额时，电压定值不超过越限电压；越限频率值为f额+0.5Hz、f额-0.5Hz或者f额+0.2Hz、f额-0.2Hz；f额是额定频率；当f额-0.5Hz≤频率定值≤f额+0.5Hz或者f额-0.2Hz≤频率定值≤f额+0.2Hz时，频率定值不超过越限频率。
0.9U额或者1.15U额为电压越限的临界端点值，f额+0.5Hz、f额-0.5Hz或者f额+0.2Hz、f额-0.2Hz为频率越限的临界端点值，因此0.9U额～1.15U额、f额-0.5Hz～f额+0.5Hz或者f额-0.2Hz～f额+0.2Hz为电压、频率不越限的范围，需要将电压定值、频率定值设定在不越限的范围内，保证输出电压、频率不越限。
附图说明
图1为本发明下垂控制应用场景示意图；
图2为本发明流程图；
图3为本发明的下垂控制方法与常规的下垂控制方法在不同负载条件下的有功功率变化情况；
图4为本发明的下垂控制方法与常规的下垂控制方法在不同负载条件下的无功功率变化情况；
图5为本发明的下垂控制方法在不同负载条件下的有功功率变化情况；
图6为本发明的下垂控制方法在不同负载条件下的无功功率变化情况。
具体实施方式
下垂控制方法实施例：
为了详细描述本发明的下垂控制方法，将本发明应用于实际场景进行说明，以下以本发明应用于离网储能变流器上，储能系统之间有一定的距离，线路阻抗不可忽略的应用场景为例对本发明下垂控制方法进行说明，如图1所示，应用场景包括两个储能装置，分别为储能装置1与储能装置2，这两个储能装置并不是完全相同的，每个储能装置连接对应的储能变流器，分别为储能装置1连接储能变流器1，储能装置2连接储能变流器2，储能变流器1与储能变流器2的输出端汇集后为负荷进行供电，分别为负荷1、负荷2、负荷3，三个负荷(也可以称为负载)也是有所区别的。
本方法的原理为：
一次函数关系为：U＝U0+ku(P0-P)、f＝f0+kf(Q0-Q)，其中，U、f为变流器实际输出的电压、频率，U0、f0变流器空载时输出的电压值以及频率值，ku、kf分别为下垂系数，P0、Q0为额定有功功率、额定无功功率，P、Q为实际输出有功功率、实际输出无功功率。根据传统的下垂控制方法的一次函数关系可以看出有功功率和输出电压之间的关系，无功功率和频率之间的关系，下垂系数即一次函数关系形成的坐标直线图的斜率，若下垂系数较大，则负载变化时，输出功率改变的情况下，输出电压的变化较大，很容易越限，这样会造成整个系统的稳定性较差，因此本方法根据一次函数关系将输出电压、频率确定为定值，改变P0、Q0，实现下垂控制。
从此关系可以看出，式中U、f设为定值的话，就可以建立P0、P，Q0、Q的线性关系，在外界负载发生变化的时候，P0、Q0是实时改变的，一般情况下变流器是降额工作的；同时，将U、f设为定值，下垂系数的选择范围就可以变大，因为此时可以不考虑输出电压以及频率越限的问题，下垂系数越大，下垂控制的灵敏度越高。
在解释本方法的原理时利用了一次函数关系，作为其他实施方式，可以根据需求，自行设定其他计算公式进行计算，比如说：以上述一次函数关系电压-有功功率公式为例进行说明，变形后得到在Ku前增加一个大于1的系数A，将公式变为该公式亦可适用于本方法。
下面结合实际场景对下垂控制方法进行详细说明，如图2所示：
实时检测储能变流器1与储能变流器2的输出端的电压、频率、有功功率以及无功功率；
若电压与频率不越限，则按照设定的下垂控制曲线进行控制；其中设定的下垂控制曲线为原一次函数关系曲线；
若电压或频率越限，则将下垂控制曲线中的变流器输出电压、频率设为相应的电压定值、频率定值，调整下垂控制曲线中的额定有功功率和额定无功功率，以进行控制；
电压定值不超过越限电压，频率定值不超过越限频率。
在实际情况中，可能会出现电压越限、频率不越限，电压不越限、频率越限以及电压频率同时越限三种情况。本方法在实际使用过程中，并不区分三种情况，因为电压和频率是弱相关的，属于独立计算的范畴，也就没必要区分这三种情况。
本方法中电压定值不超过越限电压，频率定值不超过越限频率，这里所说的不超过代表电压定值、频率定值处于非越限电压、非越限频率的范围内，而且根据GBT34120-2017可知，越限电压值为0.9U额或者1.15U额是电压值处于越限与不越限的两个临界端点值，U额是额定电压；越限频率值为f额+0.5Hz、f额-0.5Hz或者f额+0.2Hz、f额-0.2Hz是频率值处于越限与不越限的临界端点值，f额是额定频率，因此0.9U额～1.15U额、f额-0.5Hz～f额+0.5Hz或者f额-0.2Hz～f额+0.2Hz为电压、频率不越限的范围，需要将电压定值、频率定值设定在不越限的范围内，保证输出电压、频率不越限，具体额定电压U额、额定频率f额可以参考GBT34120-2017，当然，本发明对电压定值以及频率定值的具体数值不做限制，只要电压定值处于0.9U额～1.15U额之间，频率定值处于f额-0.5Hz～f额+0.5Hz或者f额-0.2Hz～f额+0.2Hz之间，保证电压定值、频率定值在不越限范围即可。
本实施例中，越限电压值为0.9U额或者1.15U额；U额是额定电压；所述越限频率值为f额+0.5Hz、f额-0.5Hz或者f额+0.2Hz、f额-0.2Hz；f额是额定频率，作为其他实施方式，也可以将越限电压、频率设置的比本实施例中要求的越限电压、频率稍大(小)一些。
为了验证本发明的可靠性，利用MATLAB/SIMULINK软件对下垂控制过程进行的仿真试验，分别针对常规的下垂控制方法以及本发明的下垂控制方法进行仿真试验，比较在负载变化相同的情况下，两种方法有功功率和无功功率分配情况。
由于本发明的下垂控制方法在电压、频率越限的情况下控制优势明显，因此在进行参数设置时，考虑系统下垂控制的实际运行情况，选择较大的下垂系数，使得在仿真系统容易出现电压、频率越限的情况，进而可以判断本发明的方法在出现越限时的实际情况。
进行模拟时，建立的仿真模型在3s、6s分别进行负载变化，模拟电网中的负载变化的复杂情况。在0-10s的负载变化情况为：0-3s为40kW的阻性负载，3-6s为50kW的阻性负载和8kW的感性负载并联；6-10s为54kW的阻性负载，8kW的感性负载和2kW的容性负载并联。从仿真结果图3和图4中可以看出，采用常规下垂控制方法的变流器，其有功和无功调节存在失效情况，两个变流器出现了一个吸收功率一个发出功率的情况，表明两个变流器出现了功率环流，整个系统运行在不稳定的状态，导致两个变流器难以并联运行。而采用本发明的下垂控制方法的变流器，则在整个仿真区间内，变流器并不存在失控的情况，虽然变流器功率偏差较大，但是变流器能够稳定运行，仍然可以继续并联运行，而不是一个工作在电源状态，一个工作在负载状态。
图5和图6为采用本发明的变流器P0、Q0的变化情况。从图中可以看出，采用本发明的变流器在功率输出仍有余力的情况下，P0、Q0会发生变化，且该变化可以有效防止变流器并联失败的情况出现。
本发明所提出的下垂控制方法优势如下：
可以较好的实现对并网点电压、频率变化的快速适应，从而实现在负载变化较为复杂时，并网点的电压、频率较为稳定；
可有效提高下垂控制中下垂系数的设置范围，通过选择较大的下垂系数，可以提高下垂控制的灵敏度，同时保证足够的下垂控制区间。
下垂控制装置实施例：
下垂控制装置包括处理器以及存储器，处理器运行存储在存储器中的计算机程序以及设定参数，实现上述下垂控制方法，具体下垂控制方法已经在上述下垂控制方法实施例中已经介绍，这里不做赘述。
变流器实施例：
变流器包括控制器和检测单元，所谓检测单元包括直接检测出电压、频率，然后计算出有功功率和无功功率；或者是由检测单元检测出电压、频率，然后由控制器计算得到有功功率和无功功率，控制器连接检测单元，控制器包括处理器以及存储器，处理器运行存储在存储器中的计算机程序以及设定参数，实现上述下垂控制方法，具体下垂控制方法已经在上述下垂控制方法实施例中已经介绍，这里不做赘述。

Claims (6)

1.一种下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
实时检测变流器输出端的电压、频率、有功功率与无功功率；
若所述电压与频率不越限，则按照设定的下垂控制曲线进行控制；
若所述电压或频率越限，则将下垂控制曲线中的变流器输出电压、频率设为相应的电压定值、频率定值，调整下垂控制曲线中的额定有功功率和额定无功功率，以进行控制；
所述电压定值不超过越限电压，所述频率定值不超过越限频率。
2.根据权利要求1所述的下垂控制方法，其特征在于，所述越限电压值为0.9U额或者1.15U额；U额是额定电压；当0.9U额≤电压定值≤1.15U额时，所述电压定值不超过越限电压；所述越限频率值为f额+0.5Hz、f额-0.5Hz或者f额+0.2Hz、f额-0.2Hz；f额是额定频率；当f额-0.5Hz≤频率定值≤f额+0.5Hz或者f额-0.2Hz≤频率定值≤f额+0.2Hz时，所述频率定值不超过越限频率。
3.一种下垂控制装置，包括处理器以及存储器，其特征在于，所述处理器运行存储在所述存储器中的计算机程序以及设定参数，实现以下步骤：
实时检测变流器输出端的电压、频率、有功功率与无功功率；
若所述电压与频率不越限，则按照设定的下垂控制曲线进行控制；
若所述电压或频率越限，则将下垂控制曲线中的变流器输出电压、频率设为相应的电压定值、频率定值，调整下垂控制曲线中的额定有功功率和额定无功功率，以进行控制；
所述电压定值不超过越限电压，所述频率定值不超过越限频率。
4.根据权利要求3所述的下垂控制装置，其特征在于，所述越限电压值为0.9U额或者1.15U额；U额是额定电压；当0.9U额≤电压定值≤1.15U额时，所述电压定值不超过越限电压；所述越限频率值为f额+0.5Hz、f额-0.5Hz或者f额+0.2Hz、f额-0.2Hz；f额是额定频率；当f额-0.5Hz≤频率定值≤f额+0.5Hz或者f额-0.2Hz≤频率定值≤f额+0.2Hz时，所述频率定值不超过越限频率。
5.一种变流器，包括控制器和检测单元，控制器连接检测单元，控制器包括处理器以及存储器，其特征在于，所述处理器运行存储在所述存储器中的计算机程序以及设定参数，实现以下步骤：
实时检测变流器输出端的电压、频率、有功功率与无功功率；
若所述电压与频率不越限，则按照设定的下垂控制曲线进行控制；
若所述电压或频率越限，则将下垂控制曲线中的变流器输出电压、频率设为相应的电压定值、频率定值，调整下垂控制曲线中的额定有功功率和额定无功功率，以进行控制；
所述电压定值不超过越限电压，所述频率定值不超过越限频率。
6.根据权利要求5所述的变流器，其特征在于，所述越限电压值为0.9U额或者1.15U额；U额是额定电压；当0.9U额≤电压定值≤1.15U额时，所述电压定值不超过越限电压；所述越限频率值为f额+0.5Hz、f额-0.5Hz或者f额+0.2Hz、f额-0.2Hz；f额是额定频率；当f额-0.5Hz≤频率定值≤f额+0.5Hz或者f额-0.2Hz≤频率定值≤f额+0.2Hz时，所述频率定值不超过越限频率。
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CN110011321B (zh) * 2019-04-03 2023-02-14 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 一种基于首端电压追踪的分布式光伏变斜率下垂控制方法

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