CN109494795A - 串联型分布式能源系统的反下垂控制方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联型分布式能源系统的反下垂控制方法、装置及系统，该装置包括反下垂功率控制模块和电压电流双闭环控制模块，反下垂功率控制模块获取输出电流和LC滤波器的电容电压，计算分布式发电单元的功率因数；利用功率因数和反下垂功率控制系数，计算分布式发电单元的角频率，生成分布式发电单元的瞬时电压参考值，输出至电压电流双闭环控制模块；电压电流双闭环控制模块将分布式发电单元的瞬时电压参考和LC滤波器的电容电压的差值与闭环控制传递函数相乘，得到内部闭环控制器的参考电流，将内部闭环控制器的参考电流和分布式发电单元的输出电流的差值与内部闭环比例系数相乘，得到分布式发电单元PWM控制的参考电压。
Description
技术领域
本公开涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种串联型分布式能源系统的反下垂控制方法、装置及系统。
背景技术
基于可再生能源和分布式发电的分布式发电系统日益大规模接入现代社会电力系统。多个分布式发电单元如光伏电池板、储能电池，并联可以形成自治孤岛运行的并联型分布式发电系统，分布式发电单元间需要合理负荷功率分配避免单个分布式发电单元过载。
基于有功功率-频率下垂和和无功功率-电压幅值下垂原理的分布式功率控制方法已经被广泛研究。这种方法通过模拟下垂控制同步发电机的输出特性行为去获得功率分配。随着多电平级联H桥功率变换器技术的快速发展，多个基于H桥功率变换技术的分布式发电单元组成串联型分布式发电系统具有很多优势。这种串联型分布式发电结构能够通过低压功率模块串联集成中压电力系统，避免了分布式发电单元在直流侧的大容量串联以及大功率DC/DC变换器的投资，每个分布式发电单元具有独立的有功无功功率控制，无需闭环线电流检测及跟踪控制，能够提高分布式发电系统在并网和离网运行情况下的灵活性、可靠性和经济性。目前缺乏对串联型分布式发电系统在自治孤岛模式下运行的控制方法研究。
因此，如何无需分布式发电单元相互通讯就能够自动准确分配负荷功率的串联型分布式能源系统的反下垂控制方法，仍是待解决的技术问题。
发明内容
针对的问题，本公开提供了一种串联型分布式能源系统的反下垂控制方法、装置及系统，采用功率因数-频率反下垂控制原理，无需分布式发电单元相互通讯就能够自动准确分配负荷功率，而且功率分配的准确性对线路阻抗的变化不敏感，更具工程实用性和灵活性，能够提高分布式发电系统在并网和离网运行情况下的灵活性、可靠性和经济性。
本公开所采用的技术方案是：
一种串联型分布式能源系统的反下垂控制装置，该装置包括：
反下垂功率控制模块，被配置为获取分布式发电单元的输出电流和LC滤波器的电容电压，采用低通滤波器计算分布式发电单元的功率因数；利用功率因数和反下垂功率控制系数，计算分布式发电单元的角频率，对分布式发电单元的角频率求积分，并计算该积分值的余弦值与额定电压幅值的乘积，生成分布式发电单元的瞬时电压参考值，输出至电压电流双闭环控制模块；
电压电流双闭环控制模块，被配置为接收反下垂功率控制模块发送的分布式发电单元的瞬时电压参考值，将分布式发电单元的瞬时电压参考和LC滤波器的电容电压的差值与闭环控制传递函数相乘，得到内部闭环控制器的参考电流，将内部闭环控制器的参考电流和分布式发电单元的输出电流的差值与内部闭环比例系数相乘，得到分布式发电单元PWM控制的参考电压，输出至分布式发电单元的直流侧。
进一步的，所述电压电流双闭环控制模块包括外环电压控制模块和内环电流控制模块，其中：
所述外环电压控制模块，被配置为接收反下垂功率控制模块发送的分布式发电单元的瞬时电压参考值，将分布式发电单元的瞬时电压参考值与LC滤波器的电容电压做差，并将该差值与闭环控制传递函数相乘，得到内部闭环控制器的参考电流，输出至内环电流控制模块；
所述内环电流控制模块，被配置为将内部闭环控制器的参考电流与分布式发电单元的输出电流做差，并将该差值与内部闭环比例系数相乘，得到分布式发电单元PWM控制的参考电压，输出至分布式发电单元的直流侧。
通过上述的技术方案，采用反下垂功率控制模块，并结合外部电压闭环和内部电流闭环控制模块，实现串联分布式发电单元间有功和无功功率的合理准确分配，无需分布式发电单元之间相互通讯，功率分配的准确性对线路阻抗的变化不敏感，降低了控制系统投资，提高了分布式发电单元即插即用的灵活性和系统运行的可靠性，避免了分布式发电单元在直流侧大容量串联以及大功率DC/DC变换器的投资，能够提高分布式发电系统在并网和离网运行情况下的灵活性、可靠性和经济性。
一种串联型分布式能源系统的反下垂控制方法，基于如上所述的串联型分布式能源系统的反下垂控制装置实现，该方法包括以下步骤：
获取分布式发电单元的输出电流和LC滤波器的电容电压；
采用低通滤波器计算分布式发电单元的功率因数；
根据反下垂功率控制系数和分布式发电单元的功率因数，计算分布式发电单元的角频率；
采用外环电压控制方法对分布式发电单元的角频率进行处理，得到内部闭环控制器的参考电流；
采用内环电流控制方法对内部闭环控制器的参考电流进行处理，得到分布式发电单元PWM控制的参考电压，输出至分布式发电单元的直流侧。
通过上述的技术方案，采用反下垂功率因数控制原理，结合电压闭环和电流闭环控制方法，实现串联分布式发电单元间有功和无功功率的合理准确分配，无需分布式发电单元之间相互通讯，而且功率分配的准确性对线路阻抗的变化不敏感，能够实现并网运行和孤岛自治运行，更具工程实用性和灵活性
进一步的，所述分布式发电单元的功率因数的计算方法为：
利用分布式发电单元的输出电流IO和LC滤波器的电容电压VC，计算分布式发电单元的截止频率ωcut；
采用低通滤波器对分布式发电单元的截止频率ωcut进行处理，将处理结果与分布式发电单元的功率因数角的余弦值相乘，得到分布式发电单元的功率因数PFLPF。
进一步的，所述分布式发电单元的角频率的计算方法为：
获取反下垂功率控制系数DPF和分布式发电单元的额定频率ω*；
计算分布式发电单元的功率因数PFLPF与反下垂功率控制系数DPF乘积，并将该乘积与分布式发电单元的额定频率ω*求和，得到分布式发电单元的角频率ωDG。
进一步的，所述采用外环电压控制方法对分布式发电单元的角频率进行处理，得到内部闭环控制器的参考电流的步骤包括：
获取电网电压Vgrid，将电网电压Vgrid与分布式发电单元的串联数量N相比，得到分布式发电单元的额定电压幅值E；
计算分布式发电单元的角频率ωDG相对于时间t的积分值，并将该积分值的余弦值与分布式发电单元的额定电压幅值相乘，得到分布式发电单元的瞬时电压参考值；
计算分布式发电单元的瞬时电压参考值与LC滤波器的电容电压的差值，并将该差值与闭环控制传递函数相乘，得到内部闭环控制器的参考电流。
进一步的，所述闭环控制传递函数为：
其中，K为闭环控制传递函数，kp表示控制器比例增益，ki,h表示控制器在谐波次数h上的增益，ωc代表谐振控制器的截止频率，s为拉普拉斯算子，ω*为额定角频率，ω*＝2π·50＝100π。
进一步的，所述采用内环电流控制方法对内部闭环控制器的参考电流进行处理，得到分布式发电单元PWM控制的参考电压的步骤包括：
计算内部闭环控制器的参考电流与分布式发电单元的输出电流的差值，并将该差值与内部闭环比例系数相乘，得到分布式发电单元PWM控制的参考电压。
一种串联型分布式能源系统，所述串联型分布式能源系统包括多个串联的分布式发电单元，每个分布式发电单元分别连接有如上所述的反下垂控制装置。
本公开的有益效果是：
(1)本公开采用反下垂功率因数控制原理，结合电压闭环和电流闭环控制方法，实现串联分布式发电单元间有功和无功功率的合理准确分配，无需分布式发电单元之间相互通讯就能够自动准确分配负荷功率，而且功率分配的准确性对线路阻抗的变化不敏感，能够实现并网运行和孤岛自治运行，更具工程实用性和灵活性；
(2)本公开避免了分布式发电单元在直流侧的大容量串联以及大功率DC/DC变换器的投资，能够提高分布式发电系统在并网和离网运行情况下的灵活性、可靠性和经济性。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是串联型分布式发电系统的结构示意图；
图2是串联型分布式发电系统的矢量图；
图3是串联型分布式发电系统的反下垂控制装置的结构示意图；
图4为未采用反下垂控制方法的串联分布式发电单元的电压和电流波形；
图5为采用反下垂控制方法的串联分布式发电单元的电压和电流波形；
图6为采用反下垂控制方法前后的有功和无功功率曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是串联型分布式能源系统的结构示意图。如图1所示，该串联型分布式能源系统包括多个分布式发电单元，所述分布式发电单元的直流侧接储能电池，经H桥变换器和LC滤波器接入交流侧，分布式发电单元的交流侧串联形成串联型分布式发电系统，连接到大电网的并网点PCC，同时为PCC点处的负载提供电能。该串联型分布式发电系统的并网点通过一个静态开关(STS)连接大电网。当大电网正常时，静态开关闭合，系统运行于并网模式；当大电网故障时，静态开关断开，系统运行于孤岛模式。
图2是串联型分布式发电系统的矢量图，当多个分布式发电单元具有相同的电压幅值、不同的电压相角时，它们的视在功率是一致的，但是有功无功功率分配存在明显的误差，如图2左半部分所示；另一方面，当多个分布式发电单元具有相同的电压幅值、相同的电压相角时，它们能够准确均等地分配有功和无功功率，如图2右半部分所示。这种情况与采用传统下垂控制原理的并联型分布式发电系统具有明显的不同，在稳定运行时，有功功率分配不存在误差，无功功率由于线路阻抗会存在分配误差。
为了避免分布式发电单元之间的通讯，更多的采用本地测量信号去补偿串联型分布式发电系统的功率分配误差。考虑到分布式发电单元具有相同的视在功率，一种或多种实施例提供了一种串联型分布式能源系统的反下垂控制装置，为每个分布式发电单元配置了反下垂控制装置，每个分布式发电单元分别连接有反下垂控制模块，通过反下垂控制模块实现串联分布式发电单元间有功和无功功率的合理准确分配。
图3是反下垂控制装置的结构示意图。如图3所示，该反下垂控制装置包括反下垂功率控制模块和电压电流双闭环控制模块，其中：
所述反下垂功率控制模块，被配置为获取分布式发电单元的输出电流IO和分布式发电单元的LC滤波器的电容电压VC，采用低通滤波器计算分布式发电单元的功率因数PFLPF；利用功率因数和反下垂功率控制系数，计算分布式发电单元的角频率ωDG，对分布式发电单元的角频率ωDG求积分，并计算该积分值的余弦值与额定电压幅值的乘积，得到分布式发电单元的瞬时电压参考值，输出至电压电流双闭环控制模块。通过上述技术方案来保证功率分配的准确性。
为了避免线电流纹波导致的功率因数波动，采用了低通滤波器(LPF)计算功率因数PFLPF，具体为：
其中，ωcut是截止频率，为常数，ωcut＝2π·100＝200π；θ是分布式发电单元的功率因数角，s是拉普拉斯算子。
计算分布式发电单元的功率因数和反下垂功率控制系数的乘积，并与额定频率求和，得到分布式发电单元的角频率ωDG，该分布式发电单元的角频率ωDG具体为：
ωDG＝ω*+DPF·PFLPF
其中，DPF是反下垂功率控制系数；PFLPF是分布式发电单元的功率因数；ω*是额定角频率，ω*＝2π·50＝100π。
对分布式发电单元的角频率求积分，并计算该积分值的余弦值与额定电压幅值的乘积，得到分布式发电单元的瞬时电压参考值，该分布式发电单元K的瞬时电压参考值具体为：
其中，E是额定电压幅值，由分布式发电单元的串联数量N和电网电压Vgrid决定，为：
所述电压电流双闭环控制模块包括外环电压控制模块和内环电流控制模块，其中：
所述外环电压控制模块，被配置为接收反下垂功率控制模块发送的分布式发电单元的瞬时电压参考，计算分布式发电单元的瞬时电压参考与LC滤波器的电容电压的差值，并将该差值与闭环控制传递函数相乘，得到内部闭环控制器的参考电流，输出至内环电流控制模块。
该内部闭环控制器的参考电流值具体为：
其中，代表内部闭环控制器的参考电流，VC,K表示分布式发电单元K的LC滤波器的电容电压，kp表示控制器比例增益，ki,h表示控制器在谐波次数h上的增益，ωc代表谐振控制器的截止频率，s为拉普拉斯算子，ω*为额定角频率，Gouter(s)为闭环控制传递函数，具体为：
所述内环电流控制模块，被配置为计算内部闭环控制器的参考电流与分布式发电单元的输出电流的差值，并将该差值与内部闭环比例系数相乘，得到分布式发电单元PWM控制的参考电压，输出至分布式发电单元的直流侧。
该分布式发电单元PWM控制的参考电压具体为：
其中，Io,K表示分布式发电单元K的输出电流，kinner表示内部闭环比例系数，表示分布式发电单元PWM控制的参考电压。
本实施例提出的串联型分布式能源系统的反下垂控制装置，采用反下垂功率控制模块，并结合外部电压闭环和内部电流闭环控制模块，实现串联分布式发电单元间有功和无功功率的合理准确分配，无需分布式发电单元之间相互通讯，功率分配的准确性对线路阻抗的变化不敏感，降低了控制系统投资，提高了分布式发电单元即插即用的灵活性和系统运行的可靠性，避免了分布式发电单元在直流侧大容量串联以及大功率DC/DC变换器的投资，能够提高分布式发电系统在并网和离网运行情况下的灵活性、可靠性和经济性。
一种或多种实施例还提供了一种串联型分布式能源系统的反下垂控制方法，该方法是基于上述的串联型分布式能源系统的反下垂控制装置实现的，该方法包括以下步骤：
S101，获取分布式发电单元的输出电流IO和LC滤波器的电容电压VC。
S102，采用低通滤波器计算分布式发电单元的功率因数PFLPF；该功率因数PFLPF的计算公式为：
其中，ωcut是截止频率；θ是分布式发电单元的功率因数角，s是拉普拉斯算子。
S103，计算分布式发电单元的功率因数PFLPF与反下垂功率控制系数DPF的乘积，并与额定角频率ω*求和，得到分布式发电单元的角频率ωDG，该分布式发电单元的角频率ωDG的计算公式为：
ωDG＝ω*+DPF·PFLPF
其中，DPF是反下垂功率控制系数；PFLPF是分布式发电单元的功率因数；ω*是额定角频率。
S104，对分布式发电单元的角频率ωDG求积分，并计算该积分值的余弦值与额定电压幅值的乘积，得到分布式发电单元的瞬时电压参考值。
分布式发电单元K的瞬时电压参考值的计算公式为：
其中，E是额定电压幅值，由分布式发电单元的串联数量N和电网电压Vgrid决定，为：
S105，计算分布式发电单元的瞬时电压参考与LC滤波器的电容电压的差值，并将该差值与闭环控制传递函数相乘，得到内部闭环控制器的参考电流，该内部闭环控制器的参考电流值的计算公式为：
其中，代表内部闭环控制器的参考电流，VC,K表示分布式发电单元K的LC滤波器的电容电压，kp表示控制器比例增益，ki,h表示控制器在谐波次数h上的增益，ωc代表谐振控制器的截止频率，s为拉普拉斯算子，ω*为额定角频率。
S106，计算内部闭环控制器的参考电流与分布式发电单元的输出电流的差值，并将该差值与内部闭环比例系数相乘，得到分布式发电单元PWM控制的参考电压，输出至分布式发电单元的直流侧。
该分布式发电单元PWM控制的参考电压的计算公式为：
其中，Io,K表示分布式发电单元K的输出电流，kinner表示内部闭环比例系数，表示分布式发电单元PWM控制的参考电压。
本实施例提出的串联型分布式能源系统的反下垂控制方法，采用功率因数-频率反下垂控制原理，结合电压闭环和电流闭环控制方法，实现串联分布式发电单元间有功和无功功率的合理准确分配，无需分布式发电单元之间相互通讯，功率分配的准确性对线路阻抗的变化不敏感，降低了控制系统投资，提高了分布式发电单元即插即用的灵活性和系统运行的可靠性；该反下垂控制方法还避免了分布式发电单元在直流侧的大容量串联以及大功率DC/DC变换器的投资，能够提高分布式发电系统在并网和离网运行情况下的灵活性、可靠性和经济性。
通过试验验证本实施例提出的反下垂控制方法，未采用反下垂控制方法的串联分布式发电单元的电压和电流波形如图4所示，采用本实施例提出的反下垂控制方法的串联分布式发电单元的电压和电流波形如图5所示，通过对比可以发现，采用本实施例提出的反下垂控制方法可以有效降低串联分布式发电单元的电压误差；图6为采用本实施例提出的反下垂控制方法前后的有功和无功功率曲线，应用本实施例提出的反下垂控制方法后，可以有效实现分布式发电单元快速准确地功率分配，验证了本实施例提出的反下垂控制方法的可行性和有效性。
综上所述，本申请所取得的有益效果为：
(1)采用反下垂功率因数控制原理，结合电压闭环和电流闭环控制方法，实现串联分布式发电单元间有功和无功功率的合理准确分配，无需分布式发电单元之间相互通讯，而且功率分配的准确性对线路阻抗的变化不敏感，能够实现并网运行和孤岛自治运行，更具工程实用性和灵活性；
(2)避免了分布式发电单元在直流侧的大容量串联以及大功率DC/DC变换器的投资，能够提高分布式发电系统在并网和离网运行情况下的灵活性、可靠性和经济性。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种串联型分布式能源系统的反下垂控制装置，其特征在于，包括：
反下垂功率控制模块，被配置为获取分布式发电单元的输出电流和LC滤波器的电容电压，采用低通滤波器计算分布式发电单元的功率因数；利用功率因数和反下垂功率控制系数，计算分布式发电单元的角频率，对分布式发电单元的角频率求积分，并计算该积分值的余弦值与额定电压幅值的乘积，生成分布式发电单元的瞬时电压参考值，输出至电压电流双闭环控制模块；
电压电流双闭环控制模块，被配置为接收反下垂功率控制模块发送的分布式发电单元的瞬时电压参考值，将分布式发电单元的瞬时电压参考和LC滤波器的电容电压的差值与闭环控制传递函数相乘，得到内部闭环控制器的参考电流，将内部闭环控制器的参考电流和分布式发电单元的输出电流的差值与内部闭环比例系数相乘，得到分布式发电单元PWM控制的参考电压，输出至分布式发电单元的直流侧。
2.根据权利要求1所述的串联型分布式能源系统的反下垂控制装置，其特征在于，所述电压电流双闭环控制模块包括外环电压控制模块和内环电流控制模块，其中：
所述外环电压控制模块，被配置为接收反下垂功率控制模块发送的分布式发电单元的瞬时电压参考值，将分布式发电单元的瞬时电压参考值与LC滤波器的电容电压做差，并将该差值与闭环控制传递函数相乘，得到内部闭环控制器的参考电流，输出至内环电流控制模块；
所述内环电流控制模块，被配置为将内部闭环控制器的参考电流与分布式发电单元的输出电流做差，并将该差值与内部闭环比例系数相乘，得到分布式发电单元PWM控制的参考电压，输出至分布式发电单元的直流侧。
3.一种串联型分布式能源系统的反下垂控制方法，基于权利要求1-2中任一项所述的串联型分布式能源系统的反下垂控制装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
获取分布式发电单元的输出电流和LC滤波器的电容电压；
采用低通滤波器计算分布式发电单元的功率因数；
根据反下垂功率控制系数和分布式发电单元的功率因数，计算分布式发电单元的角频率；
采用外环电压控制方法对分布式发电单元的角频率进行处理，得到内部闭环控制器的参考电流；
采用内环电流控制方法对内部闭环控制器的参考电流进行处理，得到分布式发电单元PWM控制的参考电压，输出至分布式发电单元的直流侧。
4.根据权利要求3所述的串联型分布式能源系统的反下垂控制方法，其特征在于，所述分布式发电单元的功率因数的计算方法为：
利用分布式发电单元的输出电流IO和LC滤波器的电容电压VC，计算分布式发电单元的截止频率ωcut；
采用低通滤波器对分布式发电单元的截止频率ωcut进行处理，将处理结果与分布式发电单元的功率因数角的余弦值相乘，得到分布式发电单元的功率因数PFLPF。
5.根据权利要求3所述的串联型分布式能源系统的反下垂控制方法，其特征在于，所述分布式发电单元的角频率的计算方法为：
获取反下垂功率控制系数DPF和分布式发电单元的额定频率ω*；
计算分布式发电单元的功率因数PFLPF与反下垂功率控制系数DPF乘积，并将该乘积与分布式发电单元的额定频率ω*求和，得到分布式发电单元的角频率ωDG。
6.根据权利要求3所述的串联型分布式能源系统的反下垂控制方法，其特征在于，所述采用外环电压控制方法对分布式发电单元的角频率进行处理，得到内部闭环控制器的参考电流的步骤包括：
获取电网电压Vgrid，将电网电压Vgrid与分布式发电单元的串联数量N相比，得到分布式发电单元的额定电压幅值E；
计算分布式发电单元的角频率ωDG相对于时间t的积分值，并将该积分值的余弦值与分布式发电单元的额定电压幅值相乘，得到分布式发电单元的瞬时电压参考值；
计算分布式发电单元的瞬时电压参考值与LC滤波器的电容电压的差值，并将该差值与闭环控制传递函数相乘，得到内部闭环控制器的参考电流。
7.根据权利要求6所述的串联型分布式能源系统的反下垂控制方法，其特征在于，所述闭环控制传递函数为：
其中，K为闭环控制传递函数，kp表示控制器比例增益，ki,h表示控制器在谐波次数h上的增益，ωc代表谐振控制器的截止频率，s为拉普拉斯算子，ω*为额定角频率，ω*＝2π·50＝100π。
8.根据权利要求3所述的串联型分布式能源系统的反下垂控制方法，其特征在于，所述采用内环电流控制方法对内部闭环控制器的参考电流进行处理，得到分布式发电单元PWM控制的参考电压的步骤包括：
计算内部闭环控制器的参考电流与分布式发电单元的输出电流的差值，并将该差值与内部闭环比例系数相乘，得到分布式发电单元PWM控制的参考电压。
9.一种串联型分布式能源系统，其特征在于，所述串联型分布式能源系统包括多个串联的分布式发电单元，每个分布式发电单元分别连接有如权利要求1-2中任一项所述的反下垂控制装置。
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