CN109546687B - 采用基于虚拟功率改进下垂控制技术的新能源并网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用基于虚拟功率改进下垂控制技术的新能源并网方法。电压幅值的调整会影响到有功功率，频率的调整将会影响到无功功率，而传统的下垂控制采用有功和无功解耦，将不再适用于此。本发明的方法包括：考虑等效线路的阻抗，引入线性坐标旋转正交变换矩阵，得到虚拟的有功功率和无功功率，从而使虚拟的有功和无功功率分别与功角和幅值差呈一一对应的关系，实现了功率的解耦控制；利用阻抗实时在线测量技术，测得线路上的电压，加上逆变器输出电压，得到公共耦合点电压，实现了无通讯功能；采用基于虚拟功率改进下垂控制技术的控制系统，使并网点电压波动问题得到改善。

Description

采用基于虚拟功率改进下垂控制技术的新能源并网方法

技术领域

本发明属于低压配电网领域，尤其是一种采用基于虚拟功率改进下垂控制技术的新能源并网方法。

背景技术

随着世界经济快速发展、人口规模持续增加，能源紧缺、环境污染、气候变化等问题日益突出，严重威胁人类社会的可持续发展，可再生能源的开发利用在全世界范围内得到了高度重视。可再生能源主要包括水能、风能、太阳能、地热能、生物质能、海洋能等，其中，水能、风能、太阳能具有储量丰富、清洁无污染的特点，是世界各国重点发展的可再生能源。但水能受自然环境、地理位置影响较大，且其开发利用对当地生态环境、地质结构具有不良影响，因此，风能、太阳能成为21世纪最具发展前景的新能源。

但是，由于风能、太阳能发电具有随机性、间歇性、可调度性差的特点，在电网消纳能力不足时，新能源发电直接并网会给大电网带来一些不利的影响，主要归纳为以下两点：其一是影响系统安全稳定运行。新能源发电受天气因素影响较大，其并网时发电功率不稳定、可调节性差，导致系统潮流方向变化不定；同时，新能源发电均采用电力电子装置进行并网，其具有惯性小、响应速度快、过载能力差等特点将降低电网安全稳定运行能力。其二是影响供电质量。新能源接入电网时会对传统大电网的运行造成一定冲击，引起电网电压波动，降低电能质量。新能源发展初期，由于场站数量少、容量小且处于电网末端，其电压影响往往局限于新能源站内，对系统电网电压影响有限。但随着大规模新能源集中接入电网，给电网带来了不可忽视的电压问题，严重影响了电力系统的正常运行。针对新能源发电给电网带来的一系列问题，需要研究新的技术对系统进行控制和优化。

下垂控制是通过模拟传统同步发电机的下垂特性，对逆变器输出的有功功率和无功功率进行解耦控制，从而实现系统频率和电压调节的目的。传统的下垂控制策略模拟高压大电网同步发电机接口特性，采用大电网的高压输电线来分析，忽略线路电阻，有功功率与功角差，无功功率与幅值差呈对应的关系。但很多分布式电源接入低压配电网，输电线的阻抗比大，不可忽略线路的电阻。电压幅值的调整会影响到有功功率，频率的调整将会影响到无功功率，而传统的下垂控制采用有功和无功解耦，将不再适用于此。

发明内容

为了解决新能源并网造成的电网电压波动问题，同时考虑低压配电网的线路阻抗比大、线路电阻不能忽略的情况，本发明提供一种采用基于虚拟功率改进下垂控制技术的新能源并网方法，并采用阻抗在线实时测量技术，实时计算公共耦合点的电压，实现无通讯的功能。

本发明采用如下的技术方案：采用基于虚拟功率改进下垂控制技术的新能源并网方法，其包括：

考虑等效线路的阻抗，引入线性坐标旋转正交变换矩阵，得到虚拟的有功功率和无功功率，从而使虚拟的有功和无功功率分别与功角和幅值差呈一一对应的关系，实现功率的解耦控制；

利用阻抗实时在线测量技术，测得线路上的电压，加上逆变器输出电压，得到公共耦合点电压，实现无通讯功能；

采用基于虚拟功率改进下垂控制技术的控制系统，该控制系统包括下垂控制器和电压电流双闭环控制器，下垂控制器采用基于虚拟功率改进的下垂控制技术，电压电流双闭环控制器采用电压电流双闭环控制方式，使并网点电压波动问题得到改善。

通过线性坐标旋转正交变换矩阵引入虚拟功率，不仅实现了有功功率和无功功率的解耦控制，同时考虑了线路的电阻对功率的影响。

进一步地，线性坐标旋转正交变换矩阵如下：

其中，θ＝arctan(X/R)为线路的阻抗角，X为线路电抗，R为线路电阻，线路的阻抗角通过测量具体的线路获得，或当电网结构发生变化时，通过线路首末两端的信息计算得到。

进一步地，得到的虚拟有功和无功功率P'和Q'表示为：

其中，X为线路电抗，R为线路电阻，Z为线路阻抗，P为有功功率，Q为无功功率。

进一步地，通过测量逆变器输出电压U和线路电压ZI得到公共耦合点PCC的电压U_PCC，表达式如下：

U_PCC＝U+ZI。

进一步地，根据下垂控制公式得到虚拟无功功率偏差为：

其中，K_Q为无功下垂控制系数，U_PCC ^*为公共耦合点PCC电压参考值；不考虑公共耦合点PCC电压对有功功率的影响，△P'＝0，将虚拟有功和无功功率偏差经过坐标变换，得到实际的有功和无功功率偏差：

进一步地，将实际的有功和无功功率偏差值加上有功和无功功率的给定值，作为电压电流双闭环控制器的输入，从而调节发电机输出的有功和无功功率。

进一步地，有功功率的给定值通过改变最大功率跟踪曲线的比例系数实现，通过超速或变桨距的方法降低发电机正常运行时的效率，使其留有余力参与系统的一次调频。

进一步地，利用Karrenbauer相模变换法或PARK变换法的阻抗参数在线辨识方法，实时测量线路阻抗，得到线路电压，从而实现无通讯功能。利用Karrenbauer相模变换法或PARK变换法的阻抗参数在线辨识方法，实时测量线路阻抗，得到线路电压，从而实现无通讯功能。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

(1)采用基于虚拟功率的下垂控制，不仅实现了有功功率和无功功率的解耦控制，同时考虑到电压对有功功率的影响以及频率对无功功率的影响，对于阻抗比较大的低压配电网同样适用。

(2)利用阻抗实时在线测量技术得到线路电压，通过加上逆变器输出电压来得到公共耦合点电压，实现了无通讯的功能。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1a为有功下垂特性曲线图；

图1b为无功下垂特性曲线图；

图2为分布式电源功率传输等效电路图；

图3为基于虚拟功率的改进下垂控制框图；

图4为电压电流双闭环控制器框图；

图5为新能源发电系统仿真模型图；

图6为PCC点电压及发电机输出电压图；

图7为增大阻抗后PCC点电压及发电机输出电压图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步地说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

根据发电机的P－ω和Q－U线性关系，可得到下垂控制的表达式如下：

其中，ω^*和U^*为逆变器额定角频率和额定电压幅值；K_Pi和K_Qi为逆变器有功和无功下垂系数；ω_i和U_i为逆变器实际输出角频率和电压幅值；P_i和Q_i为逆变器输出有功功率和无功功率；P_i ^*和Q_i ^*为逆变器额定有功功率和额定无功功率。

根据下垂控制原理，相对应的有功、无功下垂特性曲线分别如图1a、图1b所示。系统初始运行在A点，当逆变器输出的有功和无功功率增加时，系统由A点向B点移动，达到新的稳定状态，实现功率的自动分配。

图2为分布式电源功率传输等效电路图，分布式发电机电压为E，公共耦合点(PCC)电压为V，线路阻抗Z＝R+jX，一般呈阻感性。由图2可得传输潮流和线路阻抗的关系为：

在计算潮流时，一般认为sinα≈α，cosα≈1。传统的下垂控制策略模拟高压大电网同步发电机接口特性，采用大电网的高压输电线来分析，忽略线路电阻，有功功率P与功角差α，无功功率Q与幅值差E-V呈对应的关系。但很多分布式电源接入低压配电网，输电线的阻抗比大，不可忽略线路的电阻。由式(2)、(3)可知，电压幅值的调整会影响到有功功率，而频率的调整将会影响到无功功率。而传统的下垂控制采用有功和无功解耦，将不再适用于此，因此引入虚拟功率。

考虑等效线路的阻抗，引入线性坐标旋转正交变换矩阵：

式中，θ＝arctan(X/R)为线路的阻抗角，可通过测量具体的线路来获得，并且随着智能电网的发展，当电网结构发生变化时，也可方便地通过线路首末两端的信息计算得到。此时，得到虚拟有功和无功功率P'和Q'可表示为：

由式(2)、式(3)、式(5)可得低压配电网下的潮流公式如下：

通过T_PQ，可将实际有功功率P和无功功率Q，经坐标变换为虚拟的有功功率P'和无功功率Q'，从而使虚拟的有功和无功功率分别与功角和幅值差呈一一对应的关系，实现了功率的解耦控制。

图3为基于虚拟功率的下垂控制框图。其中，L_f和C_f分别为滤波电感和滤波电容，R_f为防止LC滤波器发生振荡串入的阻尼电阻，L_i和R_i分别为线路等效电感和电阻，U_i和I_i分别为逆变器输出电压和电流，I_Li为滤波器电感电流，U_PCC ^*和U_PCC分别为并网点的电压参考值和电压实际值，△P'和△Q'分别为虚拟的有功功率偏差和无功功率偏差，△P和△Q分别为经坐标变换后得到的实际有功功率偏差和无功功率偏差，P_ref和Q_ref分别为有功功率参考值和无功功率参考值，i_d ^*和i_q ^*分别是同步旋转坐标系下dq轴输出电流，MPPT为最大功率跟踪运行环节，w为风机转速，V_dc为电源的直流母线电压，U_oi ^*为电压电流控制环节输出的电压指令，并采用空间矢量调制方式(SVPWM)对电压指令进行调制。整个控制系统主要由下垂控制器和电压电流双闭环控制器等部分构成。下面分别介绍下垂控制器和电压电流双闭环控制器的设计。

1.下垂控制器

下垂控制器主要实现下垂控制和坐标变换的功能。PCC点的电压通过测得逆变器输出电压，再加上线路上的电压得到，实现了无通讯的功能，可表示如下：

U_PCC＝U_i+ZI_i (8)

根据下垂控制公式得到虚拟无功功率偏差量为：

K_Q为无功下垂控制系数，不考虑PCC点电压对有功功率的影响，△P'＝0，将虚拟有功和无功功率偏差经过坐标变换，得到实际的有功功率和无功功率偏差：

将实际的偏差值加上有功和无功功率的给定值，从而调节发电机输出的有功和无功功率。其中，有功功率的给定值通过改变最大功率跟踪曲线的比例系数实现，通过超速或变桨距的方法降低发电机正常运行时的效率，使其留有余力参与系统的一次调频，现已有文献证明该技术的可行性。

2.电压电流双闭环控制器

由图4可得到abc坐标系下电容电流数学表达式为：

经PARK变换后得到dq坐标系下电容电流数学表达式为：

其中，U_id和U_iq分别为dq坐标系下滤波电容电压，I_Lid和I_Liq分别为dq坐标系下滤波电感电流，I_id和I_iq分别为dq坐标系下电源输出电流。

为消除静差引入积分环节，可得到电压电流双闭环控制器电压外环控制的数学表达式为：

其中，I_Lid ^*和I_Liq ^*分别为dq坐标系下的电感电流指令，U_iq ^*和U_id ^*分别为dq坐标系下的下垂控制电压指令，K_up和K_ui分别为电压环的比例和积分系数。

同理，可推导出电压电流双闭环控制器电流内环控制的数学表达式为：

其中，U_oid ^*和U_oiq ^*分别为dq坐标系下的输出电压指令，K_cp和K_ci分别为电流环的比例和积分系数。

根据式(13)、式(14)可得到如图4所示的电压电流双闭环控制框图。

利用Matlab/Simulink搭建了如图5所示的新能源发电系统仿真模型。新能源发电系统仿真模型中包含两种类型的分布式电源，DG1代表永磁直驱风力发电机，是旋转电机型分布式电源；DG2代表光伏发电机，是直流电压源型分布式电源，这两种分布式电源经逆变器输出后接入公共交流母线，系统仿真参数如表1所示。

表1：系统仿真参数表

参数	DG1数值	DG2数值	参数	数值
					额定功率	500KW	200KW	额定频率	50Hz
线路电阻值	0.05pu	0.05pu	额定线电压	690V
					线路电感值	0.1pu	0.05pu	开关频率	2.5kHz
SCR	8.94	14.142	直流母线电压	1050V

仿真中，在1s时，PCC点电压跌落10％，1.5s时采用基于虚拟功率的下垂控制。仿真结果如图6所示，图中的曲线分别为PCC点电压、DG1输出电压和DG2输出电压。从仿真结果可见，加上基于虚拟功率的下垂控制之后，PCC点电压恢复到允许范围内，验证了该方法的有效性。

增大线路的阻抗参数，线路1和线路2的电阻改为0.1pu，电感分别为0.2pu和0.1pu，仿真的电压波形图如图7所示。增大阻抗后，在1.5s之后开始采用基于虚拟功率的下垂控制，PCC点电压波形得到改善。结论与阻抗增大前一致。

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 (1)

1.采用基于虚拟功率改进下垂控制技术的新能源并网方法，其特征在于，包括：

考虑等效线路的阻抗，引入线性坐标旋转正交变换矩阵，得到虚拟的有功功率和无功功率，从而使虚拟的有功和无功功率分别与功角和幅值差呈一一对应的关系，实现功率的解耦控制；

利用阻抗实时在线测量技术，测得线路上的电压，加上逆变器输出电压，得到公共耦合点电压，实现无通讯功能；

采用基于虚拟功率改进下垂控制技术的控制系统，该控制系统包括下垂控制器和电压电流双闭环控制器，下垂控制器采用基于虚拟功率改进的下垂控制技术，电压电流双闭环控制器采用电压电流双闭环控制方式，使并网点电压波动问题得到改善；

线性坐标旋转正交变换矩阵如下：

其中，θ＝arctan(X/R)为线路的阻抗角，X为线路电抗，R为线路电阻，线路的阻抗角通过测量具体的线路获得，或当电网结构发生变化时，通过线路首末两端的信息计算得到；

得到的虚拟有功和无功功率P'和Q'表示为：

其中，X为线路电抗，R为线路电阻，Z为线路阻抗，P为有功功率，Q为无功功率；

通过测量逆变器输出电压U和线路电压ZI得到公共耦合点PCC的电压U_PCC，表达式如下：

U_PCC＝U+ZI；

根据下垂控制公式得到虚拟无功功率偏差为：

其中，K_Q为无功下垂控制系数，U_PCC ^*为公共耦合点PCC电压参考值；不考虑公共耦合点PCC电压对有功功率的影响，△P'＝0，将虚拟有功和无功功率偏差经过坐标变换，得到实际的有功和无功功率偏差：

将实际的有功和无功功率偏差值加上有功和无功功率的给定值，作为电压电流双闭环控制器的输入，从而调节发电机输出的有功和无功功率；

有功功率的给定值通过改变最大功率跟踪曲线的比例系数实现，通过超速或变桨距的方法降低发电机正常运行时的效率，使其留有余力参与电力系统的一次调频；

利用Karrenbauer相模变换法或PARK变换法的阻抗参数在线辨识方法，实时测量线路阻抗，得到线路电压，从而实现无通讯功能；

所述的电压电流双闭环控制器设计如下：

abc坐标系下电容电流数学表达式为：

经PARK变换后得到dq坐标系下电容电流数学表达式为：

其中，U_id和U_iq分别为dq坐标系下滤波电容电压，I_Lid和I_Liq分别为dq坐标系下滤波电感电流，I_id和I_iq分别为dq坐标系下电源输出电流；

为消除静差引入积分环节，得到电压电流双闭环控制器电压外环控制的数学表达式为：

其中，I_Lid ^*和I_Liq ^*分别为dq坐标系下的电感电流指令，U_iq ^*和U_id ^*分别为dq坐标系下的下垂控制电压指令，K_up和K_ui分别为电压环的比例和积分系数；

同理，推导出电压电流双闭环控制器电流内环控制的数学表达式为：

其中，U_oid ^*和U_oiq ^*分别为dq坐标系下的输出电压指令，K_cp和K_ci分别为电流环的比例和积分系数。

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