CN109617082A - 一种抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法，方法包括：基于微电网的暂态稳定，设置功率控制器的切换控制功率P₀；采集微电网中逆变器的输出电压U₀和输出电流I₀，由功率计算单元计算得到逆变器的输出有功功率P；比较输出有功功率P与切换控制功率P₀的值大小，若P≤P₀，功率控制器采用虚拟同步发电控制器；否则采用改进下垂控制器；同时判断功率控制器的控制方式是否发生改变，若发生改变，则启动电压同步控制器，否则不启动；将经过电压同步控制器控制的逆变器的输出电压输入电压电流双环控制器，根据空间矢量脉宽调制算法生成PWM控制信号，通过PWM控制器控制逆变器主电路，实现对电压频率的稳定控制；本发明有效解决了微电网电压频率易越限的问题。

Description

一种抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法

技术领域

本发明属于分布式发电控制技术领域，主要应用于微电网的负荷大扰动情况下处于孤岛状态下的电压频率越限的控制，具体涉及一种抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法。

背景技术

随着环境问题的日趋严峻和传统能源的日益枯竭，以新能源发电技术为依托的微网技术快速发展。微网中各微源的输出特性呈现出多样性，大都以并网逆变器的形式接入微网，构成微网的多逆变器环境。相较于传统发电机组，具有控制灵活、响应迅速等优点，但是随着微源容量和负载的日益扩大，负荷、分布式电源的接入或切除会造成很大的扰动，给微电网的安全稳定运行，尤其是孤岛模式下的运行带来电压越限和功率振荡等隐患。

为了使微电网的电压、频率可以实现自主调节，有学者提出下垂控制的方法，但是采用下垂控制的系统暂态稳定性较差，出现扰动时系统的波动较大，不利于微网的稳定；对此，又有学者提出虚拟同步发电机的控制方法，将传统同步发电机的惯性和阻尼加入逆变器的控制策略中，提高了微电网的暂态稳定性；然而，微电网仍然存在电压频率越限的情况发生，导致微电网的运行安全性能得不到保障。

发明内容

针对上述现有技术中无法控制微电网中电压频率越限的问题，本发明于提出一种抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法；该方法的具体技术方案如下：

一种抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法，所述方法由功率计算单元、功率控制器、电压同步控制器、电压电流双环控制器和PWM控制器构成的控制系统实现控制，所述功率控制器包括虚拟同步发电机控制器和改进下垂控制器两种控制方式；所述方法包括：

S1、基于所述微电网的频率稳定性要求，设置所述功率控制器的切换控制功率P₀；

S2、采集微电网中逆变器的输出电压U₀和输出电流I₀，由所述功率计算单元计算得到所述逆变器的输出有功功率P；

S3、比较所述输出有功功率P与所述切换控制功率P₀的值大小，若P≤P₀，所述功率控制器采用虚拟同步发电机控制器；若P＞P₀，所述功率控制器采用改进下垂控制器；

S4、判断所述功率控制器的控制方式是否发生改变，若发生改变，则启动所述电压同步控制器，否则，所述电压同步控制器不启动；

S5、将经过所述电压同步控制器控制的所述逆变器的输出电压输入所述电压电流双环控制器，并根据空间矢量脉宽调制算法生成PWM控制信号，通过所述PWM控制器控制所述逆变器主电路，实现对电压频率的稳定控制。

进一步的，所述改进下垂控制器的建模公式为：

其中，a、b为设定的常系数，f_min为设定的最小频率值，Q_ref为无功功率的参考值，n为无功下垂系数。

进一步的，所述电压同步控制器包括电压同步控制器A和电压同步控制器B；所述虚拟同步发电机控制器的输出电压为第一交流电压，所述改进下垂控制器的输出电压为第二交流电压。

进一步的，所述电压电流双环控制器为包括内环电流控制器和外环电压控制器，所述内环电流控制器采用比例控制法控制所述逆变器的输出电流，所述外环电压控制器采用PI控制控制所述逆变器的输出电压的输出精度。

进一步的，所述步骤S4中还包括，判断所述功率控制器的控制方式是从所述虚拟同步发电机控制器转换至所述改进下垂控制器，还是从所述改进下垂控制器转换至所述虚拟同步发电机控制器：

若所述功率控制器的控制方式是从所述虚拟同步发电机控制器转换至所述改进下垂控制器，则启动所述电压同步控制器A；若所述功率控制器的控制方式是从所述改进下垂控制器转换至所述虚拟同步发电机控制器，则启动所述电压同步控制器B。

进一步的，所述电压同步控制器A的控制过程为：

将所述虚拟同步发电机控制器输出的所述第一交流电压进行dq0坐标的旋转变换，得到第一交流电压的第一直流分量V_ad和第二直流分量V_aq；

获取所述微电网母线电压的第一dq轴分量V_md和第二dq轴分量V_mq；

比较所述第一直流分量V_ad的值与所述第一dq轴分量V_md的值得到第一分差值，比较所述第二直流分量V_aq的值与所述第二dq轴分量

V_mq的值得到第二分差值，并对所述第一分差值和第二分差值做PI控制调节；

获取所述改进下垂控制器下所述功率控制器的第三dq轴分量V_bd-ref和第四dq轴分量V_bq-ref，并将所述第三dq轴分量V_bd-ref和第四dq轴分量V_bq-ref分别与经过PI控制调节的所述第一分差值和第二分差值叠加得到第一控制信号V_bd和第二控制信号V_bq；

将所述第一控制信号V_bd和第二控制信号V_bq作为所述电压电流双环控制的第一输入参考值。

进一步的，所述电压同步控制器B的控制过程为：

将所述改进下垂控制器输出的所述第二交流电压进行dq0坐标的旋转变换，得到所述第二交流电压的第三直流分量V_ad和第四直流分量V_aq；

比较所述第三直流分量V_ad的值与所述第一dq轴分量V_md的值得到第三分差值，比较所述第四直流分量V_aq的值与所述第二dq轴分量V_mq的值得到第四分差值，并对所述第三分差值和第四分差值做PI控制调节；

获取所述虚拟同步控制机器下所述功率控制器的第五dq轴分量V_bd-ref和第六dq轴分量V_bq-ref，并将所述第五dq轴分量V_bd-ref和第六dq轴分量V_bq-ref分别与经过PI控制调节的所述第三分差值和第四分差值叠加得到第三控制信号V_ad和第四控制信号V_aq；

将所述第三控制信号V_bd和第四控制信号V_bq作为所述电压电流双环控制的第二输入参考值。

本发明的抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法，通过设定一个指定的功率控制器的切换控制功率，将采集得到的逆变器的输出电压和电流通过功率计算单元计算得到输出有功功率，将输出有功功率与切换控制功率比较，根据比较结果确定功率控制器的控制方式；同时，在功率控制器的控制过程中，判断功率控制器的控制方式，并根据控制方式确定电压同步控制器的开启或者关闭，并选择合适的电源同步控制器进行控制；最后，将同步电压控制器的输出电压输入至电压电流双环控制器，并采用空间矢量脉宽调制算法生成PWM控制器的控制信号，将控制信号作用于逆变器主电路，即可实现对电压频率的稳定控制；与现有技术相比，本发明的有益效果为：将改进下垂控制控制器的快速响应的优点与虚拟同步发电机控制器的良好的暂态稳定优点相结合，不仅提高了微电网孤岛模式下运行的稳定性，而且有效解决了控制系统电压频率易越限的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中所述抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法的流程图示意；

图2为本发明实施例中所述微电网系统的主控微源控制框图示意；

图3为本发明实施例中所述电压同步控制器A的控制原理图示意；

图4为本发明实施例中所述电压同步控制器B的控制原理图示意；

图5为本发明实施例中所述电压电流双环控制器的结构图图示意；

图6为本发明方法与常规只采用虚拟同步发电机控制得到的频率对比图示意。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明实施例中，提供了一种抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法，结合图2，本发明的方法由功率计算单元、功率控制器、电压同步控制器、电压电流双环控制器和PWM控制器构成的控制系统实现控制；且本发明中所述功率控制器包括虚拟同步发电机控制器和改进下垂控制器两种控制方式，其中，虚拟同步发电机控制器为现有的控制器，为本领域技术人员所公知的常识，在此不再进行赘述；改进下垂控制器通过建模的方式获得，其建模公式为：

其中，a、b为设定的常系数，f_min为设定的最小频率值，Q_ref为无功功率的参考值，n为无功下垂系数；其中，虚拟同步发电机控制器和改进下垂控制器为并行设置，在实际情况中根据逆变器的实际输出有功功率来选择控制器的控制方式，即选择虚拟同步发电机控制器或者选择改进下垂控制器。

在本发明实施例中，电压同步控制器包括电压同步控制器A和电压同步控制器B；电压电流双环控制器为包括内环电流控制器和外环电压控制器，内环电流控制器采用比例控制法控制电流输出，以提高控制系统的响应速度；外环电压控制器采用PI控制，控制电压的输出精度，保证可稳定控制电压频率，使电压不会出现越限的状态，实现对暂态稳定的有效控制。

对于本发明方法的具体实现过程可参阅图1，从中可知，本发明的方法具体过程如下：

首先，基于微电网的频率稳定性要求，设置一个功率控制器的切换功率P₀，这样，就可以通过采集得到逆变器的实时输出有功功率的值与切换功率P₀的比较来判断微电网是否是处于暂态稳定状态，是否出现电压频率越限的情况；其中，由于在实际情况中不同微电网的频率稳定性要求的频率值可能不一样，所以每一不同微电网设置的功率控制器的切换功率P₀也不尽相同，具体可根据实际情况来设定。

然后，通过采集微电网中逆变器的实时输出电压U₀和输出电流I₀，由功率计算单元计算得到逆变器的输出有功功率P；并比较输出有功功率P与切换控制功率P₀的值大小；其中，若P≤P₀，功率控制器采用虚拟同步发电机控制器来控制微电网电压的频率，且虚拟同步发电机控制器输出第一交流电压，保证功率控制器输出稳定的功率和电压频率；若P＞P₀，功率控制器采用改进下垂控制器来控制微电网电压的频率，且改进下垂控制器输出第二交流电压，保证功率控制器输出的电压频率可以迅速稳定在要求的安全范围内；在实际应用中，由于不同类型的微电网设置的电压频率的安全范围可能不同，例如，有些微电网的电压频率设置不低于49.5Hz，而有些微电网的要求的电压频率范围为不低于49.7Hz，而基于逆变器的输出有功功率，使用本发明的方法，通过虚拟同步发电机控制器和改进下垂控制器的切换控制，可以对设置有不同安全电压频率的微电网进行控制，保证微电网的电压频率不会出现越限的情况；优选的，在仿真实验中，可在MATLAB软件中使用三相电压电流测量模块进行微电网中逆变器的实时输出电压U₀和输出电流I₀；在实际操作过程中，可通过多功能表来测量逆变器的实时输出电压U₀和输出电流I₀；当然，对此本发明并未进行限制和固定，可根据实际情况进行选择合适的方式。

在功率控制器对微电网的电压实际控制过程中，本发明还通过判断功率控制器的控制方式是否发生改变，进而判断是否启动电压同步控制器，即判断功率控制器的控制方式是从虚拟同步发电机控制器转换至改进下垂控制器，还是从改进下垂控制器转换至虚拟同步发电机控制器，其中，若功率控制器的控制方式是从虚拟同步发电机控制器转换至改进下垂控制器，则启动电压同步控制器A；若功率控制器的控制方式是从改进下垂控制器转换至虚拟同步发电机控制器，则启动电压同步控制器B。

具体的，本发明实施例中，电压同步控制器A的控制过程为：先将拟同步发电机控制器输出的第一交流电压进行dq0坐标的旋转变换，得到第一交流电压的第一直流分量V_ad和第二直流分量V_aq；然后，获取微电网母线电压的第一dq轴分量V_md和第二dq轴分量V_mq；并比较第一直流分量V_ad的值与第一dq轴分量V_md的值得到第一分差值，比较第二直流分量V_aq的值与第二dq轴分量V_mq的值得到第二分差值，并对第一分差值和第二分差值做PI控制调节；同时，获取在改进下垂控制器的控制下功率控制器的第三dq轴分量V_bd-ref和第四dq轴分量V_bq-ref，并将第三dq轴分量V_bd-ref和第四dq轴分量V_bq-ref分别与经过PI控制调节的第一分差值和第二分差值叠加得到第一控制信号V_bd和第二控制信号V_bq；最后，将第一控制信号V_bd和第二控制信号V_bq作为电压电流双环控制的第一输入参考值。

电压同步控制器B的控制过程为：先将改进下垂控制器输出的第二交流电压进行dq0坐标的旋转变换，得到第二交流电压的第三直流分量V_ad和第四直流分量V_aq；然后，比较第三直流分量V_ad的值与所述第一dq轴分量V_md的值得到第三分差值，比较第四直流分量V_aq的值与所述第二dq轴分量V_mq的值得到第四分差值，并对第三分差值和第四分差值做PI控制调节；并获取虚拟同步控制机器下功率控制器的第五dq轴分量V_bd-ref和第六dq轴分量V_bq-ref，并将第五dq轴分量V_bd-ref和第六dq轴分量V_bq-ref分别与经过PI控制调节的第三分差值和第四分差值叠加得到第三控制信号V_ad和第四控制信号V_aq；最后，将第三控制信号V_bd和第四控制信号V_bq作为电压电流双环控制的第二输入参考值。

最后，将经过电压同步控制器控制的逆变器的输出电压输入电压电流双环控制器，并根据空间矢量脉宽调制算法生成PWM控制信号，通过PWM控制器控制逆变器主电路，实现对电压频率的稳定控制。

参阅图6，通过仿真实验来比较本发明方法与常规虚拟同步发电机控制得到的频率对比图，从图中可以看出在0.5s之前，逆变器采用虚拟同步发电机控制，保持额定输出功率，频率稳定在50Hz；在0.5-1s内，输出有功功率P增加但未超过P₀时，仍采用虚拟同步发电机控制，频率有所偏移，但是可维持在微电网要求的最低值49.5Hz以上；在1-1.5s内，输出功率继续增加至P₀以上，此时若继续采用虚拟同步发电机控制的话，则频率会有较大偏移，输出电压不能满足电能质量的要求，而采用综合控制策略则可以使频率始终维持在要求范围内，满足微网电压频率的要求。

本发明的抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法，通过设定一个指定的功率控制器的切换控制功率，将采集得到的逆变器的输出电压和电流通过功率计算单元计算得到输出有功功率，将输出有功功率与切换控制功率比较，根据比较结果确定功率控制器的控制方式；同时，在功率控制器的控制过程中，判断功率控制器的控制方式，并根据控制方式确定电压同步控制器的开启或者关闭，并选择合适的电压同步控制器进行控制；最后，将同步电压控制器的输出电压输入至电压电流双环控制器，并采用空间矢量脉宽调制算法生成PWM控制器的控制信号，将控制信号作用于逆变器主电路，即可实现对电压频率的稳定控制；与现有技术相比，本发明的有益效果为：将改进下垂控制控制器的快速响应的优点与虚拟同步发电机控制器的良好的暂态稳定优点相结合，不仅提高了微电网孤岛模式下运行的稳定性，而且有效解决了控制系统电压频率易越限的问题。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法，所述方法由功率计算单元、功率控制器、电压同步控制器、电压电流双环控制器和PWM控制器构成的控制系统实现控制，其特征在于，所述功率控制器包括虚拟同步发电机控制器和改进下垂控制器两种控制方式；所述方法包括：

S1、基于所述微电网的频率稳定性要求，设置所述功率控制器的切换控制功率P₀；

S2、采集微电网中逆变器的输出电压U₀和输出电流I₀，由所述功率计算单元计算得到所述逆变器的输出有功功率P；

S3、比较所述输出有功功率P与所述切换控制功率P₀的值大小，若P≤P₀，所述功率控制器采用虚拟同步发电机控制器；若P＞P₀，所述功率控制器采用改进下垂控制器；

S4、判断所述功率控制器的控制方式是否发生改变，若发生改变，则启动所述电压同步控制器，否则，所述电压同步控制器不启动；

S5、将经过所述电压同步控制器控制的所述逆变器的输出电压输入所述电压电流双环控制器，并根据空间矢量脉宽调制算法生成PWM控制信号，通过所述PWM控制器控制所述逆变器主电路，实现对电压频率的稳定控制。

2.如权利要求1所述的抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法，其特征在于，所述改进下垂控制器的建模公式为：

其中，a、b为设定的常系数，f_min为设定的最小频率值，Q_ref为无功功率的参考值，n为无功下垂系数。

3.如权利要求1所述的抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法，其特征在于，所述电压同步控制器包括电压同步控制器A和电压同步控制器B；所述虚拟同步发电机控制器的输出电压为第一交流电压，所述改进下垂控制器的输出电压为第二交流电压。

4.如权利要求3所述的抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法，其特征在于，所述电压电流双环控制器为包括内环电流控制器和外环电压控制器，所述内环电流控制器采用比例控制法控制所述逆变器的输出电流，所述外环电压控制器采用PI控制控制所述逆变器的输出电压的输出精度。

5.如权利要求3所述的抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法，其特征在于，所述步骤S4中还包括，判断所述功率控制器的控制方式是从所述虚拟同步发电机控制器转换至所述改进下垂控制器，还是从所述改进下垂控制器转换至所述虚拟同步发电机控制器：

若所述功率控制器的控制方式是从所述虚拟同步发电机控制器转换至所述改进下垂控制器，则启动所述电压同步控制器A；若所述功率控制器的控制方式是从所述改进下垂控制器转换至所述虚拟同步发电机控制器，则启动所述电压同步控制器B。

6.如权利要求5所述的抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法，其特征在于，所述电压同步控制器A的控制过程为：

将所述虚拟同步发电机控制器输出的所述第一交流电压进行dq0坐标的旋转变换，得到第一交流电压的第一直流分量V_ad和第二直流分量V_aq；

获取所述微电网母线电压的第一dq轴分量V_md和第二dq轴分量V_mq；

比较所述第一直流分量V_ad的值与所述第一dq轴分量V_md的值得到第一分差值，比较所述第二直流分量V_aq的值与所述第二dq轴分量V_mq的值得到第二分差值，并对所述第一分差值和第二分差值做PI控制调节；

获取所述改进下垂控制器下所述功率控制器的第三dq轴分量V_bd-ref和第四dq轴分量V_bq-ref，并将所述第三dq轴分量V_bd-ref和第四dq轴分量V_bq-ref分别与经过PI控制调节的所述第一分差值和第二分差值叠加得到第一控制信号V_bd和第二控制信号V_bq；

将所述第一控制信号V_bd和第二控制信号V_bq作为所述电压电流双环控制的第一输入参考值。

7.如权利要求5所述的抑制微电网电压频率越限的暂态稳定控制方法，其特征在于，所述电压同步控制器B的控制过程为：

将所述改进下垂控制器输出的所述第二交流电压进行dq0坐标的旋转变换，得到所述第二交流电压的第三直流分量V_ad和第四直流分量V_aq；

比较所述第三直流分量V_ad的值与所述第一dq轴分量V_md的值得到第三分差值，比较所述第四直流分量V_aq的值与所述第二dq轴分量V_mq的值得到第四分差值，并对所述第三分差值和第四分差值做PI控制调节；

获取所述虚拟同步控制机器下所述功率控制器的第五dq轴分量V_bd-ref和第六dq轴分量V_bq-ref，并将所述第五dq轴分量V_bd-ref和第六dq轴分量V_bq-ref分别与经过PI控制调节的所述第三分差值和第四分差值叠加得到第三控制信号V_ad和第四控制信号V_aq；

将所述第三控制信号V_bd和第四控制信号V_bq作为所述电压电流双环控制的第二输入参考值。