CN110460112B - 一种基于功率偏差量一致性控制的微电网下垂控制方法 - Google Patents

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CN110460112B CN201910882050.XA CN201910882050A CN110460112B CN 110460112 B CN110460112 B CN 110460112B CN 201910882050 A CN201910882050 A CN 201910882050A CN 110460112 B CN110460112 B CN 110460112B
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Abstract

本发明公开一种基于功率偏差量一致性控制的微电网下垂控制方法，构建分布式微电网控制结构；检测各逆变器输出电压和电流获得有功功率和无功功率；通过微电网参数得到系统角频率参考值和系统电压参考值；利用本地频率偏差量与相邻单元频率偏差量经PI控制器得到频率控制补偿量；利用本地电压偏差量与相邻单元电压偏差量的权重误差经控制器得到电压控制补偿量；利用本地及相邻单元的下垂系数与有功功率的乘积的权重误差经PI控制器得到无功功率分配调节量；获取系统角频率参考值和电压参考值并进一步得到指令信号送入PWM调制器控制逆变器中功率器件通断。本发明实现了微电网逆变器的频率和电压的无差控制，确保逆变器输出无功功率按比例分配。

Description

一种基于功率偏差量一致性控制的微电网下垂控制方法
技术领域
本发明涉及一种分布式发电及电力电子技术，具体为一种基于功率偏差量一致性控制的微电网下垂控制方法。
背景技术
近几十年来，能源危机和环境污染问题越来越严重。为了缓解能源危机和环境污染问题，国内外的专家学者提出了以可再生能源为主要发电形式的分布式发电技术。然而，大量分布式电源(DG)在连网的同时，也带来了很多不利的后果。为了减轻分布式电源对大电网的冲击，人们提出了微电网技术。分布式电源的输出电压幅值和输出频率是衡量电能质量的重要指标，只有将其稳定在各自的额定值附近才能保障电力系统安全可靠的运行。
在孤岛运行模式，为了使电压幅值和频率稳定，研究人员们采取了下垂控制策略，然而下垂控制是一种有差控制方式，为了使系统的输出电压幅值和输出频率恢复到各自的额定值，引入了微电网二级控制。传统的微电网二级控制采用中央控制器的集中控制结构，但这种结构存在很多缺陷，使得系统的可靠性和可扩展性变差，比如通信网络复杂，通信量大，且不具备“即插即用”的功能等。另外，线路阻抗对微电网多逆变器并联的无功功率分配有直接影响，使其不能按照下垂系数进行反比例分配，而现有的加入虚拟阻抗的解决方法也会使逆变器输出电压大幅降低，影响逆变器的输出电能质量。所以有必要提出一种分布式的对逆变器输出电压、频率、无功功率分配进行综合治理的协同控制方法。
发明内容
针对现有技术中微电网控制影响逆变器的输出电能质量等不足，本发明要解决的问题是提供一种可对逆变器输出电压、频率、无功功率分配进行综合治理的的基于功率偏差量一致性控制的微电网下垂控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种基于功率偏差量一致性控制的微电网下垂控制方法，包括以下步骤：
1)将分布式电源视为独立节点，构建分布式微电网控制结构，各分布式电源之间为双向通信，分布式电源简化为直流恒压源，分布式电源通过电压型三相有源逆变器后经LC滤波器接入微电网公共节点；
2)检测各逆变器输出电压uoabc和电流ioabc，经Clack和Park坐标变换，获得变换后的旋转坐标系直轴电压分量uod、交轴电压分量uoq、直轴电流分量iod以及交轴电流分量iod；
3)将步骤2)中所得uod、uoq、iod、iod代入功率计算公式，获得有功功率Pi和无功功率Qi；
4)将微电网输电线路阻抗视为感性，采用p-ω/Q-V下垂控制方式，确定各分布式电源有功下垂系数mi和无功下垂系数ni，经下垂控制得到系统角频率参考值ωi和系统电压参考值Vi；
5)将本地频率偏差量与相邻单元频率偏差量的权重误差作为PI控制器的输入信号，PI控制器输出为频率控制补偿量Vω；
6)将本地电压偏差量
Figure BDA0002206190000000028
与相邻单元电压偏差量的权重误差作为PI控制器的输入信号，PI控制器输出为电压控制补偿量VV；
7)将本地下垂系数与有功功率的乘积niQi与相邻单元下垂系数与有功功率乘积的权重误差作为PI控制器的输入信号，PI控制器输出值减去niQi得到无功功率分配调节量Vqi；
8)将系统角频率参考值ωi与频率控制补偿量Vω相加得到新的系统角频率参考值
Figure BDA0002206190000000027
将系统电压参考值Vi与电压控制补偿量Vω和无功功率分配调节量Vqi相加得到新的系统电压参考值
Figure BDA0002206190000000021
9)将步骤8)系统角频率参考值
Figure BDA0002206190000000022
和系统电压参考值
Figure BDA0002206190000000023
经电压电流双环控制后再经Clack和Park坐标反变换后得到指令信号送入PWM调制器，PWM调制器控制逆变器中功率器件的通断。
所述步骤4)中，
p-ω/Q-V下垂控制的控制方程为：
Figure BDA0002206190000000024
式中，
Figure BDA0002206190000000025
为系统额定频率，ωi为系统角频率参考值，Vi *为系统的额定电压，Vi为系统电压参考值，mi为有功下垂系数，ni为无功下垂系数，Pi *为分布式电源额定有功功率，
Figure BDA0002206190000000029
为分布式电源额定无功功率。
所述步骤5)中，本地频率偏差量与相邻单元频率偏差量的权重误差通过以下公式确定：
Figure BDA0002206190000000026
其中aij为分布式电源拓扑图的Laplace矩阵元素，eω为频率偏差的权重误差，mi(Pi-Pi *)和
Figure BDA0002206190000000031
分别为本地和相邻单元频率偏差量，Ni为第i个分布式电源节点邻居的合集，j为其邻居节点的编号；频率偏差的权重误差eω经PI控制器后得到频率控制补偿量Vω。
所述步骤6)中，本地电压偏差量
Figure BDA0002206190000000032
与相邻单元电压偏差量的权重误差通过以下公式确定：
Figure BDA0002206190000000033
其中aij为分布式电源拓扑图的Laplace矩阵元素，eV为电压偏差的权重误差，
Figure BDA0002206190000000034
和
Figure BDA0002206190000000035
分别为本地和相邻单元电压偏差量，Ni为第i个分布式电源点邻居的合集，j为其邻居节点的编号；频率控制补偿量VV，由电压偏差的权重误差eV经PI控制器后得到。
所述步骤7)中，本地下垂系数与有功功率的乘积niQi与相邻单元下垂系数与有功功率乘积的权重误差通过以下公式确定：
Figure BDA0002206190000000036
其中aij为分布式电源拓扑图的Laplace矩阵元素，eq为niQi和njQj的权重误差，niQi和njQj分别为本地下垂系数与有功功率的乘积和相邻单元下垂系数与有功功率的乘积，Ni为分布式电源点i邻居的合集；eq经PI控制器后的输出值减去niQi得到无功功率分配调节量Vqi。
述步骤8)中，新的系统角频率参考值
Figure BDA0002206190000000037
的计算方法为：
Figure BDA0002206190000000038
确定新的系统电压参考值Vi ref的计算方法为：
Figure BDA0002206190000000039
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明方法实现了微电网逆变器的频率和电压的无差控制，确保逆变器输出无功功率按比例分配。
2.本发明方法分布式电源节点间仅需进行有功功率和无功功率通信，减少了通信数据的种类，降低了通信错误的发生率，提高了系统的可靠性。
3.本发明方法采用分布式控制方式，控制器均采用了PI控制器，节省了集中式中央处理器的投资，具有较高的经济效益。
附图说明
图1为本发明涉及的独立运行微电网的结构示意图；
图2为图1的等效拓扑图；
图3为本发明控制方法控制流程图；
图4为本发明中DG1输出电压波形图；
图5为本发明涉及的系统频率波形图；
图6为本发明涉及的无功功率分配波形图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
本发明一种基于功率偏差量一致性控制的微电网下垂控制方法，检测逆变器输出电压和电流，获得有功功率和无功功率；将用功率偏差表示的本地频率偏差量与相邻单元频率偏差量的权重误差输入PI控制器得到频率控制补偿量，将频率控制补偿量与P-ω下垂控制的输出频率相加得到系统的角频率参考值；将用功率偏差表示的本地电压偏差量与相邻单元的电压偏差量的权重误差输入PI控制器得到电压控制补偿量；将本地的无功下垂系数与无功功率乘积的值与相邻单元无功下垂系数与无功功率乘积值的权重误差输入PI控制器得到的值与本地无功下垂系数与无功功率乘积的值作差，得到无功功率分配调节量；将电压控制补偿量、无功功率分配调节量、Q-V下垂控制的输出电压三者相加得到系统的电压参考值；将参考电压量经电压电流双环PI控制得到指令信号送入PWM控制器，控制逆变器中功率器件的通断。
本发明方法涉及的独立运行微电网如图1所示，其等效拓扑图如图2所示。
本发明方法的具体步骤如图3所示，具体表述如下：
1)将分布式电源视为独立节点，构建分布式微电网控制结构，各分布式电源之间为双向通信，分布式电源简化为直流恒压源，分布式电源通过电压型三相有源逆变器后经LC滤波器接入微电网公共节点；
2)检测各逆变器输出电压uoabc和电流ioabc，经Clack和Park坐标变换，获得变换后的旋转坐标系直轴电压分量uod、交轴电压分量uoq、直轴电压分量iod以及交轴电流分量iod；
3)将步骤2)中所得uod、uoq、iod、iod代入功率计算公式，获得有功功率Pi和无功功率Qi；
4)将微电网输电线路阻抗视为感性，采用p-ω/Q-V下垂控制方式，确定各分布式电源有功下垂系数mi和无功下垂系数ni，经下垂控制得到系统角频率参考值ωi和系统电压参考值Vi；
5)将本地频率偏差量与相邻单元频率偏差量的权重误差作为PI控制器的输入信号，PI控制器输出为频率控制补偿量Vω；
6)将本地电压偏差量
Figure BDA0002206190000000041
与相邻单元电压偏差量的权重误差作为PI控制器的输入信号，PI控制器输出为电压控制补偿量VV；
7)将本地下垂系数与有功功率的乘积niQi与相邻单元下垂系数与有功功率乘积的权重误差作为PI控制器的输入信号，PI控制器输出值减去niQi得到无功功率分配调节量Vqi；
8)将步骤4)所得的系统角频率参考值ωi与频率控制补偿量Vω相加得到新的系统角频率参考值
Figure BDA0002206190000000051
将步骤4)所得的系统电压参考值Vi与电压控制补偿量Vω和无功功率分配调节量Vqi相加得到新的系统电压参考值Vi ref；
9)将步骤8)系统角频率参考值
Figure BDA0002206190000000052
和系统电压参考值Vi ref经电压电流双环控制后再经Clack和Park坐标反变换后得到指令信号送入PWM调制器，PWM调制器控制逆变器中功率器件的通断。
步骤1)中，构建的分布式微电网控制结构，各分布式电源之间为双向通信，以分布式电源1(DG1)和分布式电源2(DG2)之间的通信为例，DG1能接收到DG2的信息，DG2也能接收到DG2的信息。这里，分布式电源采用直流恒压源，分布式电源通过电压型三相有源逆变器后经LC滤波器接入微电网公共节点；
逆变器输出电压需要经过滤波器滤除谐波后才能接入微电网，滤波器的性能直接影响输出电压质量，采用下垂控制的逆变器输出特性与电压源相似，微电网中通常采用LC和LCL滤波器。由于三相系统中引入了旋转坐标系，LCL滤波器的解耦过程比较复杂，系统的控制过程和稳定性分析等计算量较大。选择LC结构作为逆变器的输出滤波器，一方面保证了输出电压质量，另一方面简化了系统结构，降低了分析计算的阶数。LC滤波器的设计原则如下所示：
10fn≤fc≤0.1fs
Figure BDA0002206190000000053
其中，fc为LC滤波器谐振频率，fn为基波频率，一般为50Hz，fs为开关频率。同时需考虑滤波电容的容性无功不能大于额定功率的10％，电感电压不能超过限定值的10％。
步骤2)中，分别检测各逆变器输出电压uoabc和电流ioabc，经Clack和Park坐标变换，获得变换后的旋转坐标系直轴电压分量uod、交轴电压分量uoq、直轴电流分量iod以及交轴电流分量iod；
其中，Clack坐标变换的公式为：
Figure BDA0002206190000000054
式中，uα和uβ为经坐标变换所得静止坐标下的电压值，ua、ub、uc为检测到电压uoabc的a、b、c三相电压分量，Tabc/αβ为Clack坐标变换矩阵，具体为：
Figure BDA0002206190000000061
Park坐标变换的公式为：
Figure BDA0002206190000000062
式中，uod和uoq为旋转坐标系下的两个分量，Tαβ/ab为Park坐标变换矩阵，具体为：
Figure BDA0002206190000000063
电流坐标变换过程与电压变换过程相同，将公式中电压值换成相应电流值即可。
步骤3)中，将步骤2)经坐标变换所得uod、uoq、iod、iod代入功率计算公式，获得有功功率Pi和无功功率Qi；逆变器输出瞬时有功功率和无功功率的计算公式为：
Figure BDA0002206190000000064
步骤4)中，p-ω/Q-V的控制方程为：
Figure BDA0002206190000000065
式中，角标i为分布式电源节点的编号，
Figure BDA0002206190000000066
为系统额定频率，ωi为系统角频率参考值，Vi *为系统的额定电压，Vi为系统电压参考值，mi为有功下垂系数，ni为无功下垂系数，Pi *为分布式电源额定有功功率，
Figure BDA0002206190000000067
为分布式电源额定无功功率；
有功下垂系数mi、无功下垂系数ni是可调节的参数，由逆变器输出功率和允许的电压和频率变化范围决定。分布式电源输出的有功功率必须满足0≤P≤Pimax，无功功率满足必须满足-Qimax≤Q≤Qimax。下垂控制是一种通过牺牲频率和电压准确度来满足功率平衡的控制手段，微电网系统的频率和电压偏移有严格的限制，在低压配电网中，通常要求电压幅值的变化不超过5％，频率偏移额定点不超过1％。因此，下垂系数由以下公式确定：
Figure BDA0002206190000000071
上式确定了下垂系数的最大值，保证输出功率到达极限值时电压和频率偏移没有超过规定范围。实际上，下垂系数对系统的动态响应和稳定性有着非常重要的影响，下垂系数对控制系统的影响及具体取值，还需具体情况具体分析。这里，有功下垂系数m1、m2、m3取值分别为：1.0×10-5、1.5×10-5、1.5×10-5，无功下垂系数n1、n2、n3取值分别为：1.0×10-4、1.5×10-4、1.5×10-4。
步骤5)中，确定本地频率偏差量与相邻单元频率偏差量的权重误差的方法为：
Figure BDA0002206190000000072
其中aij为分布式电源拓扑图的Laplace矩阵元素，eω为频率偏差的权重误差，mi(Pi-Pi *)和
Figure BDA0002206190000000073
分别为本地和相邻单元频率偏差量，Ni为分布式电源点i邻居的合集，j为其邻居节点的编号；
这里Laplace矩阵为；
Figure BDA0002206190000000074
其中，D为通信拓扑图的度矩阵，
Figure BDA0002206190000000075
A为通信拓扑图的邻接矩阵，
Figure BDA0002206190000000076
确定频率控制补偿量的方法为：
频率偏差的权重误差eω经PI控制器后得到频率控制补偿量Vω。
步骤6)中，本地电压偏差量
Figure BDA0002206190000000077
与相邻单元电压偏差量的权重误差通过以下公式确定：
Figure BDA0002206190000000078
其中aij为分布式电源拓扑图的Laplace矩阵元素，eV为电压偏差的权重误差，
Figure BDA0002206190000000079
和
Figure BDA00022061900000000710
分别为本地和相邻单元电压偏差量，Ni为分布式电源点i邻居的合集；j为其邻居节点的编号；
确定电压控制补偿量的方法为：
频率控制补偿量VV是由电压偏差的权重误差eV经PI控制器后得到。
步骤7)中，确定本地下垂系数与有功功率相乘所得到的值与相邻单元下垂系数与有功功率相乘所得到的值之间的权重误差的方法为：
Figure BDA0002206190000000081
其中aij为分布式电源拓扑图的Laplace矩阵元素，eq为niQi和njQj的权重误差，niQi和njQj分别为本地下垂系数与有功功率的乘积和相邻单元下垂系数与有功功率的乘积，Ni为分布式电源点i邻居的合集；
确定无功功率分配调节量Vqi的方法为：
eq经PI控制器后的输出值减去niQi得到无功功率分配调节量Vqi，即：Vqi＝eq-niQi。
步骤8)中，将步骤4)所得的系统角频率参考值ωi与步骤5)所得频率控制补偿量Vω相加得到新的系统角频率参考值
Figure BDA0002206190000000082
将步骤4)所得的系统电压参考值Vi与步骤5)所得电压控制补偿量Vω和步骤7)所得无功功率分配调节量Vqi相加得到新的系统电压参考值Vi ref。
确定新的系统角频率参考值
Figure BDA0002206190000000083
的计算方法为：
Figure BDA0002206190000000084
确定新的系统电压参考值Vi ref的计算方法为：
Figure BDA0002206190000000085
Vi ref经Clack和Park坐标变换后得到电压环d轴参考电压uodref和电压环q轴参考电压uoqref。
步骤9)，将步骤8)所得系统角频率参考值
Figure BDA0002206190000000086
和系统电压参考值Vi ref经电压电流双环控制后再经Clack和Park坐标反变换后得到指令信号送入PWM调制器，PWM调制器控制逆变器中功率器件的通断。
微电网系统的相关参数如下表所示：
Figure BDA0002206190000000087
在0-0.5s仅运行未改进的下垂控制策略，在0.5s运行本发明所提的下垂控制策略。图4为DG1输出电压波形图，图5为系统频率波形图，图6为无功功率分配波形图。0-0.5s阶段：电压为217V，频率为49.53HZ，两项指标均低于额定值，无功功率不能按比例分配。0.5s后阶段：电压恢复至220V，频率恢复至50HZ，无功功率实现按DG1:DG2:DG3＝3:2:2分配。可见，所提方法能够达到相应的控制目标。

Claims (5)

1.一种基于功率偏差量一致性控制的微电网下垂控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将分布式电源视为独立节点，构建分布式微电网控制结构，各分布式电源之间为双向通信，分布式电源简化为直流恒压源，分布式电源通过电压型三相有源逆变器后经LC滤波器接入微电网公共节点；
2)检测各逆变器输出电压uoabc和电流ioabc，经Clack和Park坐标变换，获得变换后的旋转坐标系直轴电压分量uod、交轴电压分量uoq、直轴电流分量iod以及交轴电流分量ioq；
3)将步骤2)中所得uod、uoq、iod、ioq代入功率计算公式，获得有功功率Pi和无功功率Qi；
4)将微电网输电线路阻抗视为感性，采用p-ω/Q-V下垂控制方式，确定各分布式电源有功下垂系数mi和无功下垂系数ni，经下垂控制得到系统角频率参考值ωi和系统电压参考值Vi；
5)将本地频率偏差量与相邻单元频率偏差量的权重误差作为PI控制器的输入信号，PI控制器输出为频率控制补偿量Δω；
6)将本地电压偏差量
Figure FDA0003923638810000017
与相邻单元电压偏差量的权重误差作为PI控制器的输入信号，PI控制器输出为电压控制补偿量ΔV；
7)将本地下垂系数与无功功率的乘积niQi与相邻单元下垂系数与无功功率乘积njQj的权重误差作为PI控制器的输入信号，PI控制器输出值减去niQi得到无功功率分配调节量Δqi；
8)将系统角频率参考值ωi与频率控制补偿量Δω相加得到新的系统角频率参考值
Figure FDA0003923638810000011
将系统电压参考值Vi与电压控制补偿量ΔV和无功功率分配调节量Δqi相加得到新的系统电压参考值Vi ref；
9)将步骤8)系统角频率参考值
Figure FDA0003923638810000012
和系统电压参考值
Figure FDA0003923638810000013
经电压电流双环控制后再经Clack和Park坐标反变换后得到指令信号送入PWM调制器，PWM调制器控制逆变器中功率器件的通断；
所述步骤4)中，
p-ω/Q-V下垂控制的控制方程为：
Figure FDA0003923638810000014
式中，
Figure FDA0003923638810000015
为系统额定频率，ωi为系统角频率参考值，Vi *为系统的额定电压，Vi为系统电压参考值，mi为有功下垂系数，ni为无功下垂系数，Pi *为分布式电源额定有功功率，
Figure FDA0003923638810000016
为分布式电源额定无功功率。
2.根据权利要求1所述的基于功率偏差量一致性控制的微电网下垂控制方法，其特征在于：所述步骤5)中，本地频率偏差量与相邻单元频率偏差量的权重误差通过以下公式确定：
Figure FDA0003923638810000021
其中aij为分布式电源拓扑图的Laplace矩阵元素，eω为频率偏差的权重误差，mi(Pi-Pi *)和
Figure FDA0003923638810000022
分别为本地和相邻单元频率偏差量，Ni为第i个分布式电源节点邻居的合集，j为其邻居节点的编号；频率偏差的权重误差eω经PI控制器后得到频率控制补偿量Δω。
3.根据权利要求1所述的基于功率偏差量一致性控制的微电网下垂控制方法，其特征在于：所述步骤6)中，本地电压偏差量
Figure FDA0003923638810000023
与相邻单元电压偏差量的权重误差通过以下公式确定：
Figure FDA0003923638810000024
其中aij为分布式电源拓扑图的Laplace矩阵元素，eV为电压偏差的权重误差，
Figure FDA0003923638810000025
和
Figure FDA0003923638810000026
分别为本地和相邻单元电压偏差量，Ni为第i个分布式电源点邻居的合集，j为其邻居节点的编号；电压控制补偿量ΔV，由电压偏差的权重误差eV经PI控制器后得到。
4.根据权利要求1所述的基于功率偏差量一致性控制的微电网下垂控制方法，其特征在于：所述步骤7)中，本地下垂系数与无功功率的乘积niQi与相邻单元下垂系数与无功功率乘积njQj的权重误差通过以下公式确定：
Figure FDA0003923638810000027
其中aij为分布式电源拓扑图的Laplace矩阵元素，eq为niQi和njQj的权重误差，niQi和njQj分别为本地下垂系数与无功功率的乘积和相邻单元下垂系数与无功功率的乘积，Ni为分布式电源点i邻居的合集；eq经PI控制器后的输出值减去niQi得到无功功率分配调节量Δqi。
5.根据权利要求1所述的基于功率偏差量一致性控制的微电网下垂控制方法，其特征在于：所述步骤8)中，新的系统角频率参考值
Figure FDA0003923638810000028
的计算方法为：
Figure FDA0003923638810000029
确定新的系统电压参考值Vi ref的计算方法为：
Figure FDA00039236388100000210
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