CN110797912A - 应用至微电网的微源逆变器的下垂控制方法及系统 - Google Patents

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CN110797912A CN201911061420.XA CN201911061420A CN110797912A CN 110797912 A CN110797912 A CN 110797912A CN 201911061420 A CN201911061420 A CN 201911061420A CN 110797912 A CN110797912 A CN 110797912A
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徐刚
许磊
刘宗杰
张海
谢允红
韩建伟
张西鲁
尚鹏
赵磊
秦昆
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Jining Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
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    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
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    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Abstract

本公开提出了应用至微电网的微源逆变器的下垂控制方法及系统，包括：功率计算模块、下垂特性控制模块，参考电压合成模块，被配置为：将得到的频率与电压幅值指令值合成为三相电压指令；电压电流双闭环控制模块，被配置为：选择微源逆变器的滤波电容反馈电流作为内环控制器的控制量，对d轴、q轴实现解耦，在控制矢量中，加入电流的交叉补偿，并引入母线电压作为电压前馈；对d轴和q轴母线电压进行解耦，采用PI控制器对解耦后的电压控制；对电流电压采用双闭环控制后得到的变量再次经过派克反变换后得到相应的控制信号，控制微源逆变器开关管的动作。为使能量密度大的蓄电池补偿波动平缓的功率分量并为系统提供稳定的电压和频率。

Description

应用至微电网的微源逆变器的下垂控制方法及系统
技术领域
本公开涉及配电网控制技术领域，特别是涉及应用至微电网的微源逆变器的下垂控制方法及系统。
背景技术
配电网中包含多种微电源，其各自特点不同，发电原理不同。若利用风力资源与太阳光资源在时间上自然互补的特点，将风力发电与光伏发电同时投入系统中，可以天然弥补单独供电时的间歇，进而使系统自然具备一定程度的可靠供电性能。
关于包含风光发电及复合储能的微电网在运行时需要微源逆变器，但是关于微源逆变器如何控制是需要解决的技术问题。
发明内容
本说明书实施方式的目的是提供应用至微电网的微源逆变器的下垂控制方法，能够控制组网运行时的稳定性。
本说明书实施方式提供应用至微电网的微源逆变器的下垂控制方法，通过以下技术方案实现：
包括：
将采集到的微源逆变器输出的电压电流信号经派克变换后计算逆变微电源输出到母线的瞬时功率；
瞬时功率经低通滤波处理后得到相应的平均功率；
选用有功-频率(P-f)和无功-电压(Q-v)的下垂控制特性，得到母线电压频率和幅值的指令值；
将得到的频率与电压幅值指令值合成为三相电压指令；
对三相电压指令进行派克变换，得到dq坐标系下的电压指令，从而作为电压环的电压参考；
选择微源逆变器的滤波电容反馈电流作为内环控制器的控制量，对d轴、q轴实现解耦，在控制矢量中，加入电流的交叉补偿，并引入母线电压作为电压前馈；
对d轴和q轴母线电压进行解耦，采用PI控制器对解耦后的电压控制；
对电流电压采用双闭环控制后得到的变量再次经过派克反变换后得到相应的控制信号，控制微源逆变器开关管的动作。
本说明书实施方式提供应用至微电网的微源逆变器的下垂控制系统，通过以下技术方案实现：
包括：
功率计算模块，被配置为：将采集到的微源逆变器输出的电压电流信号经派克变换后计算逆变微电源输出到母线的瞬时功率；
瞬时功率经低通滤波处理后得到相应的平均功率；
下垂特性控制模块，被配置为：选用有功-频率(P-f)和无功-电压(Q-v)的下垂控制特性，得到母线电压频率和幅值的指令值；
参考电压合成模块，被配置为：将得到的频率与电压幅值指令值合成为三相电压指令；
对三相电压指令进行派克变换，得到dq坐标系下的电压指令，从而作为电压环的电压参考；
电压电流双闭环控制模块，被配置为：选择微源逆变器的滤波电容反馈电流作为内环控制器的控制量，对d轴、q轴实现解耦，在控制矢量中，加入电流的交叉补偿，并引入母线电压作为电压前馈；
对d轴和q轴母线电压进行解耦，采用PI控制器对解耦后的电压控制；
对电流电压采用双闭环控制后得到的变量再次经过派克反变换后得到相应的控制信号，控制微源逆变器开关管的动作。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开将微电源逆变器具体地应用到包含风光发电及复合储能的微电网中。对应能量管理对复合储能的能量分配原则，为使能量密度大的蓄电池补偿波动平缓的功率分量并为系统提供稳定的电压和频率，对其接口逆变器采用下垂控制。
当微电网中的分布式电源采用Droop控制策略时，其输出可以按照预先给定的p-f和Q-U特性进行自主调节，无主从之分，因而可以实现对等控制。这种控制策略的优点是易于实现分布式电源的即插即用；同时，在微电网进行运行模式切换时，可以保持控制策略不变。
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为本公开实施例子的三相电压型逆变器主电路图；
图2为本公开实施例子的下垂控制原理图；
图3为本公开实施例子的P-f、Q-v下垂特性曲线图；
图4(a)为本公开实施例子的iCd电流内环结构框图；
图4(b)为本公开实施例子的无vod与iod扰动时的iCd电流内环简化结构图；
图5为本公开实施例子的vod电压外环结构框图；
图6为本公开实施例子的电压电流双环控制系统结构图；
图7为本公开实施例子的Z(s)频域响应曲线；
图8为本公开实施例子的参数修正后Z(s)频域响应曲线；
图9(a)为本公开实施例子的微源输出的有功、无功功率曲线；
图9(b)为本公开实施例子的系统母线电压及频率曲线。
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。
由于蓄电池能量密度大，在与超级电容器构成的复合储能中担任补偿波动平缓的功率分量，可以为系统提供稳定的电压和频率的作用，因此对蓄电池逆变器可采用下垂控制的方法。
实施例子一
该实施例子公开了应用至微电网的微源逆变器的下垂控制系统，参见附图2所示，包括：功率计算模块、下垂特性控制模块、参考电压合成模块及电压电流双闭环控制模块。ma,mb,mc为得到的三相交流调制信号。
在具体实施例子中，三相电压型逆变器作为微源的接口逆变器，其主电路参见附图1所示，图中，VDC为直流侧输入电压源，代表各类微电源的端口输出电压；Lf与Cf构成LC滤波器；Z为负载；vA、vB、vC为逆变器的桥臂中点电压；voa、vob、voc为逆变器经滤波之后的输出电压，也即为负载电压；iLa、iLb、iLc为流经滤波电感的电流；iCa、iCb、iCc为流经滤波电容的电流；ioa、iob、ioc为滤波之后的输出电流。
具体控制系统中，功率计算模块，此模块将采集到的电压电流信号(为逆变器经滤波后的输出电压和输出电流)经派克变换(满足恒功率变换的派克变换)后按照下式计算逆变微电源输出到母线的瞬时功率,派克变换基于瞬时无功理论，将瞬时功率进行派克变换；
恒功率变换：
Figure BDA0002258050340000051
Figure BDA0002258050340000052
其中，vod,voq为派克变换后得到的d-q轴瞬时电压，iod,ioq为派克变换后得到的d-q轴瞬时电流。p,q为三相电路瞬时有功功率和瞬时无功功率。瞬时功率经低通滤波器后得到相应的平均功率，作为下垂特性模块的输入量。
具体控制系统中，下垂特性控制模块，下垂特性控制器主要用于得到母线电压频率和幅值的指令值，选用有功-频率(P-f)和无功-电压(Q-v)的下垂控制特性，即
Figure BDA0002258050340000061
式中，a为有功下垂特性系数，b为有无功下垂特性系数，P、Q分别为逆变器输出至母线处的有功和无功功率，fn为系统的额定频率，vnm为微电源空载时的电压幅值，Pn为额定频率下微电源的输出有功。fref,vref为频率与电压幅值指令值。
下垂特性曲线如图3(a)-图3(b)所示。
若微源逆变器输出的有功功率偏大，多于负载需求时，则系统频率上升，由P-f特性并从图3(a)可以看出，此时有功功率输出减小，直至与负载需求达到平衡，系统频率达到一个新的平衡点；同理，若微源逆变器输出的有功功率偏小，低于负载需求时，则系统频率下降，由P-f特性并从图3(a)可以看出，此时有功功率输出增大，直至与负载需求达到平衡，系统频率达到一个新的平衡点。通过这样多次调节，合理配置微源功率跟随负载需求，使系统频率和电压回到额定状态会达到额定状态附近新的稳态。
具体控制系统中，参考电压合成模块，此模块主要用于将上级模块经公式(2)得到的频率与电压幅值指令值合成为三相电压指令。具体计算过程如下：
Figure BDA0002258050340000062
Figure BDA0002258050340000063
由此得到三相静止坐标系下的指令电压，对其进行派克变换，最终得到dq坐标系下的电压指令vdref和vqref，从而作为电压环的电压参考。
ωref为对应fref的角频率。θref为d轴与a轴的夹角。varef vbref vcref为三相静止坐标系下的指令电压。
具体控制系统中，电压电流双闭环控制模块包括电流内环控制器及电压外环控制器。
控制的过程：功率控制器的输出将作为电压环的dq轴参考电压值。经过电压外环后得到电流内环的dq轴参考电流值。
控制量：选择滤波电容反馈电流作为内环控制器的控制量。
如何控制：外电压环采用PI控制器，提高稳态精度；内电流环采用比例控制器，提高动态响应。
输出md，mq代表调制信号，是对dq轴输出电压分量进行控制的信号。
其中，电流内环控制器的设计：
选择滤波电容反馈电流作为内环控制器的控制量。为加快系统动态响应，并且对d轴、q轴实现解耦，同时在控制矢量中，加入电流的交叉补偿，并引入母线电压vod、voq作为电压前馈，以充分减小母线电压对控制系统的影响。
式中，K为电流内环比例控制器的增益；Lf代表滤波器电感，iLd，iLq为流经滤波电感的dq轴电流分量；iCdref、iCqref分别是iCd、iCq的指令值。将上式代入三相电压型逆变器在两相dq旋转坐标系下的电压方程中可得，
Figure BDA0002258050340000072
式(6)表明内环控制器已经对iLd、iLq实现了解耦，可对两者分别进行单独控制。得到比例控制器增益后，即可实现控制。因为解耦，所以可对dq轴分量分别进行控制。鉴于两者的对称性，下文以iCd为例描述电流内环控制参数的设计。
如图4(a)所示，Ti为电流采样周期；Ts为SPWM开关周期，KPWM为桥路SPWM等效增益，通常若三角波峰值取1，则三相全桥逆变器中KPWM为VDC/2；1/(0.5Tss+1)表示SPWM控制的惯性环节。暂不考虑vod与iod的扰动，并合并小时间常数Ti和0.5Ts，得到简化的电流内环结构，如图4(b)所示。
其中，TI＝Ti+0.5Ts。因此，电流内环的开环传递函数为：
Figure BDA0002258050340000081
将电流内环设计为典型I型系统，使其具备较高的电流跟随性能。由典型I型系统的参数整定关系，取，
Figure BDA0002258050340000082
求解得
Figure BDA0002258050340000083
因此，比例增益K可由公式(9)确定。
另外，电流内环的闭环传函为
Figure BDA0002258050340000084
忽略s2项，并将公式(9)代入公式(10)，则Φi可简化成：
Figure BDA0002258050340000085
设计电压外环时要用到，该式(11)用来代表电流内环。
电压外环控制器设计：
设计电压外环控制器时仍需要对d轴和q轴母线电压进行解耦。对电压环采用PI控制器，令iCd和iCq的控制方程为：
Figure BDA0002258050340000091
式中，Kpv和Kiv分别是PI控制器的比例系数和积分系数；vodref和voqref分别是vod、voq的指令电压，即为电压合成模块经派克变换后的输出电压。
将上式代入三相电压型逆变器在两相dq旋转坐标系下的电流方程可得，
Figure BDA0002258050340000092
式(3)表明外环控制器已经对vod、voq实现了解耦，可对两者分别进行单独控制(外电压环采用PI控制器，提高稳态精度。因为解耦，所以dq轴可以分别控制)，鉴于两者的对称性，下文以vod为例描述电流内环控制参数的设计。电流内环用式(11)表示的传递函数代替。参见图5所示，图中，Tv为外环电压采样周期。合并小时间常数Tv和TI，由上述结构框图可以很容易地得到电压环的开环传函为
Figure BDA0002258050340000093
式中，TV＝Tv+2TI。因此可根据工程设计方法，按典型II型系统设计电压控制器，并采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小原则设计参数。公式(14)中，中频宽h和开环增益分别为
Figure BDA0002258050340000101
取h为5，代入上式可得电压PI调节器参数为
Figure BDA0002258050340000102
值得注意的是，由于选用的下垂控制是基于常规高压系统的P-f、Q-v下垂特性，只有线路阻抗呈现感性时，公式(2)才适用。可通过判断逆变器等效输出阻抗的性质来验证。
电压电流双环控制系统的结构图如图6所示。
令voref为0，经化简可得逆变器等效输出阻抗为
Figure BDA0002258050340000103
由此可见，逆变器等效输出阻抗不仅与滤波器的参数相关，同时也与控制器的参数密切相关。需要同时考虑工程设计方法要求的参数整定关系与等效阻抗这两方面，综合设计控制参数，使得控制系统既满足内环动态响应快，外环精度高的要求，又可使逆变器等效阻抗呈现感性，从而能使用P-f、Q-v下垂特性去合理分配微电源逆变器输出功率，保证系统稳定。
选取的主电路各参数及控制系统各时间常数如表1所示：
表1主电路参数及控制系统时间常数
Figure BDA0002258050340000111
由上表参数并结合公式(9)和(16)可得控制器参数为
Figure BDA0002258050340000112
将上述结果代入公式(17)得逆变器等效阻抗为
Figure BDA0002258050340000113
此时，Z(s)频域响应曲线如图7所示。
由图7可见，在工频50Hz处，Z(s)并非呈现感性，需对各控制参数进行修正。修正其中一个参数时，另外两个保持不变，比如修正电流环比例系数K时，Kpv和Kiv保持不变。令k在0.01到1范围内变化，Kpv在0.01到1范围内变化，Kiv在1到500范围内变化，观察Z(s)频域响应曲线变化情况。当取K＝0.2，Kpv＝0.5，Kiv＝12时，Z(s)频域响应曲线如图8所示。
由图8可见，在工频50Hz以及附近较广范围内，Z(s)呈现感性，此时选取的参数较为合理。
实施例子二
该实施例公开了应用至微电网的微源逆变器的下垂控制方法，通过以下技术方案实现：
包括：
将采集到的微源逆变器输出的电压电流信号经派克变换后计算逆变微电源输出到母线的瞬时功率；
瞬时功率经低通滤波处理后得到相应的平均功率；
选用有功-频率(P-f)和无功-电压(Q-v)的下垂控制特性，得到母线电压频率和幅值的指令值；
将得到的频率与电压幅值指令值合成为三相电压指令；
对三相电压指令进行派克变换，得到dq坐标系下的电压指令，从而作为电压环的电压参考；
选择微源逆变器的滤波电容反馈电流作为内环控制器的控制量，对d轴、q轴实现解耦，在控制矢量中，加入电流的交叉补偿，并引入母线电压作为电压前馈；
对d轴和q轴母线电压进行解耦，采用PI控制器对解耦后的电压控制；
对电流电压采用双闭环控制后得到的变量再次经过派克反变换后得到相应的控制信号，控制微源逆变器开关管的动作。
在该控制方法中，控制所涉及的相关具体技术细节可参见实施例子一中的相关功能模块的技术内容，此处不再详细说明。
实施例子三
该实施例公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现应用至微电网的微源逆变器的下垂控制方法步骤。
在该控制方法中，控制所涉及的相关具体技术细节可参见实施例子一中的相关功能模块的技术内容，此处不再详细说明。
实施例子四
该实施例公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现应用至微电网的微源逆变器的下垂控制方法步骤。
在该控制方法中，控制所涉及的相关具体技术细节可参见实施例子一中的相关功能模块的技术内容，此处不再详细说明。
实施例子五
该实施例公开了下垂控制运行仿真例子：
仿真模型中，逆变器参数参考济宁市豪德君阳光伏电站光伏并网逆变器参数，如表1所列的参数值。电流内环比例增益取K＝0.2，电压外环比例增益取Kpv＝0.5，积分系数取Kiv＝12。微电源在额定频率下的输出有功功率为Pn＝15kW；下垂特性控制模块中，下垂系数取a＝1×10-5，b＝2×10-4。要求系统额定频率为50Hz，额定相电压幅值为311V。
表2主电路参数及控制系统时间常数
Figure BDA0002258050340000131
仿真工况介绍：仿真时间为1s；0-0.3s负荷有功为15kW，0.3-0.5s负荷有功增加到25kW，0.5-0.6s负荷有功降回至15kW，0.6-0.8s又增加到22kW，0.8-1s再次降回至15kW；0-0.3s负荷无功为2kvar，0.3-0.5s负荷无功增加到5kvar，0.5s-1s负荷无功降回至2kvar。
仿真结果如图9(a)-图9(b)所示。
负荷有功在0.3s突增至25kW之后，系统参考频率有所下降，同时微电源输出的有功功率跟随负载变动相应增加；负荷在0.5s由25kW减至15kW后，系统参考频率开始上升，同时微电源输出的有功功率跟随负载变动相应减少。负荷无功变动时，稳态时系统母线电压维持在额定电压不变，实际电压频率跟随参考频率保持在50±0.15Hz范围内。由此可以证明，逆变器下垂控制可以使微电源快速准确地跟随负载变动，保持系统电压和频率在允许范围内，从而保证微电网稳定运行。
可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.应用至微电网的微源逆变器的下垂控制系统，其特征是，包括：
功率计算模块，被配置为：将采集到的微源逆变器输出的电压电流信号经派克变换后计算逆变微电源输出到母线的瞬时功率；
瞬时功率经低通滤波处理后得到相应的平均功率，作为下垂特性模块的输入量；
下垂特性控制模块，被配置为：选用有功-频率(P-f)和无功-电压(Q-v)的下垂控制特性，得到母线电压频率和幅值的指令值；
参考电压合成模块，被配置为：将得到的频率与电压幅值指令值合成为三相电压指令；
对三相电压指令进行派克变换，得到dq坐标系下的电压指令，从而作为电压环的电压参考；
电压电流双闭环控制模块，被配置为：选择微源逆变器的滤波电容反馈电流作为内环控制器的控制量，对d轴、q轴实现解耦，在控制矢量中，加入电流的交叉补偿，并引入母线电压作为电压前馈；
对d轴和q轴母线电压进行解耦，采用PI控制器对解耦后的电压控制；
对电流电压采用双闭环控制后得到的变量再次经过派克反变换后得到相应的控制信号，控制微源逆变器开关管的动作。
2.如权利要求1所述的应用至微电网的微源逆变器的下垂控制系统，其特征是，计算逆变微电源输出到母线的瞬时功率公式为：
p＝vodiod+voqioq
q＝voqiod-vodioq
其中，vod,voq为派克变换后得到的d-q轴瞬时电压，iod,ioq为派克变换后得到的d-q轴瞬时电流。
3.如权利要求1所述的应用至微电网的微源逆变器的下垂控制系统，其特征是，选用有功-频率(P-f)和无功-电压(Q-v)的下垂控制特性，即
fref＝fn-a(P-Pn)
vref＝vnm-bQ
式中，a为有功下垂特性系数，b为有无功下垂特性系数，P、Q分别为逆变器输出至母线处的有功和无功功率，fn为系统的额定频率，vnm为微电源空载时的电压幅值，Pn为额定频率下微电源的输出有功，fref vref为频率与电压幅值指令值。
4.如权利要求1所述的应用至微电网的微源逆变器的下垂控制系统，其特征是，将得到的频率与电压幅值指令值合成为三相电压指令，具体计算过程如下：
Figure FDA0002258050330000021
Figure FDA0002258050330000022
由此得到三相静止坐标系下的指令电压，对其进行派克变换，最终得到dq坐标系下的电压指令vdref和vqref，从而作为电压环的电压参考，ωref为对应fref的角频率，θref为d轴与a轴的夹角。varef vbref vcref为三相静止坐标系下的指令电压。
5.如权利要求1所述的应用至微电网的微源逆变器的下垂控制系统，其特征是，电压电流双闭环控制模块包括电流内环控制器及电压外环控制器。
6.如权利要求1所述的应用至微电网的微源逆变器的下垂控制系统，其特征是，通过判断微源逆变器等效输出阻抗的性质来验证线路阻抗是否呈现感性。
7.如权利要求1所述的应用至微电网的微源逆变器的下垂控制系统，其特征是，所述微源逆变器输出阻抗与滤波器的参数相关，同时也与控制器的参数相关。
8.应用至微电网的微源逆变器的下垂控制方法，其特征是，包括：
将采集到的微源逆变器输出的电压电流信号经派克变换后计算逆变微电源输出到母线的瞬时功率；
瞬时功率经低通滤波处理后得到相应的平均功率；
选用有功-频率(P-f)和无功-电压(Q-v)的下垂控制特性，得到母线电压频率和幅值的指令值；
将得到的频率与电压幅值指令值合成为三相电压指令；
对三相电压指令进行派克变换，得到dq坐标系下的电压指令，从而作为电压环的电压参考；
选择微源逆变器的滤波电容反馈电流作为内环控制器的控制量，对d轴、q轴实现解耦，在控制矢量中，加入电流的交叉补偿，并引入母线电压作为电压前馈；
对d轴和q轴母线电压进行解耦，采用PI控制器对解耦后的电压控制；
对电流电压采用双闭环控制后得到的变量再次经过派克反变换后得到相应的控制信号，控制微源逆变器开关管的动作。
9.一种计算机设备，其特征是，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求8所述的应用至微电网的微源逆变器的下垂控制方法步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征是，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求8所述的应用至微电网的微源逆变器的下垂控制方法步骤。
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