CN110994692A - 一种基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法 - Google Patents

一种基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法 Download PDF

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Abstract

一种基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法，首先利用安装在孤岛并网点处的同步相量测量装置分别获取到的孤岛侧和主电网侧的电压幅值、电压频率和相角信息计算出对分布式电源进行控制所需要的电压幅值和相角的参考值；然后利用基于分布式一致性的相角‑有功下垂控制方法实现在稳态时孤岛内的所有分布式电源的输出电压的幅值、相角一致，同时也满足孤岛并网点两端的电压相量一致，完成孤岛同步并网的电压调节过程。本发明能够使得并联运行的分布式电源输出的电压相量一致，避免了在分布式电源间由于电压不一致而产生的环流现象，有利于减少电流环流所导致的无功损耗以及对系统稳定性的影响。

Description

一种基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法
技术领域
本发明涉及一种配电系统网络中的孤岛同步并网方法。特别是涉及一种在包含新能源分 布式电源的配电网因故进入到孤岛运行状态之后，利用配电网络中同步相量测量装置(phasor measurement unit,PMU)信息使其恢复重新并网的基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法。
背景技术
当前随着节能减排、环境保护意识的提高以及能源转型升级的要求，世界各国已经制定 了各种政策促进绿色能源技术的发展应用[1]。最近几年以来，分布式可在生能源通过不同类 型的逆变器接入到配电网的技术得到了广泛的关注。当传统的配电网当中接入了越来越多的 分布式电源之后，整个电网也经历着从传统的集中式发电模式向更加智能的包含各类可再生 能源与储能的分布式电网模式的转变[2]。
在传统的电网结构中，当配电网由于线路故障时将使故障线路后面的负荷通过线路转供 或直接停电，这种运行方式降低了供电的可靠性。而在电网中接入了大量的分布式电源 (distributed generation,DG)之后，从提供新能源的利用率和供电可靠性、灵活性的角度，因 DG具有主动发电的能力,可以通过形成以DG为电源的配电网电力孤岛继续运行[3]。在外界 的故障排除之后将其重新与主电网并网，恢复故障前的稳定运行状态。对于孤岛重连过程， 实现孤岛运行与并网运行之间的无缝切换是保证运行稳定性和可靠性的关键。在传统的同步 发电机并网时需要调节其幅值、频率和相角与外电网在一定的范围内才能够并网，因此要实 现孤岛到并网的平滑转换也需要对公共连接点处(point ofcommon coupling,PCC)电压调节， 使其电压相量一致，否则给系统带来冲击电流影响系统的安全稳定运行以及对系统中对电流、 电压敏感的设备带来危害[4]。在文献[5]中，为了实现对主网的电压幅值、电压频率的跟踪， 文中提出一种幅值、频率的分布式一致控制方法，而可以通过电压频率的间接改变使得相角 的偏差消除。在文献[6]提出了一种基于线性逐渐逼近相位修正算法的相位控制策略，在实现 电压、频率与主电网调节一致的情况下，实现了相位的快速无差调节。在[7]中，作者在使用 比例-积分控制保证电压幅值、电压频率与主电网一致的前提下采用微电网系统电压与外部电 网电压的交叉乘积调节来保证两者之间的相角一致。但是上述所提到的方法在调节频率偏差 和相角偏差时并未考虑到两者在原理上的内在影响，因此有可能引起系统的不稳定与运行效 率低下[8]。同步相量测量装置因其能够获取电网中重要节点的电压、电流相量数据，因此可 将其测量的电压相角信息直接用到对孤岛中分布式电源的控制当中[9]。
针对以往的孤岛同步并网过程对于公共连接点两端的电压幅值、频率相角的同步需要分 别进行调节，同时相角的同步过程需要通过对频率的改变来间接实现，这在一定程度上将同 步调节程序复杂化并有可能导致系统的不稳定与运行效率低下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够有利于减少电流环流所导致的无功损耗以 及对系统稳定性影响的基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法，首先利 用安装在孤岛并网点处的同步相量测量装置分别获取到的孤岛侧和主电网侧的电压幅值、电 压频率和相角信息计算出对分布式电源进行控制所需要的电压幅值和相角的参考值；然后利 用基于分布式一致性的相角-有功下垂控制方法实现在稳态时孤岛内的所有分布式电源的输 出电压的幅值、相角一致，同时也满足孤岛并网点两端的电压相量一致，完成孤岛同步并网 的电压调节过程。
一种基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法，包括如下步骤：
1)首先将同步相量测量装置安装在孤岛并网点处，获得孤岛侧和主电网侧的电压幅值、 电压频率和电压相角信息；
2)利用安装在孤岛并网点处的同步相量测量装置获得的孤岛侧和主电网侧的电压幅值和 电压相角信息，通过如下计算公式获取相应的电压幅值参考值Vref和电压相角参考值δref：
Figure BDA0002290726150000025
Figure BDA0002290726150000026
其中，δg,δm分别表示孤岛并网点处主电网侧的电压相角和孤岛侧的电压相角；Vg,Vm分 别表示孤岛并网点处主电网侧的电压幅值和孤岛侧的电压幅值；KPδ,KIδ,KPV,KIV分别是电压 相角参考值的比例常数、电压相角参考值的积分常数、电压幅值参考值的比例常数和电压幅 值参考值的积分常数；s是拉普拉斯算子。
3)两台并联的分布式电源给同一个公共负荷供电时，两台分布式电源输出的有功功率Pi和无功功率Qi分别表示为：
Figure BDA0002290726150000021
Figure BDA0002290726150000022
其中，δiL＝δi-δL表示分布式电源i的节点到负荷点之间的电压相角差；Vi,VL分别表示 分布式电源i的节点输出电压幅值和负荷点处的电压幅值；Ri表示分布式电源i的节点到负荷 点之间的线路电阻；Xi表示分布式电源i的节点到负荷点之间的线路电抗；Zi表示分布式电 源i的节点到负荷点之间的线路阻抗；
当逆变器的输出接口部分采用的是LCL滤波器的方式时，使得分布式电源i的输出等效 阻抗与线路阻抗以感性为主并且设定分布式电源i的节点和负荷点之间的相角偏差很小，此 时分布式电源i输出的有功功率与无功功率简化为：
Figure BDA0002290726150000023
Figure BDA0002290726150000024
得到有功功率与分布式电源i的节点电压相角差δi直接相关，无功功率与分布式电源i 的节点输出电压幅值Vi直接相关；因此能够通过分布式电源i的节点电压相角δi的调节改变 有功功率，通过调节电压幅值Vi的方式改变无功功率；
有功功率-电压相角P-δ和无功功率-电压幅值Q-V下垂控制表示为：
δi＝δni-mPiPi (7)
Vi＝Vni-nQiQi (8)
其中，δi表示分布式电源i的输出电压相角；Vi表示分布式电源i的输出电压幅值；δni， Vni分别表示下垂控制中额定电压幅值和额定电压相角；mPi和nQi分别表示下垂控制中电压相 角和电压幅值下垂系数；Pi和Qi分别表示分布式电源i的输出有功功率和无功功率；
将等式(7)和(8)进行求导并选择电压相角和电压幅值的变化率作为输出变量，则电压相角 和电压幅值的额定值表示为：
Figure BDA0002290726150000031
Figure BDA0002290726150000032
电压相角和电压幅值的控制满足一阶积分的形式，因此分布式一致性控制协议表示为：
Figure BDA0002290726150000033
其中，
Figure BDA0002290726150000034
表示电压相角的辅助控制量；
Figure BDA0002290726150000035
表示有功功率的辅助控制量；
Figure BDA0002290726150000036
表示电压幅 值的辅助控制量；
Figure BDA0002290726150000037
表示无功功率的辅助控制量；cδi表示电压相角的辅助控制参数；cPi表 示有功功率的辅助控制参数；cVi表示电压幅值的辅助控制参数；cQi表示无功功率的辅助控 制参数；
Figure BDA0002290726150000038
和
Figure BDA0002290726150000039
分别表示电压相角、有功功率、电压幅值和无功功率的通信网络 图的邻接矩阵中的元素；gi表示通信网络图的Pin-based矩阵中的元素。
本发明的一种基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法，能够在由PMU测量获得并 网点处微电和主电网两侧的电压幅值、相角以及孤岛内的各个分布式电源自身输出信息的情 况下，每个分布式电源节点仅利用本节点的信息和与之有通信连接的节点进行信息交换的基 础上实现公共连接点两端的电压相量的一致，同时通过该方法能够使得并联运行的分布式电 源输出的电压相量一致，避免了在分布式电源间由于电压不一致而产生的环流现象，有利于 减少电流环流所导致的无功损耗以及对系统稳定性的影响。
附图说明
图1是本发明一种基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法的结构图；
图2a是本发明中电压幅值参考值计算示意图；
图2b是本发明中电压相角参考值计算示意图；
图3是本发明中两台分布式电源供电示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法做出 详细说明。
本发明的一种基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法，旨在通过由安装在配电网中 的PMU所获取的公共连接点两端的电压幅值、频率和相角信息为基础，孤岛内的频率参考 由PMU量测值给定从而可以直接与主电网频率一致，通过基于分布式一致性的相角-有功下 垂的控制方法实现主动进入孤岛运行状态后的孤岛同步并网方法。
本发明的一种基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法，首先利用安装在孤岛并网点 处的同步相量测量装置分别获取到的孤岛侧和主电网侧的电压幅值、电压频率和相角信息计 算出对分布式电源进行控制所需要的电压幅值和相角的参考值；然后利用基于分布式一致性 的相角-有功下垂控制方法实现在稳态时孤岛内的所有分布式电源的输出电压的幅值、相角一 致，同时也满足孤岛并网点两端的电压相量一致，完成孤岛同步并网的电压调节过程。
如图1所示，本发明的一种基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法具体包括如下步 骤：
1)首先将同步相量测量装置安装在孤岛并网点处，获得孤岛侧和主电网侧的电压幅值、 电压频率和电压相角信息；
所述的主电网侧的电压频率，用于在对孤岛逆变器控制当中提供频率参考值，实现在稳 定时候的孤岛侧与主电网侧的频率同步；所述的孤岛侧和主电网侧的电压幅值和电压相角信 息，用于计算孤岛逆变器控制当中相应的电压幅值、电压相角参考值。
2)利用安装在孤岛并网点处的同步相量测量装置获得的孤岛侧和主电网侧的电压幅值和 电压相角信息，如图2a和图2b所示，通过如下计算公式获取相应的电压幅值参考值Vref和电 压相角参考值δref：
Figure BDA0002290726150000041
Figure BDA0002290726150000042
其中，δg,δm分别表示孤岛并网点处主电网侧的电压相角和孤岛侧的电压相角；Vg,Vm分 别表示孤岛并网点处主电网侧的电压幅值和孤岛侧的电压幅值；KPδ,KIδ,KPV,KIV分别是电压 相角参考值的比例常数、电压相角参考值的积分常数、电压幅值参考值的比例常数和电压幅 值参考值的积分常数；s是拉普拉斯算子。
3)两台并联的分布式电源给同一个公共负荷供电时，如图3所示，两台分布式电源输出 的有功功率Pi和无功功率Qi分别表示为：
Figure BDA0002290726150000043
Figure BDA0002290726150000051
其中，δiL＝δi-δL表示分布式电源i的节点到负荷点之间的电压相角差；Vi,VL分别表示 分布式电源i的节点输出电压幅值和负荷点处的电压幅值；Ri表示分布式电源i的节点到负荷 点之间的线路电阻；Xi表示分布式电源i的节点到负荷点之间的线路电抗；Zi表示分布式电 源i的节点到负荷点之间的线路阻抗；
当逆变器的输出接口部分采用的是LCL滤波器的方式时，使得分布式电源i的输出等效 阻抗与线路阻抗以感性为主并且设定分布式电源i的节点和负荷点之间的相角偏差很小，此 时分布式电源i输出的有功功率与无功功率简化为：
Figure BDA0002290726150000052
Figure BDA0002290726150000053
得到有功功率与分布式电源i的节点电压相角差δi直接相关，无功功率与分布式电源i 的节点输出电压幅值Vi直接相关；因此能够通过分布式电源i的节点电压相角δi的调节改变 有功功率，通过调节电压幅值Vi的方式改变无功功率；
有功功率-电压相角P-δ和无功功率-电压幅值Q-V下垂控制表示为：
δi＝δni-mPiPi (7)
Vi＝Vni-nQiQi (8)
其中，δi表示分布式电源i的输出电压相角；Vi表示分布式电源i的输出电压幅值；δni， Vni分别表示下垂控制中额定电压幅值和额定电压相角；mPi和nQi分别表示下垂控制中电压相 角和电压幅值下垂系数；Pi和Qi分别表示分布式电源i的输出有功功率和无功功率；
将等式(7)和(8)进行求导并选择电压相角和电压幅值的变化率作为输出变量，则电压相角 和电压幅值的额定值表示为：
Figure BDA0002290726150000054
Figure BDA0002290726150000055
电压相角和电压幅值的控制满足一阶积分的形式，因此分布式一致性控制协议表示为：
Figure BDA0002290726150000056
其中，
Figure BDA0002290726150000057
表示电压相角的辅助控制量；
Figure BDA0002290726150000058
表示有功功率的辅助控制量；
Figure BDA0002290726150000059
表示电压幅 值的辅助控制量；
Figure BDA00022907261500000510
表示无功功率的辅助控制量；cδi表示电压相角的辅助控制参数；cPi表 示有功功率的辅助控制参数；cVi表示电压幅值的辅助控制参数；cQi表示无功功率的辅助控 制参数；
Figure BDA0002290726150000061
和
Figure BDA0002290726150000062
分别表示电压相角、有功功率、电压幅值和无功功率的通信网络 图的邻接矩阵中的元素；gi表示通信网络图的Pin-based矩阵中的元素；
基于分布式一致性相角下垂控制的完整结构见图1。在本发明的一种基于同步相量测量 装置的孤岛同步并网方法中主要目的是实现的是使得孤岛内的分布式电源输出的电压相量一 致，同时使得孤岛并网点两端的电压相量一致满足孤岛同步并网的条件。因此在式(11)中的
Figure RE-GDA0002379995470000063
和
Figure RE-GDA0002379995470000064
的控制参数可以选的较小，避免对相角和幅值条件过程的影响。
参考文献
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[4].Y.X.Zhou,M.M.Haji,W.Xu and J.Yong,”A Novel Open-Loop Method toSynchronize an Islanded System With the Main Grid,”IEEE Transactions on smartgrid,2018,9(3): 1626-1635.
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[6].X.N.Xu and X.S.Zhou.”Control Strategy for Smooth TransferBetweenGrid-connected and Island Operation for Micro Grid,”HighVoltage Engineering,2018,44(8):2754-2760(in Chinese).
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[8].R.R.Kolluri,I.Mareels,T.Alpcan,M.Brazil,J.de Hoog andD.A.Thomas,”Power Sharing in Angle Droop Controlled Microgrids,”IEEETransactions on Power System, 2017,32(6):4743-4751
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Claims (2)

1.一种基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法，其特征在于，首先利用安装在孤岛并网点处的同步相量测量装置分别获取到的孤岛侧和主电网侧的电压幅值、电压频率和相角信息计算出对分布式电源进行控制所需要的电压幅值和相角的参考值；然后利用基于分布式一致性的相角-有功下垂控制方法实现在稳态时孤岛内的所有分布式电源的输出电压的幅值、相角一致，同时也满足孤岛并网点两端的电压相量一致，完成孤岛同步并网的电压调节过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于同步相量测量装置的孤岛同步并网方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)首先将同步相量测量装置安装在孤岛并网点处，获得孤岛侧和主电网侧的电压幅值、电压频率和电压相角信息；
2)利用安装在孤岛并网点处的同步相量测量装置获得的孤岛侧和主电网侧的电压幅值和电压相角信息，通过如下计算公式获取相应的电压幅值参考值Vref和电压相角参考值δref：
Figure FDA0002290726140000011
Figure FDA0002290726140000012
其中，δg,δm分别表示孤岛并网点处主电网侧的电压相角和孤岛侧的电压相角；Vg,Vm分别表示孤岛并网点处主电网侧的电压幅值和孤岛侧的电压幅值；KPδ,KIδ,KPV,KIV分别是电压相角参考值的比例常数、电压相角参考值的积分常数、电压幅值参考值的比例常数和电压幅值参考值的积分常数；s是拉普拉斯算子。
3)两台并联的分布式电源给同一个公共负荷供电时，两台分布式电源输出的有功功率Pi和无功功率Qi分别表示为：
Figure FDA0002290726140000013
Figure FDA0002290726140000014
其中，δiL＝δi-δL表示分布式电源i的节点到负荷点之间的电压相角差；Vi,VL分别表示分布式电源i的节点输出电压幅值和负荷点处的电压幅值；Ri表示分布式电源i的节点到负荷点之间的线路电阻；Xi表示分布式电源i的节点到负荷点之间的线路电抗；Zi表示分布式电源i的节点到负荷点之间的线路阻抗；
当逆变器的输出接口部分采用的是LCL滤波器的方式时，使得分布式电源i的输出等效阻抗与线路阻抗以感性为主并且设定分布式电源i的节点和负荷点之间的相角偏差很小，此时分布式电源i输出的有功功率与无功功率简化为：
Figure FDA0002290726140000021
Figure FDA0002290726140000022
得到有功功率与分布式电源i的节点电压相角差δi直接相关，无功功率与分布式电源i的节点输出电压幅值Vi直接相关；因此能够通过分布式电源i的节点电压相角δi的调节改变有功功率，通过调节电压幅值Vi的方式改变无功功率；
有功功率-电压相角P-δ和无功功率-电压幅值Q-V下垂控制表示为：
δi＝δni-mPiPi (7)
Vi＝Vni-nQiQi (8)
其中，δi表示分布式电源i的输出电压相角；Vi表示分布式电源i的输出电压幅值；δni，Vni分别表示下垂控制中额定电压幅值和额定电压相角；mPi和nQi分别表示下垂控制中电压相角和电压幅值下垂系数；Pi和Qi分别表示分布式电源i的输出有功功率和无功功率；
将等式(7)和(8)进行求导并选择电压相角和电压幅值的变化率作为输出变量，则电压相角和电压幅值的额定值表示为：
Figure FDA0002290726140000023
Figure FDA0002290726140000024
电压相角和电压幅值的控制满足一阶积分的形式，因此分布式一致性控制协议表示为：
Figure FDA0002290726140000025
其中，
Figure FDA0002290726140000026
表示电压相角的辅助控制量；
Figure FDA0002290726140000027
表示有功功率的辅助控制量；
Figure FDA0002290726140000028
表示电压幅值的辅助控制量；
Figure FDA0002290726140000029
表示无功功率的辅助控制量；cδi表示电压相角的辅助控制参数；cPi表示有功功率的辅助控制参数；cVi表示电压幅值的辅助控制参数；cQi表示无功功率的辅助控制参数；
Figure FDA00022907261400000210
和
Figure FDA00022907261400000211
分别表示电压相角、有功功率、电压幅值和无功功率的通信网络图的邻接矩阵中的元素；gi表示通信网络图的Pin-based矩阵中的元素。
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