CN111313474B - 一种改进的微电网并网预同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的微电网并网预同步控制方法，该方法包括获取逆变器运行参数，计算平均有功功率和无功功率，采用下垂控制方法调节参考电压幅值及参考角频率，通过电压合成得到参考电压，利用电压电流双环控制输出PWM调制信号，同时采用预同步控制策略得到逆变器误差补偿角频率并对下垂控制中的参考角频率进行补偿。本发明针对低压直流微电网，在三相电压源型逆变器拓扑结构下，采用预同步控制策略既能实现微电网并/离网的安全切换，降低并/离网瞬间的电压电流冲击与功率波动，同时能够有效抑制谐波带来的干扰且在一定程度上能够抑制谐波。

Description

一种改进的微电网并网预同步控制方法

技术领域

本发明属于微电网控制技术领域，具体涉及一种改进的微电网并网预同步控制方法。

背景技术

为了使分布式电源能够灵活且高效的应用，微电网作为一种新兴电力技术，近年来备受关注。微电网是一个小型的电力系统，其自成一体，既可以并网运行，又可以孤岛运行。由于微电网与电网的运行方式存在差异，尤其是在孤岛运行时，微电网交流母线的电压幅值、频率以及相位与电网幅值、频率以及相位会产生一定的偏差，若直接将微电网并入电网，则会产生较大的电压电流波动，进而影响电能质量，因此减小微电网与电网之间的差异，实现微电网和电网并/离网的平滑切换，从而提高供电可靠性以及电能质量尤为重要。

现有方法提出了一种微电网逆变器预同步控制算法，主要由下垂控制以及预同步控制构成；其不足之处在于仅适用于主电网是理想电网的情况下，适用范围小，并且抑制谐波的能力差，抗电压三相不平衡的能力差。

发明内容

针对现有技术中存在的以上问题，本发明提供了一种改进的微电网并网预同步控制方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种改进的微电网并网预同步控制方法，包括以下步骤：

获取逆变器的运行参数，计算平均有功功率和无功功率；

根据逆变器输出的有功功率和无功功率采用下垂控制方法调节参考电压幅值及参考角频率；

根据参考电压幅值及参考角频率进行电压合成，得到参考电压；

根据参考电压和逆变器的输出电压、电流进行电压电流双环控制，输出PWM调制信号并对逆变器进行调制；

提取三相电网输出电压的正序分量，采用预同步控制策略得到逆变器误差补偿角频率，并输入至下垂控制中对参考角频率进行补偿。

进一步地，所述获取逆变器的运行参数，计算平均有功功率和无功功率，具体包括：

获取逆变器的输出电压、输出电流、电容电压及电感电流参数，并进行park变换和功率计算，得到逆变器输出的瞬时有功功率和无功功率；

将逆变器输出的瞬时有功功率和无功功率经过有源低通滤波器处理，得到对应的平均有功功率和无功功率。

进一步地，所述根据逆变器输出的有功功率和无功功率采用下垂控制方法调节参考电压幅值及参考角频率，具体表示为：

ω＝ω^*-m_p(P-P^*)

U＝U^*-n_q(Q-Q^*)

其中，ω^*为逆变器额定角频率，U^*为逆变器额定输出电压，P和Q分别表示逆变器输出的实际有功、无功功率，P*和Q*分别表示逆变器额定有功功率和额定无功功率，m_p和n_q分别为有功下垂系数和无功下垂系数。

进一步地，所述根据参考电压幅值及参考角频率进行电压合成，得到参考电压，具体包括：

将参考角频率进行积分，得到相角；

根据参考电压幅值和相角进行电压合成，得到三相静止坐标系下的参考电压；

将三相静止坐标系下的参考电压进行park变换，得到电压d轴和q轴分量，并作为电压电流双环控制的输入量。

进一步地，所述根据参考电压和逆变器的输出电压、电流进行电压电流双环控制，具体包括：

将电压合成得到的参考电压分量与逆变器的实际输出电压进行对比作差，所得差值经过电压外环的PI控制器得到电流，并作为电流内环控制的参考电流；

将逆变器输出电流与参考电流进行对比作差，所得差值经过电流内环的PI控制器得到电压，并作为调制PWM的电压信号。

进一步地，所述电压电流双环控制的数学模型表示为：

其中，i_od和i_oq分别为微电网公共连接点处的输出电流d、q轴分量，

和

分别为电流参考值的d、q轴分量，i_cd和i_cq分别为逆变器输出的实际电流值，U_refd和U_refq分别为电压参考值的d、q轴分量，U_d和U_q分别为逆变器输出的实际电压值，U_id和U_iq分别为逆变桥调制电压信号的d、q轴分量，k_pu、k_iu、k_pc、k_ic分别为电压、电流控制中PI控制器的比例参数和积分参数，C_f和L_f分别表示滤波电容和滤波电感。

进一步地，所述提取三相电网输出电压的正序分量，采用预同步控制策略得到逆变器误差补偿角频率，并输入至下垂控制中对参考角频率进行补偿，具体包括：

将三相电网输出电压进行clark变换，在αβ轴参考坐标系下通过正交信号发生器提取三相电网输出电压的正序分量；

将三相电网输出电压的正序分量进行park变换，得到dq轴参考坐标系下的正序分量；

将q轴分量与零参考比较，经过PI控制器调节q轴分量使其趋近于0，得到电网角频率，并将电网角频率积分得到三相电网输出电压的相位；

将微电网输出电压进行park变换，并将三相电网输出电压的相位作为park变换的输入相位，得到微电网输出电压的d轴和q轴分量；

将q轴分量与零参考比较，经过PI控制器调节q轴分量使其趋近于0，得到逆变器误差补偿角频率；

将逆变器误差补偿角频率输入至下垂控制中，对利用下垂控制方法得到的参考角频率进行补偿。

进一步地，所述将逆变器误差补偿角频率输入至下垂控制中，对利用下垂控制方法得到的参考角频率进行补偿，表示为：

ω′＝ω^*-m_p(P-P^*)+Δω

其中，ω′为补偿后的参考角频率，Δω为逆变器误差补偿角频率。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明针对低压直流微电网，在三相电压源型逆变器拓扑结构下，采用预同步控制策略既能实现微电网并/离网的安全切换，降低并/离网瞬间的电压电流冲击与功率波动，同时能够有效抑制谐波带来的干扰且在一定程度上能够抑制谐波；

(2)本发明在预同步控制器中采用有源低通滤波器去除高频干扰，滤波器只受增益K的影响，与谐振频率无关，因此能够获得很好的调节滤波效果；

(3)本发明通过对电网电压的正序基波进行锁相，可以消除电压不平衡对锁相带来的影响。

附图说明

图1是本发明改进的微电网并网预同步控制方法流程图；

图2是本发明改进的微电网并网预同步控制原理结构图；

图3是本发明实施例中功率计算及低通滤波器仿真图；

图4是本发明实施例中下垂控制以及电压合成仿真图；

图5是本发明实施例中电压电流双环控制仿真图；

图6是本发明实施例中预同步控制仿真图；

图7是本发明实施例中公共连接点的频率变化图；

图8是本发明实施例中公共连接点的电压变化图；

图9是现有方法对电网电压进行锁相的结果图；

图10是本发明对电网电压进行锁相的结果图；

图11是现有方法在公共并网点产生的电压谐波示意图；

图12是本发明在公共并网点产生的电压谐波示意图

图13是本发明与现有方法在0～0.6s时输出相位的变化图；

图14是本发明与现有方法在0.24s时的相位变化图；

图15是现有方法在0.4s～0.41s时输出相位的变化图；

图16是本发明在0.4s～0.41s时输出相位的变化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种改进的微电网并网预同步控制方法，包括以下步骤S1至S5：

步骤S1、获取逆变器的运行参数，计算平均有功功率和无功功率；

在本实施例中，上述步骤S1具体包括：

通过测量装置获取逆变器的输出电压U₀、输出电流I₀、电容电压U_c、电感电流I_L参数并进行park变换和功率计算，得到逆变器输出的瞬时有功功率和无功功率；

将逆变器输出的瞬时有功功率和无功功率经过有源低通滤波器处理，去除高频干扰，得到对应的平均有功功率P和无功功率Q，并作为下垂控制方法的参考功率。如图3所示，为功率计算及低通滤波器仿真图。

步骤S2、根据逆变器输出的有功功率和无功功率采用下垂控制方法调节参考电压幅值及参考角频率；

在本实施例中，本发明根据逆变器输出的有功功率P和无功功率Q采用下垂控制方法调节参考电压幅值U及参考角频率ω，具体表示为：

ω＝ω^*-m_p(P-P^*)

U＝U^*-n_q(Q-Q^*)

其中，ω^*为逆变器额定输出频率，U^*为逆变器额定输出电压，P和Q分别表示逆变器输出的实际有功、无功功率，P*和Q*分别表示逆变器额定输出有功功率和额定输出无功率，m_p和n_q分别为有功下垂系数和无功下垂系数。如图4所示，为下垂控制以及电压合成仿真图。

步骤S3、根据参考电压幅值及参考角频率进行电压合成，得到参考电压；

在本实施例中，上述步骤S3具体包括：

将参考角频率ω进行积分，得到相角θ；

根据参考电压幅值U和相角θ进行电压合成，得到三相静止坐标系下的参考电压U_{abc_ref}；

为了方便控制器设计及计算，需要将逆变器输出的交流量转换为直流量，以实现控制器输出量的零稳态误差控制，因此将三相静止坐标系下的参考电压U_{abc_ref}进行park变换，得到两个电压分量U_dref和U_qref，并作为电压电流双环控制的输入量。

步骤S4、根据参考电压和逆变器的输出电压、电流进行电压电流双环控制，输出PWM调制信号并对逆变器进行调制。

在本实施例中，上述步骤S4具体包括：

将电压合成得到的参考电压分量U_dref和U_qref与逆变器的实际输出电压进行对比作差，所得差值经过电压外环的PI控制器得到电流

并作为电流内环控制的参考电流；

将逆变器输出电流与参考电流进行对比作差，所得差值经过电流内环的PI控制器得到电压，并作为调制PWM的电压信号。

上述电压电流双环控制的数学模型表示为：

其中，i_od和i_oq分别为微电网公共连接点处的输出电流d、q轴分量，

和

分别为电流参考值的d、q轴分量，i_cd和i_cq分别为逆变器输出的实际电流值，U_refd和U_refq分别为电压参考值的d、q轴分量，U_d和U_q分别为逆变器输出的实际电压值，U_id和U_iq分别为逆变桥调制电压信号的d、q轴分量，k_pu、k_iu、k_pc、k_ic分别为电压、电流控制中PI控制器的比例参数和积分参数，C_f和L_f分别表示滤波电容和滤波电感。如图5所示，为电压电流双环控制仿真图。

步骤S5、提取三相电网输出电压的正序分量，采用预同步控制策略得到逆变器误差补偿角频率，并输入至下垂控制中对参考角频率进行补偿；

在本实施例中，为了满足微电网供电质量要求，保证重要负荷的供电可靠性，在下垂控制的基础上添加一个预同步控制环节。该预同步控制策略是通过正交信号发生器提取出电网电压的正序分量，并对正序分量进行控制，从而得到电网电压的角频率以及相位，通过逆变器输出电压的相角对电网电压的相角进行实时追踪，从而实现微电网的预同步控制；该控制策略针对电网电压的正序分量进行控制，因此具有良好的抗三相不平衡能力，同时也具有抗谐波干扰能力。

上述步骤S5具体包括：

将三相电网输出电压U_a、U_b、U_c进行clark变换，在αβ轴参考坐标系下通过正交信号发生器提取三相电网输出电压的正序分量

将三相电网输出电压的正序分量

进行park变换，得到dq轴参考坐标系下的正序分量

将q轴分量

与零参考

比较，经过PI控制器调节q轴分量

使其趋近于0，当

时，输出的角频率ω₀即为电网角频率，并将电网角频率ω₀积分得到三相电网输出电压的相位θ₀；

将微电网输出电压进行park变换，并将三相电网输出电压的相位θ₀作为park变换的输入相位，得到微电网输出电压的d轴分量U_mgd和q轴分量U_mgq；

将q轴分量U_mgq与零参考

比较，经过PI控制器调节q轴分量U_mgq趋近于0，得到逆变器误差补偿角频率Δω；

将逆变器误差补偿角频率Δω输入至下垂控制中，对利用下垂控制方法得到的参考角频率ω进行补偿，表示为：

ω′＝ω^*-m_p(P-P^*)+Δω

其中，ω′为补偿后的参考角频率，Δω为逆变器误差补偿角频率。如图6所示，为预同步控制仿真图。

为了验证本发明提供的改进的微电网并网预同步控制方法的效果，本发明用MATLAB/SIMULINK进行仿真，仿真时长为0.6s，并设置t＝0.2s时，微电网与电网并联运行；t＝0.4s时，离网运行。如图7所示，为公共连接点的频率变化图，如图8所示，为公共连接点的电压变化图。

根据GB/T 33589-2017规定，通过380V电压等级并网的微电网，正常并网时并网点频率在49.5Hz～50.2Hz范围之内，如图7所示，本发明能满足此项规定；根据GB/T 12325-2008规定，20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7％，如图8所示，本发明能满足此项规定。

下面对电网存在谐波时，本发明与现有的预同步控制策略性能对比。

本发明用MATLAB/SIMULINK进行仿真，仿真时长为0.6s，并设置t＝0.2s时，微电网与电网并联运行；t＝0.4s时，离网运行。

如图9所示，为现有方法对电网电压进行锁相的结果图。由于电网存在谐波，因此谐波对该预同步控制策略造成了干扰，主要表现在离网瞬间相位出现了滞后现象。如图10所示，为本发明对电网电压进行锁相的结果图。电网输出电压的相位并未出现超前、滞后等现象，说明谐波并未对预同步控制策略造成干扰。由此可见，本发明抑制电网谐波对控制策略带来干扰的效果比现有方法好。

下面对本发明与现有的预同步控制策略抑制谐波的效果对比。

如图11所示，为现有方法在公共并网点产生的电压谐波示意图，公共并网点产生的电压谐波是0.24％；如图12所示，为本发明在公共并网点产生的电压谐波示意图，本发明可以将公共并网点产生的电压谐波降至0.03％。由此可见，本发明对谐波的抑制效果更好。

下面对电网电压出现三相不平衡时，本发明与现有的预同步控制策略抑制谐波的性能对比。

如图13所示，为本发明与现有方法在0～0.6s时输出相位的变化图；如图14所示，为本发明与现有方法在0.24s时的相位变化图，由此图可以看出受电网电压三相不平衡的影响，现有方法的输出相位出现了滞后的现象，而本发明的相位未受影响。如图15和图16所示，分别是现有方法与本发明在0.4s～0.41s时输出相位的变化图，由图15可以看出输出相位受电网电压三相不平衡的影响出现了相位畸变的现象，而图16中的输出相位并未受到影响。由此可见，本专利抗电网电压三相不平衡的能力更好。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种改进的微电网并网预同步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取逆变器的运行参数，计算平均有功功率和无功功率；

根据逆变器输出的有功功率和无功功率采用下垂控制方法调节参考电压幅值及参考角频率；

根据参考电压幅值及参考角频率进行电压合成，得到参考电压；

根据参考电压和逆变器的输出电压、电流进行电压电流双环控制，输出PWM调制信号并对逆变器进行调制；

提取三相电网输出电压的正序分量，采用预同步控制策略得到逆变器误差补偿角频率，并输入至下垂控制中对参考角频率进行补偿，具体包括：

将三相电网输出电压进行clark变换，在αβ轴参考坐标系下通过正交信号发生器提取三相电网输出电压的正序分量；

将三相电网输出电压的正序分量进行park变换，得到dq轴参考坐标系下的正序分量；

将q轴分量与零参考比较，经过PI控制器调节q轴分量使其趋近于0，得到电网角频率，并将电网角频率积分得到三相电网输出电压的相位；

将微电网输出电压进行park变换，并将三相电网输出电压的相位作为park变换的输入相位，得到微电网输出电压的d轴和q轴分量；

将q轴分量与零参考比较，经过PI控制器调节q轴分量使其趋近于0，得到逆变器误差补偿角频率；

将逆变器误差补偿角频率输入至下垂控制中，对利用下垂控制方法得到的参考角频率进行补偿。

2.如权利要求1所述的改进的微电网并网预同步控制方法，其特征在于，所述获取逆变器的运行参数，计算平均有功功率和无功功率，具体包括：

获取逆变器的输出电压、输出电流、电容电压及电感电流参数，并进行park变换和功率计算，得到逆变器输出的瞬时有功功率和无功功率；

将逆变器输出的瞬时有功功率和无功功率经过有源低通滤波器处理，得到对应的平均有功功率和无功功率。

3.如权利要求2所述的改进的微电网并网预同步控制方法，其特征在于，所述根据逆变器输出的有功功率和无功功率采用下垂控制方法调节参考电压幅值及参考角频率，具体表示为：

ω＝ω^*-m_p(P-P^*)

U＝U^*-n_q(Q-Q^*)

其中，ω^*为逆变器额定角频率，U^*为逆变器额定输出电压，P和Q分别表示逆变器输出的实际有功、无功功率，P*和Q*分别表示逆变器额定有功功率和额定无功功率，m_p和n_q分别为有功下垂系数和无功下垂系数。

4.如权利要求3所述的改进的微电网并网预同步控制方法，其特征在于，所述根据参考电压幅值及参考角频率进行电压合成，得到参考电压，具体包括：

将参考角频率进行积分，得到相角；

根据参考电压幅值和相角进行电压合成，得到三相静止坐标系下的参考电压；

将三相静止坐标系下的参考电压进行park变换，得到电压d轴和q轴分量，并作为电压电流双环控制的输入量。

5.如权利要求4所述的改进的微电网并网预同步控制方法，其特征在于，所述根据参考电压和逆变器的输出电压、电流进行电压电流双环控制，具体包括：

将电压合成得到的参考电压分量与逆变器的实际输出电压进行对比作差，所得差值经过电压外环的PI控制器得到电流，并作为电流内环控制的参考电流；

将逆变器输出电流与参考电流进行对比作差，所得差值经过电流内环的PI控制器得到电压，并作为调制PWM的电压信号。

6.如权利要求5所述的改进的微电网并网预同步控制方法，其特征在于，所述电压电流双环控制的数学模型表示为：

其中，i_od和i_oq分别为微电网公共连接点处的输出电流d、q轴分量，

和

分别为电流参考值的d、q轴分量，i_cd和i_cq分别为逆变器输出的实际电流值，U_refd和U_refq分别为电压参考值的d、q轴分量，U_d和U_q分别为逆变器输出的实际电压值，U_id和U_iq分别为逆变桥调制电压信号的d、q轴分量，k_pu、k_iu、k_pc、k_ic分别为电压、电流控制中PI控制器的比例参数和积分参数，C_f和L_f分别表示滤波电容和滤波电感。

7.如权利要求1所述的改进的微电网并网预同步控制方法，其特征在于，所述将逆变器误差补偿角频率输入至下垂控制中，对利用下垂控制方法得到的参考角频率进行补偿，表示为：

ω′＝ω^*-m_p(P-P^*)+Δω

其中，ω′为补偿后的参考角频率，Δω为逆变器误差补偿角频率。

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