CN111864797A - 一种基于双维控制的孤岛微网二次电压调节方法 - Google Patents

一种基于双维控制的孤岛微网二次电压调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双维控制的孤岛微网二次电压调节方法，所述孤岛微网系统包括DG单元、交流母线、馈线及负荷；DG单元由直流电压源、逆变器及滤波器组成，经馈线接入交流母线；负荷接入DG单元母线或交流母线；微网运行于孤岛模式，采用对等控制；对等控制中的DG单元采用下垂控制。所述的孤岛微网二次电压调节从两个维度同步进行：交流母线电压控制及DG单元的无功功率分配；交流母线电压控制通过调节DG单元下垂控制器的电压参考值实现，无功功率分配通过调节下垂控制器的无功功率参考值实现。所述方法可同步实现交流母线电压的高精度控制与DG单元无功功率的准确分配，适应系统稳定性与经济性需求。

Description

一种基于双维控制的孤岛微网二次电压调节方法
技术领域
本发明涉及电力领域，具体是一种基于双维控制的孤岛微网二次电压调节方法。
背景技术
在人类社会发展进程中，能源起着至关重要的推动作用。电能以其清洁、便利的特性得到了广泛应用。在传统化石能源日益枯竭的背景下，开发新能源发电、提高能源使用率成为缓解供需矛盾、兼顾环境保护与经济发展的有效途径。微网以其整合分布式发电资源、就地消纳负荷的优良特性，引起了电力界的关注并得以推广。
微网的电压与无功功率平衡控制是其运行的基本任务之一。微网与配电网并联运行时，并网点电压由配电网支撑，微网内其他母线电压及功率平衡通过调节自身资源进行控制。而对于孤岛运行的微网，则需完全依靠自身的调节资源及手段维持无功功率平衡及电压控制。
微网孤岛运行时可采用主从控制模式或对等控制模式实现无功功率平衡及电压控制。微网采用主从控制模式时，以一个DG单元作为主控单元稳定系统基本电压，其它DG作为从控单元，实现微网的功率平衡调节。主从控制具有良好的集中调度特性，全局协调控制效果较好；但主控单元需要具备足够的容量，否则难以维持微网系统的电压稳定。
对等控制则适用于各DG单元容量基本相当的微网系统。采用对等控制时，DG单元以下垂控制为主，通过有功功率-频率、无功功率-电压的下垂特性实现系统频率及电压的控制。下垂控制中DG单元间无需互联通信，即插即用，适用性较强。对于下垂控制的负特性所造成的电压偏差问题，也可通过二次调节来校正。现有的二次电压调节方法可针对DG母线进行精准电压控制，无功功率分配结果也较为准确。但同时也存在以下共性问题：
1)当交流母线不安装电源或调压设备时，其电压控制效果较差；
2)DG单元输出的无功功率只能按换流器容量比例设定，无法实现任意指定比例的无功功率的分配；
3)交流母线电压控制精度与DG单元无功功率的分配效果不能兼顾，系统运行的灵活性受限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于双维控制的孤岛微网二次电压调节方法，用以同步实现交流母线的电压控制及DG单元的无功功率分配。本发明的二次电压调节方法有利于保障微网系统的稳定运行。
本发明的技术解决方案如下：
所述的孤岛微网系统包括DG单元、交流母线、馈线及负荷；DG单元由直流电源、逆变器及滤波器组成，经馈线接入交流母线；负荷接入DG单元母线或交流母线；微网运行于孤岛模式，采用对等控制；对等控制中的DG单元采用下垂控制。
所述孤岛微网的二次电压调节从两个维度同时进行：交流母线电压控制及DG单元的无功功率调节。交流母线电压控制通过调节DG单元下垂控制器的电压参考值实现，DG单元无功功率分配通过调节下垂控制器的无功功率参考值实现。
(一)交流母线电压控制
交流母线电压控制的目标是通过调节DG单元的电压参考值将交流母线电压恢复至允许范围，具体实现方式如下：
步骤1：计算交流母线当前电压偏移量：
ΔUac＝Uac-Uac,ref (1)
式中，Uac与Uac,ref分别为交流母线电压实际值及参考值；ΔUac为交流母线电压偏移量。当ΔUac大于二次电压启动阈值时进行步骤2，否则不进行新一轮的二次电压调节。
步骤2：确定DG单元应承担的交流母线电压调节量：
ΔUac,i＝kiΔUac (2)
式中，i＝1，2，…，I，I为DG母线数量；ΔUac,i为功率单元i应承担的交流母线电压调节量；ki为电压调节系数，0＜ki≤1且∑ki＝1。
步骤3：计算DG单元为完成交流母线电压调节任务所需的电压参考值增量：
Figure BDA0002596105480000021
式中，ΔUi,ref为DG单元i电压参考值增量；Sac,i为单位电压参考值增量所引起的交流母线电压增量，即：电压灵敏度。对于所述孤岛微网系统，电压灵敏度通过如下方式获取：
①构建交流母线无功功率平衡方程：
Figure BDA0002596105480000031
②结合下垂控制方程、线路电压降落方程、DG母线无功功率平衡方程及交流母线无功功率平衡方程，构建所述微网系统的拓展无功功率平衡方程：
Figure BDA0002596105480000032
3)根据式(5)确定交流母线电压对下垂控制电压参考值的一阶偏导数：
Figure BDA0002596105480000033
上两式中，Ui,ref、QDG,i,ref、ni分别为DG下垂控制器的电压参考值、无功功率参考值及下垂系数；QL,i为DG母线的无功负荷；Pf,i、Qf,i表示与第i个DG相连的馈线中流过的有功功率及无功功率；Rf,i、Xf,i为馈线f的等值电阻及电抗；RL,i与XL,i分别为DG母线i的等值负荷的电阻及电抗；RL,P与XL,P分别为交流母线的等值负荷的电阻及电抗；F代表由交流母线无功功率平衡确定的关于UP的隐函数方程；交流母线电压对下垂控制电压参考值的一阶偏导数即为电压灵敏度。
步骤4：将DG下垂控制器的电压参考值增量叠加至原电压参考值，生成新的下垂控制器的电压参考值。
(二)DG单元无功功率调节
DG单元无功功率调节的目标是，通过整定下垂控制器的无功功率参考值使DG按设定的分配系数输出无功功率，具体实现方式如下：
步骤1：计算DG单元应承担的无功负荷校正量：
Figure BDA0002596105480000034
其中，
Figure BDA0002596105480000035
无功负荷校正量；βi为无功功率分配系数；QL,ac为交流母线的无功负荷。
步骤2：确定DG单元应承担的交流母线电压偏差校正量：
Figure BDA0002596105480000036
其中，
Figure BDA0002596105480000041
为交流母线电压偏差校正量。
步骤3：综合校正量信号，生成DG单元的无功功率参考值增量：
Figure BDA0002596105480000042
其中，ΔQDG,i,ref为DG单元i的无功功率参考值增量。
步骤4：将DG下垂控制器的无功功率参考值增量叠加至原无功功率参考值，生成新的下垂控制器无功功率参考值。
本发明的有益效果：
本发明所述的孤岛微网二次电压调节方法从两个维度同步进行：交流母线电压控制及DG单元的无功功率调分配节。与现有技术相比，采用所述的孤岛微网二次电压调节方法具有以下积极效果：
1)对于未安装电源及调压设备的交流母线，可以实现较高精度的电压控制；且二次调节的暂态过程较短，适应系统对响应速度的需求；
2)DG单元可按任意指定的分配系数输出无功功率，不受额定容量比例限制，适应系统多种运行方式对电源输出功率的需求；
3)兼顾交流母线电压控制精度与DG单元无功功率分配效果，适应系统稳定性与经济性需求。
附图说明
图1为交流母线电压控制原理图。
图2为DG单元无功功率分配原理图；
图3为所述孤岛微网系统的二次电压控制策略框图；
图4为所述孤岛微网系统的结构图；
图5a和图5b为本发明实施例1的二次电压控制结果；
其中，图5a为功率分配系数变化时交流母线的电压相对误差；图5b为功率分配系数变化时DG单元功率分配的相对误差；
图6a和图6b为本发明实施例2中采用所述基于双维控制的二次电压调节方法的仿真曲线；
其中，图6a为交流母线电压波形；图6b为DG单元输出的无功功率；
图7a和图7b为本发明实施例2中采用传统无功功率单变量控制的二次电压调节方法的仿真曲线；
其中，图7a为交流母线电压波形；图7b为DG单元输出的无功功率；
图8a和图8b为本发明实施例2中采用传统交流母线电压单变量控制的二次电压调节方法的仿真曲线；
其中，图8a为交流母线电压波形；图8b为DG单元输出的无功功率；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1-4所示，本发明的基于双维控制的孤岛微网二次电压调节方法，所述的孤岛微网系统包括DG单元、交流母线、馈线及负荷；DG单元由直流电压源、逆变器及滤波器组成，所述DG单元经馈线接入交流母线；负荷接入DG单元母线或交流母线；微网运行于孤岛模式，采用对等控制；对等控制中的DG单元采用下垂控制。
所述孤岛微网的二次电压调节从两个维度同时进行：交流母线电压控制及DG单元的无功功率调节。交流母线电压控制通过调节DG单元下垂控制器的电压参考值实现，DG单元无功功率分配通过调节下垂控制器的无功功率参考值实现。
所述孤岛微网二次电压调节按以下方式实施：
(一)交流母线电压控制
如图1所示，整定DG单元的电压参考值将交流母线电压恢复至允许范围，具体实现方式如下：
步骤1：计算交流母线当前电压偏移量：
ΔUac＝Uac-Uac,ref (1)
式中，Uac与Uac,ref分别为交流母线电压实际值及参考值；ΔUac为交流母线电压偏移量，当ΔUac大于二次电压启动阈值时进行步骤2，否则不进行新一轮的二次电压调节。
步骤2：确定DG单元应承担的交流母线电压调节量：
ΔUac,i＝kiΔUac (2)
式中，i＝1，2，…，I，I为DG母线数量；ΔUac,i为功率单元i应承担的交流母线电压调节量；ki为电压调节系数，0＜ki≤1且∑ki＝1。
步骤3：计算DG单元为完成交流母线电压调节任务所需的电压参考值增量：
Figure BDA0002596105480000061
式中，ΔUi,ref为DG单元i电压参考值增量；Sac,i为单位电压参考值增量所引起的交流母线电压增量，即：电压灵敏度。对于所述孤岛微网系统，电压灵敏度通过如下方式获取：
①构建交流母线无功功率平衡方程：
Figure BDA0002596105480000062
②结合下垂控制方程、线路电压降落方程、DG母线无功功率平衡方程及交流母线无功功率平衡方程，构建所述微网系统的拓展无功功率平衡方程：
Figure BDA0002596105480000063
3)根据式(5)确定交流母线电压对下垂控制电压参考值的一阶偏导数：
Figure BDA0002596105480000064
上两式中，Ui,ref、QDG,i,ref、ni分别为DG下垂控制器的电压参考值、无功功率参考值及下垂系数；QL,i为DG母线的无功负荷；Pf,i、Qf,i表示与第i个DG相连的馈线中流过的有功功率及无功功率；Rf,i、Xf,i为馈线f的等值电阻及电抗；RL,i与XL,i分别为DG母线i的等值负荷的电阻及电抗；RL,P与XL,P分别为交流母线的等值负荷的电阻及电抗；F代表由交流母线无功功率平衡确定的关于UP的隐函数方程；交流母线电压对下垂控制电压参考值的一阶偏导数即为电压灵敏度。
步骤4：将DG下垂控制器的电压参考值增量叠加至原电压参考值，生成新的下垂控制器的电压参考值。
(二)DG单元无功功率调节
如图2所示，整定下垂控制器的无功功率参考值令DG按设定的分配系数输出无功功率，具体实现方式如下：
步骤1：计算DG单元应承担的无功负荷校正量：
Figure BDA0002596105480000065
其中，
Figure BDA0002596105480000071
无功负荷校正量；βi为无功功率分配系数；QL,ac为交流母线的无功负荷。
步骤2：确定DG单元应承担的交流母线电压偏差校正量：
Figure BDA0002596105480000072
其中，
Figure BDA0002596105480000073
为交流母线电压偏差校正量。
步骤3：综合校正量信号，生成DG单元的无功功率参考值增量：
Figure BDA0002596105480000074
其中，ΔQDG,i,ref为DG单元i的无功功率参考值增量。
步骤4：将DG下垂控制器的无功功率参考值增量叠加至原无功功率参考值，生成新的下垂控制器无功功率参考值。
所述的基于双维控制的孤岛微网二次电压控制策略原理如图3所示。下垂控制器的电压参考值及无功功率参考值更新后，生成SPWM的驱动信号，调节逆变器的输出功率，同步进行交流母线电压的调节及DG单元的无功功率分配。
实施例1
该实施例用于演示所述孤岛微网二次电压调节方法的适应性及稳定性。
所述微网系统包括3个DG单元，各DG单元由直流电压源、逆变器、滤波器构成，经交流馈线接入交流母线。DG1与DG2采用下垂控制，参与二次电压调节，额定无功容量为100kVar、180kVar；DG3采用最大功率跟棕控制，用于模拟自然变化功率的电源，不参与二次电压调节。每个DG单元母线带有一个负荷。系统额定频率为50Hz，交流母线额定电压为380V，交流母线负荷初始运行不投入，1秒时投入。交流母线二次调节阈值电压为±5V。保持DG1与DG2的功率分配系数之和为1且同步变化，采用所述的二次电压调节方法进行仿真，在不同功率分配系数下的交流母线电压相对误差及DG单元无功功率分配相对误差如图5a和图5b所示。其中，电压相对误差及功率分配相对误差的计算式为：
交流母线电压相对误差：
Figure BDA0002596105480000075
无功功率相对误差：
Figure BDA0002596105480000076
由图5a和图5b可以发现，在不同的无功分配系数下，交流母线电压相对误差及无功功率分配误差都比较小，且稳定在一定区间内。
图5a和图5b表明，采用所述的二次电压调节方法，可以在维持较高的交流母线电压控制精度的前提下，令DG单元在较大范围内按设定系数输出无功功率，具有较强的适应性及较好的稳定性，有助于提高微网系统运行的自由度及灵活性。
实施例2
该实施例用于演示所述孤岛微网二次电压调节方法的有效性。
所述微网系统包括3个DG单元，各DG单元由直流电压源、逆变器、滤波器构成，经交流馈线接入交流母线。DG1与DG2采用下垂控制，参与二次电压调节，额定无功容量为100kVar、180kVar；DG3采用最大功率跟棕控制，用于模拟自然变化功率的电源，不参与二次电压调节。每个DG单元母线带有一个负荷。系统额定频率为50Hz，交流母线额定电压为380V，二次调节启动的阈值电压为±5V。在初始运行状态下，按DG无功容量比例设置无功功率分配系数，即β1＝0.357，β2＝0.643。交流母线负荷初始运行不投入，1秒时投入。1～2秒时交流母线电压偏差大于阈值电压，采用所述的双维控制二次电压调节方法，仿真结果如图6a和图6b所示。
由图6a和图6b可知，二次调节完成时交流母线电压恢复至379.9V，DG输出无功功率为22.7kVar、41.2kVar，无功功率比为0.355/0.645，接近设定的无功分配系数。图6a和图6b表明所述的二次电压调节方法可从两个维度同时进行调节，交流母线电压控制及无功功率分配均可达到较好的效果。
图7a和图7b为采用传统的无功功率单变量控制的二次电压调节的仿真结果。由图7a和图7b可知，二次调节完成时交流母线电压为381.0V，稳态电压偏差大于采用本发明所述的二次电压调节方法的结果；DG输出无功功率为23.2kVar、41.1kVar，无功功率比为0.361/0.639，与设定的无功分配系数相差较大。图7a和图7b表明采用传统的无功功率单变量控制的方法，不能同时达到较好的交流母线电压控制效果及无功功率分配效果。
图8a和图8b为采用传统的交流母线电压单变量控制的二次电压调节仿真结果。由图8a和图8b可以看出，交流母线电压实现了无偏控制，控制精度高；但DG输出无功功率为24.9kVar、38.9kVar，无功功率比为0.390/0.610，分配误差大。图8a和图8b表明采用传统的交流母线电压单变量控制的方法，不能同时达到较好的交流母线电压控制效果及无功功率分配效果。
综合实施例1与实施例2可知，本发明所述的孤岛微网二次电压调节方法可从两个维度同步调节，交流母线电压控制精度较高且无功功率分配误差小；而单变量的二次电压调节方法不能同时保证较高的交流母线电压控制精度及较小的无功功率分配误差。

Claims (5)

1.一种基于双维控制的孤岛微网二次电压调节方法，所述的孤岛微网系统包括DG单元、交流母线、馈线及负荷；DG单元由直流电压源、逆变器及滤波器组成，其特征在于：所述DG单元经馈线接入交流母线；负荷接入DG单元母线或交流母线；微网运行于孤岛模式，采用对等控制；对等控制中的DG单元采用下垂控制。
2.根据权利要求1所述的基于双维控制的孤岛微网二次电压调节方法，其特征在于，从交流母线电压控制及DG单元无功功率分配两个维度同步进行调节。
3.根据权利要求2所述的基于双维控制的孤岛微网二次电压调节方法，其特征在于：通过整定DG单元下垂控制器的电压参考值实现交流母线电压的控制，具体包括如下实施步骤：
步骤1：测量交流母线电压，计算交流母线当前电压偏移量ΔUac；若电压偏移量大于二次电压启动阈值，则进行步骤2；否则不启动新一轮的二次电压调节；
步骤2：确定各DG单元应承担的交流母线电压调节量：
ΔUac,i＝kiΔUac (1)
式中，i＝1，2，…，I，I为DG母线数量；ΔUac,i为功率单元i应承担的交流母线电压调节量；ki为电压调节系数；
步骤3：计算各DG单元为完成交流母线电压调节任务所需的电压参考值增量：
Figure FDA0002596105470000011
式中，ΔUi,ref为DG单元电压参考值增量；Sac,i为单位DG电压参考值所引起的交流母线电压增量，即：电压灵敏度。对于所述孤岛微网系统，电压灵敏度通过如下方式获取：
构建所述微网系统的扩展无功功率平衡方程：
Figure FDA0002596105470000012
根据式(3)确定交流母线电压对DG单元下垂控制电压参考值的一阶偏导数：
Figure FDA0002596105470000013
在以上两式中，Ui,ref、QDG,i,ref、ni分别为DG下垂控制器的电压参考值、无功功率参考值及下垂系数；Pf,i为与第i个DG相连的馈线中流过的有功功率；QL,i为DG母线的无功负荷；Rf,i、Xf,i为馈线f的等值电阻及电抗；RL,i与XL,i分别表示DG母线i的等值负荷电阻及电抗；RL,P与XL,P分别表示交流母线的等值负荷电阻及电抗；F代表由交流母线无功功率平衡确定的关于UP的隐函数方程；
步骤4：将DG下垂控制器的电压参考值增量叠加至原电压参考值，生成新的下垂控制器的电压参考值。
4.根据权利要求3所述的基于双维控制的孤岛微网二次电压调节方法，其特征在于：通过整定下垂控制器的无功功率参考值实现DG单元的无功功率分配，具体包括如下实施步骤：
步骤1：设定所需无功功率分配系数，计算DG单元应承担的无功负荷校正量：
Figure FDA0002596105470000021
其中，
Figure FDA0002596105470000022
无功负荷校正量；βi为无功功率分配系数；QL,ac为交流母线无功负荷。
步骤2：确定DG单元应承担的交流母线电压偏差校正量：
Figure FDA0002596105470000023
步骤3：生成DG单元的无功功率参考值增量：
Figure FDA0002596105470000024
步骤4：将DG下垂控制器的无功功率参考值增量叠加至原无功功率参考值，生成新的下垂控制器的无功功率参考值。
5.根据权利要求2所述的基于双维控制的孤岛微网二次电压调节方法，其特征在于，通过上述方式整定下垂控制器电压参考值和整定下垂控制器无功功率参考值，同步进行交流母线电压的调节及DG单元的无功功率分配。
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