CN112421690A - 一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法，包括：通过N个交流侧电压幅值和频率参考值，得到交流微网下垂方程；得到交流微网无功下垂系数、有功下垂系数表达式；得到交流微网多端口单元下垂特性下的无功下垂系数、有功下垂系数；得到交流微网端口特性方程；得到直流微网下垂特性方程；得到直流微网下垂系数表达式；得到直流微网侧多端口单元下垂特性下的下垂系数；得到直流微网端口特性方程；得到交流侧电压幅值和直流侧电压表达式；得到交直流混合微网换流器功率传输方程；对换流器输出功率进行PI调节，通过采用PI控制器，使得功率差值趋近于0，实现无静差跟踪消除误差。本发明提高了混合微网换流器下垂控制对电压幅值和频率的跟踪性能。

Description

一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法

技术领域

本发明涉及一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法，具体涉及一种在混合微网换流器功率调节过程中对交直流母线电压归一化处理的方法，提高混合微网换流器下垂控制对电压幅值和频率的跟踪性能。

背景技术

交直流混合微网是未来微网发展的高级形式，综合了交流微电网和直流微电网两者的优点，增强了多种不同类型微电源和各类形式的负荷接入微电网系统的灵活性。交流微电网分布式电源点通过逆变器与交流母线相连，直流微电网分布式电源点通过DC-DC换流器与直流母线相连。交流母线、直流母线通过互联变换器相连，交流微电网、直流微电网通过该互联变换器进行功率交换。

交流微网采用下垂控制，通过测量获取的有功功率P，以及测量无功功率Q，可自动调节端口电压幅值U和频率f。与交流微网的控制相比，直流微网的控制相对没那么复杂，可以忽略无功功率、频率等变量，只需要控制端口电压与有功功率即可。

下垂特性可以控制交直流混合微电网电压，从而进一步控制互联变换器的有功与无功功率传输。但下垂控制对电压幅值和频率的跟踪控制较差，因此当交直流混合微电网换流器运行时，需要进一步改进控制策略。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法，该方法根据交流微网端口特性，实现交流微网有功、无功下垂控制，根据直流微网端口下垂特性，实现直流微网多端口有功下垂控制，进一步的在混合微网换流器功率调节过程中，提出一种对交直流母线电压归一化处理的方法，提高混合微网换流器下垂控制对电压幅值和频率的跟踪性能。

本发明采取如下技术方案来实现的：

一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法，包括以下步骤：

1)通过N个交流侧电压幅值和频率参考值，得到交流微网下垂方程；

2)根据步骤1)交流微网下垂方程得到交流微网无功下垂系数、有功下垂系数表达式；

3)根据交流微网端口特性与各个交流端口下垂特性相关特性，在步骤2)交流微网无功下垂系数、有功下垂系数基础上，得到交流微网多端口单元下垂特性下的无功下垂系数、有功下垂系数；

4)将步骤3)得到交流微网多端口单元下垂特性下的无功下垂系数、有功下垂系数引入步骤1)交流微网下垂方程中，得到交流微网端口特性方程；

5)根据直流微网只有有功功率输出，考虑电压与功率的特性，得到直流微网下垂特性方程；

6)根据步骤5)直流微网下垂特性方程得到直流微网下垂系数表达式；

7)根据直流微网端口特性与各个直流端口下垂特性相关，在步骤6)流微网下垂系数基础上，得到直流微网侧多端口单元下垂特性下的下垂系数；

8)将步骤7)得到的直流微网侧多端口单元下垂特性下的下垂系数引入步骤5)直流微网下垂方程中，得到直流微网端口特性方程；

9)根据步骤4)交流微网端口特性方程和步骤8)直流微网端口特性方程中的电压下垂控制方程，对交、直流母线采用电压归一化方法，得到交流侧电压幅值和直流侧电压表达式；

10)结合步骤4)交流微网端口特性方程、步骤8)直流微网端口特性方程，和步骤9)交流侧电压幅值和直流侧电压表达式，得到交直流混合微网换流器功率传输方程；

11)为了进一步消除混合微网换流器功率调节过程中的跟踪误差，实现混合微网换流器无静差调节，对步骤10)换流器输出功率进行PI调节，通过采用PI控制器，使得功率差值趋近于0，实现无静差跟踪消除误差，提高混合微网运行稳定性能。

本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：通过N个交流侧电压幅值和频率参考值，得到交流微网下垂方程：

其中：U为端口电压幅值和f为端口电压频率；P_ac、Q_ac为有功功率，通过测量获取；U_max、f_max为交流侧电压幅值与频率的最大值，K_n、K_m为无功下垂系数、有功下垂系数。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：根据步骤1)交流微网下垂方程得到交流微网无功下垂系数、有功下垂系数表达式：

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：根据交流微网端口特性与各个交流端口下垂特性相关特性，在步骤2)交流微网无功下垂系数、有功下垂系数基础上，得到交流微网多端口单元下垂特性下的无功下垂系数、有功下垂系数：

其中：U_i表示第i个交流端口输出电压幅值；Q_aci表示第i个交流端口输出无功功率；f_i表示第i个交流端口输出电压频率；P_aci表示第i个交流端口输出有功功率。

本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：将步骤3)得到交流微网多端口单元下垂特性下的无功下垂系数、有功下垂系数引入步骤1)交流微网下垂方程中，得到交流微网端口特性方程：

根据交流微网端口特性方程可知：通过交直流混合微网互联变换器交流侧的端口电压幅值U与频率f，即可实现控制交流侧的输出功率大小。

本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：考虑电压与功率的特性，得到直流微网下垂特性方程：V＝V_max-K_dP_dc；其中：V_max为直流母线最大值，K_d为直流微网下垂系数。

本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)直流微网下垂特性方程得到直流微网下垂系数表达式：

步骤7)的具体实现方法为：根据直流微网端口特性与各个直流端口下垂特性相关，在步骤6)流微网下垂系数基础上、得到直流微网侧多端口单元下垂特性下的下垂系数：

步骤8)的具体实现方法为：将步骤7)得到的直流微网侧多端口单元下垂特性下的下垂系数引入步骤5)直流微网下垂方程中，得到直流微网端口特性方程：V＝V_max-K_ddP_dc。

本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法为：根据步骤4)交流微网端口特性方程和步骤8)直流微网端口特性方程中的电压下垂控制方程，对交、直流母线采用电压归一化方法，得到交流侧电压幅值和直流侧电压表达式：

其中：U_acmin为交流侧电压幅值调节最小值；V_dcmin为直流侧电压能够调节最小值；交直流母线电压归一化后的值，取值范围在[0，1]之间。

本发明进一步的改进在于，步骤10)的具体实现方法为：结合步骤4)交流微网端口特性方程、步骤8)直流微网端口特性方程，和步骤9)交流侧电压幅值和直流侧电压表达式，得到混合微网换流器功率传输方程：

其中：P与Q分别为考虑下垂系数和归一化母线电压的有功与无功功率实际值；k_m、k_n为交直流混合微网换流器有功下垂系数、无功下垂系数；f_ref、f为交流侧参考频率、当前频率。

本发明进一步的改进在于，步骤11)的具体实现方法为：为了进一步消除混合微网换流器功率调节过程中的跟踪误差，实现混合微网换流器无静差调节，对步骤10)换流器输出功率进行PI调节，有功与无功功率实际值与目标值的差值ΔP与ΔQ表示为：

其中：P_ref、Q_ref分别为有功与无功控制的参考值；k_p作为控制系统的比例相，能够成比例反映系统的偏差信号；k_i作为控制系统的积分相，对偏差信号进行积分运算，消除偏差；通过采用PI控制器，使得ΔP与ΔQ趋近于0，实现无静差跟踪消除误差，提高混合微网运行稳定性能。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1.本发明提出一种对交直流母线电压归一化处理的方法，可以提高混合微网换流器下垂控制对电压幅值和频率的跟踪性能。

2.本发明进一步对混合微网换流器输出功率进行PI调节，消除无静差跟踪误差，实现混合微网换流器稳定运行。

附图说明

图1为典型交直流混合微网拓扑图；

图2为交流微网下垂特性示意图；

图3为直流微网下垂特性示意图；

图4为基于交直流母线电压归一化处理方法的交直流混合微网互联变换器控制框图；

图5为交直流混合微电网Matlab/Simulink仿真模型；

图6为交流微网光伏、储能、交流负荷功率仿真曲线波形；

图7为直流微网风机、储能、直流负荷功率曲线波形；

图8为互联变换器有功功率曲线波形；

图9为交流微网频率曲线波形；

图10为直流微网电压曲线波形。

具体实施方式

下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，交流微网、直流微网通过一台或者多台AC/DC换流器相连，交直流混合微网经过电力变压器接入配电网中，该种微网拓扑可应用于分布式电源和负荷较集中的场合。

如图2所示，交流微网采用下垂控制时，通过测量获取的有功功率P_ac，以及测量无功功率Q_ac，可自动调节端口电压幅值U和频率f。

通过下垂方程可得到N个交流侧电压幅值和频率参考值，下垂方程为：

式(1)中：U_max、f_max为交流侧电压幅值与频率的最大值，K_n、K_m为无功下垂系数、有功下垂系数，可表示为：

对于交流微网而言，其端口特性与各个交流端口下垂特性相关，因此可以得到系统交流微网侧多端口单元下垂特性，无功下垂系数、有功下垂系数：

式(3)中：U_i表示第i个交流端口输出电压幅值；Q_aci表示第i个交流端口输出无功功率；f_i表示第i个交流端口输出电压频率；P_aci表示第i个交流端口输出有功功率。

代入式(1)下垂方程中，可得交流微网端口特性方程，即：

由式(4)可知：只需要通过交直流混合微网互联变换器交流侧的端口电压幅值U与频率 f，即可实现控制交流侧的输出功率大小。

如图3所示，直流微电网不同于交流微电网，只有有功功率P_dc输出，无需考虑无功功率无功功率、频率等变量。考虑电压与功率的特性，直流微网下垂特性为：

V＝V_max-K_dP_dc (5)

式(5)中：V_max为直流母线最大值，K_d为直流微网下垂系数，可表示为：

对于直流微网而言，其端口特性与各个直流端口下垂特性相关，因此可以得到系统直流微网侧多端口单元下垂特性，下垂系数为：

代入直流微网下垂特性方程(1)中，可得直流微网多端口特性方程，即：

V＝V_max-K_ddP_dc (8)

如图4所示，采用下垂特性可以控制交直流混合微电网电压，从而进一步控互联变换器的有功与无功功率传输。但下垂控制对电压幅值和频率的跟踪控制较差，因此当采用交直流混合微电网并网运行时，需要进一步改进控制策略。本发明提出一种对交、直流母线电压归一化的方法，交流侧电压幅值和直流侧电压可表示为：

式(9)中：U_acmin为交流侧电压幅值可以调节最小值；V_dcmin为直流侧电压可以调节最小值。交直流母线电压归一化后的值，取值范围在[0，1]之间。

通过上述分析，结合交流微网、直流微网下垂控制策略，可以得到交直流混合微网换流器功率传输方程为：

式(10)中：P与Q分别为考虑下垂系数和归一化母线电压的有功与无功功率实际值； k_m、k_n为交直流混合微网换流器有功下垂系数、无功下垂系数；f_ref、f为交流侧参考频率、当前频率。

为了进一步消除混合微网换流器功率调节过程中的跟踪误差，实现混合微网换流器无静差调节，对换流器输出功率进行PI调节，有功与无功功率实际值与目标值的差值ΔP与ΔQ 可表示为：

式(11)中：P_ref、Q_ref分别为有功与无功控制的参考值；k_p作为控制系统的比例相，可以成比例反映系统的偏差信号；k_i作为控制系统的积分相，可以对偏差信号进行积分运算，消除偏差。通过采用PI控制器，使得ΔP与ΔQ趋近于0，就可以实现无静差跟踪消除误差，实现交直流混合微网互联变换器的稳定运行。

如图5所示，在Matlab中搭建完整的交直流混合微网互联变换器仿真模型，在互联变换器运行状态下，针对不同运行工况模式进行切换仿真，观察交直流端口变换器输出状态，验证控制策略和切换策略的正确性和可靠性。表1为互联变换器Matlab仿真参数，表2为交直流微网仿真参数。

表1互联变换器仿真参数

表2交直流微网仿真参数

在0～5s内，不断投切负荷，具体如下表3所示。

表3交直流混合微电网各器件功率随时间变换情况单位：s、kW

如图6-10所示，阶段1(仿真时间0～1s)：负荷等于微网额定功率，各器件以额定状态运行。

阶段2(仿真时间1～2s时)：交直流微网同时减小负荷，母线频率、电压值上升，交直流的母线额定运行值与实际值偏差为负，根据所提出的控制策略，变换器不工作，变换器交换功率为0kW。

阶段3(仿真时间2～3s时)：交流负荷增至18kW，大于交流额定功率，直流负荷保持16kW，小于直流额定功率，交流母线频率、直流母线电压下降。此时功率下垂协同控制策略启动，将频率偏移量作为参考，经PI比例积分器使互联变换器交换功率增加，直流侧通过互联网变换器向交流侧输出功率3kW，交流侧频率偏移量减小。

阶段4(仿真时间3～4s时)：交直流负荷大幅变化，使交直流微网分别处在程度较高的轻、重载状态，交流侧为轻载，频率提高0.3Hz；直流侧为重载，母线电压减小20V左右，此时功率下垂协同控制策略启动，交流侧光伏、储能输出功率下降，直流侧风电、储能输出功率上升，交流侧通过互联网变换器向直流侧输出功率6kW。最终使得交流侧频率接近额定值，直流母线电压减小10V左右，比功率下垂协同控制策略启动前减小了50％。

阶段5(仿真时间4～5s时)：直流负荷大幅减小，互联变换器向直流输送的6kW功率不会立即变化，使得直流微网处于轻载状态，直流母线电压从减小10V变为增加2V。因直流母线偏移量的绝对值较大，此时功率参考值为频率偏差量。随着变换器交换功率减小，直流母线电压的下降，当电压偏移量的绝对值小于频率偏移量的绝对值时，功率参考值变为电压偏移量，最终变换器传输功率下降至1kW，直流母线电压接近额定值，交流频率提高0.1Hz，变换器不再增加传输功率。

以上仿真结果可知，采用功率下垂协同控制策略后，混合微电网可以适应负荷突然变化的情况，并根据交流微网和直流微网的功率平衡情况，自适应调整微网内部器件功率，使得交直流微网的频率、电压波动减小，维持微网的稳定运行。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过N个交流侧电压幅值和频率参考值，得到交流微网下垂方程；

2)根据步骤1)交流微网下垂方程得到交流微网无功下垂系数、有功下垂系数表达式；

3)根据交流微网端口特性与各个交流端口下垂特性相关特性，在步骤2)交流微网无功下垂系数、有功下垂系数基础上，得到交流微网多端口单元下垂特性下的无功下垂系数、有功下垂系数；

4)将步骤3)得到交流微网多端口单元下垂特性下的无功下垂系数、有功下垂系数引入步骤1)交流微网下垂方程中，得到交流微网端口特性方程；

5)根据直流微网只有有功功率输出，考虑电压与功率的特性，得到直流微网下垂特性方程；

6)根据步骤5)直流微网下垂特性方程得到直流微网下垂系数表达式；

7)根据直流微网端口特性与各个直流端口下垂特性相关，在步骤6)流微网下垂系数基础上，得到直流微网侧多端口单元下垂特性下的下垂系数；

8)将步骤7)得到的直流微网侧多端口单元下垂特性下的下垂系数引入步骤5)直流微网下垂方程中，得到直流微网端口特性方程；

9)根据步骤4)交流微网端口特性方程和步骤8)直流微网端口特性方程中的电压下垂控制方程，对交、直流母线采用电压归一化方法，得到交流侧电压幅值和直流侧电压表达式；

10)结合步骤4)交流微网端口特性方程、步骤8)直流微网端口特性方程，和步骤9)交流侧电压幅值和直流侧电压表达式，得到交直流混合微网换流器功率传输方程；

11)为了进一步消除混合微网换流器功率调节过程中的跟踪误差，实现混合微网换流器无静差调节，对步骤10)换流器输出功率进行PI调节，通过采用PI控制器，使得功率差值趋近于0，实现无静差跟踪消除误差，提高混合微网运行稳定性能。

2.根据权利要求1所述的一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：通过N个交流侧电压幅值和频率参考值，得到交流微网下垂方程：

其中：U为端口电压幅值和f为端口电压频率；P_ac、Q_ac为有功功率，通过测量获取；U_max、f_max为交流侧电压幅值与频率的最大值，K_n、K_m为无功下垂系数、有功下垂系数。

3.根据权利要求2所述的一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：根据步骤1)交流微网下垂方程得到交流微网无功下垂系数、有功下垂系数表达式：

4.根据权利要求3所述的一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：根据交流微网端口特性与各个交流端口下垂特性相关特性，在步骤2)交流微网无功下垂系数、有功下垂系数基础上，得到交流微网多端口单元下垂特性下的无功下垂系数、有功下垂系数：

其中：U_i表示第i个交流端口输出电压幅值；Q_aci表示第i个交流端口输出无功功率；f_i表示第i个交流端口输出电压频率；P_aci表示第i个交流端口输出有功功率。

5.根据权利要求4所述的一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：将步骤3)得到交流微网多端口单元下垂特性下的无功下垂系数、有功下垂系数引入步骤1)交流微网下垂方程中，得到交流微网端口特性方程：

根据交流微网端口特性方程可知：通过交直流混合微网互联变换器交流侧的端口电压幅值U与频率f，即可实现控制交流侧的输出功率大小。

6.根据权利要求5所述的一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：考虑电压与功率的特性，得到直流微网下垂特性方程：V＝V_max-K_dP_dc；其中：V_max为直流母线最大值，K_d为直流微网下垂系数。

7.根据权利要求6所述的一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)直流微网下垂特性方程得到直流微网下垂系数表达式：

步骤7)的具体实现方法为：根据直流微网端口特性与各个直流端口下垂特性相关，在步骤6)流微网下垂系数基础上、得到直流微网侧多端口单元下垂特性下的下垂系数：

步骤8)的具体实现方法为：将步骤7)得到的直流微网侧多端口单元下垂特性下的下垂系数引入步骤5)直流微网下垂方程中，得到直流微网端口特性方程：V＝V_max-K_ddP_dc。

8.根据权利要求7所述的一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法，其特征在于，步骤9)的具体实现方法为：根据步骤4)交流微网端口特性方程和步骤8)直流微网端口特性方程中的电压下垂控制方程，对交、直流母线采用电压归一化方法，得到交流侧电压幅值和直流侧电压表达式：

其中：U_acmin为交流侧电压幅值调节最小值；V_dcmin为直流侧电压能够调节最小值；交直流母线电压归一化后的值，取值范围在[0，1]之间。

9.根据权利要求8所述的一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法，其特征在于，步骤10)的具体实现方法为：结合步骤4)交流微网端口特性方程、步骤8)直流微网端口特性方程，和步骤9)交流侧电压幅值和直流侧电压表达式，得到混合微网换流器功率传输方程：

其中：P与Q分别为考虑下垂系数和归一化母线电压的有功与无功功率实际值；k_m、k_n为交直流混合微网换流器有功下垂系数、无功下垂系数；f_ref、f为交流侧参考频率、当前频率。

10.根据权利要求9所述的一种提高混合微网运行稳定的下垂控制方法，其特征在于，步骤11)的具体实现方法为：为了进一步消除混合微网换流器功率调节过程中的跟踪误差，实现混合微网换流器无静差调节，对步骤10)换流器输出功率进行PI调节，有功与无功功率实际值与目标值的差值ΔP与ΔQ表示为：

其中：P_ref、Q_ref分别为有功与无功控制的参考值；k_p作为控制系统的比例相，能够成比例反映系统的偏差信号；k_i作为控制系统的积分相，对偏差信号进行积分运算，消除偏差；通过采用PI控制器，使得ΔP与ΔQ趋近于0，实现无静差跟踪消除误差，提高混合微网运行稳定性能。

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