CN112510696A - 微电网暂态电压稳定性调控系统及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微电网暂态电压稳定性调控系统及调控方法，所述调控系统包括输出端与矢量合成模块连接的有功控制模块，其输入端与功率计算模块的输出端连接，功率计算模块的输入端分别连接端口电压采集模块、输出电流采集模块，端口电压采集模块、输出电流采集模块均连接逆变器，端口电压采集模块的输出端分别连接相量限流控制模块、下垂系数调节控制模块，输出电流采集模块的输出端还与相量限流控制模块连接，下垂系数调节控制模块的输出端依次与PI控制器、相量限流控制模块、矢量合成模块连接；本发明使逆变器的内电势电压在较小范围内波动，限制了逆变器的输出电流幅值，避免了过电流导致的逆变器损毁，有效提升了微电网的暂态电压稳定性。

Description

微电网暂态电压稳定性调控系统及调控方法

技术领域

本发明属于微电网运行技术领域，特别是涉及一种微电网暂态电压稳定性调控系统及调控方法。

背景技术

微电网集合了大量分布式电源、恒阻抗、异步电动机等负荷，能够在并网和孤岛模式下运行，旨在实现电网的灵活可控，不同于传统电力系统，微电网的供电半径小、源与荷之间耦合能力强、故障传播速度快，在孤岛模式下缺乏大电网的电压、频率支撑，运行稳定性较差，且现阶段异步电动机负荷在负荷中占比较大，其动态行为直接影响微电网的电压稳定性。

而且微电网故障发生时电压控制型变换器易因过流而烧毁，为保证电压控制型变换器的安全可靠运行，现有研究根据不同指标和需求提出了相应的故障穿越控制策略，有效控制故障期间的冲击电流，然而这些措施未考虑控制策略对系统暂态电压稳定性的影响；现有文献针对含异步电动机负荷的微电网，通过仿真和机理分析研究小扰动和暂态稳定性，讨论异步电动机对微电网暂态电压稳定性的影响，并未同时考虑微电源和异步电动机负荷动态特性对暂态电压稳定性的影响，对微电网暂态稳定性的调控效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微电网暂态电压稳定性调控系统及调控方法，本发明以含异步电动机负荷的微电网为研究对象，揭示了微电网暂态电压失稳机理，在此基础上提出一种综合考虑逆变器故障电流限制的暂态电压稳定性调控系统，在虚拟同步机Q-V下垂控制的基础上引入下垂系数自适应调节，保证逆变器的内电势电压在较小范围内波动，添加相量限流控制以减小逆变器内电势电压与端口电压的压差，对流经逆变器的冲击电流进行限流；使用该调控系统调控微电网能在保证逆变器输出电流不过流的前提下，尽可能提升微电网的暂态电压稳定性。

本发明所采用的技术方案是，微电网暂态电压稳定性调控系统，包括有功控制模块，所述有功控制模块的输出端与矢量合成模块连接，所述有功控制模块的输入端与功率计算模块的输出端连接，所述功率计算模块的输入端分别与端口电压采集模块的输出端、输出电流采集模块的输出端连接，所述端口电压采集模块的输入端、输出电流采集模块的输入端均与逆变器的输出端连接；

所述端口电压采集模块的输出端还与下垂系数调节控制模块的输入端连接，所述下垂系数调节控制模块的输出端与PI控制器的输入端连接，所述PI控制器的输出端与相量限流控制模块的输入端连接，所述相量限流控制模块的输入端还分别与端口电压采集模块的输出端、输出电流采集模块的输出端连接，所述相量限流控制模块的输出端与矢量合成模块的输入端连接。

微电网暂态电压稳定性调控方法，包括以下步骤：

步骤1，端口电压采集模块和输出电流采集模块分别采集逆变器的端口电压和输出电流，并将采集的端口电压分别输送至功率计算模块、下垂系数调节控制模块和相量限流控制模块，将输出电流分别输送至功率计算模块和相量限流控制模块；

步骤2，功率计算模块根据逆变器的端口电压和输出电流计算逆变器的有功功率，并将有功功率输入有功控制模块，有功控制模块根据有功功率调节逆变器的内电势电压相角信号，并将内电势相角信号输入矢量合成模块；

步骤3，下垂系数调节控制模块根据逆变器的端口电压计算其超出额定电压值的幅度，进而确定下垂系数对端口电压进行调节，将下垂系数调节控制模块的输出信号加上逆变器参考无功功率与输出无功功率的差值后输入PI控制器；

步骤4，PI控制器对逆变器的内电势电压进行动态调节，并将调节后的电压信号输入相量限流控制模块；

步骤5，相量限流控制模块根据逆变器的内电势电压和输出电流计算相量限流的上下限值，并将PI控制器输送的调节电压信号与相量限流上下限值进行比较，若接收的电压信号在相量限流的限值范围内，则最终的逆变器内电势电压取调节电压值，若接收的电压信号小于相量限流的下限值，则最终的逆变器内电势电压取相量限流的下限值，若接收的电压信号大于相量限流的上限值，则最终的逆变器内电势电压取相量限流的上限值，并将逆变器的内电势电压信号输入矢量合成模块；

步骤6，矢量合成模块将逆变器的内电势电压信号与相角信号合成得到逆变器的内电势。

进一步的，所述下垂系数的确定过程如下：若逆变器的内电势电压幅值在额定运行状态下内电势电压值的±5％内波动，则下垂系数为定值，若逆变器的内电势电压幅值超出额定运行状态下内电势电压值的±5％，则对下垂系数进行自适应调节。

进一步的，所述下垂系数D_q的自适应调节方式，如公式(1)所示：

其中

为逆变器在时间段t-t₀输出的无功功率，E_no为逆变器空载运行状态下内电势电压，E_n为逆变器额定运行状态下内电势电压幅值，Q_min为逆变器输出无功功率的最小值，Q_max为逆变器输出无功功率的最大值。

进一步的，所述计算相量限流上下限值为：

其中E_Dmax、E_Qmax分别为逆变器内电势电压在D、Q轴上的最大值，E_Dmin、E_Qmin分别为逆变器内电势电压在D、Q轴上的最小值，U_D、U_Q分别为逆变器在公共坐标系D、Q轴上的端口电压值，ω_VSG为公共坐标系的旋转角速度，L_f为逆变器的滤波电感，

I_Qmax、I_Dmax分别是D、Q轴逆变器的最大输出电流值，I_max为虚拟同步机最大允许电流值，I_max为虚拟同步机额定电流峰值的2倍，

为功率因数角。

本发明的有益效果是：1、本发明通过揭示含异步电动机负荷的微电网暂态电压失稳机理，分析表明Q-V下垂控制的下垂特性会恶化微电网的暂态电压稳定性，在含虚拟负电阻的虚拟同步控制基础上，设置下垂系数调节控制模块将Q-V下垂控制的下垂系数改为自适应下垂系数，保证微电网故障发生时逆变器的内电势电压在较小范围内波动；2、本发明在含虚拟负电阻的虚拟同步控制基础上，增加相量限流控制模块，限制微电网故障发生时逆变器的输出电流幅值，防止过电流造成的逆变器损毁，且相量限流后逆变器的控制策略仍为电压控制，为微电网提供了电压和频率支撑，有效地提升了微电网的暂态电压稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的控制框图。

图2是本发明实施例的微电网拓扑结构图。

图3是异步机电磁转矩-转子角速度曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

微电网暂态电压稳定性调控系统包括有功控制模块，有功控制模块的输入端与功率计算模块的输出端连接，功率控制模块的输入端分别与端口电压采集模块、输出电流采集模块的输出端连接，端口电压采集模块和输出电流采集模块的输入端分别与逆变器连接采集其输出端口的电压和电流，有功控制模块根据逆变器的有功功率调节逆变器的内电势电压相角信号，并将得到的内电势电压信号输入矢量合成模块；端口电压采集模块将测量的电压信号输入下垂系数调节控制模块，下垂系数调节控制模块根据电压幅值是否超出额定电压值的±5％自适应调节下垂系数，并基于下垂系数对逆变器输出电压参考值进行调节，将调节后的输出电压参考值发送至PI控制器，PI控制器对逆变器的内电势电压进行调节后，将调节结果输入相量限流控制模块，相量限流控制模块根据端口电压采集模块和输出电流采集模块采集的电压、电流信号，计算得到相量限流的上下限值，并将调节后的电压信号与相量限流上下限值进行比较，获得最终的逆变器内电势电压信号，并将电压信号送入矢量合成模块中，矢量合成模块将电压信号与相角信号合成逆变器的内电势。

使用所述微电网暂态电压稳定性调控系统调控微电网的暂态电压时，需按照以下步骤进行：

步骤1，端口电压采集模块和输出电流采集模块分别采集逆变器的端口电压和输出电流，并将采集的端口电压分别输送至功率计算模块、下垂系数调节控制模块和相量限流控制模块，将输出电流分别输送至功率计算模块和相量限流控制模块；

步骤2，功率计算模块根据逆变器的端口电压和输出电流计算逆变器的有功功率，并将有功功率输入有功控制模块，有功控制模块根据有功功率调节逆变器的内电势电压相角信号，并将内电势相角信号输入矢量合成模块；

步骤3，下垂系数调节控制模块根据逆变器的端口电压计算其超出逆变器额定电压值的幅度，进而确定下垂系数对端口电压进行调节，将下垂系数调节控制模块的输出信号加上逆变器参考无功功率与输出无功功率的差值后输入PI控制器；

步骤4，PI控制器对逆变器的内电势电压进行动态调节，并将调节后的电压信号输入相量限流控制模块；

步骤5，相量限流控制模块根据逆变器的内电势电压和输出电流计算相量限流的上下限值，并将PI控制器输送的调节电压信号与相量限流上下限值进行比较，若接收的电压信号在相量限流的限值范围内，则最终的逆变器内电势电压取调节电压值，若接收的电压信号小于相量限流的下限值，则最终的逆变器内电势电压取相量限流的下限值，若接收的电压信号大于相量限流的上限值，则最终的逆变器内电势电压取相量限流的上限值，并将逆变器的内电势电压信号输入矢量合成模块；

步骤6，矢量合成模块将逆变器的内电势电压信号与相角信号合成得到逆变器的内电势。

步骤3中下垂系数调节控制模块保证微电网故障发生时，逆变器的内电势电压幅值在较小范围内变化，使故障期间逆变器的内电势电压跌落程度浅，微电网暂态电压稳定性提高；下垂系数调节控制模块确定下垂系数的过程如下：若逆变器的内电势电压E幅值在额定运行状态下内电势电压值的±5％内波动，即E_min≤E≤E_max时使下垂系数调节控制模块的下垂系数为恒定值；若逆变器的内电势电压值超出额定运行状态下内电势电压值的±5％，即E＜E_min或E_max＜E时下垂系数调节控制模块对下垂系数进行自适应调节，自适应调节方式如公式(1)所示：

其中D_q为下垂系数，

为逆变器在时间段t-t₀输出的无功功率，E_no为逆变器空载运行状态下内电势电压，E_n为逆变器额定运行状态下内电势电压幅值，Q_min为逆变器输出无功功率的最小值，Q_max为逆变器输出无功功率的最大值。

步骤5中相量限流控制模块通过限制逆变器内电势电压与端口电压之间的电压差来限制微电网故障发生时逆变器的输出电流幅值，保证逆变器的安全可靠运行，相量限流控制模块计算逆变器电压上下限值的过程如下：选用虚拟同步机的转子坐标系为公共坐标系D-Q，公共坐标系的旋转角速度为ω_VSG，将逆变器端口电压的相位投影到公共坐标系中，使用锁相环测得锁相环坐标系d-q的旋转角速度为ω_PLL，两坐标系间的相角差Δδ＝∫(ω_PLL-ω_VSG)dt，公共坐标系下逆变器的端口电压为

则虚拟同步机内电势电压的约束条件即相量限流的限值为

其中U_d和U_q分别为锁相环坐标系下d轴、q轴逆变器的端口电压值，U_D和U_Q分别为公共坐标系下D轴、Q轴逆变器的端口电压值，E_Dmax、E_Qmax分别为逆变器内电势电压在D轴、Q轴上的最大值，E_Dmin、E_Qmin分别为逆变器内电势电压在D轴、Q轴上的最小值，L_f为逆变器的滤波电感，

I_Dmax、I_Qmax分别是D轴、Q轴上逆变器的最大输出电流值，I_max为虚拟同步机最大允许电流值，其值为虚拟同步机输出的额定电流峰值乘以倍数，该倍数的取值范围一般为[1.2,2]，由于逆变器的输出电流越大，即逆变器内电势电压越大，系统电压稳定性越高，因此本发明基于对系统电压稳定性的考虑，选取的倍数为2倍，

为功率因数角。

相量限流控制模块将PI控制器调节后的电压信号与相量限流控制上下限值进行比较，若该电压在相量限流控制上下限的范围内，则相量限流控制的输出电压信号取该电压；若该电压超出相量限流控制上下限的范围，则相量限流控制的输出电压信号取相量限流控制的限值，即低于下限取下限值，高于上限取上限值。

由于虚拟同步机的有功控制环属于机电时间尺度，其动态响应速度明显慢于无功控制环的动态响应速度，且虚拟负电阻控制降低了低压微电网线路的功率耦合，所以在分析、调控微电网暂态电压稳定性时，可以忽略虚拟同步机有功控制环对暂态电压的动态影响，仅考虑无功控制环对微电网暂态电压稳定性的影响；如图3所示为异步机电磁转矩-转子角速度曲线图，其中T_mre和T_ere分别为异步机的机械转矩和电磁转矩，曲线I为不考虑虚拟同步机下垂控制影响时，故障前后异步机电磁转矩与转子角速度之间的关系曲线，曲线II为不考虑虚拟同步机下垂控制影响时，故障期间异步机电磁转矩与转子角速度之间的关系曲线，故障发生前微电网的初始运行点为a点，当系统突发短路故障时运行点由a点突变为b点，此时异步机的电磁转矩小于其机械转矩，异步机转子减速，微电网的运行点逐渐从b点向c点移动，当微电网的运行工作点到达c点时系统故障清除，此时异步机的转子角速度为ω_ret，若ω_ret大于转子的临界角速度ω_rec，异步机转子逐渐加速恢复至稳定运行状态，若ω_ret小于转子的临界角速度ω_rec，异步机转子继续减速直至堵转，微电网暂态电压失稳。

考虑虚拟同步机Q-V下垂控制对异步机电磁转矩-转子角速度的影响，其作用曲线如图3的曲线III、曲线IV所示，当微电网突发短路故障时逆变器的输出无功功率突增，虚拟同步机Q-V下垂控制的下垂特性使逆变器内电势电压幅值减小，进而降低异步机的电磁转矩，导致故障期间异步机转子角速度减速更快，在相同的故障跌落深度和故障持续时间下异步机转子角速度降低幅度更大，故障清除时异步机的转子角速度ω_ret有更大几率小于ω_rec，微电网暂态电压失稳更为严重。

为了使逆变器的内电势电压在较小范围内波动，同时对逆变器的冲击电流进行限流，本发明在微电网暂态电压调控系统中引入下垂系数调节控制模块和相量限流控制模块，如图1所示当微电网正常运行时，相量限流控制模块不动作，下垂系数调节控制模块的下垂系数为恒定值，当微电网发生故障时，逆变器的内电势电压幅值发生变化，促使下垂系数调节控制模块动作，其先判断逆变器内电势电压幅值的波动大小，若逆变器的内电势电压幅值在其额定运行状态下内电势额定电压值的±5％内波动，则下垂系数为恒定值，若逆变器的内电势电压幅值超出了逆变器额定运行状态下内电势电压值的±5％，下垂系数调节控制模块对下垂系数进行自适应调节，使用调节后的下垂系数对逆变器的内电势电压进行调控，并将调节结果加上逆变器参考无功功率与输出无功功率的差值输入PI控制器进行进一步调节，使逆变器的内电势电压始终在较小范围内波动，从而提升系统的暂态电压稳定性；同时使用相量限流控制模块对PI控制器调节后的输出电压进行限制，以降低逆变器内电势电压与端口电压的压差，进而限制流经逆变器的故障电流，防止过电流造成的逆变器损毁，保证了微电网系统的安全可靠运行。

实施例1

以图2所示微电网为例，供电侧为K台逆变器并联运行，各逆变器依次经过滤波电感滤波，再通过输电线路与交流母线连接，交流母线还分别与各负荷连接，所述负荷由M台异步电动机和N个恒阻抗负荷组成，其中L_lk、R_lk分别表示第k台逆变器连接的输电线路的等效电阻和电感，i_lk表示第k台逆变器的输出电流，E_k、u_k分别表示第k台逆变器的内电势电压和端口电压，u_bus表示交流母线的电压，IM_m表示第m台异步电动机负荷，L_loadn和R_loadn分别表示第n个恒阻抗负荷的等效电阻和电感。

如图1所示，本发明在虚拟同步控制的基础上引入虚拟负电阻控制，在为微电网提供电压和频率支撑的同时实现有功和无功的功率解耦，所述虚拟同步控制包括虚拟同步机有功控制和改进后的Q-V下垂控制，虚拟同步机有功控制的数学表达式为：

其中J为虚拟同步机的虚拟惯性，T₀、T_e分别为虚拟同步机的参考输入转矩和输出转矩，K_s、D_p分别为虚拟同步机的调速器控制参数和虚拟阻尼系数，ω、ω₀分别为虚拟同步机的虚拟角速度和参考角速度，θ为逆变器的内电势电压相角，R_v为虚拟电阻，E_abc和

分别为未经虚拟负电阻控制前的和经虚拟负电阻控制后的内电势电压参考值，i_abc为逆变器的输出电流。

改进后的Q-V下垂控制的数学表达式为：

其中D_q为Q-V下垂系数，K_p、K_i分别为PI控制器的比例和积分参数，E₀、E分别为虚拟同步机的参考电压幅值和内电势电压幅值，Q₀、Q分别为虚拟同步机的参考无功功率和输出无功功率。

为了减少逆变器故障过电流对电压控制性变换器的损害，对微电网的暂态电压稳定性进行高效调控，本发明使用如图1所示的控制系统对微电网暂态电压进行调控，已知系统暂态电压失稳的根本原因是异步机的电磁和机械转矩不平衡，Q-V下垂控制的下垂特性会进一步降低异步机的电磁转矩，增大电磁转矩和机械转矩的不平衡程度，从而恶化微电网暂态电压稳定性；本发明在此基础上，引入下垂系数调节控制模块将Q-V下垂控制中的下垂系数改为自适应调节的下垂系数，进而改变PI控制器的反馈信号，使故障期间逆变器内电势电压的幅值跌落程度变浅，从而提高系统的暂态电压稳定性，同时在Q-V下垂控制模块后增加相量限流控制模块，限制微电网故障发生时逆变器的内电势电压、输出电流幅值，避免过电流导致的器件烧毁，保证逆变器安全可靠运行，限流后的逆变器控制仍为电压控制，为微电网提供电压和频率支撑。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.微电网暂态电压稳定性调控系统，其特征在于，包括有功控制模块，所述有功控制模块的输出端与矢量合成模块连接，所述有功控制模块的输入端与功率计算模块的输出端连接，所述功率计算模块的输入端分别与端口电压采集模块的输出端、输出电流采集模块的输出端连接，所述端口电压采集模块的输入端、输出电流采集模块的输入端均与逆变器的输出端连接；

所述端口电压采集模块的输出端还与下垂系数调节控制模块的输入端连接，所述下垂系数调节控制模块的输出端与PI控制器的输入端连接，所述PI控制器的输出端与相量限流控制模块的输入端连接，所述相量限流控制模块的输入端还分别与端口电压采集模块的输出端、输出电流采集模块的输出端连接，所述相量限流控制模块的输出端与矢量合成模块的输入端连接。

2.使用权利要求1所述的微电网暂态电压稳定性调控系统进行微电网暂态电压稳定性调控的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，端口电压采集模块和输出电流采集模块分别采集逆变器的端口电压和输出电流，并将采集的端口电压分别输送至功率计算模块、下垂系数调节控制模块和相量限流控制模块，将输出电流分别输送至功率计算模块和相量限流控制模块；

步骤2，功率计算模块根据逆变器的端口电压和输出电流计算逆变器的有功功率，并将有功功率输入有功控制模块，有功控制模块根据有功功率调节逆变器的内电势电压相角信号，并将内电势相角信号输入矢量合成模块；

步骤3，下垂系数调节控制模块根据逆变器的端口电压计算其超出额定电压值的幅度，进而确定下垂系数对端口电压进行调节，将下垂系数调节控制模块的输出信号加上逆变器参考无功功率与输出无功功率的差值后输入PI控制器；

步骤4，PI控制器对逆变器的内电势电压进行动态调节，并将调节后的电压信号输入相量限流控制模块；

步骤5，相量限流控制模块根据逆变器的内电势电压和输出电流计算相量限流的上下限值，并将PI控制器输送的调节电压信号与相量限流上下限值进行比较，若接收的电压信号在相量限流的限值范围内，则最终的逆变器内电势电压取调节电压值，若接收的电压信号小于相量限流的下限值，则最终的逆变器内电势电压取相量限流的下限值，若接收的电压信号大于相量限流的上限值，则最终的逆变器内电势电压取相量限流的上限值，并将逆变器的内电势电压信号输入矢量合成模块；

步骤6，矢量合成模块将逆变器的内电势电压信号与相角信号合成得到逆变器的内电势。

3.根据权利要求2所述的微电网暂态电压稳定性调控方法，其特征在于，所述下垂系数的确定过程如下：若逆变器的内电势电压幅值在额定运行状态下内电势电压值的±5％内波动，则下垂系数为定值，若逆变器的内电势电压幅值超出额定运行状态下内电势电压值的±5％，则对下垂系数进行自适应调节。

4.根据权利要求3所述的微电网暂态电压稳定性调控方法，其特征在于，所述下垂系数D_q的自适应调节方式，如公式(1)所示：

其中

为逆变器在时间段t-t₀输出的无功功率，E_no为逆变器空载运行状态下内电势电压，E_n为逆变器额定运行状态下内电势电压幅值，Q_min为逆变器输出无功功率的最小值，Q_max为逆变器输出无功功率的最大值。

5.根据权利要求2所述的微电网暂态电压稳定性调控方法，其特征在于，所述计算相量限流上下限值为：

其中E_Dmax、E_Qmax分别为逆变器内电势电压在D、Q轴上的最大值，E_Dmin、E_Qmin分别为逆变器内电势电压在D、Q轴上的最小值，U_D、U_Q分别为逆变器在公共坐标系D、Q轴上的端口电压值，ω_VSG为公共坐标系的旋转角速度，L_f为逆变器的滤波电感，

I_Qmax、I_Dmax分别是D、Q轴逆变器的最大输出电流值，I_max为虚拟同步机最大允许电流值，I_max为虚拟同步机额定电流峰值的2倍，

为功率因数角。

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