CN112531776A - 一种用于新能源场站的下垂控制方法 - Google Patents

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郭晓静
朱莉莉
闫凯
张白林
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孙朋辉
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姚亮
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Abstract

一种用于新能源场站的下垂控制方法，涉及电力技术领域，本发明是通过模拟传统电力系统中同步发电机下垂外特性对逆变器实施控制的方法，在并网运行模式下，功率外环的控制可以确保输出有功功率、无功功率平衡，微电源通过给定的有功、无功功率来控制电网输出特定的有功功率、无功功率，而在孤岛运行模式下，功率外环的控制可以保证微电源输出的电压幅值和频率在允许的范围内波动，当微电网运行模式切换时，由于下垂控制方式为电压式控制方式，因此可以不改变微电源的控制方法，从而实现并网离网的无缝切换，适合大范围的推广和应用。

Description

一种用于新能源场站的下垂控制方法
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种用于新能源场站的下垂控制方法。
背景技术
已知的，分布式发电是新能源使用的一种重要形式，可以缓解能源紧缺和环境恶化的压力，但是随着分布式电源渗透率的提高，其随机性和波动性的缺点将更为明显，严重威胁着电网的安全运行。
近年来，随着风力发电以及光伏发电等新能源发电方式的不断并网，对于原有的电网系统稳定性造成了一定的威胁和影响，主要体现在系统的调峰和调频这两个方面。在冬季风电大规模供电时期，同时常规电厂机组处于工业供热或者供暖供热，电网的调频能力逐渐下降，风电弃风现象严重，并且对于风力的耗损等都比较严重。随着电网中风电装机容量不断增加，如不能满足电网对调频辅助服务的需求，将对风电等新能源的开发利用形成严重制约。
由于新能源场站的调频效果远好于任何常规发电(包括煤电和联合循环)技术，引入相对少量的新能源场站系统，就能够迅速有效提高区域电网对新能源接入的应对能力。因此，如何应用新能源场站来改善常规发电厂的调频性能是应用的关键。
基于常规发电厂的调频性能提升是急切的市场需求，为了提高电网运行安全性，各区域电网监管机构相继出台了《并网发电厂运行管理实施细则》和《并网发电厂辅助服务管理实施细则》(简称“两个细则”)来规范发电机组的调频响应性能。
综上所述，从未来电网环境和鼓励政策等方面的分析，所有发电机组均积极主动参与补偿调频辅助服务，配置电池新能源场站系统协助联合调频是必然趋势。
随着经济社会的发展，人们对电能的需求和供电可靠性的要求越来越高。一方面，电网面临负荷增长，峰谷差增大和长距离输电成本增加等挑战，另一方面，可再生能源的间歇性和波动性给电网的安全稳定运行也带来了严重的影响。新能源场站是解决这些问题的有效方法和终极手段。而在整个新能源场站中下垂控制方法是其中的关键，因此，如何提供一种用于新能源场站的下垂控制方法就成了本领域技术人员的长期技术诉求。
发明内容
为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种用于新能源场站的下垂控制方法，本发明是通过模拟传统电力系统中同步发电机下垂外特性对逆变器实施控制的方法，当逆变器输出的有功功率和无功功率变化时，逆变器输出电压的频率和幅值按照下垂特性曲线线性变化等。
为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：
一种用于新能源场站的下垂控制方法，所述下垂控制方法是通过模拟传统电力系统中同步发电机下垂外特性对逆变器实施控制的方法，具体如下：
下垂控制方法中主电路为三相全桥电路，逆变器输出采用LC滤波器，外加连线电感LC用以确保等效线路阻抗成感性以减少传输有功和无功功率的耦合程度，系统控制环路包括功率环控制和电压电流双环控制两部分，在功率环控制部分，首先通过采样逆变器输出端的三相电压(v0abc)和电流(i0abc)计算出逆变器输出的有功功率P和无功功率Q，将其代入P-V和Q-V下垂方程，得到逆变器输出电压的参考频率和参考幅值，然后通过电压电流双环控制实现对逆变器输出电压的调节，功率控制器的模型由功率计算模块和功率外环控制模块两个模块构成，其中功率外环控制模块包括下垂控制环节和电压合成环节；
功率计算模块先采集逆变器输出的三相电压瞬时值u0abc和三相电流瞬时值i0abc，再经过dq转换，将三相交流量转换为dq坐标系下的直流量u0d,u0q,i0d,i0q，再根据功率计算公式得出系统输出的瞬时有功、无功功率，然后再通过低通滤波器LPF得到相应的平均有功功率P和平均无功功率Q，同时，有功功率P、无功功率Q分别满足0≤P≤Pmax和0≤Q≤Qmax；
功率外环控制模块中fn是电网的额定频率，无功功率值为零时所对应的电压幅值为U0，通过有功-频率下垂和无功-电压下垂控制环节，得到输出频率f和电压幅值的U，这两个指令值f、U，通过电压合成模块得到三相对称的参考电压，再经过dq变换后得到两相直流变量udref和uqref，为使后端控制器方便控制，所以需变成两个直流量后才将其传到后端的控制器；
下垂控制模块中，在原有最基础的控制方法上增加给定功率，在并网运行方式下，可以按照给定的有功功率和无功功率值来控制电网输出有功功率和无功功率，其数学表达式为：
f＝fn+m(Pn-P)
U＝U0-nQ
式中，m、n都是下垂特性系数，Pn是额定频率下的测出有功功率，P、Q分别为实际测量的有功功率和无功功率的值；
通过公式
Figure BDA0002818131980000041
和
Figure BDA0002818131980000042
得到有功下垂特性系数m和无功下垂特性系数n；
式中，Pmax表示允许得到的最大有功功率，fmin表示允许的最大有功功率相应的最小频率，Qmax表示允许得到的最大无功功率，Umin表示允许的最大无功功率相应的最小电压幅值。
所述的用于新能源场站的下垂控制方法，所述逆变器包括主电路、功率环控制器、PWM驱动和电压电流双环控制，所述主电路连接微网母线，主电路中桥臂电路MOSFET连接PWM驱动，所述PWM驱动连接电压电流双环控制，所述电压电流双环控制连接功率环控制器。
采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：
本发明在并网运行模式下，功率外环的控制可以确保输出有功功率、无功功率平衡，微电源通过给定的有功、无功功率来控制电网输出特定的有功功率、无功功率，而在孤岛运行模式下，功率外环的控制可以保证微电源输出的电压幅值和频率在允许的范围内波动，当微电网运行模式切换时，由于下垂控制方式为电压式控制方式，因此可以不改变微电源的控制方法，从而实现并网离网的无缝切换，适合大范围的推广和应用。
附图说明
图1本发明中下垂控制原理图；
图2为本发明中下垂控制的微网逆变器结构图；
图3为本发明中功率控制器结构图；
图4为本发明中双闭环控制器的结构图。
具体实施方式
通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；
本发明结合附图1～4所述的一种用于新能源场站的下垂控制方法，所述下垂控制方法是通过模拟传统电力系统中同步发电机下垂外特性对逆变器实施控制的方法，下垂特性曲线如图1所示，具体如下：
如图1所示，逆变电源输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系。如当逆变电源输出有功功率为P0和无功功率为Q0时，逆变电源输出电压的频率为f0，幅值为v0，即运行于下垂特性曲线的额定运行点A点；当逆变电源输出有功功率为P1和无功功率为Q1时，逆变电源输出电压的频率为f1，幅值为V1，即运行于下垂特性曲线的B点；可以看出当逆变器输出的有功功率和无功功率变化时，逆变器输出电压的频率和幅值按照下垂特性曲线线性变化。
微网系统中采用下垂控制的逆变器的电路结构如图2所示，主电路为三相全桥电路，逆变器输出采用LC滤波器，外加连线电感LC用以确保等效线路阻抗成感性以减少传输有功和无功功率的耦合程度。系统控制环路主要包括功率环控制和电压电流双环控制两部分。
在功率环控制部分，首先通过采样逆变器输出端的三相电压(v0abc)和电流(i0abc)计算出逆变器输出的有功功率P和无功功率Q，将其代入P-V和Q-V下垂方程，得到逆变器输出电压的参考频率和参考幅值，然后通过电压电流双环控制实现对逆变器输出电压的调节，功率控制器的模型由功率计算模块和功率外环控制模块两个模块构成，其中功率外环控制模块包括下垂控制环节和电压合成环节，其具体结构如图3所示。
功率计算模块先采集逆变器输出的三相电压瞬时值u0abc和三相电流瞬时值i0abc，再经过dq转换，将三相交流量转换为dq坐标系下的直流量u0d,u0q,i0d,i0q，再根据功率计算公式得出系统输出的瞬时有功、无功功率，然后再通过低通滤波器LPF得到相应的平均有功功率P和平均无功功率Q，同时，有功功率P、无功功率Q分别满足0≤P≤Pmax和0≤Q≤Qmax。
功率外环控制模块中fn是电网的额定频率，无功功率值为零时所对应的电压幅值为U0，通过有功-频率下垂和无功-电压下垂控制环节，得到输出频率f和电压幅值的U，这两个指令值f、U，通过电压合成模块得到三相对称的参考电压，再经过dq变换后得到两相直流变量udref和uqref，为使后端控制器方便控制，所以需变成两个直流量后才将其传到后端的控制器；
下垂控制模块中，在原有最基础的控制方法上增加给定功率，在并网运行方式下，可以按照给定的有功功率和无功功率值来控制电网输出有功功率和无功功率，其数学表达式为：
f＝fn+m(Pn-P)
U＝U0-nQ
式中，m、n都是下垂特性系数，Pn是额定频率下的测出有功功率，P、Q分别为实际测量的有功功率和无功功率的值；
在并网运行模式下，功率外环的控制可以确保输出有功功率、无功功率平衡，微电源通过给定的有功、无功功率来控制电网输出特定的有功功率、无功功率。而在孤岛运行模式下，功率外环的控制可以保证微电源输出的电压幅值和频率在允许的范围内波动。当微电网运行模式切换时，由于下垂控制方式为电压式控制方式，因此可以不改变微电源的控制方法，从而实现并网离网的无缝切换。
综上，下垂控制是通过调节微网逆变器输出电压的相位和幅值来调节其输出的有功功率和无功功率的。
下垂系数的确定：
P-f下垂特性曲线和Q-U下垂特性曲线如图1所示，通过公式
Figure BDA0002818131980000071
和
Figure BDA0002818131980000072
得到有功下垂特性系数m和无功下垂特性系数n；
式中，Pmax表示允许得到的最大有功功率，fmin表示允许的最大有功功率相应的最小频率，Qmax表示允许得到的最大无功功率，Umin表示允许的最大无功功率相应的最小电压幅值。
同时，系统的频率和电压不是完全不能变化的，要根据实际情况考虑一定的裕度，不过这个要求的变化范围极小。
具体实施时，如图2所示，所述逆变器主要包括主电路、功率环控制器、PWM驱动和电压电流双环控制，所述主电路连接微网母线，主电路中桥臂电路MOSFET连接PWM驱动，所述PWM驱动连接电压电流双环控制，所述电压电流双环控制连接功率环控制器。
LC滤波器传递函数为：
Figure BDA0002818131980000073
其中，
Figure BDA0002818131980000081
LC滤波器的谐振频率为：
Figure BDA0002818131980000082
且谐振频率fC满足：
10fn≤fC≤fs/10
式中，fn为基波频率，fs为SPWM的载波频率。
电压电流双环控制设计：
电压电流双环控制的运行涉及到坐标系的变换，其原因、原理以及所使用的方式如下：
逆变器得到的变量是幅值一直波动的交流量，PI控制器在abc坐标系下对其控制时的稳态误差无法完全消除，因此需要利用Park变换将交流量从三相静止的abc坐标系变换到两相同步旋转dq坐标系下，得到两个直流量以便进行控制。这样不仅可以使系统的设计更加方便，还能够改善系统的动态特性。
为了实现以上的坐标系转换，通常采用Park变换，以下为Park变换的公式：
Figure BDA0002818131980000083
通常，有两种类型的电压电流双环控制器，分别为电感电流内环电压外环与电容电流内环电压外环。电容电流内环的电容电流可以直接反映所接负载受到影响时的突然改变，从而能对负载发生的功率、电压等变化实施削弱作用。同时，电容电流还可以反映输出电压的瞬时值。虽然电容电流内环的系统稳定性没有电感电流内环高，但它的外特性更硬。于是，本发明决定使用电容电流内环电压外环。
在电压电流双环控制器中，逆变器中电容的端电压u0abc经过变换后得到在dq坐标系下的两个分量ud和uq，将这两个分量与功率控制器所得到两相直流变量udref和uqref的差送入PI控制器。
滤波电容电压符合以下的公式：
Figure BDA0002818131980000091
由于滤波电阻的值很小，所以可以视为不存在，可知图中滤波电感电流满足：
Figure BDA0002818131980000092
式中
Figure BDA0002818131980000093
为可以控制的正弦调制信号：
Figure BDA0002818131980000094
双闭环控制器结构如图4所示，图4中
Figure BDA0002818131980000095
为负载电压u0的参考值，
Figure BDA0002818131980000096
为电容电流ic的参考值。外环为电压环，采用PI控制器，Kp为比例系数，Ki为积分系数，可以使负载电压更加稳定，使其稳态误差消除。内环为电流环，采用比例控制器，引用比例系数K，主要是为了提高系统的动态响应速度。
电压外环设计：
输入的是
Figure BDA0002818131980000097
输出的是ic，于是电流内环的传递函数如下：
Figure BDA0002818131980000101
以上公式里，电流比例增益传递函数是：
Figure BDA0002818131980000102
电流内环比例控制器系数K影响系统的动态响应，K值越大，对系统的动态响应越有利，不过若取得太高，会让这个整体一直波动。因此，在设计电流内环控制器时，应选择合适的比例系数K，不仅可以保证电容电流跟踪参考电流，还能使负载电流的扰动有效地降低。为了减小滤波电容电流的影响，所设计的电流内环控制器要在要求的频带范围内使ic/i0尽可能小。同时，控制器还需要尽可能增大带宽，以加快系统的动态响应速度。
电流内环设计：
输入的是
Figure BDA0002818131980000103
输出的是u0，所以电压外环的传递函数如下：
Figure BDA0002818131980000104
简化写作：
Figure BDA0002818131980000105
在这里面，电压比例增的益传递函数Gu(s)、逆变电源的等效输出阻抗Z(s)分别是：
Figure BDA0002818131980000111
Figure BDA0002818131980000112
通过以上的公式能够看到，运用下垂控制方法的逆变电源，其等效输出阻抗除了受线路阻抗参数和滤波参数的影响之外，还与控制参数密切相关。
进一步，就低压微电网而言，因为线路的电抗通常是小于电阻，所以P-f和Q-U下垂特性不成立。只有在高压电力系统里，因为电抗通常是远大于电阻，P-f和Q-U才下垂特性成立。于是，为了在低压微电网中采用下垂控制方法，需要对控制参数进行设计使逆变电源等效输出阻抗为感性，从而保证P-f和Q-U下垂特性的成立。
经计算，当选取电压电流双环控制器控制参数K＝5、Kp＝10、Ki＝100时，可以使得以上的条件满足，还可以对谐波有较好地抑制等。
本发明未详述部分为现有技术。
为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (2)

1.一种用于新能源场站的下垂控制方法，其特征是：所述下垂控制方法是通过模拟传统电力系统中同步发电机下垂外特性对逆变器实施控制的方法，具体如下：
下垂控制方法中主电路为三相全桥电路，逆变器输出采用LC滤波器，外加连线电感LC用以确保等效线路阻抗成感性以减少传输有功和无功功率的耦合程度，系统控制环路包括功率环控制和电压电流双环控制两部分，在功率环控制部分，首先通过采样逆变器输出端的三相电压(v0abc)和电流(i0abc)计算出逆变器输出的有功功率P和无功功率Q，将其代入P-V和Q-V下垂方程，得到逆变器输出电压的参考频率和参考幅值，然后通过电压电流双环控制实现对逆变器输出电压的调节，功率控制器的模型由功率计算模块和功率外环控制模块两个模块构成，其中功率外环控制模块包括下垂控制环节和电压合成环节；
功率计算模块先采集逆变器输出的三相电压瞬时值u0abc和三相电流瞬时值i0abc，再经过dq转换，将三相交流量转换为dq坐标系下的直流量u0d,u0q,i0d,i0q，再根据功率计算公式得出系统输出的瞬时有功、无功功率，然后再通过低通滤波器LPF得到相应的平均有功功率P和平均无功功率Q，同时，有功功率P、无功功率Q分别满足0≤P≤Pmax和0≤Q≤Qmax；
功率外环控制模块中fn是电网的额定频率，无功功率值为零时所对应的电压幅值为U0，通过有功-频率下垂和无功-电压下垂控制环节，得到输出频率f和电压幅值的U，这两个指令值f、U，通过电压合成模块得到三相对称的参考电压，再经过dq变换后得到两相直流变量udref和uqref，为使后端控制器方便控制，所以需变成两个直流量后才将其传到后端的控制器；
下垂控制模块中，在原有最基础的控制方法上增加给定功率，在并网运行方式下，可以按照给定的有功功率和无功功率值来控制电网输出有功功率和无功功率，其数学表达式为：
f＝fn+m(Pn-P)
U＝U0-nQ
式中，m、n都是下垂特性系数，Pn是额定频率下的测出有功功率，P、Q分别为实际测量的有功功率和无功功率的值；
通过公式
Figure FDA0002818131970000021
和
Figure FDA0002818131970000022
得到有功下垂特性系数m和无功下垂特性系数n；
式中，Pmax表示允许得到的最大有功功率，fmin表示允许的最大有功功率相应的最小频率，Qmax表示允许得到的最大无功功率，Umin表示允许的最大无功功率相应的最小电压幅值。
2.根据权利要求1所述的用于新能源场站的下垂控制方法，其特征是：所述逆变器包括主电路、功率环控制器、PWM驱动和电压电流双环控制，所述主电路连接微网母线，主电路中桥臂电路MOSFET连接PWM驱动，所述PWM驱动连接电压电流双环控制，所述电压电流双环控制连接功率环控制器。
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