CN112600245B - 一种用于微电网保护的微电源控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于微电网保护的微电源控制方法，微电源为以电力电子逆变器为接口的逆变型微电源，包括直流侧电容、滤波电容、滤波电感和等效阻抗等，微电源控制方法具体为：将逆变型微电源作为注入源，注入源同时输出工频量和特征频率量，工频量和特征频率量均用于输入微电网，通过监测对应的特征信号幅值，进行故障判断和保护；微电源控制方法还包括：注入源采用第一控制策略输出特征频率量，第一控制策略具体为，基于预设的特征频率量的输出电流给定值，根据流过滤波电容和滤波电感的电流，通过第一控制器，对注入源的特征频率输出进行闭环控制。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、对电网冲击小、实用性强等优点。

Description

一种用于微电网保护的微电源控制方法

技术领域

本发明涉及微电网保护技术领域，尤其是涉及一种用于微电网保护的微电源控制方法。

背景技术

微电网是由分布式电源、储能系统、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等汇集而成的小型发、配、用电系统，具有自我控制和自我能量管理功能，能够实现大量可再生能源的并网与孤岛运行，具有很高的实用性。微电网作为一种将分布式能源并入电网的有效手段，成为了未来新能源领域的关键技术之一，因此研究微电网的保护对于整个能源系统具有重要意义。

与传统电网相比，微电网有很多不同的特点，比如存在双向潮流；孤岛运行时故障电流较小、故障特征不明显；不同种分布式电源的故障特性差异较大等。因此，传统电网的保护方法不再适用，需要提出新的微电网保护方法。现有的微电网保护方法主要分为两类：一类是在传统电网保护方法的基础上进行改进优化；另一类是在配网自动化及广域量测系统完善基础上的广域保护。但这两种方案都无法同时适用于微电网并网和孤岛两种运行状态，同时易受分布式电源故障特性的影响而导致保护的误动或拒动。

如授权公告号为CN106300302B的发明公开了一种配电网保护方法，包括如下步骤：当前保护线路发生故障时，计算当前保护线路首端处的初始整定电流值；计算当前保护线路首端处的最大后端电动机反馈电流值；计算当前保护线路首端处的最小运行方式下的故障电流值；取当前保护线路首端处所述初始整定电流值、最大后端电动机反馈电流值、最小运行方式下的故障电流值中最大值作为当前保护线路的整定电流设定值。

该方法通过对故障电流进行分析，从而进行配电网保护，但采集的故障电流仍易受分布式电源故障特性的影响而导致整个配电网保护方案存在误动或拒动的风险。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在易受分布式电源故障特性的影响而导致保护的误动或拒动的缺陷而提供一种控制安全可靠的用于微电网保护的微电源控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于微电网保护的微电源控制方法，所述微电源为以电力电子逆变器为接口的逆变型微电源，该微电源包括直流侧电容、滤波电容、滤波电感和等效阻抗，所述微电源控制方法具体为：将所述逆变型微电源作为注入源，所述注入源同时输出工频量和特征频率量，所述工频量和特征频率量均用于输入所述微电网，通过监测微电网中与所述特征频率量对应的特征信号幅值，对微电网进行故障判断，从而进行微电网保护；

所述微电源控制方法还包括：注入源采用预设的第一控制策略输出所述特征频率量，所述第一控制策略具体为，基于预设的特征频率量的输出电流给定值，根据流过所述滤波电容和滤波电感的电流，通过第一控制器，对所述注入源的特征频率输出进行闭环控制。

进一步地，所述第一控制策略中，所述第一控制器的输入值的计算表达式为：

In₁＝I_oref+I_c-I_L

式中，In₁为第一控制器的输入值，I_oref为特征频率输出电流的给定值，I_c为流过滤波电容的电流，I_L为流过滤波电感的电流；

所述第一控制策略生成的输出给所述注入源的调制装置的调制电压值的计算表达式为：

U_m1＝Out₁+U_C

式中，U_m1为第一控制策略生成的调制电压值，Out₁为第一控制器的输出值，U_C为滤波电容上的电压值。

进一步地，所述第一控制器为工作频率为所述特征频率量对应的特征频率的准PR控制器。

进一步地，所述特征频率量为频率在300-350Hz范围内的零序特征电流。

进一步地，所述微电源控制方法还包括：注入源采用预设的第二控制策略输出所述工频量，所述第二控制策略由直流电压外环和交流电流内环双闭环控制构成，所述直流电压外环由第二控制器控制，所述交流电流内环由第三控制器控制，

所述第二控制器的输入值的计算表达式为：

In₂＝u_dc-U_dc-ref

式中，In₂为第二控制器的输入值，u_dc为注入源直流侧电压的瞬时值，U_dc-ref为注入源直流侧电压的参考值；

所述第三控制器输入值的计算表达式为：

In₃＝I_{Lref_50}-I_L

式中，In₃为第三控制器的输入值，I_{Lref_50}为直流电压外环给出的工频电感电流的给定值，I_{Lref_50}为第二控制器的输出值经过dq/abc变换后获得，I_L为流过滤波电感的电流；

所述第二控制策略生成的输出给所述注入源的调制装置的调制电压值的计算表达式为：

U_m2＝Out₃+U_C

式中，U_m2为第二控制策略生成的调制电压值，Out₃为第三控制器的输出值，U_C为滤波电容上的电压值。

进一步地，所述第二控制器为PI控制器。

进一步地，所述第三控制器为工作频率为所述工频量对应的工频的准PR控制器。

进一步地，所述准PR控制器的传递函数的计算表达式为：

式中，G_PR(s)为准PR控制器的输出，K_P为准PR控制器的比例系数，K_R为准PR控制器的谐振系数，ω_c为准PR控制器的截止频率，ω_n为准PR控制器的工作频率，s为Laplace算子。

进一步地，所述注入源对微电网进行故障判断的启动判据具体为，当所述注入源注入特征频率量时，若检测到的所述注入源出口处的特征信号幅值降低到其额定值的第一倍数以下时，则判断该微电网中可能发生故障，从而启动微电网保护，控制所述注入源输入更大幅值的特征频率量，确定微电网是否发生故障，从而进行微电网保护；所述额定值为在电网未发生任何故障时该检测位置的特征信号幅值。

进一步地，所述第一倍数的取值在0.85-0.95范围以内。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明在逆变型微电源中增设独立的控制器，基于特征频率输出电流的给定值，根据流过滤波电容和滤波电感的电流，进行特征频率量的闭环控制，不受逆变型微电源工频输出的影响，安全可靠，通过在微电网中注入该特征频率量，从而检测微电网各处的特征信号幅值，与微电网未发生故障时的特征信号幅值进行对比，判断是否发生故障，该方案不受分布式电源故障特性的影响，稳定有效。

(2)本发明采用了准PR控制器控制产生50Hz和325Hz的输出量，准PR控制器仅对其工作频率附近的信号有较大增益，对其余频率的信号增益很小，通过配置准PR控制器参数即可实现对信号中某一频率分量的控制，有利于保证控制速度和控制性能。

(3)本发明选择注入零序特征电流，借助变压器的隔离作用，使得大电网和各IIDG对特征信号皆等效为开路，可以同时适用于并网状态和孤岛状态的微电网。

(4)本发明控制方法适用范围广，可根据需要向微电网注入任意幅值、频率的电流，可注入正序、负序、零序分量乃至三相不对称的电流量，可被用于对注入的特征信号有复杂要求的微电网保护系统。

(5)本发明方案对电网冲击小，注入源在启动和未启动状态下都会依照其输出能力输出工频电流，减小了注入启动和关闭对微电网本身和其中其他IIDG的冲击。

(6)本发明方案保证了特征信号注入保护方案的实用性，该控制策略使得微电网内已有的IIDG可以对外输出特征频率信号，故对种复杂结构的微电网均可适用，同时节省了额外购置安装特征信号注入源的费用，具有可观的经济性。

附图说明

图1为本发明实施例中注入源的结构示意图；

图2为本发明实施例中特征频率量的控制结构示意图；

图3为本发明实施例中工频输出的控制结构示意图；

图4为本发明实施例中微电源控制方法的结构示意图；

图5为本发明实施例中注入源的启动流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种用于微电网保护的微电源控制方法，微电源为以电力电子逆变器为接口的逆变型微电源，该微电源包括直流侧电容、滤波电容、滤波电感和等效阻抗等，微电源控制方法具体为：将逆变型微电源作为注入源，注入源同时输出工频量和特征频率量，且注入源输出的总功率保持恒定，工频量和特征频率量均用于输入微电网，通过监测微电网中与特征频率量对应的特征信号幅值，对微电网进行故障判断，从而进行微电网保护，特征信号幅值为特征电压幅值或特征电流幅值；

微电源控制方法还包括：注入源采用预设的第一控制策略输出特征频率量，第一控制策略具体为，基于预设的特征频率量的输出电流给定值，根据流过滤波电容和滤波电感的电流，通过第一控制器，对注入源的特征频率输出进行闭环控制。

作为一种优选的实施方式，第一控制策略中，第一控制器的输入值的计算表达式为：

In₁＝I_oref+I_c-I_L

式中，In₁为第一控制器的输入值，I_oref为特征频率量的输出电流给定值，I_c为流过滤波电容的电流，I_L为流过滤波电感的电流；

第一控制策略生成的输出给注入源的调制装置的调制电压值的计算表达式为：

U_m1＝Out₁+U_C

式中，U_m1为第一控制策略生成的调制电压值，Out₁为第一控制器的输出值，U_C为滤波电容上的电压值。

作为一种优选的实施方式，第一控制器为工作频率为特征频率量对应的特征频率的准PR控制器。

作为一种优选的实施方式，特征频率量为频率在300-350Hz范围内的零序特征电流，本实施例采用325Hz的零序特征电流。

作为一种优选的实施方式，微电源控制方法还包括：注入源采用预设的第二控制策略输出工频量，第二控制策略由直流电压外环和交流电流内环双闭环控制构成，直流电压外环由第二控制器控制，交流电流内环由第三控制器控制，

第二控制器的输入值的计算表达式为：

In₂＝u_dc-U_dc-ref

式中，In₂为第二控制器的输入值，u_dc为注入源直流侧电压的瞬时值，U_dc-ref为注入源直流侧电压的参考值；

第三控制器输入值的计算表达式为：

In₃＝I_{Lref_50}-I_L

式中，In₃为第三控制器的输入值，I_{Lref_50}为直流电压外环给出的工频电感电流的给定值，I_{Lref_50}为第二控制器的输出值经过dq/abc变换后获得，I_L为流过滤波电感的电流；

第二控制策略生成的输出给注入源的调制装置的调制电压值的计算表达式为：

U_m2＝Out₃+U_C

式中，U_m2为第二控制策略生成的调制电压值，Out₃为第三控制器的输出值，U_C为滤波电容上的电压值。

作为一种优选的实施方式，第二控制器为PI控制器。

作为一种优选的实施方式，第三控制器为工频量对应的工频的准PR控制器。

作为一种优选的实施方式，准PR控制器的传递函数的计算表达式为：

式中，G_PR(s)为准PR控制器的输出，K_P为准PR控制器的比例系数，K_R为准PR控制器的谐振系数，ω_c为准PR控制器的截止频率，ω_n为准PR控制器的工作频率，s为Laplace算子。

作为一种优选的实施方式，所述注入源进行故障判断的启动判据具体为，在控制所述注入源注入小幅值特征信号时，若检测到的所述注入源出口处的特征信号幅值降低到其额定值的第一倍数以下时，则判断该微电网中可能发生故障，从而启动微电网保护，控制所述注入源输入更大幅值的特征频率量，确定微电网是否发生故障，从而进行微电网保护；所述额定值为在电网未发生任何故障时该检测位置的特征信号幅值。

所述第一倍数的取值在0.85-0.95范围以内，本实施例中第一倍数为0.9。

将上述优选的实施方式进行组合，可以得到一种最优的实施方式，下面对该最优的实施方式的具体方案进行描述。

1、注入源及其控制器结构

在微电网中，预先取定一个IIDG为注入源。注入源的基本结构如图1所示，其中，C_dc为直流侧电容；C_f、L_f分别为逆变器出口处滤波器的滤波电容和滤波电感；Z_l为IIDG接口至并网点(PCC)的等效阻抗。

在微电网正常工作时，注入源作为微电网中的一个IIDG，其输出应主要为工频量，故需控制其特征频率输出维持在较低水平，以保证微电网的电能质量；而在微电网发生故障后，需控制注入源增大其特征频率输出，同时动态调节降低其工频输出，以保证保护的灵敏度。通过仿真实验，选定特征信号为频率为325Hz且幅值恒定的特征电流。由于并网状态下的大电网或孤岛状态下为微电网提供电压频率支撑的恒压恒频控制IIDG(V/f-IIDG)都可被等效为工频电压源，对特征电流相当于接地，故如注入的特征信号为正序或负序电流，则绝大部分特征电流将流入大电网(并网状态)或V/f-IIDG(孤岛状态)，实际流过微电网各段线路的特征信号将极小，这将大大降低保护的可靠性和灵敏性。故选择注入零序特征电流，借助变压器的隔离作用，使得大电网和各IIDG对特征信号皆等效为开路。本发明中的微电网保护方法也因此可以同时适用于并网状态和孤岛状态的微电网。

考虑到注入微电源需同时产生50Hz和325Hz的输出量，若采用传统的PI控制器，则需对测得的电压电流信号进行滤波，对控制速度和控制性能不利，且很难对零序输出进行控制，故选择采用了准PR控制器。

准PR控制器的一般传递函数可表示为：

式中，G_PR(s)为准PR控制器的输出，K_P为准PR控制器的比例系数，K_R为准PR控制器的谐振系数，ω_c为准PR控制器的截止频率，ω_n为准PR控制器的工作频率，s为Laplace算子。

由于准PR控制器仅对其工作频率附近的信号有较大增益，对其余频率的信号增益很小，故通过配置准PR控制器参数即可实现对信号中某一频率分量的控制。

注入源325Hz特征信号控制器的结构如图2所示。其中的准PR控制器的ω_n为650πrad/s；ω_c为2πrad/s；I_{oref_325}为注入源325Hz输出电流的给定值；I_c为流过滤波电容C_f的电流；I_L为流过滤波电感L_f的电流；U_C为滤波电容C_f上的电压值；U_m为输出给调制装置的调制波。该控制器用于控制注入源输出电流的325Hz分量跟随其给定值。

注入源的工频输出控制器结构如图3所示。该控制器由直流电压外环和交流电流内环双闭环构成。其中，准PR控制器的ω_n为100πrad/s；ω_c为2πrad/s；u_dc为注入源直流侧电压的瞬时值；U_dc-ref为直流侧电压的参考值；I_{Lref_50}为直流电压环给出的工频电感电流的给定值。

由图3可知，直流电压外环将直流侧电容C_dc上的电压与其额定值的差值经PI调节产生交流电流内环的电流参考值，从而控制直流侧电容上的电压维持恒定，进而使注入源的总输出功率保持稳定；而交流电流内环控制注入源的工频电感电流跟随直流电压环的给定值，两者协同作用实现注入源工频输出与特征信号输出间的功率动态分配，该控制策略可被等效为一种特殊的恒有功功率控制。

如图4所示，工频控制器和特征信号控制器分别产生一个调制信号，两者相加即为注入源最终的调制波。以上控制系统可以实现对注入源的50Hz输出和325Hz输出的独立控制。

2、注入源的启动判据

在电网正常工作时，注入源将持续注入小幅值的325Hz特征电流(L-G Peak:4A)。注入源监测其出口处特征电压值，并将在电网未发生任何故障时该小幅值特征电流的于其端口产生的特征电压幅值记为额定值；而当注入源检测到其出口处任意一相上的特征电压幅值降至其预设的阈值(取额定值的0.9倍)以下时，即判定系统可能发生故障。之后，控制系统将增大注入源特征信号控制环的特征电流的电流给定值，向微电网注入大幅值的特征电流(L-G Peak:16A)，便于保护装置进行故障的定位与选相。该流程如图5所示。

由于微电网结构的复杂性，使用工频电压或电流为依据的注入启动判据的可靠性无法得到保障。该方法在系统正常工作时就注入小额的特征信号，在保证不对电网电能质量产生过大污染的同时，使得注入启动判据能够以特征频率的信号为依据，大大提高了保护的可靠性。另外，该启动判据仅需使用注入源本地的信号，无需使用通信，避免了潜在的风险和延时。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于微电网保护的微电源控制方法，所述微电源为以电力电子逆变器为接口的逆变型微电源，该微电源包括直流侧电容、设于注入源接口至并网点的等效阻抗以及设于逆变器出口处滤波器的滤波电容、滤波电感，其特征在于，所述微电源控制方法具体为：将所述逆变型微电源作为注入源，所述注入源同时输出工频量和特征频率量，所述工频量和特征频率量均用于输入所述微电网，通过监测微电网中与所述特征频率量对应的特征信号幅值，对微电网进行故障判断，从而进行微电网保护；

所述微电源控制方法还包括：注入源采用预设的第一控制策略输出所述特征频率量，所述第一控制策略具体为，基于预设的特征频率量的输出电流给定值，根据流过所述滤波电容和滤波电感的电流，通过第一控制器，对所述注入源的特征频率输出进行闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于微电网保护的微电源控制方法，其特征在于，所述第一控制策略中，所述第一控制器的输入值的计算表达式为：

In₁＝I_oref+I_c-I_L

式中，In₁为第一控制器的输入值，I_oref为特征频率输出电流的给定值，I_c为流过滤波电容的电流，I_L为流过滤波电感的电流；

所述第一控制策略生成的输出给所述注入源的调制装置的调制电压值的计算表达式为：

U_m1＝Out₁+U_C

式中，U_m1为第一控制策略生成的调制电压值，Out₁为第一控制器的输出值，U_C为滤波电容上的电压值。

3.根据权利要求1所述的一种用于微电网保护的微电源控制方法，其特征在于，所述第一控制器为工作频率为所述特征频率量对应的特征频率的准PR控制器。

4.根据权利要求1所述的一种用于微电网保护的微电源控制方法，其特征在于，所述特征频率量为频率在300-350Hz范围内的零序特征电流。

5.根据权利要求1所述的一种用于微电网保护的微电源控制方法，其特征在于，所述微电源控制方法还包括：注入源采用预设的第二控制策略输出所述工频量，所述第二控制策略由直流电压外环和交流电流内环双闭环控制构成，所述直流电压外环由第二控制器控制，所述交流电流内环由第三控制器控制，

所述第二控制器的输入值的计算表达式为：

In₂＝u_dc-U_dc-ref

式中，In₂为第二控制器的输入值，u_dc为注入源直流侧电压的瞬时值，U_dc-ref为注入源直流侧电压的参考值；

所述第三控制器输入值的计算表达式为：

In₃＝I_{Lref_50}-I_L

式中，In₃为第三控制器的输入值，I_{Lref_50}为直流电压外环给出的工频电感电流的给定值，I_{Lref_50}为第二控制器的输出值经过dq/abc变换后获得，I_L为流过滤波电感的电流；

所述第二控制策略生成的输出给所述注入源的调制装置的调制电压值的计算表达式为：

U_m2＝Out₃+U_C

式中，U_m2为第二控制策略生成的调制电压值，Out₃为第三控制器的输出值，U_C为滤波电容上的电压值。

6.根据权利要求5所述的一种用于微电网保护的微电源控制方法，其特征在于，所述第二控制器为PI控制器。

7.根据权利要求5所述的一种用于微电网保护的微电源控制方法，其特征在于，所述第三控制器为工作频率为所述工频量对应的工频的准PR控制器。

8.根据权利要求3或7所述的一种用于微电网保护的微电源控制方法，其特征在于，所述准PR控制器的传递函数的计算表达式为：

式中，G_PR(s)为准PR控制器的输出，K_P为准PR控制器的比例系数，K_R为准PR控制器的谐振系数，ω_c为准PR控制器的截止频率，ω_n为准PR控制器的工作频率，s为Laplace算子。

9.根据权利要求1所述的一种用于微电网保护的微电源控制方法，其特征在于，所述注入源对微电网进行故障判断的启动判据具体为，当所述注入源注入特征频率量时，若检测到的所述注入源出口处的特征信号幅值降低到其额定值的第一倍数以下时，则判断该微电网中发生故障，从而启动微电网保护，控制所述注入源输入更大幅值的特征频率量，确定微电网是否发生故障，从而进行微电网保护；所述额定值为在电网未发生任何故障时注入源出口处检测位置的特征信号幅值。

10.根据权利要求9所述的一种用于微电网保护的微电源控制方法，其特征在于，所述第一倍数的取值在0.85-0.95范围以内。

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