CN112701733A - 基于lcl滤波器的微电网及其功率分配控制方法 - Google Patents

基于lcl滤波器的微电网及其功率分配控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于LCL滤波器的微电网及功率分配控制方法，包括S1确立微电网的状态空间模型；S2构建指令发生器；S3构建分布式观测器；S4计算微电网的功率参考值；S5构建局部功率跟踪控制器。该控制方法解决了微电网的功率分配问题，可以实现各个分布式发电单元按照最大功率输出。

Description

基于LCL滤波器的微电网及其功率分配控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统，具体涉及一种基于LCL滤波器的微电网及其功率分配控制方法。
背景技术
微电网通常由若干负载、分布式发电单元和储能系统构成，并通过公共耦合点连接到主供电系统，能够作为独立个体服从主电网的用电调度。微电网最初用于解决分布式能源的可靠集成问题，其在分布式发电中的使用使得许多技术问题能够通过非集中式的方式得到解决，从而减少对决策与控制中心的通讯与计算需求。
微电网及其衍生出来的诸多形式，如激发分布式系统、感知微电网、虚拟发电厂等是智能电网的重要组成单元。激发分布式系统是一个各分布式发电单元、储能元件和负载配有能量管理和监督控制的微电网。感知微电网是一个对微电网组件有着自适应控制的智能微电网。虚拟发电厂将微电网视为有着预定表现的单个市场个体，其内部的原理和组成无需为主能源系统所知。值得注意的一点是虚拟发电厂并不仅限于微电网层面，实际上，多个分布式发电单元通过一个庞大的能源系统相互协调可同样作为一种虚拟发电厂解决方案。
微电网能够在并网模式和孤岛模式两种模式下工作，并且能够在两种模式之间切换。在并网模式下，不足的出力可以通过主电网补偿，而多余的出力则能够注入主电网以提供其他辅助服务，如频率与电压的调节。在孤岛模式下，微电网的发电量需与本地的负载需求实现动态平衡。微电网并网模式转换为孤岛模式的过程可分为主动转换和被动转换。主动转换主要发生在有计划的修缮时，或在主电网电能质量下降可能危及到微电网运行的情况中。被动转换主要是由于故障，或对于微电网未知的其他非计划事件。这类断连的检测对于电力人事的安全、微电网的正常运行以及控制策略的设计有着重要的影响。
微电网功率分配问题是研究微电网的基本问题之一。目前针对微电网孤岛模式运行的研究工作有很多，而针对并网模式运行的研究相对较少。在当前的研究成果中，微电网孤岛模式运行的功率分配问题大部分通过模拟传统电网的下垂控制来解决，即通过下垂特性来设定分布式发电单元的输出电压与频率。而在并网模式下，系统的频率由主电网决定。通过下垂控制设定发电单元的频率会导致系统出现多主导频率，这会导致控制性能的下降，甚至破坏系统的稳定性。
在微电网发电单元所配置的滤波器的选取上，LCL滤波器相比L滤波器性能更加优越。LCL滤波器具有更强的高频谐波抑制能力，能够阻止母线谐波振荡。且当微电网由并网模式切换回孤岛模式时，LCL滤波器能够实现微电网的电压控制。然而现有的技术尚未给出基于LCL滤波器的并网运行微电网功率分配问题的有效控制方法。
发明内容
为了克服现有技术中基于LCL滤波器的微电网在并网模式下的功率分配控制缺陷，本发明提供一种基于LCL滤波器的微电网功率分配控制方法，可以实现各个分布式发电单元最大输出功率。
本发明采用如下技术方案：
基于LCL滤波器的微电网，包括通讯网络、多个分布式发电单元及主电网，所述分布式发电单元包括LCL滤波器，所述LCL滤波器连接至公共母线。
一种基于LCL滤波器的微电网的功率分配控制方法，包括如下：
S1确立微电网的状态空间模型；
S2构建指令发生器；
S3构建分布式观测器；
S4计算微电网的功率参考值；
S5构建局部功率跟踪控制器。
进一步，所述S1确立微电网的状态空间模型，具体为：
第i个分布式发电单元的状态空间模型为：
Figure BDA0002826621800000021
ei＝Cixi+Fivi
xi＝(ii,ld ii,lq vi,od vi,oq Pi Qi)T
Figure BDA0002826621800000022
Figure BDA0002826621800000023
其中
Figure BDA0002826621800000031
Figure BDA0002826621800000032
xi表示状态变量矩阵，ui表示第i个分布式发电单元输入矩阵，vi第i个分布式发电单元参考矩阵，ei表示第i个分布式发电单元输出功率的实际值与参考值的偏差；
Ai表示第i个分布式发电单元状态变量系数矩阵，Bi表示第i个分布式发电单元输入系数矩阵，Ci表示第i个分布式发电单元误差-状态系数矩阵，Ei表示第i个分布式发电单元外部控制系数矩阵，Fi表示第i个分布式发电单元误差-外部系数矩阵；
其中，用vi,idq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下控制输入电压，用vi,odq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下被控输出电压，用ii,ldq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下流经Rf、Lf的电流，用ii,odq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下被控输出电流，用Pi，Qi分别表示第i个分布式发电单元输出有功功率和无功功率；
定义分布式发电单元的输入电阻器电阻为Rf，输入电感器电感为Lf，接地电容为Cf，输入电阻器电阻为Rc，输入电感器电感为Lc；
定义微电网系统的角频率为ω，dq坐标系下的公共母线电压为vbdq，在本发明中为常数。
进一步，所述S2中构建指令发生器，具体为：
Figure BDA0002826621800000041
Figure BDA0002826621800000042
其中α＞0并且
Figure BDA0002826621800000043
其中，
Figure BDA0002826621800000044
为指令发生器的状态变量分别对应有功功率和无功功率，对于整个微电网，用
Figure BDA0002826621800000045
表示总的输出功率，有功功率
Figure BDA0002826621800000046
无功功率
Figure BDA0002826621800000047
用PREF、QREF表示微电网的总体需求。
进一步，所述S3中构建分布式观测器，具体为：
Figure BDA0002826621800000048
Figure BDA0002826621800000049
其中，aij＝1，(i＝1,…,N；j＝0,1,…,N)表示第i个分布式发电单元通过通讯网络获得第j个分布式发电单元，或指令发生器的信息，指令发生器的指令计数初始值为0，否则aij＝0，
Figure BDA00028266218000000410
为分布式观测器的状态变量分别对应有功功率和无功功率。
进一步，所述S4计算微电网的功率参考值；
Pri＝kiη Pηi P
Figure BDA00028266218000000411
式中，kiη P、kiη Q分别表示第i个分布式发电单元的有功功率和无功功率功率分配比例系数，该系数由微电网功率分配要求决定。
进一步，所述S5构建局部功率跟踪控制器，具体为：
ui＝Kixxi+Kivvi
设计控制器使得Ai+BiKix的特征根均具有负实部，求得Xi、Ui后，Kiv＝Ui-KixXi。
其中，Kix为状态输入控制矩阵，Kiv为参考输入控制矩阵。
进一步，kiη P＝γPimax，kiη Q＝γQimax，其中γ＞0为缩减系数。
本发明的有益效果：
本方法解决了基于LCL滤波器的微电网功率分配控制，使得在微电网发电单元所配置的滤波器可以选取LCL滤波器，LCL滤波器具有更强的高频谐波抑制能力，能够阻止母线谐波振荡，且当微电网由并网模式切换回孤岛模式时，LCL滤波器能够实现微电网的电压控制。
附图说明
图1是本发明实施例采用的微电网结构图；
图2是本发明仿真中的储能单元通信关系图；
图3(a)-图3(d)分别是微电网总的有功功率变化图，微电网总的无功功率变化图、各分布式发电单元有功功率变化图及各分部式发电单元无功功率变化图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种能够实现各个分布式发电单元按最大输出功率实现功率分配的功率分配控制方法，如图1所示，其硬件电路包括通讯网络、多个分布式发电单元及主电网，所述分布式发电单元包括LCL滤波器，所述LCL滤波器连接至公共母线。
设定该微电网有四个分布式发电单元，其通信关系如图2所示。
本装置中的参数如下：
用vi,idq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下控制输入电压，用vi,odq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下被控输出电压，用ii,ldq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下流经Rf、Lf的电流，用ii,odq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下被控输出电流，vbdq表示dq坐标系下的公共母线电压，在本发明中为常数，用Pi，Qi分别表示第i个分布式发电单元输出有功功率和无功功率。其中，LCL滤波器中的各个变量与参数如图1所示。
本申请的功率分配控制方法，具体包括如下步骤：
S1在dq坐标系下，第i个分布式发电单元的物理模型为：
Figure BDA0002826621800000051
Figure BDA0002826621800000061
Figure BDA0002826621800000062
根据dq坐标系下的功率公式，可以将ii,odq用
Figure BDA0002826621800000063
表示为：
Figure BDA0002826621800000064
综上，在dq坐标系下，取状态变量xi＝(ii,ld ii,lq vi,od vi,oq Pi Qi)T，第i个分布式发电单元的状态空间模型可写为：
Figure BDA0002826621800000065
ei＝Cixi+Fivi
Figure BDA0002826621800000066
Figure BDA0002826621800000067
其中
Figure BDA0002826621800000068
Figure BDA0002826621800000071
xi表示状态变量矩阵，ui表示第i个分布式发电单元输入矩阵，vi第i个分布式发电单元参考矩阵，ei表示第i个分布式发电单元输出功率的实际值与参考值的偏差；
Ai表示第i个分布式发电单元状态变量系数矩阵，Bi表示第i个分布式发电单元输入系数矩阵，Ci表示第i个分布式发电单元误差-状态系数矩阵，Ei表示第i个分布式发电单元外部控制系数矩阵，Fi表示第i个分布式发电单元误差-外部系数矩阵；
其中，用vi,idq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下控制输入电压，用vi,odq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下被控输出电压，用ii,ldq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下流经Rf、Lf的电流，用ii,odq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下被控输出电流，用Pi，Qi分别表示第i个分布式发电单元输出有功功率和无功功率；
定义分布式发电单元的输入电阻器电阻为Rf，输入电感器电感为Lf，接地电容为Cf，输入电阻器电阻为Rc，输入电感器电感为Lc；
定义微电网系统的角频率为ω，dq坐标系下的公共母线电压为vbdq，在本发明中为常数。
对于整个微电网，用
Figure BDA0002826621800000072
表示总的输出功率，其中有功功率
Figure BDA0002826621800000073
无功功率
Figure BDA0002826621800000074
用PREF、QREF分别表示其微电网总体需求参考值，由更高级的系统决定。
对于第i个分布式发电单元，用PiREF、QiREF分别表示其参考输出有功功率和无功功率，由具体的功率分配需求决定。一般考虑到安全、高效的原则，分布式发电单元的参考输出功率与其最大输出功率成正比，即
Figure BDA0002826621800000075
在本发明中，需要设计控制器来实现微电网的功率分配，目标可以表达为：
Figure BDA0002826621800000081
Figure BDA0002826621800000082
Figure BDA0002826621800000083
Figure BDA0002826621800000084
S2设计一个使总功率达到总功率预期目标的指令发生器CG；
Figure BDA0002826621800000085
Figure BDA0002826621800000086
其中α＞0并且
Figure BDA0002826621800000087
其中，
Figure BDA0002826621800000088
为指令发生器的状态变量分别对应有功功率和无功功率，对于整个微电网，用
Figure BDA0002826621800000089
表示总的输出功率，有功功率
Figure BDA00028266218000000810
无功功率
Figure BDA00028266218000000811
用PREF、QREF表示微电网的总体需求。
S3构建用于观测现有功率与分配预期目标差距的分布式观测器。
Figure BDA00028266218000000812
Figure BDA00028266218000000813
其中，aij＝1，(i＝1,…,N；j＝0,1,…,N)表示第i个分布式发电单元可以通过通信网络获得第j个分布式发电单元(j＝1,…,N)，或指令发生器的信息，所述指令发生器的计数从0开始，否则aij＝0。
S4是用来计算每个发电单元有功功率和无功功率分配预期目标的微电网功率参考值。
Pri＝kiη Pηi P
Figure BDA00028266218000000814
式中，kiη P、kiη Q分别表示第i个分布式发电单元的有功功率和无功功率功率分配比例系数，该系数由微电网功率分配要求决定，一般取kiη P＝γPimax，kiη Q＝γQimax，γ＞0。
S5构建使每个发电单元达到自己预期分配目标的局部功率跟踪控制器。
ui＝Kixxi+Kivvi
先设计控制器使得Ai+BiKix的特征根均具有负实部。
求解方程：
0＝AiXi+BiUi+Ei
0＝CiXi+DiUi+Fi
求得Xi、Ui后，Kiv＝Ui-KixXi。
实施例2
本实施例2的仿真结果如图3所示，在此情况中，考虑在工作一段时间后微电网功率参考值发生改变，各单元正常工作。各参数如下取得：
对于指令发生器，取α＝0.1。
对分布式发电单元控制器各个增益，取α＝0.1，μη＝1000，k1η P＝1，k2η P＝2，k3η P＝3，k4η P＝4，k1η Q＝1，k2η Q＝2，k3η Q＝3，k4η Q＝4，指令发生器与控制器初值
Figure BDA0002826621800000091
微电网功率参考值设置如下：
当0<t<15s时，PREF＝100kW，QREF＝10kW。
当t>15s时，PREF＝150kW，QREF＝15kW。
对LCL滤波器，电阻器取Rf＝0.1Ω，电感器取Lf＝1.35mH，Cf＝50μF，Rc＝0.03Ω，Lc＝0.35mH取电路参数ω＝2πf，f＝50Hz，φ＝0，vbm＝310V，输出功率初值Pi(0)＝0W，Qi(0)＝0W。
取
Figure BDA0002826621800000092
Figure BDA0002826621800000093
由有功功率误差及无功功率误差可见，微电网系统实现了功率跟踪，并且各单元输出有功功率与无功功率最终达到分配要求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于LCL滤波器的微电网，其特征在于，包括通讯网络、多个分布式发电单元及主电网，所述分布式发电单元包括LCL滤波器，所述LCL滤波器连接至公共母线。
2.一种基于权利要求1所述的基于LCL滤波器的微电网的功率分配控制方法，其特征在于，包括如下：
S1确立微电网的状态空间模型；
S2构建指令发生器；
S3构建分布式观测器；
S4计算微电网的功率参考值；
S5构建局部功率跟踪控制器。
3.根据权利要求2所述的功率分配控制方法，其特征在于，所述S1确立微电网的状态空间模型，具体为：
第i个分布式发电单元的状态空间模型为：
Figure FDA0002826621790000011
ei＝Cixi+Fivi
xi＝(ii,ld ii,lq vi,od vi,oq Pi Qi)T
Figure FDA0002826621790000012
Figure FDA0002826621790000013
其中
Figure FDA0002826621790000021
Figure FDA0002826621790000022
xi表示状态变量矩阵，ui表示第i个分布式发电单元输入矩阵，vi第i个分布式发电单元参考矩阵，ei表示第i个分布式发电单元输出功率的实际值与参考值的偏差；
Ai表示第i个分布式发电单元状态变量系数矩阵，Bi表示第i个分布式发电单元输入系数矩阵，Ci表示第i个分布式发电单元误差-状态系数矩阵，Ei表示第i个分布式发电单元外部控制系数矩阵，Fi表示第i个分布式发电单元误差-外部系数矩阵；
其中，用vi,idq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下控制输入电压，用vi,odq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下被控输出电压，用ii,ldq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下流经Rf、Lf的电流，用ii,odq表示第i个分布式发电单元在dq坐标系下被控输出电流，用Pi，Qi分别表示第i个分布式发电单元输出有功功率和无功功率；
定义分布式发电单元的输入电阻器电阻为Rf，输入电感器电感为Lf，接地电容为Cf，输入电阻器电阻为Rc，输入电感器电感为Lc；
定义微电网系统的角频率为ω，dq坐标系下的公共母线电压为vbdq，在本发明中为常数。
4.根据权利要求2所述的功率分配控制方法，其特征在于，所述S2中构建指令发生器，具体为：
Figure FDA0002826621790000031
Figure FDA0002826621790000032
其中α＞0并且
Figure FDA0002826621790000033
其中，
Figure FDA0002826621790000034
为指令发生器的状态变量分别对应有功功率和无功功率，对于整个微电网，用
Figure FDA0002826621790000035
表示总的输出功率，有功功率
Figure FDA0002826621790000036
无功功率
Figure FDA0002826621790000037
用PREF、QREF表示微电网的总体需求。
5.根据权利要求2所述的微电网功率分配控制方法，其特征在于，所述S3中构建分布式观测器，具体为：
Figure FDA0002826621790000038
Figure FDA0002826621790000039
其中，aij＝1，(i＝1,…,N；j＝0,1,…,N)表示第i个分布式发电单元通过通讯网络获得第j个分布式发电单元，或指令发生器的信息，指令发生器的指令计数初始值为0，否则aij＝0，
Figure FDA00028266217900000310
为分布式观测器的状态变量分别对应有功功率和无功功率。
6.根据权利要求1所述的微电网功率分配控制方法，其特征在于，所述S4计算微电网的功率参考值；
Pri＝kiη Pηi P
Qri＝kiη Qηi Q
式中，kiη P、kiη Q分别表示第i个分布式发电单元的有功功率和无功功率功率分配比例系数，该系数由微电网功率分配要求决定。
7.根据权利要求1所述的微电网功率分配控制方法，其特征在于，所述S5构建局部功率跟踪控制器，具体为：
ui＝Kixxi+Kivvi
设计控制器使得Ai+BiKix的特征根均具有负实部，求得Xi、Ui后，Kiv＝Ui-KixXi。
其中，Kix为状态输入控制矩阵，Kiv为参考输入控制矩阵。
8.根据权利要求4所述的微电网功率分配控制方法，其特征在于，kiη P＝γPimax，kiη Q＝γQimax，其中γ＞0为缩减系数。
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