CN113364324A - 一种基于改进自适应下垂控制策略的逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进自适应下垂控制策略的逆变器控制方法，用于实现微电网切换孤岛运行状态下微电网电压及频率的平稳输出控制。本发明在已有的自适应下垂控制策略中，引入反馈环节，在下垂控制电流内环采用类PQ控制策略，在控制电压外环采用类V/f控制策略，获得电压电流双环的PI条件控制策略。本发明在含分布式发电系统的微电网孤岛运行状态下，当负荷接入与切除瞬间，对分布式发电系统逆变器进行控制，以稳定微电网电压及频率，对比传统下垂控制极大减小了波动幅度和持续时长，使微电网电压以及频率满足负荷供电质量要求。

Description

一种基于改进自适应下垂控制策略的逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及分布式发电系统逆变器控制技术领域，特别是基于自适应下垂控制策略的逆变器控制方法。

背景技术

风能、太阳能等分布式发电能源对于可持续发展战略具有重要意义，但其具有间歇性、波动性等问题也无法忽视。尤其在2021年初美国能源大州德克萨斯州，严冬灾害季节以分布式能源为重要能源结构的电网无法可靠抵御，更加凸显了分布式电源规模化接入电网后对系统的控制策略的要求。对此，国内外对微电网分布式发电系统并网、孤岛控制策略开展了研究。

对传统大电网的仿真主要是暂态的仿真，用电磁暂态分析研究较长时间的动态过程，以机电暂态分析研究短时间的动态过程。而对分布式发电系统的仿真，则主要是针对快速变化的暂态过程开展的，侧重于准确完整的仿真结果。以电路仿真的基本原理于方法加上电力系统电磁暂态仿真为基层，模拟工频到几百kHz之间的系统中电气量和非电气量的动态过程。稳态时的电压频率控制、谐波分析等、暂态时的故障短路电流、保护控制、负荷切分等都是分布式发电系统的仿真范畴。

针对微电网的控制研究，需要对主流微电网内分布式电源的结构、原理、特性与控制策略，构建太阳能、风能、燃气发电的数学模型、控制以及仿真模型。借助MATLAB/Simulink软件开展仿真，分析论证，由此能够发现微电源具备的动态运行特征；根据逆变器所具备的常规结构，针对正弦脉冲涉及到的调制技术做出分析，对分布式电源如何调控逆变器的接口进行分析，并提出相应的策略。概述相关控制原理，包括PQ、下垂以及V/f控制，并提出在自适应条件下，结合下垂系数来分析控制的策略。当微电网主控微源由蓄电池储能单元代替时，在其离网状态下选取改进V/f下垂的控制策略，使得微电网在运行模式切改时保持电压频率的波动减小，以达到在运方切换前后保持其平稳运作，持续供给合格电能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，为解决上述问题，提出了一种基于改进自适应下垂控制策略的逆变器控制方法，该方法以传统下垂控制为基础，加入了新的算法或对其进行了改进优化，提升了微网在并网/孤岛切换过程中电压、频率等电网某数值的平滑切换。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

以传统下垂控制为基础，内环增加电流控制环节，外环增加电压控制环节，得到一种基于改进自适应下垂控制策略的逆变器控制方法，包括以下步骤：

步骤1：针对不同新能源分布式发电系统和不同种类储能系统的特性及工作原理，利用实际数据，建立数学模型；

步骤2：借助传递函数G(jω)，对微电网并网逆变器SPWM的调制分析及三相逆变器模型分析，对LC滤波器进行设计与选择；

步骤3：在d-q坐标系中，利用控制P_ref、Q_ref输出完成QP、Vf及自适应下垂控制的数学模型构架；

步骤4：利用矩阵C_g，在自适应下垂控制中，下垂控制电流内环采用类PQ控制策略，控制电压外环采用类V/f控制策略；

步骤5：将实际分布式发电及负荷数据输入矩阵C_g应用至此控制框图模型中，进行训练，生成通用模型。

进一步，步骤1中，对微电网分布式发电系统直流、交流、混合母线架构中混合接入的光伏发电、风力发电、微型燃气轮机发电系统采用最大功率跟踪控制，结合能源特性以及蓄电池和超级电容器储能系统建立数学模型。

进一步，步骤2的具体过程为：针对分布式电源并网的逆变器自身所带的正弦信号，比较其调制之后得到的三角波信号，以对比得到的结果为依据，对开关分合进行控制，利用G(jω)函数借助LC型滤波电路来过滤输出的波形：

式中，U_out、U_in分别代表LC型滤波电路输出、输入电压，C_f、L_f、R_f代表LC电路中串联电容、电感、电阻值，j为虚数符号，ω为角速度，其中

进一步，步骤3中通过锁相环得到所需幅值以及频率，然后通过PI调节控制自适应的下垂系数，使得系统能够确保电压和频率变化幅度在一定可控范围，在以此保持稳定的运行。可以采用下式来表示自适应下垂系统的控制方程式：

式中，U_n、f_n为分布式电源输出电压与频率，U_n ^*代表了微电网母线电压幅值，f_n ^*代表电压频率，m与n依次代表频率与电压对应的下垂系数，K_p为传统下垂控制系数，k_i为第i个分布式电源有功下垂的系数，s为微电网中全量布式电源有功下垂的系数标准差。

进一步，步骤4中，将步骤3中各控制环节单环控制的自适应控制方法中，在经过自适应下垂控制后的输出，将三相电流变换至dq坐标系，通过内环电流控制方程及外环电压控制方程进行控制：

式中，i_aL、i_bL、i_cL代表的是流经电感的abc三相电流，i_al、i_bl、i_cl代表的是流经负载的abc三相电流，t为时间，电容的三相电压u_a、u_b、u_c作为状态变量，矩阵C_g即分布式发电及负荷数据输入矩阵；

将式(3)从abc坐标系变换为αβ坐标系能够获得：

式中，u_α、u_β依次代表的是u_a、u_b、u_c于αβ坐标轴中的等效分量；i_αL、i_βL依次代表i_aL、i_bL、i_cL于αβ坐标轴中的等效分量；i_αl、i_βl依次代表i_al、i_bl、i_cl于αβ坐标轴中的等效分量；

再把αβ坐标系中变量转换至d-q的坐标系之下：

式中，给定角频率用ω_ref来表示，u_dref、u_qref、i_dref、i_qref代表给定电压、电流在dq坐标轴中的等效分量，u_q为dq坐标轴中状态变量，i_d1、i_q1依次代表i_al、i_bl、i_cl于dq坐标轴中的等效分量，k_p为传统下垂控制系数，k_i为第i个分布式电源有功下垂的系数，s为下垂系数标准差。

进一步，微电网交直流混合母线结构中，直流母线上挂接光伏发电电池、直流负载；交流母线上挂接传统电源、风力发电机、燃气轮机、交流负载；交直流母线间挂接交直流转换装置及储能装置，光伏电池数学模型公式：

式中，G表示太阳的辐射，G的数值为1000W/m²，G_ref为给定太阳辐射；I为输出电流，I_SC为光伏电池短路电流值，I_m为最大功率点对应电流；U为输出电压，U_OC为开路电压，U_m为最高的功率点对应电压；修正的参数用C₁以及C₂来表示；光伏电池本身的温度用T来表示，T_C为实时电池温度，T_ref温度数值取25℃；开路电压所对应着的温度系数用b来表示；短路电流对应着的温度系数用a来表示；

风力机数学模型：

式中，由风力机引发的风功率用p_ω表示，风力机功率所具备的利用系数用C_p表示，叶尖速比用λ来表示，通常这一数值取值1.25，浆距角用β表示，空气密度用ρ表示，风轮半径用R_ω表示，实际风速用υ表示；

微型燃气轮机数学模型：

式中，出口电压幅值、电压的系数以及发电机角速度依次用V_m、K_v、ω来表示，L代表发电机定子绕组漏感，V_dc和I_dc分别表示整流侧的输出电压与电流，V_line为永磁同步发电机出口电压，t代表时间，P_e为整流器输出的电磁功率，其中K_e＝3K_v/π，

储能装置数学模型：

式中，E代表空载电压，E₀代表电池电压常数，K代表极化电压，Q代表电池容量，∫i_batdt代表实际电池电量，A代表指数区幅度，B指代表指数区时间常数倒数，V_bat代表电池电压，蓄电池内阻用R表示，空载电压用E表示，电池电流用i_bat表示。

本发明的有益效果为：

1.本发明在传统逆变器自适应下垂控制策略基础上进行了优化，改进之后的控制策略能够十分有效的对微电网系统内并网孤岛切换过程中电压频率波动情况进行抑制。

2.针对自适应下垂控制策略单环无反馈控制环节，本发明提出内环增加电流控制环节，外环增加电压控制环节。微电网实现并网的过程中全部微源都采取PQ控制，通过这一方式确保其具备较好的功率输出。在离网状态下，光伏以及风力微源维持着PQ控制方式不变，主控单元内的蓄电池会切换为改进后的V/f下垂控制。改进之后，借助控制蓄电池的放电状态，可以确保微电网处在并网转孤岛中，频率与电压平稳过渡，与此同时还能够确保在切换之后系统能够为负荷提供可靠的供电。

3.本发明所提出的控制方法，可以满足在交直流混合母线结构微电网中，光伏发电、风力发电、燃气轮机发电及蓄电池、超级电容储能共存情况下，微电网并网孤岛切换下电压、频率的平稳过渡。

附图说明

图1本发明中基于改进自适应下垂控制策略的逆变器控制框图

图2本发明实施例中含分布式发电系统微电网孤岛模式的运行简图

图3本发明实施例中调节控制过程图

图4本发明实施例中下垂系数的自适应控制框图

图5本发明实施例中双环PI调节的控制图

图6本发明实施例中微电网母线的电压频率波动图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。

本发明的目的是提供一种基于改进自适应下垂控制策略的逆变器控制方法，实现对微电网系统内并网孤岛切换过程中电压频率波动情况进行抑制。

一种基于改进自适应下垂控制策略的逆变器控制方法，方法流程如图1所示，包括以下步骤：

1.在微电网处于孤岛运行状态下时，为保障系统稳定运行，就需要分布式电源能够将符合要求的电能提供给本地负荷，与此同时需要保障在未接入大电网的情况下，输出的电压以及频率的稳定性都处于各类指标的合理范围之内。这里以双分布式电源为例，图2是微电网孤岛运行状态下的等效电路图。

此时，逆变器输出的有功以及无功功率由式(1)表示：

由式(1)可得，P_n和相角

和Q_n以及输出电压U_n之间存在着线性相关性，X_n为电路阻抗，所以这里能够借助控制P_n和Q_n来实现对逆变器输出电压以及频率的有效控制。为确保检测以及控制便利性，以ψ和f_n来表示相位以及频率，可采用式(2)表示下垂特性：

式中，f^*代表了下垂控制目标频率，U^*代表的是控制目标电压，P_n和Q_n代表额定有功和无功功率，m与n依次代表频率与电压对应的下垂系数。

对于下垂控制而言，可以就下垂系统进行自适应调节，如图3所示为其具体的调节控制过程。

通过在对下垂控制加以运用的过程中，且具备特定下垂增益的情况下，此处把有功以及频率所具备的下垂特定当成例子做出说明。处在t₁时刻时，A点位置能够维持稳定运行，此时逆变器输出有功功率P₁，f₁表示微电网频率；当到t₂这一时刻，针对微电网做出负荷投切这一操作，此时微电网可以在B点位置处实现稳定运行，在图3内曲线1所表示的是逆变器固定的下垂增益，在此时得到的有功下降到P₂，对应频率也降低至f₂，从图3可以看出，微电网会放弃对系统电压频率稳定的控制，以此为代价完成对负载的自我调节，保证有功功率的正常输出。同理，就无功来说，在不同的时刻，当微电网进行负荷投切操作时，它母线电压幅值同样出现了变化，假定母线的频率与电压间出现很大程度的波动幅度，其会威胁到系统运行稳定性，使之无法保持安全的运行。因此本文需要考虑是否能够通过下垂增益使之实现自适应控制，在上述情况下确保无功以及有功变化情况与图3曲线2吻合进行调节，电压频率在此控制策略中变成f₃，和前面传统下垂控制调节之后获得的频率对比，出现的变化小很多。同理，，逆变器输出电压变化时，无功功率变化量对比传统的控制方法来说数值要小很多。所以运用自适应的下垂控制方法，使得功率如曲线2变化时，可以非常有效的降低对系统电压以及频率的影响。

借助以上的分析，此处采用了下述改进后的下垂控制方法：把微电网实时电压由abc坐标转变到d-q的坐标中，通过锁相环得到所需幅值以及频率，然后通过PI调节控制自适应的下垂系数，使得系统能够确保电压和频率变化幅度在一定可控范围，在以此保持稳定的运行。可以采用式(3)来表示自适应下垂系统的控制方程式：

式中，U_n、f_n为分布式电源输出电压与频率，U_n ^*代表了微电网母线电压幅值，f_n ^*代表电压频率，m与n依次代表频率与电压对应的下垂系数，K_p为传统下垂控制系数，k_i为第i个分布式电源有功下垂的系数，s为微电网中全量布式电源有功下垂的系数标准差。

可以构建出下垂系数的自适应控制结构图，如图4所示，可以看出下垂系数本身有着自适应的控制方法，各个控制的环节都属于单环控制，没有反馈这一环节的存在，这类控制方法影响下，逆变器在出口位置的电压和频率通常会在很大程度上被微电网负荷投切操作所影响。在孤岛运行状态下，微电网要通过主控分布式电源来保持实现V/f的控制，以此维持电压以及频率的稳定。不同于PQ控制，V/f控制策略内获得电流内环参数的方式不一致。根据电压电流参考法，对电容电压做出选择，将u_a、u_b、u_c作为状态变量，可以得到如下所示的状态方程：

式中，i_aL、i_bL、i_cL代表的是流经电感的abc三相电流，i_al、i_bl、i_cl代表的是流经负载的abc三相电流，t为时间，电容的三相电压u_a、u_b、u_c作为状态变量。矩阵C_g即分布式发电及负荷数据输入矩阵。

将式(4)从abc坐标系变换为αβ坐标系能够获得：

式中，u_α、u_β依次代表的是u_a、u_b、u_c于αβ坐标轴中的等效分量；i_αL、i_βL依次代表i_aL、i_bL、i_cL于αβ坐标轴中的等效分量；i_αl、i_βl依次代表i_al、i_bl、i_cl于αβ坐标轴中的等效分量。

再把αβ坐标系中变量转换至d-q坐标系之下：

式中，u_d、u_q为d-q坐标系中电压等效分量，i_dL、i_dl为流经电感、流经负载的电流在d-q坐标系中电压等效分量，给定角频率用ω_ref来表示。

通过式(6)能够获得电压外环的控制方程，表示成：

式中，u_dref、u_qref、i_dref、i_qref代表给定电压、电流在dq坐标轴中的等效分量，u_d、u_q、i_d、i_q为dq坐标轴中状态变量，i_d1、i_q1依次代表i_al、i_bl、i_cl于dq坐标轴中的等效分量，k_p为传统下垂控制系数，k_i为第i个分布式电源有功下垂的系数，s为下垂系数标准差。逆变器输出电压在dq坐标系中表示为u_sd、u_sq，ω为角频率，L为电路电感。

就下垂控制电流的内环来说，它本身的控制方程类似于PQ控制方程，按照式(7)以及式(8)能够获得具体的电压电流双环的PI调节控制结构图5：

对上述所提控制策略加以综合分析，可以得到改进之后的V/f下垂控制的框图。

微网保持孤岛运行的过程中，每一个分布式电源都是根据自身控制方式所输出的功率使得满足负荷对电能所提要求。当t为0.3s时，公共负荷值是15kW，当t为0.6s时，将此公共负荷切除。如下图6所示为频率波动图，对比改进后的V/f与传统的下垂控制方法，能够明显看出图中蓝色的曲线在两个时间段内都产生了比较显著的频率上的波动，并且在过滤到平稳在50Hz需要花费较多时间，但是在改进控制方法运行中时，如红色曲线可以看出其能够很好的将频率控制在50Hz左右，维持几乎不波动的状态。借助两个仿真结果的对比，对改进后的方法做出验证，结果显示改进之后的控制策略能够十分有效的对微电网系统内电压频率波动情况进行抑制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于改进自适应下垂控制策略的逆变器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：针对不同新能源分布式发电系统和不同种类储能系统的特性及工作原理，利用实际数据，建立数学模型；

步骤2：借助传递函数G(jω)，对微电网并网逆变器SPWM的调制分析及三相逆变器模型分析，对LC滤波器进行设计与选择；

步骤3：在d-q坐标系中，利用控制P_ref、Q_ref输出完成QP、Vf及自适应下垂控制的数学模型构架；

步骤4：利用矩阵C_g，在自适应下垂控制中，下垂控制电流内环采用类PQ控制策略，控制电压外环采用类V/f控制策略；

步骤5：将实际分布式发电及负荷数据输入矩阵C_g应用至此控制框图模型中，进行训练，生成通用模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进自适应下垂控制策略的逆变器控制方法，其特征在于，步骤1中，对微电网分布式发电系统直流、交流、混合母线架构中混合接入的光伏发电、风力发电、微型燃气轮机发电系统采用最大功率跟踪控制，结合能源特性以及蓄电池和超级电容器储能系统建立数学模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于改进自适应下垂控制策略的逆变器控制方法，其特征在于，步骤2的具体过程为：针对分布式电源并网的逆变器自身所带的正弦信号，比较其调制之后得到的三角波信号，以对比得到的结果为依据，对开关分合进行控制，利用G(jω)函数借助LC型滤波电路来过滤输出的波形：

式中，U_out、U_in分别代表LC型滤波电路输出、输入电压，C_f、L_f、R_f代表LC电路中串联电容、电感、电阻值，j为虚数符号，ω为角速度，其中

4.根据权利要求1所述的一种基于改进自适应下垂控制策略的逆变器控制方法，其特征在于，步骤3中通过锁相环得到所需幅值以及频率，然后通过PI调节控制自适应的下垂系数，使得系统能够确保电压和频率变化幅度在一定可控范围，在以此保持稳定的运行。可以采用下式来表示自适应下垂系统的控制方程式：

式中，U_n、f_n为分布式电源输出电压与频率，U_n ^*代表了微电网母线电压幅值，f_n ^*代表电压频率，m与n依次代表频率与电压对应的下垂系数，K_p为传统下垂控制系数，k_i为第i个分布式电源有功下垂的系数，s为微电网中全量布式电源有功下垂的系数标准差。

5.根据权利要求1所述的一种基于改进自适应下垂控制策略的逆变器控制方法，其特征在于，步骤4中，将步骤3中各控制环节单环控制的自适应控制方法中，在经过自适应下垂控制后的输出，将三相电流变换至dq坐标系，通过内环电流控制方程及外环电压控制方程进行控制：

式中，i_aL、i_bL、i_cL代表的是流经电感的abc三相电流，i_al、i_bl、i_cl代表的是流经负载的abc三相电流，t为时间，电容的三相电压u_a、u_b、u_c作为状态变量，矩阵C_g即分布式发电及负荷数据输入矩阵；

将式(3)从abc坐标系变换为αβ坐标系能够获得：

式中，u_α、u_β依次代表的是u_a、u_b、u_c于αβ坐标轴中的等效分量；i_αL、i_βL依次代表i_aL、i_bL、i_cL于αβ坐标轴中的等效分量；i_αl、i_βl依次代表i_al、i_bl、i_cl于αβ坐标轴中的等效分量；

再把αβ坐标系中变量转换至d-q的坐标系之下：

式中，给定角频率用ω_ref来表示，u_dref、u_qref、i_dref、i_qref代表给定电压、电流在dq坐标轴中的等效分量，u_q为dq坐标轴中状态变量，i_d1、i_q1依次代表i_al、i_bl、i_cl于dq坐标轴中的等效分量，k_p为传统下垂控制系数，k_i为第i个分布式电源有功下垂的系数，s为下垂系数标准差。

6.根据权利要求2所述的一种基于改进自适应下垂控制策略的逆变器控制方法，其特征在于，微电网交直流混合母线结构中，直流母线上挂接光伏发电电池、直流负载；交流母线上挂接传统电源、风力发电机、燃气轮机、交流负载；交直流母线间挂接交直流转换装置及储能装置，光伏电池数学模型公式：

式中，G表示太阳的辐射，G的数值为1000W/m²，G_ref为给定太阳辐射；I为输出电流，I_SC为光伏电池短路电流值，I_m为最大功率点对应电流；U为输出电压，U_OC为开路电压，U_m为最高的功率点对应电压；修正的参数用C₁以及C₂来表示；光伏电池本身的温度用T来表示，T_C为实时电池温度，T_ref温度数值取25℃；开路电压所对应着的温度系数用b来表示；短路电流对应着的温度系数用a来表示；

风力机数学模型：

式中，由风力机引发的风功率用p_ω表示，风力机功率所具备的利用系数用C_p表示，叶尖速比用λ来表示，通常这一数值取值1.25，浆距角用β表示，空气密度用ρ表示，风轮半径用R_ω表示，实际风速用υ表示；

微型燃气轮机数学模型：

式中，出口电压幅值、电压的系数以及发电机角速度依次用V_m、K_v、ω来表示，L代表发电机定子绕组漏感，V_dc和I_dc分别表示整流侧的输出电压与电流，V_line为永磁同步发电机出口电压，t代表时间，P_e为整流器输出的电磁功率，其中K_e＝3K_v/π，

储能装置数学模型：

式中，E代表空载电压，E₀代表电池电压常数，K代表极化电压，Q代表电池容量，∫i_batdt代表实际电池电量，A代表指数区幅度，B指代表指数区时间常数倒数，V_bat代表电池电压，蓄电池内阻用R表示，空载电压用E表示，电池电流用i_bat表示。

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