CN114447928B - 基于动态可重构的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法 - Google Patents

基于动态可重构的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法 Download PDF

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Abstract

基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法，该方法包括稳态下监测各个微源接口变换器的输出电压和电流；利用本地故障电流差异延时法实现故障时微源接口变换器协同进行正向切换限流；故障清除后系统恢复，以及系统恢复后微源接口变换器的反切换。故障时，每个通信周期内最快达到最大允许电流值且通信正常的微源接口变换器将作为虚拟电压参考单元占用通信发送权，将其设定的电压参考信号以及故障切换信号发送给其他微源接口变换器，所有微源接口变换器共同切换为具备统一电压参考的电流控制模式并存储上一次切换时的电流信息以执行本地故障电流差异延时法，保证任一微源通信故障时参考电压的可靠性以及系统的协同安全性。

Description

基于动态可重构的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法
技术领域
本发明涉及微电网控制技术领域，尤其指一种基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法。
背景技术
孤岛微电网集合了光伏、风机等多种分布式绿色能源，是解决传统化石能源危机、环境问题，以及实现偏远地区供电的有效途径。其中，各类分布式能源一般通过基于电力电子器件的接口变换器并入系统，可控性高、灵活性强。通常，微源接口变换器的控制可以结合新能源的特征，分为电压控制型或电流控制型，这两不同类型的微源接口变换器分别给微电网提供电压频率支撑以及功率支撑功能。然而，微电网故障率高，电力电子器件过流能力弱，因此故障时，微源接口变换器易烧毁，严重威胁装备安全以及用户供电可靠性。
电流控制型微源接口变换器可以直接控制其故障电流，因此可以通过直接改进限流控制方案实现变换器的保护。电压控制型微源接口变换器的控制间接影响了输出电流，其故障穿越控制通常可分为三种类型，增加限流器，改进控制，以及模式切换。增加限流器的方案只能针对有内电流环的电压控制，不具备通用性。改进控制的可以增加虚拟阻抗或者改变外电压控制环，但是应对深度故障的能力不足。模式切换控制是指在故障发生时，微源接口变换器由电压控制模式切换为电流控制模式，以实现装备限流的保护方案。适用于各种电压控制型变换器以及故障深度。然而，当孤岛微电网中的电压控制型微源接口变换器故障时，切换为电流控制模式，孤岛系统将失去电压频率支撑，甚至直接失稳。因此，现有的微电网故障穿越技术难以实现孤岛微电网的安全稳定运行。
发明内容
为了解决孤岛微电网在故障穿越过程中，电压控制型微源接口变换器切换为电流控制时系统容易失去电压频率支撑，系统不安全、稳定性差的问题，本发明提供了一种基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方法：一种基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法，包括：
稳态下监测微源接口变换器的输出电压和电流；
故障时微源接口变换器正向切换进行限流，所述正向切换为从电压控制模式切换为电流控制模式；
故障清除后系统恢复；
系统恢复后微源接口变换器反切换，所述反切换为从电流控制模式切换为电压控制模式；
具体而言，故障时所述微源接口变换器采用基于本地故障电流差异延时法正向切换进行限流，即每个通信周期内电流幅值最快达到最大允许电流值且通信正常的微源接口变换器将作为虚拟电压参考单元占用通信发送权，将该微源接口变换器设定的电压参考信号以及故障切换信号发送给其他微源接口变换器，所有微源接口变换器共同切换为具备统一电压参考的电流控制模式。
进一步地，在所述基于本地故障电流差异延时法中，所有微源接口变换器在切换为电流控制模式的同时均分别存储其各自上一次切换时的电流信息，若当前虚拟电压参考单元出现故障，次个达到最大允许电流值的微源接口变换器将作为新的虚拟电压参考单元进行更替。
进一步地，在所述基于本地故障电流差异延时法中，所述微源接口变换器的最大允许电流值为额定电流值的两倍，每个通信周期内电流幅值最快达到最大允许电流值且通信正常的微源接口变换器将作为虚拟电压参考单元占用通信发送权，如公式(1)所示：
Iacsi≥Iacmaxi＝HacniIacni；
Figure GDA0003795827480000021
其中，Iacsi为第i个微源接口变换器的电流幅值，Iacmaxi为第i个微源接口变换器的最大允许电流值，Iacni为第i个微源接口变换器的额定电流值；Hacni为微电网系统设定的最大允许过流倍数，此处，Hacni为2。
再进一步地，在所述基于本地故障电流差异延时法中，所有微源接口变换器在切换为电流控制模式的同时均分别存储其各自在该时刻的本地电流系数Haci，如公式(2)所示：
Figure GDA0003795827480000022
并根据此，计算每个微源接口变换器的本地故障电流延时系数taci，如公式 (3)所示：
taci＝-k(Haci-Hacni)+Tac (3)
其中，Tac为固定等待时间常数，k为比例系数；
依据式(3)，在每一个通信周期中，具备最大本地电流系数Haci的微源接口变换器每次都会优先获得通信权益，从而始终作为虚拟电压参考单元；若某一时刻，当前的虚拟电压参考单元通信失败，系统会自动选出具备次级大本地电流系数 Haci的微源接口变换器成为下一个虚拟电压参考单元，并且通信故障的微源接口变换器会停止对电压的闭环跟踪以防止机组之间的环流。
再进一步地，所述电流控制模式为恒定电流控制模式、滞环控制模式、PQ 控制模式的任意一种。
或者，所述电流控制模式为准PR控制模式，在该准PR控制模式下，微源接口变换器的输入信号为微源接口变换器输出端的电压和电流、PCC点电压、以及通信总线接收的统一电压参考信号；微源接口变换器以统一电压参考信号为相位频率基准，并以最大电流幅值为最大允许过流值为约束，生成调制信号，传输给内部的PWM调制模块。
更进一步地，故障期间，电流控制模式下的电流参考值iaci采用公式(4)、(5) 进行计算：
Figure GDA0003795827480000031
Iacsi＝Iacmaxi＝HacniIacni (5)
其中，ωref为统一电压参考uref的角频率信号，uref结合实际微电网情况和孤岛故障穿越需求进行预先设置，
Figure GDA0003795827480000032
为根据实际系统需求能够调节的有功无功比例的相位信号。
更进一步地，故障清除以后系统开始恢复，每个微源接口变换器将根据当前的电压实际值来调整电流参考值，以防止系统过电压，此时电流控制模式下的电流幅值采用公式(6)进行计算：
Figure GDA0003795827480000033
其中，GPI(t)为PI控制器，Upccn为PCC额定电压幅值，Upcc为电压实际幅值，s 为拉式算子，τ为惯性时间常数。
更进一步地，在稳态工况下，每个微源接口变换器实时监测其输出端的电压和电流，微源接口变换器为系统提供电压频率支撑。
优选地，故障清除且系统稳定之后，当前时刻的虚拟电压参考单元会监测是否已经与PCC点电压同步，如果同步，当前时刻的虚拟电压参考单元会经过通信总线向其他微源接口变换器发送反切换信号，所有微源接口变换器进行反切换为电压控制模式，整个系统的故障穿越过程结束。
本发明提供的基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法，可以有效的解决孤岛微电网故障时，微源接口变换器的过流保护，以及系统的电压频率支撑问题，保障了微电网故障时微源的安全以及系统的稳定可靠运行。具体而言，当孤岛微电网发生故障时，动态虚拟电压参考微源占用通信发送权，将故障切换信号以及该微源设定的电压参考信号发送给其他电压控制型微源提供系统统一的电压参考，系统的电压控制型微源依据参考信号快速统一切换为电流控制模式。通过这种方式可以协同所有微源进行故障时的切换保护，保障所有电压控制型微源的安全，并且使其共享同一个电压参考，确保系统有序管理，保障系统安全性。在本方法中，动态电压终端的选择是根据系统的实际运行情况决定，由于有通信的存在，不需要预先得知微电网的微源分布，亦或是故障发生地点，故障与微源的远距等因素，而是直接有系统实时运行状态和故障状态决定，保障了参考单元的动态特性，可以应对各种通信故障，增强了系统应对通信故障的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明所涉基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法中微电网的网络架构图；
图2为本发明中微源变换器(电压控制型)的控制时序图；
图3为本发明实施方式中首次动态虚拟电压参考单元选择的原理示意图；
图4为本发明所涉基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法的流程图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
如图1所示，为本发明所涉基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法中微电网的网络架构图，本发明即应用于此中微电网系统中。
如图2和图4所示，一种基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法，包括对四个阶段的控制，具体如下：
阶段I，稳态下监测微源接口变换器的输出电压和电流。
在稳态工况下，每个微源接口变换器(简称：VCI)实时监测其输出端的电压、电流、以及PCC点电压。微源接口变换器运行于电压控制模式(简称：VC 模式)，为系统提供电压频率支撑，采集输出端口的电压电流信号，经过电压控制，生成调制信号，传输给PWM调制模块。
阶段II，故障时微源接口变换器正向切换进行限流，该正向切换为从电压控制模式切换为电流控制模式。
当孤岛微电网发生故障时，基于本地故障电流差异延时法(简称：FCDDM 法)，会自动生成系统的虚拟电压参考单元，其他每个微源接口变换器会收到通信总线传输的虚拟电压参考单元发出的故障切换信号和其设定的电压参考信号，继而切换成电流控制模式以保护微源接口变换器，同时向PCC点提供合理的有功无功支撑。电流控制模式可以为恒定电流控制、滞环控制、PQ控制、准PR 控制等。优选地，本实施方式中以准PR电流控制为例，在准PR控制模式下，微源接口变换器的输入信号为微源接口变换器输出端的电压和电流、PCC点电压、以及通信总线接收的统一电压参考信号；微源接口变换器以统一电压参考信号为相位频率基准，并以最大电流幅值为最大允许过流值为约束，生成调制信号，传输给内部的PWM调制模块。
具体而言，在每个通信周期内，每个微源接口变换器会监测其输出端的电流，并将监测到的电流幅值与最大允许电流值进行比较，如公式(1)所示；
Iacsi≥Iacmaxi＝2Iacni；
Figure GDA0003795827480000051
其中，Iacsi为第i个微源接口变换器的电流幅值，Iacmaxi为第i个微源接口变换器的最大允许电流值，Iacni为第i个微源接口变换器的额定电流值；Hacni为微电网系统设定的最大允许过流倍数，考虑到电力电子开关器件的热容量问题，在本实施方式中，Hacni取值为2。
如图3、图4以及公式(1)所示，当任意某个微源接口变换器输出的电流幅值最快达到最大允许电流值(也即额定电流值的两倍)，该微源接口变换器会最先抢占到通信发送权，并作为虚拟电压参考单元将其设定的电压参考信号以及故障切换信号经过通信总线发送给其他微源接口变换器，提供系统统一的电压参考uref，所有微源接口变换器共同切换为具备统一电压参考uref的电流控制模式 (简称：ACC模式)。若没有微源接口变换器输出的电流超过最大允许电流值，但微源接口变换器监测到收到电压参考uref，所有微源接口变换器也将共同切换为具备该统一电压参考uref的电流控制模式，而当没有微源接口变换器的电流超过最大允许电流值且没有收到电压参考时，微源接口变换器将不会切换为电流控制模式，仍继续监测电压和电流。
值得一提的是，在前述基于本地故障电流差异延时法中，所有微源接口变换器在切换为电流控制模式的同时均分别存储其各自在该时刻的本地电流系数Haci，如公式(2)所示：
Figure GDA0003795827480000061
并根据此，计算每个微源接口变换器的本地故障电流延时系数taci，如公式 (3)所示：
taci＝-k(Haci-Hacni)+Tac (3)
其中，Tac为固定等待时间常数，k为比例系数；
依据式(3)，在每一个通信周期中，具备最大本地电流系数Haci的微源接口变换器每次都会优先获得通信权益，从而始终作为虚拟电压参考单元；若某一时刻，当前的虚拟电压参考单元通信失败，系统会自动选出具备次级大本地电流系数 Haci的微源接口变换器成为下一个虚拟电压参考单元，并且通信故障的微源接口变换器会停止如式(6)对电压的闭环跟踪以防止机组之间的环流，主动以监测的并网点(PCC)电压为电压参考，以保证系统的安全稳定运行。
由此可以看出，本发明提供的基于本地故障电流差异延时法可以使得微源接口变换器具备动态参考单元的特征，极大提升了系统的安全、可靠性，并且可以使所有微源接口变换器共享同一个电压参考，确保系统能有序管理，保障系统的安全。
微源接口变换器由电压控制模式切换为电流控制模式后，电流参考值iaci采用公式(4)、(5)进行计算：
Figure GDA0003795827480000071
Iacsi＝Iacmaxi＝HacniIacni (5)
其中，ωref为统一电压参考uref的角频率信号，uref结合实际微电网情况和孤岛故障穿越需求进行预先设置，
Figure GDA0003795827480000072
为根据实际系统需求能够调节的有功无功比例的相位信号。
阶段III，故障清除后系统恢复。
故障清除以后系统开始恢复，为避免PCC点过电压，需要引入PCC电压反馈，以及时调整电流控制模式的幅值，具体为，每个微源接口变换器将根据当前的电压实际值来调整电流参考值，以防止系统过电压，此时电流控制模式下的电流幅值采用公式(6)进行计算：
Figure GDA0003795827480000073
其中，GPI(t)为PI控制器，Upccn为PCC额定电压幅值，Upcc为电压实际幅值，s 为拉式算子，τ为惯性时间常数。
阶段IV，系统恢复后微源接口变换器反切换，该反切换为从电流控制模式切换为电压控制模式。
故障清除且系统稳定之后，当前时刻的虚拟电压参考单元会监测是否已经与 PCC点电压同步，如果同步，当前时刻的虚拟电压参考单元会经过通信总线向其他微源接口变换器发送反切换信号，所有微源接口变换器进行反切换为电压控制模式，且释放通信权益，整个系统的故障穿越过程结束，如果不同步，就说明故障还没处理成功，则微源接口变换器仍需在ACC模式下使用FCDDM法重复之前的步骤进行限流控制。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式现实，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其他元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (10)

1.基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法，包括：稳态下监测微源接口变换器的输出电压和电流；故障时微源接口变换器正向切换进行限流，所述正向切换为从电压控制模式切换为电流控制模式；故障清除后系统恢复；以及系统恢复后微源接口变换器反切换，所述反切换为从电流控制模式切换为电压控制模式；其特征在于：故障时所述微源接口变换器采用基于本地故障电流差异延时法正向切换进行限流，即每个通信周期内电流幅值最快达到最大允许电流值且通信正常的微源接口变换器将作为虚拟电压参考单元占用通信发送权，将该微源接口变换器设定的电压参考信号以及故障切换信号发送给其他微源接口变换器，所有微源接口变换器共同切换为具备统一电压参考的电流控制模式；
2.根据权利要求1所述的基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法，其特征在于：在所述基于本地故障电流差异延时法中，所有微源接口变换器在切换为电流控制模式的同时均分别存储其各自上一次切换时的电流信息，若当前虚拟电压参考单元出现故障，次个达到最大允许电流值的微源接口变换器将作为新的虚拟电压参考单元进行更替。
3.根据权利要求2所述的基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法，其特征在于：在所述基于本地故障电流差异延时法中，微源接口变换器的最大允许电流值为额定电流值的两倍，每个通信周期内电流幅值最快达到最大允许电流值且通信正常的微源接口变换器将作为虚拟电压参考单元占用通信发送权，如公式(1)所示：
Figure FDA0003795827470000011
其中，Iacsi为第i个微源接口变换器的电流幅值，Iacmaxi为第i个微源接口变换器的最大允许电流值，Iacni为第i个微源接口变换器的额定电流值；Hacni为微电网系统设定的最大允许过流倍数，此处，Hacni为2。
4.根据权利要求3所述的基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法，其特征在于：在所述基于本地故障电流差异延时法中，所有微源接口变换器在切换为电流控制模式的同时均分别存储其各自在该时刻的本地电流系数Haci，如公式(2)所示：
Figure FDA0003795827470000012
并根据此，计算每个微源接口变换器的本地故障电流延时系数taci，如公式(3)所示：
taci＝-k(Haci-Hacni)+Tac (3)
其中，Tac为固定等待时间常数，k为比例系数；
依据式(3)，在每一个通信周期中，具备最大本地电流系数Haci的微源接口变换器每次都会优先获得通信权益，从而始终作为虚拟电压参考单元；若某一时刻，当前的虚拟电压参考单元通信失败，系统会自动选出具备次级大本地电流系数Haci的微源接口变换器成为下一个虚拟电压参考单元，并且通信故障的微源接口变换器会停止对电压的闭环跟踪以防止机组之间的环流。
5.根据权利要求4所述的基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法，其特征在于：所述电流控制模式为恒定电流控制模式、滞环控制模式、PQ控制模式的任意一种。
6.根据权利要求4所述的基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法，其特征在于：所述电流控制模式为准PR控制模式，在该准PR控制模式下，微源接口变换器的输入信号为微源接口变换器输出端的电压和电流、PCC点电压、以及通信总线接收的统一电压参考信号；微源接口变换器以统一电压参考信号为相位频率基准，并以最大电流幅值为最大允许过流值为约束，生成调制信号，传输给内部的PWM调制模块。
7.根据权利要求5或6所述的基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法，其特征在于：故障期间，电流控制模式下的电流参考值iaci采用公式(4)、(5)进行计算：
Figure FDA0003795827470000021
Iacsi＝Iacmaxi＝HacniIacni (5)
其中，ωref为统一电压参考uref的角频率信号，uref结合实际微电网情况和孤岛故障穿越需求进行预先设置，
Figure FDA0003795827470000022
为根据实际系统需求能够调节的有功无功比例的相位信号。
8.根据权利要求7所述的基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法，其特征在于：故障清除以后系统开始恢复，每个微源接口变换器将根据当前的电压实际值来调整电流参考值，以防止系统过电压，此时电流控制模式下的电流幅值采用公式(6)进行计算：
Figure FDA0003795827470000031
其中，GPI(t)为PI控制器,Upccn为PCC额定电压幅值,Upcc为电压实际幅值,s为拉式算子,τ为惯性时间常数。
9.根据权利要求8所述的基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法，其特征在于：在稳态工况下，每个微源接口变换器实时监测其输出端的电压和电流，微源接口变换器为系统提供电压频率支撑。
10.根据权利要求9所述的基于动态可重构虚拟电压参考单元的孤岛微电网的协同故障穿越控制方法，其特征在于：故障清除且系统稳定之后，当前时刻的虚拟电压参考单元会监测是否已经与PCC点电压同步，如果同步，当前时刻的虚拟电压参考单元会经过通信总线向其他微源接口变换器发送反切换信号，所有微源接口变换器进行反切换为电压控制模式，整个系统的故障穿越过程结束。
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