CN114865720B - 一种跟网型分布式能源并网系统的直接功率调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种跟网型分布式能源并网系统的直接功率调控方法，包括如下步骤：S1：构建分布式能源并网系统的数学模型；S2：构建分布式能源并网系统的直接功率调控结构；S3：计算分布式能源并网系统的瞬时有功、无功功率P、Q；S4：构建鲁棒控制器。本发明中提出的直接功率调控方法，相较于传统直接电流控制方法，避免了锁相环的使用，降低了对电网相位的依赖程度，提高了分布式能源并网系统稳定性。

Description

一种跟网型分布式能源并网系统的直接功率调控方法
技术领域
本发明属于电力领域，具体涉及一种跟网型分布式能源并网系统的直接功率调控方法。
背景技术
随着高比例可再生能源接入和高比例电力电子设备应用的“双高”新型电力系统的不断发展，以及碳达峰碳中和的“双碳”工作计划要求，分布式可再生能源发电技术得到了迅速发展。然而，由于电力电子设备的低惯性、弱阻尼特性，使得分布式能源发电系统在面对系统扰动时易发生较大的电压及频率变化，对系统的稳定性和可靠性造成了影响。因此，对分布式能源并网系统的控制方法研究变得尤为重要。
分布式能源并网系统的结构如图1所示，其中U dc为分布式能源输出电压，C dc为直流侧支撑电容，L与R为输出滤波器的电感和电阻，i L、i dc分别为分布式能源输出电流及VSC直流侧电流，u a、u b、u c和i a、i b、i c分别并网电压及电流，直流功率经变换器(VSC)转换为三相交流量并入母线中。目前在分布式能源并网系统的控制方法研究中，国内外多采用直接电流控制，这种方法对VSC并网电流进行控制，能够快速实现并网功率的转换。
然而，在直接电流控制方法下，面对并网设备增加以及弱电网场景，分布式能源并网系统易发生阻尼下降，导致锁相环对电网相位的控制精度降低，系统输出电压相位出现偏差，从而影响并网稳定性和可靠性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种跟网型分布式能源并网系统的直接功率调控方法，有效克服了由锁相环带来相位控制误差问题，同时通过负虚控制理论提升分布式能源并网系统面对干扰的稳定性，进一步提高分布式能源并网系统的运行性能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种跟网型分布式能源并网系统的直接功率调控方法，包括如下步骤：
S1：构建分布式能源并网系统的数学模型；
S2：构建分布式能源并网系统的直接功率调控结构；
S3：根据S2中的调控结构，计算分布式能源并网系统的瞬时有功、无功功率P、Q；
S4：根据S2中的调控结构，构建鲁棒控制器结构。
进一步地，所述S1的数学模型包括动态电流方程，所述动态电流方程为：
Figure 628756DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中，e a、e b、e c为电网母线电压， L、R为输出滤波器的电感和电阻，u a、u b、u c为并网电压，i a、i b、i c为并网电流。
进一步地，所述S2具体包括：
分布式能源输出电压Udc与直流侧电压参考值U dcr作差后输入鲁棒控制器结构C（s），输出值与分布式能源并网系统瞬时有功功率P的参考值P ref作和，再与分布式能源并网系统瞬时有功P作差后输入鲁棒控制器结构C（s）；分布式能源并网系统瞬时有功功率参考值Q ref与分布式能源并网系统瞬时有功功率Q作差输入另一鲁棒控制器结构C（s）；两个鲁棒控制器结构C（s）的输出值经过调制得到开关信号S a、S b和S c输入与分布式能源DER并联的VSC。
进一步地，所述S3具体包括：
令相电压矢量u=(u a u b u c )T，瞬时相电流矢量i=(i a i b i c )T，通过Clark变换，得到两相静止坐标系下的u和i：
u=(u α u β 0)T，i=(i α i β 0)T，其中，u α ，u β 为两相静止坐标系下的电压，i α ，i β 为两相静止坐标系下的电流；
因此式(1)改写为：
Figure 255040DEST_PATH_IMAGE002
瞬时有功P、无功功率Q分别为：
Figure 284176DEST_PATH_IMAGE003
。
进一步地，所述S4具体包括：
所述鲁棒反馈控制器为：
Figure 852561DEST_PATH_IMAGE004
，其中，c 1为控制器增益，
Figure 350669DEST_PATH_IMAGE005
为控制器阻尼比，ω c 为控制器自然频率；
r为控制系统参考输入，e为控制误差，s为在复频率的算子；
B(s)为VSC系统传递函数，
Figure 764333DEST_PATH_IMAGE006
，其中，b n 为系统增益，
Figure 647976DEST_PATH_IMAGE007
为系统阻尼比，ω n 为系统自然频率，且
Figure 121682DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 841508DEST_PATH_IMAGE009
；
A(s)=a 1为前馈补偿器，a 1为补偿增益系数；
所述前馈补偿器A（s）与所述鲁棒反馈控制器G（s）构成所述鲁棒控制器结构C（s）；
所述控制误差e经鲁棒控制器结构C(s)控制后将控制量输入VSC系统传递函数B（s）中，通过不断调节来减小系统输出y与控制系统参考输入r之间的误差；
所述鲁棒控制器满足以下条件：
（1）C(s)的所有极点均位于开左半复平面；
（2）对于ω∈(0,∞)，有j[C(jω)−C * (jω)]>0；其中，j为虚数单位，ω为频率单位；
（3）C(∞)[C(∞)−B(∞)]=0，C(∞)≥0；
（4）系统环路增益λ max (C(0)−B(0))<1，其中，λ max 指代最大特征值。
有益效果：
本发明中提出的直接功率调控方法，相较于传统直接电流控制方法，避免了锁相环的使用，降低了对电网相位的依赖程度，提高了分布式能源并网系统稳定性。同时，本发明中的直接功率调控策略使给定功率可以实时变化，使该系统天然具备了可调度的特性。在此基础上，通过构建鲁棒反馈控制器，在满足约束条件的情况下，比传统控制方法具备更强的抗干扰能力。本发明通过设计直接功率控制结构，避免了锁相环对分布式能源并网系统稳定性的影响，并在此基础上设计了新型鲁棒反馈控制器，降低了复杂并网工况以及干扰对分布式能源并网系统的影响，可以实现对分布式能源的发展提供重要支撑，市场前景广阔。
附图说明
图1为分布式能源并网系统结构示意图；
图2为本发明的分布式能源并网系统的直接功率调控结构框图；
图3为本发明的鲁棒控制器框图；
图4为本发明的一种跟网型分布式能源并网系统的直接功率调控方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的一种跟网型分布式能源并网系统的直接功率调控方法，如图4所示，具体包括如下步骤：
S1：构建分布式能源并网系统的数学模型。
所述分布式能源并网系统的结构如图1所示，其中U dc为分布式能源输出电压，C dc为直流侧支撑电容，L与R为输出滤波器的电感和电阻，i L、i dc分别为分布式能源输出电流及VSC直流侧电流，u a、u b、u c和i a、i b、i c分别并网的相电压及瞬时相电流。分布式能源经C dc与VSC相连，将直流量转换为三相交流量并入三相母线中，供电网及负载吸收。
基于图1和基尔霍夫定律，设电网母线电压分别为e a、e b、e c，可以得到如式(1)所示的动态电流方程：
Figure 793283DEST_PATH_IMAGE010
(1)
S2：构建分布式能源并网系统的直接功率调控结构。如图2所示的分布式能源并网系统的直接功率调控结构，具体包括：通过abc坐标系下的并网电压U abc及电流I abc计算得到两相静止坐标系下的并网电压U αβ和电流I αβ从而得到分布式能源并网系统瞬时有功功率P、无功功率Q；分布式能源输出电压Udc与直流侧电压参考值U dcr作差后输入鲁棒控制器结构C（s），输出值与分布式能源并网系统瞬时有功功率P的参考值P ref作和，再与分布式能源并网系统瞬时有功P作差后输入鲁棒控制器结构C（s）；分布式能源并网系统瞬时有功功率参考值Q ref与分布式能源并网系统瞬时有功功率Q作差输入另一鲁棒控制器结构C（s）；两个鲁棒控制器结构C（s）的输出值经过调制得到开关信号S a、S b和S c输入与分布式能源DER并联的VSC。其中，所述VSC输出三相并网电压及电流经并网滤波器后接入电网，L g与R g分别为电网线路电感和电阻。连接电感L、电阻R，得到abc坐标系下的U abc及电流I abc。
该调控结构在有功功率控制回路中加入分布式能源输出电压控制量，实现了有功功率的天然可调性以及分布式能源输出电压的控制。
图2中，DER为分布式能源，U dc为分布式能源输出电压，U dcr为直流侧电压参考值，X g和R g分别为并网线路电感及电阻，U abc和I abc分别为abc坐标系下的并网电压及电流，U αβ和I αβ分别为两相静止坐标系下的并网电压及电流，P、Q分别为分布式能源并网系统瞬时有功功率、无功功率，P ref和Q ref分别为P、Q的参考值，S a、S b和S c为开关管开关状态，C(s)为鲁棒控制器结构。
S3：根据S2中的调控结构，计算分布式能源并网系统的瞬时有功、无功功率P、Q。
根据图1，令相电压矢量u=(u a u b u c )T，瞬时相电流矢量i=(i a i b i c )T，通过Clark变换，可以得到两相静止坐标系下的u和i：
u=(u α u β 0)T，i=(i α i β 0)T，其中，u α ，u β 为两相静止坐标系下的电压，i α ，i β 为两相静止坐标系下的电流；
因此式(1)可以改写为：
Figure 531432DEST_PATH_IMAGE002
瞬时有功、无功功率分别为：
Figure 441619DEST_PATH_IMAGE011
。
S4：根据S2中的调控结构，构建鲁棒控制器结构，所述鲁棒控制器框图如图3所示。其中，r为控制系统参考输入，e为控制误差，y为系统输出，C(s)为鲁棒控制器结构，G(s)为鲁棒反馈控制器，
Figure 914320DEST_PATH_IMAGE012
，其中，c 1为控制器增益，
Figure 669786DEST_PATH_IMAGE013
为控制器阻尼比，ω c 为控制器自然频率；B(s)为VSC系统传递函数，
Figure 262442DEST_PATH_IMAGE014
，其中，b n 为系统增益，
Figure 77951DEST_PATH_IMAGE007
为系统阻尼比，ω n 为系统自然频率，且
Figure 772369DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 65947DEST_PATH_IMAGE015
；A(s)=a 1为前馈补偿器，a 1为补偿增益系数，s为在复频率的算子。
所述前馈补偿器A（s）与所述鲁棒反馈控制器G（s）构成所述鲁棒控制器结构C（s）。
控制误差e经鲁棒控制器结构C(s)控制后将控制量输入VSC系统传递函数B（s）中，通过不断调节来减小系统输出y与控制系统参考输入r之间的误差。
通过构造满足以下条件的C(s)，能够保证整个闭环系统的稳定性，
（1）C(s)的所有极点均位于开左半复平面；
（2）对于ω∈(0,∞)，有j[C(jω)−C * (jω)]>0；j为虚数单位，ω为频率单位；
（3）C(∞)[C(∞)−B(∞)]=0，C(∞)≥0；∞指代无穷；
（4）系统环路增益λ max (C(0)−B(0))<1其中，λ max 指代最大特征值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种跟网型分布式能源并网系统的直接功率调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：构建分布式能源并网系统的数学模型；
所述数学模型包括动态电流方程，所述动态电流方程为：
Figure 745467DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中，e a、e b、e c为电网母线电压，L、R为输出滤波器的电感和电阻，u a、u b、u c为并网电压，i a、i b、i c为并网电流；
S2：构建分布式能源并网系统的直接功率调控结构；
直流侧电压参考值U dcr减去分布式能源输出电压Udc后输入鲁棒控制器结构C（s），输出值与分布式能源并网系统瞬时有功功率P的参考值P ref作和，再减分布式能源并网系统瞬时有功P后输入鲁棒控制器结构C（s）；分布式能源并网系统瞬时无功功率参考值Q ref减去分布式能源并网系统瞬时无功功率Q后输入另一鲁棒控制器结构C（s）；两个功率差鲁棒控制器结构C（s）的输出值经过调制得到开关信号S a、S b和S c输入与分布式能源DER并联的VSC；
S3：根据S2中的调控结构，计算分布式能源并网系统的瞬时有功、无功功率P、Q；
令相电压矢量u=(u a u b u c )T，瞬时相电流矢量i=(i a i b i c )T，通过Clark变换，得到两相静止坐标系下的u和i：
u=(u α u β 0)T，i=(i α i β 0)T，其中，u α ，u β 为两相静止坐标系下的电压，i α ，i β 为两相静止坐标系下的电流；
因此式(1)改写为：
Figure 455934DEST_PATH_IMAGE002
瞬时有功P、无功功率Q分别为：
Figure 996636DEST_PATH_IMAGE003
；
S4：根据S2中的调控结构，构建鲁棒控制器结构；
鲁棒反馈控制器为：
Figure 220201DEST_PATH_IMAGE004
，其中，c 1为控制器增益，
Figure 820946DEST_PATH_IMAGE005
为控制 器阻尼比，ω c 为控制器自然频率；
r为控制系统参考输入，e为控制误差，s为复频率算子；
B(s)为VSC系统传递函数，
Figure 753130DEST_PATH_IMAGE006
，其中，b n 为系统增益，
Figure 97524DEST_PATH_IMAGE007
为 系统阻尼比，ω n 为系统自然频率，且
Figure 923397DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 960624DEST_PATH_IMAGE009
；
A(s)=a 1为前馈补偿器，a 1为补偿增益系数；
所述前馈补偿器A（s）与所述鲁棒反馈控制器G（s）构成所述鲁棒控制器结构C（s）；
所述控制误差e经鲁棒控制器结构C(s)控制后将控制量输入VSC系统传递函数B（s）中，通过调节来减小系统输出y与控制系统参考输入r之间的误差；
所述鲁棒控制器满足以下条件：
（1）C(s)的所有极点均位于左半复平面；
（2）对于ω∈(0,∞)，有j[C(jω)−C * (jω)]>0；其中，j为虚数单位，ω为频率单位；
（3）C(∞)[C(∞)−B(∞)]=0，C(∞)≥0；
（4）系统环路增益λ max (C(0)−B(0))<1。
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