CN115021284A - 一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法及装置 - Google Patents

一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法及装置，该方法包括：根据采集第i个逆变器的电压电流信息，计算有功功率和无功功率；根据有功功率和无功功率，结合本地采集角频率、阻尼系数、额定惯性系数以及控制系数获取角频率微分项；根据角频率微分项和额定角频率，获取第i个逆变器的角频率参考量，将第i个逆变器的电压幅值参考量设定为额定值，获取第i个逆变器的正弦电压参考量；根据正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对第i个逆变器进行调节，实现对整体无通讯的控制。本发明能够抑制动态功率振荡，从而改善了系统的动态性能，为用户提供高质量的电能。

Description

一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法及装置，属于智能电网技术领域。
背景技术
虚拟同步机技术广泛应用于电力网络中，为电网提供惯性支撑和阻尼效果，能有效的抑制系统的功率振荡，增强系统的稳定性。另外，并联和串联是组成复杂网络的两种基本形式，并联型的虚拟同步机系统已经得到了广泛的研究，大量文献已经揭示了并联型虚拟同步机系统的功率振荡机理，并提出了大量的功率振荡抑制方法。
另外，基于H桥逆变器的串联型系统广泛应用中高压的电力网络。虽然目前已经对串联型电力网络系统的底层自同步控制方法做了大量的研究工作，但其不能从阻尼和惯性的物理概念出发指导系统的整体控制，以实现对系统动态功率振荡的抑制。
因此，建立串联型虚拟同步机模型，提出一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法及装置，对于改善串联型微电网系统动态性能，提高系统稳定性以及为用户提供高质量的电能有非常重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法及装置，用于抑制功率振荡改善串联型微电网系统动态性能，提高系统稳定性以及为用户提供高质量的电能，以解决现有技术中存在的技术问题。
本发明采取的技术方案为：一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法及装置，该方法包括以下步骤：
步骤1，根据采集第i个逆变器的电压电流信息，计算有功功率和无功功率；
步骤2，根据步骤1有功功率和无功功率，结合本地采集角频率、阻尼系数、额定惯性系数以及控制系数获取角频率微分项；
步骤3，根据步骤2角频率微分项，再根据额定角频率，获取第i个逆变器的角频率参考量，将第i个逆变器的电压幅值参考量设定为额定值，获取第i个逆变器的正弦电压参考量；
步骤4，根据步骤3所述正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对第i个逆变器进行调节。
步骤2中第i个逆变器角频率微分项计算的方法如下：
根据有功功率Pi和无功功率Qi，结合本地采集角频率ωi、阻尼系数D、额定惯性系数J0i以及控制系数k，获取第i个逆变器角频率微分项dωDi/dt，其表达式为：
Figure BDA0003745945220000021
式中ωcom,i为线路电流的角频率；P*为额定有功功率，PDi＝Pi-P*；ω*为额定角频率，ωDi为过渡变量，ωDi＝ωi-ω*；sgn(·)为符号函数。
根据步骤2所述角频率微分项，再根据额定角频率，获取第i个逆变器的角频率参考量，其表达式为：
Figure BDA0003745945220000031
ωi＝ω*+ωDi
将第i个逆变器的电压幅值参考量设定为额定值，表达式为：
Vi＝V*
根据电压幅值参考量和电压相角参考量，获取第i个逆变器的正弦电压参考量。
一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制装置，该装置包括有功功率和无功功率计算模块、角频率微分项获取模块、电压参考量获取模块、电压调节模块；通过有功功率和无功功率计算模块，用于获取第i个逆变器的有功功率和无功功率；通过角频率微分项获取模块，用于获取第i个逆变器的角频率微分项；电压参考量获取模块，用于获取第i个逆变器的正弦电压参考；通过电压调节模块，用于调节第i个逆变器工作在电压源模式。
电压调节模块包括电压外环电流内环模块以及PWM调制模块，电压外环和电流内环模块的输出端连接到PWM调制模块的输入端，PWM调制模块的输出端连接到H桥逆变器各个开关管，用于控制H桥逆变器各个开关管的导通和断开。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明针对串联型微电网，根据采集第i个逆变器的电压电流信息，计算有功功率和无功功率；根据有功功率和无功功率，结合本地采集角频率、阻尼系数、额定惯性系数以及控制系数获取角频率微分项；根据所述角频率微分项和额定角频率，获取第i个逆变器的角频率参考量，将第i个逆变器的电压幅值参考量设定为额定值，获取第i个逆变器的正弦电压参考量；根据正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对第i个逆变器进行调节，实现对系统的无通讯控制。根据本发明提供的一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法及装置，在实现控制时仅需采集本地信息便可实现对整体的控制，该控制方法能够抑制功率振荡，改善系统的动态性能，增强系统的稳定性，为用户提供高质量的电能。
附图说明
图1为根据本发明实施例的抑制功率振荡的串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法流程图；
图2为根据本发明实施例的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的控制框图；
图4为根据本发明实施例的固定惯性参数下功率振荡仿真波形图；
图5为根据本发明实施例的固定惯性参数下频率振荡仿真波形图；
图6为根据本发明实施例的所提自适应虚拟惯性下功率振荡仿真波形图；
图7为根据本发明实施例的所提自适应虚拟惯性下频率振荡仿真波形图；
图8为根据本发明实施例的串联型微电网抑制功率振荡的无通讯自适应虚拟惯性控制装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1所示，一种串联型微电网抑制功率振荡的无通讯自适应虚拟惯性控制方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，根据采集第i个逆变器的电压电流信息，计算有功功率和无功功率；
步骤2，根据步骤1中有功功率和无功功率，结合本地采集角频率、阻尼系数、额定惯性系数以及控制系数，获取第i个逆变器角频率微分项；
步骤3，根据步骤2中角频率微分项，再根据设定的额定角频率，获取第i个逆变器的角频率参考量，将第i个逆变器的电压幅值参考量设定为额定值，获取第i个逆变器的正弦电压参考量；
步骤4，根据步骤3中正弦电压参考量，利用电压外环和电流内环对第i个逆变器进行调节，实现对串联型微电网的无通讯功率振荡抑制控制。
本发明提出的一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法及装置，根据采集第i个逆变器的电压电流信息，计算有功功率和无功功率；根据所述有功功率和无功功率，结合本地采集角频率、阻尼系数、额定惯性系数以及控制系数获取角频率微分项；根据所述角频率微分项和额定角频率，获取第i个逆变器的角频率参考量，将第i个逆变器的电压幅值参考量设定为额定值，获取第i个逆变器的正弦电压参考量。根据所述正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对第i个逆变器进行调节，实现对系统的控制。根据本发明提供的抑制串联型微电网功率振荡的无通讯自适应虚拟惯性控制方法，能够有效的抑制系统功率振荡，改善系统的动态性能，提高系统的稳定性，改善电能质量。
对于串联型微电网，根据采集的本地电压和电流信息，能够计算处有功功率和无功功率。
对于第i个逆变器角频率微分项dωDi/dt，根据有功功率Pi和无功功率Qi，结合本地采集角频率ωi、阻尼系数D、额定惯性系数J0i以及控制系数k，获取第i个逆变器角频率微分项dωDi/dt，其表达式为：
Figure BDA0003745945220000051
式中ωcom,i为线路电流的角频率；P*为额定有功功率，PDi＝Pi-P*；ω*为额定角频率，ωDi为过渡变量，ωDi＝ωi-ω*；sgn(·)为符号函数。
作为一种可选实施例，角频率参考量表达式为：ωi＝ω*+ωDi，其中
Figure BDA0003745945220000061
将第i个逆变器的电压幅值参考量设定为额定值，表达式为：
Vi＝V*
根据电压幅值参考量和电压相角参考量，合成作为矢量的电压参考量，即获得第i个逆变器的正弦电压参考量。
需要说明的是，本发明提出的方法适用于图2所示的串联型微电网结构图，该方法的控制框图如图3所示。其中，串联型微电网系统中包含的串联逆变器数目没有范围限定。具体地，在本实施例中，相关电路参数值如表1所示。其中，串联型微电网系统包括3个逆变器模块，每个逆变器对应一个本地控制器。逆变器为基于DC/AC逆变器。每个逆变器出口处接有LC滤波器。LC滤波器串联经线路阻抗(感性)接到负载。每个逆变器包括有功功率和无功功率计算模块、角频率微分项获取模块、电压参考量获取模块、电压调节模块(含电压外环电流内环模块和PWM调制模块)。
表1相关电路参数值
Figure BDA0003745945220000062
Figure BDA0003745945220000071
为了构建第i个逆变器的电压参考量，首先需要获取第i个逆变器的有功功率和无功功率。
其中，获取有功功率和无功功率之后，需要获取第i个逆变器的角频率微分项。具体地，在本实施例中，第i个逆变器角频率微分项dωDi/dt为：
Figure BDA0003745945220000072
式中ωi为本地采集角频率，D为阻尼系数，J0i为额定惯性系数，k为自适应控制系数，ωcom,i为线路电流的角频率，P*为额定有功功率，PDi＝Pi-P*，ω*为额定角频率，ωDi＝ωi-ω*，sgn(·)为符号函数。
其中，基于角频率微分项，构造第i个逆变器的正弦电压参考量。
对102中角频率微分项进行求解，可以获取第i个逆变器的角频率偏差，表达式为
Figure BDA0003745945220000073
在本实施例中，通过设定的额定角频率ω*，第i个逆变器的电压角频率参考量表达式为ωi＝ω*+ωDi；再根据设定的额定电压参考量表达式为Vi＝V*；根据求得的电压角频率参考量和电压幅值参考量，合成第i个逆变器的正弦电压参考量。
基于逆变器的电压参考量，对所述逆变器对应的电压进行调节。采用电压外环电流内环控制，跟踪给定的电压参考量，使得对应的逆变器工作在电压源模式。
本实施例提出的一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法，根据采集第i个逆变器的电压电流信息，计算有功功率和无功功率；根据有功功率和无功功率，结合本地采集角频率、阻尼系数、额定惯性系数以及控制系数获取角频率微分项；根据所述角频率微分项和额定角频率，获取第i个逆变器的角频率参考量，将第i个逆变器的电压幅值参考量设定为额定值，获取第i个逆变器的正弦电压参考量。根据所述正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对第i个逆变器进行调节，实现对整体无通讯的控制。根据本发明提供的一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法及装置，能够实现对动态功率振荡的抑制，从而改善了系统的动态性能，为用户提供高质量的电能。
根据本实施例所采用的串联型微电网结构，按照串联逆变器数量为3，额定有功功率为1000W，额定电压幅值为311/3V，阻尼系数为100，第一个逆变器额定惯性系数为20，第二个逆变器额定惯性系数为30，第三个逆变器额定惯性系数为25，自适应控制参数为20，进行了仿真验证。
对按照串联逆变器数量为3、额定有功功率为1000W、额定电压幅值为311/3V的方式，当自适应控制参数k设定为0时，采用仿真软件进行实验所得的有功功率波形图如图4所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为对应的值，单位为W。
对于按照自适应控制参数k设定为0，采用仿真软件进行实验所得的频率波形图如图5所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为输出有功功率，单位为W。
对于按照自适应控制参数k设定为20的方式，采用仿真软件进行实验所得的有功功率波形图如图6所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为输出有功功率，单位为W。
对按照自适应控制参数k设定为20的方式，采用仿真软件进行实验所得的频率波形图如图7所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为对应的频率值，单位为Hz。
对比仿真波形图4与仿真波形图6，仿真波形图5与仿真波形图7，所提自适应虚拟惯性控制方法能够抑制系统的功率振荡和频率振荡。
由此可知，本发明提出的获取参考量频率和参考量电压的方法实现了串联型微电网的无通讯控制运行，能够抑制系统的功率振荡，改善了系统的动态性能。
实施例2：如图8所示，一种抑制串联型微电网功率振荡的无通讯自适应虚拟惯性控制装置，该无通讯控制装置包括有功功率和无功功率计算模块、角频率微分项获取模块、电压参考量获取模块、电压调节模块，通过有功功率和无功功率计算模块，用于获取第i个逆变器的有功功率和无功功率；通过角频率微分项获取模块，用于获取第i个逆变器的角频率微分项；电压参考量获取模块，用于获取第i个逆变器的正弦电压参考；通过电压调节模块，用于调节第i个逆变器工作在电压源模式。具体的，有功功率和无功功率计算模块用于执行实施例1中抑制串联型微电网功率振荡的无通讯自适应虚拟惯性控制方法中的步骤1，角频率微分项获取模块和电压参考量获取模块分别用于执行实施例1中步骤2-3，电压调节模块用于执行实施例1中步骤4。
第i个逆变器的电压调节模块包括电压外环和电流内环模块以及PWM调制模块，从而构成一个双闭环的电压源自动控制系统，电压外环和电流内环模块的输出端连接到PWM调制模块的输入端，PWM调制模块的输出端连接到H桥逆变器各个开关管，用于控制H桥逆变器各个开关管的导通和断开。
通过本发明提供的一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法及装置，能够抑制系统的功率振荡，改善系统的动态性能，提高系统的稳定性，为用户提供高质量的电能。
作为一种可选实施例，如图8所示，电压参考量获取模块具体用于串联型微电网的第i个逆变器，根据有功功率和无功功率的计算获取角频率微分项，进而获取第i个逆变器的角频率参考量，根据设定的电压幅值参考量，通过电压幅值参考量和电压角频率参考量，获取除第i个逆变器的电压参考量。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1：根据采集第i个逆变器的电压电流信息，计算有功功率和无功功率；
步骤2：根据步骤1所述的有功功率和无功功率，结合本地采集角频率、阻尼系数、额定惯性系数以及控制系数，获取第i个逆变器角频率微分项；
步骤3：根据步骤2所述的角频率微分项，再根据额定角频率，获取第i个逆变器的角频率参考量，将第i个逆变器的电压幅值参考量设定为额定值，获取第i个逆变器的正弦电压参考量；
步骤4：根据步骤3所述的正弦电压参考量，利用电压外环和电流内环对第i个逆变器进行调节，实现对系统无通讯的协调控制。
2.根据权利要求1所述的一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法，其特征在于：步骤2中第i个逆变器角频率微分项计算的方法如下：
根据有功功率Pi和无功功率Qi，结合本地采集角频率ωi、阻尼系数D、额定惯性系数J0i以及控制系数k，获取第i个逆变器角频率微分项dωDi/dt，其表达式为：
Figure FDA0003745945210000011
式中ωcom,i为线路电流的角频率；P*为额定有功功率，PDi＝Pi-P*；ω*为额定角频率，ωDi为过渡变量，ωDi＝ωi-ω*；sgn(·)为符号函数。
3.根据权利要求2所述的一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制方法，其特征在于：步骤3中第i个逆变器的正弦电压参考量的计算方法包括：
根据步骤2所述角频率微分项，再根据额定角频率，获取第i个逆变器的角频率参考量，其表达式为：
Figure FDA0003745945210000021
ωi＝ω*+ωDi
将第i个逆变器的电压幅值参考量设定为额定值，表达式为：
Vi＝V*
根据电压幅值参考量和电压相角参考量，获取第i个逆变器的正弦电压参考量。
4.一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制装置，其特征在于：该控制装置包括，
有功功率和无功功率计算模块，用于计算第i个逆变器的有功功率和无功功率；
角频率微分项获取模块，根据有功功率和无功功率，结合本地采集角频率、阻尼系数、额定惯性系数以及控制系数，用于获取第i个逆变器角频率微分项；
电压参考量获取模块，根据角频率微分项，再根据额定角频率，获取第i个逆变器的角频率参考量，将第i个逆变器的电压幅值参考量设定为额定值，用于获取第i个逆变器的正弦电压参考量；
电压调节模块，根据正弦电压参考量，利用电压外环和电流内环，用于对第i个逆变器进行调节。
5.根据权利要求4所述的一种串联型微电网无通讯自适应虚拟惯性控制装置，其特征在于：电压调节模块包括电压外环电流内环模块以及PWM调制模块，电压外环和电流内环模块的输出端连接到PWM调制模块的输入端，PWM调制模块的输出端连接到H桥逆变器各个开关管。
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