CN117239827B - 一种混合型孤岛微电网暂态有功响应控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混合型微电网暂态响应技术领域，且公开了一种混合型孤岛微电网暂态有功响应控制方法，包括以下步骤：步骤一，参照Certs混合型微电网，构建了异构微源的混合型孤岛微电网并联系统传递函数模型，得出并联系统从有功阶跃输入到相角差输出的传递函数；步骤二，设计引入微源间通信的暂态有功响应控制策略，在逆变器接口微源控制中增加附加控制，并根据增加附加控制后的传递函数模型确定附加控制增益的设置方法。本发明采用上述混合型孤岛微电网暂态有功响应控制方法，通过设计一种引入微源间通信的控制策略，抑制逆变器接口微源的有功输出峰值，提高系统的响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及混合型微电网暂态响应技术领域，尤其是涉及一种混合型孤岛微电网暂态有功响应控制方法。
背景技术
随着新能源的快速发展，微电网作为可以整合多种分布式微源的系统，是作为解决环境问题以及能源危机的一种方式，由于微电网内包含了多种微源，所以各种微源接入微电网的方式主要分为两种，分别是同步机接口微源和逆变器接口微源，且在国内微电网工程中，大多是两类微源并存的混合型孤岛微电网，然而两类微源在物理结构和动态特性上有着很大差异所以在有功负荷投切时，会增加其配合的难度。
在混合型微电网中，逆变器接口微源采用的是下垂控制与同步机接口微源共同进行频率调节，由于两类微源存在不同，异构微源之间共同工作的方式使得混合型微电网在暂态有功负荷投切的时候性较差，暂态响应的差异和参数调节的问题也是混合型微电网有功负荷投切暂态性能差的主要原因，主要表现为以下两个方面，各个微源间的有功分配不均匀，响应速度慢以及在负荷投切初始阶段逆变器接口微源存在过大的输出峰值，进而会触发逆变器的限幅保护，所以在混合型微电网中，存在有功负荷突增突减的情况时，各个微源的平稳过渡过程是保证微电网稳定运行的关键。
发明内容
为解决上述背景技术中的问题，本发明提供了一种混合型孤岛微电网暂态有功响应控制方法，通过设计一种引入微源间通信的控制策略，抑制逆变器接口微源的有功输出峰值，提高系统的响应速度。
为实现上述目的，本发明提供了一种混合型孤岛微电网暂态有功响应控制方法，包括以下步骤：
步骤一，参照Certs混合型微电网，构建了异构微源的混合型孤岛微电网并联系统传递函数模型，得出并联系统从有功阶跃输入到相角差输出的传递函数；
步骤二，设计引入微源间通信的暂态有功响应控制策略，在逆变器接口微源控制中增加附加控制，并根据增加附加控制后的传递函数模型确定附加控制增益的设置方法。
优选的，步骤一中，异构微源并联系统同步机接口微源与逆变器接口微源的输出有功公式如下所示：
；
其中为同步机接口微源输出有功，/>为逆变器接口微源输出有功，/>为同步机接口微源电压幅值，/>为逆变器接口微源电压幅值，/>为同步机接口微源相角值，/>为逆变器接口微源相角值，/>为同步机微源对外等效电抗，/>为逆变器接口微源对外等效电抗，/>与/>分别为逆变器接口微源、同步机接口微源与有功负荷间的线路电抗，/>为逆变器接口微源、同步机接口微源共同承担的有功负荷；
同步机接口微源下垂控制外环的方程如下所示：
；
其中代表低通滤波器的环节时间常数，/>为同步机接口微源下垂系数，为下垂控制输出角频率参考的有名值，/>为额定功率，/>为额定角频率，/>为微分算子。
优选的，将输入到原动机-调速器中，原动机-调速器部分的方程如下所示：
；
其中和/>分别为调速器PI参数，/>为输出机械功率标幺值，/>为角频率基值，/>为延迟环节时间常数，/>为同步机接口微源输出角频率；
同步机转子的运动标幺值方程如下所示：
；
其中为同步机接口微源有功功率基值，/>为同步机惯性时间常数；
结合同步机接口微源下垂控制外环的方程、原动机-调速器部分的方程和同步机转子的运动标幺值方程，同步机接口微源由到/>的有名值传递函数/>如下所示：
；
其中为同步机接口微源间频率变化量，/>为同步机接口微源的输出有功功率变化量，/>为同步机接口微源下垂系数；
逆变器接口微源传递函数如下所示：
；
其中为逆变器接口微源间频率变化量，/>为逆变器接口微源的输出有功功率变化量，/>为逆变器接口微源下垂系数。
优选的，根据异构微源并联系统同步机接口微源与逆变器接口微源的输出有功公式，得到并联系统从有功阶跃输入到相角差输出的传递函数如下所示：
；
其中为同步机接口微源相角值，/>为逆变器接口微源相角值，/>为积分环节，/>与/>分别为同步机接口微源、逆变器接口微源初始有功分配系数，/>为动态有功转移系数；/>为负荷投切的变化量；根据异构微源并联系统同步机接口微源与逆变器接口微源的输出有功公式定义为：
。
优选的，步骤二中，在下垂控制中的各个机组在稳态下以容量比分配有功负荷，首先利用步骤一中同步机接口微源与逆变器接口微源的有名值、基准容量300KVA，求得同步机接口微源与逆变器接口微源的有功标幺值，各个机组输出的有功标幺值在稳态下相同，设置同步机接口微源与逆变器接口微源有功输出标幺值之差作为输入量，设计逆变器接口微源的附加控制。
优选的，在暂态中，当时，逆变器接口微源相比于稳态时承担更多有功负荷，调整附加控制与原参考角频率的输出，减小输出使有功功率由逆变器接口微源向同步机接口微源动态转移；
若，同步机接口微源相比于稳态时会承担过多的有功负荷，调整附加控制与原参考角频率的输出，增大输出使有功功率由同步机接口微源向逆变器接口微源动态转移，若并联系统在稳态时，/>，则逆变器接口微源的附加控制退出，如下式所示：
；
其中为逆变器接口微源下垂控制输出角频率参考的有名值，/>为附加控制的控制增益，对于引入附加控制的逆变器接口微源，当引入上式的附加控制后，并联系统从有功阶跃输入到相角差输出的传递函数/>变为：
。
因此，本发明采用上述混合型孤岛微电网暂态有功响应控制方法，具有以下有益效果：
（1）本发明提出一种微源间通信的控制策略，在逆变器接口微源控制中增加附加控制并根据增加附加控制后的传递函数模型确定附加控制增益的设置方法，能够抑制逆变器接口微源的有功输出峰值，提高系统的响应速度。
（2）本发明引入微源间通信的暂态有功响应控制策略，能够使异构微源的混合型孤岛微电网在突加有功负荷时的暂态过程响应快、有功分配均匀、暂态初始阶段两类微源输出有功峰值低，保证微电网稳定运行。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种混合型孤岛微电网暂态有功响应控制方法实施例的流程示意图；
图2为本发明实施例的同步机接口控制框图；
图3为本发明实施例的逆变器接口控制框图；
图4为本发明实施例的异构微源并联系统结构示意图；
图5为本发明实施例的逆变器接口微源附加控制策略示意图；
图6为本发明实施例的并联系统极点随增益变化轨迹示意图；
图7为本发明实施例的逆变器接口微源附加控制增益时的极点分布与不加入附加控制情况下的极点分布对比示意图；
图8为本发明实施例的同步机接口微源与逆变器接口微源并联系统有功负荷突增暂态响应示意图；
图9为本发明实施例的同步机接口微源与逆变器接口微源附加控制下并联系统有功负荷突增暂态响应示意图；
图10为本发明实施例的含多台同步机接口微源和逆变器接口微源的混合型微电网结构示意图；
图11为本发明实施例的混合型微电网有功负荷突增暂态响应示意图。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
如图1所示，本发明所述的一种混合型孤岛微电网暂态有功响应控制方法，包括以下步骤：
步骤一，参照Certs混合型微电网，构建了异构微源的混合型孤岛微电网并联系统传递函数模型，得出并联系统从有功阶跃输入到相角差输出的传递函数。
异构微源并联系统同步机接口微源与逆变器接口微源的输出有功公式如下所示：
其中为同步机接口微源输出有功，/>为逆变器接口微源输出有功，/>为同步机接口微源电压幅值，/>为逆变器接口微源电压幅值，/>为同步机接口微源相角值，/>为逆变器接口微源相角值，/>为同步机微源对外等效电抗，/>为逆变器接口微源对外等效电抗，/>与/>分别为逆变器接口微源、同步机接口微源与有功负荷间的线路电抗，/>为逆变器接口微源、同步机接口微源两者共同承担的有功负荷。
同步机接口微源下垂控制外环的方程如下所示：
；
其中代表低通滤波器的环节时间常数，/>为同步机接口微源下垂系数，为下垂控制输出角频率参考的有名值，/>为额定功率，/>为额定角频率，/>为微分算子。
将输入到原动机-调速器中，原动机-调速器部分的方程如下所示：
；
其中和/>分别为调速器PI参数，/>为输出机械功率标幺值，/>为角频率基值，/>为延迟环节时间常数，/>为同步机接口微源输出角频率。
同步机转子的运动标幺值方程如下所示：
；
其中为同步机接口微源有功功率基值，/>为同步机惯性时间常数。
结合式(2)-(4)，同步机接口微源由到/>的有名值传递函数/>如下所示：
；
其中为同步机接口微源间频率变化量，/>为同步机接口微源的输出有功功率变化量，/>为同步机接口微源下垂系数；
逆变器接口微源传递函数如下所示：
；
其中为逆变器接口微源间频率变化量，/>为逆变器接口微源的输出有功功率变化量，/>为逆变器接口微源下垂系数。
根据异构微源并联系统同步机接口微源与逆变器接口微源的输出有功公式，得到并联系统从有功阶跃输入到相角差输出的传递函数如下所示：
；
其中为同步机接口微源相角值，/>为逆变器接口微源相角值，/>为积分环节，/>与/>分别为同步机接口微源、逆变器接口微源初始有功分配系数，/>为动态有功转移系数；/>为负荷投切的变化量；根据式(1)，并联系统从有功阶跃输入到相角差输出的传递函数/>：
；
步骤二，设计引入微源间通信的暂态有功响应控制策略，在逆变器接口微源控制中增加附加控制，并根据增加附加控制后的传递函数模型确定附加控制增益的设置方法。
在下垂控制中的各个机组在稳态下以容量比分配有功负荷，首先通过公式(1)的两个微源的有名值并利用基准容量300KVA求得两个微源的有功标幺值，各个机组输出的有功标幺值在稳态下相同，所以设置同步机接口微源与逆变器接口微源有功输出标幺值之差作为输入量，设计一种逆变器接口微源的附加控制，
在暂态中，当时，逆变器接口微源相比于稳态时会承担过多的有功负荷，所以调整附加控制与原参考角频率的输出，使其减小使得有功功率由逆变器接口微源向同步机接口微源动态的转移。
若，同步机接口微源相比于稳态时会承担过多的有功负荷，所以调整附加控制与原参考角频率的输出，使其增大使得有功功率由同步机接口微源向逆变器接口微源动态的转移。
若并联系统在稳态时，，则逆变器接口微源的附加控制退出，如下式所示：
；
其中为逆变器接口微源下垂控制输出角频率参考的有名值，/>为附加控制的控制增益，当引入上式的附加控制后，并联系统从有功阶跃输入到相角差输出的传递函数/>：
；
下面以单个同步机接口微源与逆变器接口微源并联系统突增有功负荷的仿真，验证本发明提出的引入微源间通信的暂态有功响应控制策略的有效性，单个同步机接口与逆变器接口框图如附图2和3所示，异构微源并联系统框图如图4所示，逆变器接口微源附加控制如图5所示，增加附加控制后系统极点随增益的变化轨迹如图6所示，用于验证控制算法有效性的结果来自于仿真软件Matlab/Simulink。
系统选取路线参数、/>，线路长度均为100m。并联系统参数表如表1所示，附加控制增益/>时，系统极点分布与不加入附加控制的情况对比图如图7所示，可以看出逆变器接口微源增加附加控制之后在选择合适的增益后，使得实轴上的极点远离虚轴，并且使得共轭极点远离虚轴，附加的控制对于系统振荡有很好的抑制作用。
表1 并联系统参数表
；
首先，并联系统带有功负荷进入稳态且两个微源的输出都为40KW，当突增100KW有功负荷后，两类微源并联系统以及引入通信并联系统的有功负荷突增暂态响应图像如图8、图9所示，可以看出突加有功负荷后的暂态性能得到了改善，使得逆变器接口微源的输出有功峰值降低，系统的响应速度提高。
进一步的将附加控制的方式引入混合型孤岛微电网存在多台同步机接口微源和逆变器接口微源的情况，然而此附加控制的策略仅需将多个同步机接口微源的有功输出标幺值经加和、平均再引入附加控制的反馈即可。
含多台同步机接口微源和逆变器接口微源的混合型孤岛微电网结构图如图10所示，，/>，各个微源的下垂控制外环在稳态下仍设置为按容量比分配有功。并联系统带有功负荷/>，/>由100KW突增到300KW，含多台微源的混合型孤岛微电网有功负荷突增暂态响应图如图11所示，可以看出在多台微源的并联系统中，本发明所提出的控制策略仍有很好的效果。
因此，本发明采用上述混合型孤岛微电网暂态有功响应控制方法，通过设计一种引入微源间通信的控制策略，抑制逆变器接口微源的有功输出峰值，提高系统的响应速度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种混合型孤岛微电网暂态有功响应控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，参照Certs混合型微电网，构建了异构微源的混合型孤岛微电网并联系统传递函数模型，得出并联系统从有功阶跃输入到相角差输出的传递函数；
步骤二，设计引入微源间通信的暂态有功响应控制策略，在逆变器接口微源控制中增加附加控制，并根据增加附加控制后的传递函数模型确定附加控制增益的设置方法；
步骤二中，在下垂控制中的各个机组在稳态下以容量比分配有功负荷，首先利用步骤一中同步机接口微源与逆变器接口微源的有名值、基准容量300KVA，求得同步机接口微源与逆变器接口微源的有功标幺值，各个机组输出的有功标幺值在稳态下相同，设置同步机接口微源与逆变器接口微源有功输出标幺值之差P* IM-P* SM作为输入量，设计逆变器接口微源的附加控制；
在暂态中，当P* IM-P* SM＞0时，逆变器接口微源相比于稳态时承担更多有功负荷，调整附加控制与原参考角频率的输出，减小输出使有功功率由逆变器接口微源向同步机接口微源动态转移；
若P* IM-P* SM＜0，同步机接口微源相比于稳态时会承担过多的有功负荷，调整附加控制与原参考角频率的输出，增大输出使有功功率由同步机接口微源向逆变器接口微源动态转移，若并联系统在稳态时，P* IM＝P* SM，则逆变器接口微源的附加控制退出，如下式(9)所示：
ωrefIM＝ωref-(P* IM-P* SM)K
其中ωrefIM为逆变器接口微源下垂控制输出角频率参考的有名值，K为附加控制的控制增益，当引入上式的附加控制后，并联系统从有功阶跃输入到相角差输出的传递函数Gparallel变为：
其中，ωref为下垂控制输出角频率参考的有名值，KinSM与KinIM分别为同步机接口微源、逆变器接口微源初始有功分配系数，GSM为同步机接口微源由ΔPSM到ΔωSM的有名值传递函数，ΔωSM为同步机接口微源间频率变化量，ΔPSM为同步机接口微源的输出有功功率变化量，GI为积分环节，Pb为同步机接口微源有功功率基值，GIM为逆变器接口微源传递函数，Kt为动态有功转移系数。
2.根据权利要求1所述的一种混合型孤岛微电网暂态有功响应控制方法，其特征在于：步骤一中，异构微源并联系统同步机接口微源与逆变器接口微源的输出有功公式如下所示：
其中PSM为同步机接口微源输出有功，PIM为逆变器接口微源输出有功，USM为同步机接口微源电压幅值，UIM为逆变器接口微源电压幅值，θSM为同步机接口微源相角值，θIM为逆变器接口微源相角值，xSM为同步机微源对外等效电抗，xIM为逆变器接口微源对外等效电抗，xLI与xLS分别为逆变器接口微源、同步机接口微源与有功负荷间的线路电抗，PL为逆变器接口微源、同步机接口微源共同承担的有功负荷；
同步机接口微源下垂控制外环的方程如下所示：
其中TfilSM代表低通滤波器的环节时间常数，KSM为同步机接口微源下垂系数，ωref为下垂控制输出角频率参考的有名值，Pn为额定功率，ωn为额定角频率，s为微分算子。
3.根据权利要求2所述的一种混合型孤岛微电网暂态有功响应控制方法，其特征在于：
将ωref输入到原动机-调速器中，原动机-调速器部分的方程如下所示：
其中KP和Ki分别为调速器PI参数，Pmec为输出机械功率标幺值，ωb为角频率基值，Td为延迟环节时间常数，ωSM为同步机接口微源输出角频率；
同步机转子的运动标幺值方程如下所示：
其中Pb为同步机接口微源有功功率基值，H为同步机惯性时间常数；
结合步骤一中的同步机接口微源下垂控制外环的方程以及上述的原动机-调速器部分的方程和同步机转子的运动标幺值方程，同步机接口微源由ΔPSM到ΔωSM的有名值传递函数GSM如下所示：
其中ΔωSM为同步机接口微源间频率变化量，ΔPSM为同步机接口微源的输出有功功率变化量，KSM为同步机接口微源下垂系数；
逆变器接口微源传递函数GIM如下所示：
其中ΔωIM为逆变器接口微源间频率变化量，ΔPIM为逆变器接口微源的输出有功功率变化量，KIM为逆变器接口微源下垂系数。
4.根据权利要求3所述的一种混合型孤岛微电网暂态有功响应控制方法，其特征在于：根据异构微源并联系统同步机接口微源与逆变器接口微源的输出有功公式，得到并联系统从有功阶跃输入到相角差输出的传递函数Gparallel如下所示：
其中θSM为同步机接口微源相角值，θIM为逆变器接口微源相角值，GI为积分环节，KinSM与KinIM分别为同步机接口微源、逆变器接口微源初始有功分配系数，Kt为动态有功转移系数；ΔPL为负荷投切变化量，根据步骤一中异构微源并联系统同步机接口微源与逆变器接口微源的输出有功公式定义为：
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