一种基于逆系统的微网有功无功功率独立控制方法

摘要

本发明公开了电力系统中微网技术领域中的一种基于逆系统的微网有功无功功率独立控制方法。首先计算出与所控微电源相连的线路上应传输的有功功率和无功功率；再由逆系统控制单元根据输入的有功功率和无功功率计算出所控微电源应输出的电压的有效值和相位；最后由脉宽调制PWM控制单元根据电压有效值和相位实时计算并发出脉冲信号，控制被控微电源的逆变器，实现线路上有功功率和无功功率传输控制。本发明解决了微网中传输线功率传输中有功功率和无功功率的相互耦合问题，提供了一种适用于微网中线路参数特点、能够精确控制功率传输、并能实现有功功率和无功功率独立调节的控制方法。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统中的微网技术领域，尤其涉及一种基于逆系统的微网有功无功功率独立控制方法。

背景技术

微网(Microgrid)通常被定义为由微电源(即：微网中的分布式电源Distributed Generation，DG)、储能设备和负荷等共同组成的系统，如图1所示。图中，微网由一组放射型馈线组成，通过一个公共连接点与大电网相连，A、B、C三条馈线上有敏感负荷，需要有微电源提高供电可靠性，而在只有非敏感负荷的馈线上则可不需要有微电源。在节点1、2、3、4处有四个微电源，当微网独立运行时，敏感负荷与配电网断开，由微电源对其提供功率支持，当微网与配电网联网运行时，微电源也可以向非敏感负荷供电。微电源可包括光伏发电、风力发电、燃料电池发电、微燃机发电等，微电源和储能设备通常由电力电子器件负责能量转换，并提供必要的控制。

微网可以为高科技园区、居民小区、大学校园或海岛等供电；微网中微电源通常带有本地负荷，但微电源与本地负荷不一定时时刻刻都匹配，不同微电源需要通过微网线路进行功率传输，且传输线通常长度为几公里。传统功率传输控制方法中的P-f、Q-U控制方法是适用于高压传输线参数的功率传输控制，即适用于传输线参数中感抗远大于电阻的情况。而对于微网中传输线参数的特点，原控制方法不再适用。微网中传输线参数如表1所示，感抗值和电阻值为同一个数量级，使得功率传输方程中有功和无功耦合在一起，且忽略感抗或者电阻都会导致功率传输控制的不精确。

表1微网传输线阻抗参数

发明内容

针对上述背景技术中提到的现有微网传输线功率中有功功率和无功功率的相互耦合、导致有功无功功率独立调节不易、不利于微网内潮流调控的不足，本发明提出了一种基于逆系统的微网有功无功功率独立控制方法。

本发明的技术方案是，一种基于逆系统的微网有功无功功率独立控制方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：功率传输决策单元根据微电源的输出功率和负荷，计算出传输线上传输的有功功率和无功功率；

步骤2：逆系统控制单元根据步骤1得到的数据，计算出被控微电源输出的电压有效值和电压相位角；

步骤3：脉宽调制PWM控制单元根据步骤2得到的数据，实时计算并发出脉冲信号，控制被控微电源的逆变器，实现线路上有功功率和无功功率传输控制。

所述有功功率和无功功率的计算公式分别为：

$\left(\begin{array}{c}P=P_{\mathrm{DG}1}-P_{\mathrm{Load}1}\\ Q=Q_{\mathrm{DG}1}-Q_{\mathrm{Load}1}\end{array}\right)$

其中：

P为与微电源1相连的线路上忽略线路有功损耗时应传输的有功功率；

Q为与微电源1相连的线路上忽略线路无功损耗时应传输的无功功率；

P_DG1为微电源1发出的有功功率；

Q_DG1为微电源1发出的无功功率；

P_Load1为本地负荷1的有功功率；

Q_Load1为本地负荷1的无功功率。

所述P、Q的计算公式分别为：

$\left(\begin{array}{c}P=P_2=\frac{U_2}{R^2+X^2}[R(U_1\cos {\delta }_{12}-U_2)+{\mathrm{XU}}_1\sin {\delta }_{12}]\\ Q=Q_2=\frac{U_2}{R^2+X^2}[-{\mathrm{RU}}_1\sin {\delta }_{12}+X(U_1\cos {\delta }_{12}-U_2)]\end{array}\right)$

其中：

P₂为母线2处线路侧的有功功率；

Q₂为母线2处线路侧的无功功率；

U₁为母线1的电压有效值；

U₂为母线2的电压有效值；

δ₁₂为电压相量与的夹角；

R为传输线的电阻；

X为传输线的感抗。

所述电压有效值的计算公式为：

$U_1=\frac{P_{2}R+Q_{2}X}{U_2}+U_2.$

所述电压相位角的计算公式为：

${\delta }_{12}=\frac{P_{2}X-Q_{2}R}{P_{2}R+Q_{2}X+{U_2}^2}.$

本发明的优点在于针对微网中传输线的实际参数特点，利用逆系统控制方法实现了传输线上功率传输的精确控制，并很好地实现了有功、无功的独立控制，有利于微网中有功、无功潮流的独立调整。

附图说明

图1为实施例中微网基本结构图。

图2为实施例中有功无功独立控制框图。

图3为逆系统有功无功独立控制原理图。

图4为实施例中传输线及两端被控系统示意图。

图5为实施例中传输线两端电压电流表示及相量分析图。

图6为逆系统独立控制单元内部运算示图。

图7为有功无功独立控制方法应用于微网有功调节示例仿真实验图。

图8为有功无功独立控制方法应用于微网无功调节示例仿真实验图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明的原理：

通过控制微网线路一端微电源的输出电压有效值和相位来实现微网线路中的功率传输控制，电压有效值和相位是利用逆系统方法将功率传输方程求逆所得逆系统的输出，这里，以线路另一端的电压为参考电压。其实现步骤为：首先由功率传输决策单元根据各微电源的本地信息计算出与所控微电源相连的线路上应传输的有功功率和无功功率，将数据送给逆系统控制单元；再由逆系统控制单元根据输入的有功功率和无功功率计算出所控微电源应输出的电压有效值和相位，由于计算中以线路另一端的电压为参考值，因此由逆系统控制单元解得的电压相位差即为所控微电源应输出的电压相位；最后由脉宽调制PWM控制单元根据电压有效值和相位实时计算并发出脉冲信号，控制被控微电源的逆变器，实现线路上有功功率和无功功率的独立控制。

该控制方法所需控制模块包括功率传输决策单元、逆系统控制单元、以及脉宽调制PWM控制单元，如图2所示。

本发明的具体实施方式：

(1)功率传输决策单元根据微电源输出功率和负荷计算出微网传输线上应传输的有功功率和无功功率，这里，以微电源1的控制为例，可以通过下述公式计算：

$\left(\begin{array}{c}P=P_{\mathrm{DG}1}-P_{\mathrm{Load}1}\\ Q=Q_{\mathrm{DG}1}-Q_{\mathrm{Load}1}\end{array}\right)---\left(1\right)$

公式中：P_DG1和Q_DG1为微电源1发出的有功和无功功率；P_Load1和Q_Load1为本地负荷的有功和无功功率；P、Q为与微电源1相连的微网线路上忽略线路有功损耗、无功损耗时应传输的有功功率和无功功率。

进而，将P、Q送给逆系统控制单元。

(2)忽略微网线路损耗，由线路输送到母线2侧的功率P₂＝、Q₂＝Q。通过逆系统控制单元，由P₂、Q₂计算得出母线1的电压U₁、以及与的夹角δ₁₂，

如图3所示，由于计算中以母线2的电压为参考电压，因此由逆系统解得的电压相位差δ₁₂即为微电源1应输出的电压相位。然后将信号送给脉宽调制PWM控制单元。

逆系统控制单元原理如下：

如图4、图5所示，传输线上功率传输公式为：

${\tilde{S}}_2=P_2+j{Q}_2={\stackrel{·}{U}}_2·\stackrel{*}{I}---\left(2\right)$

式中：

为母线2线路侧的复功率；

为母线2处的电压相量；

为母线2线路侧的电流相量的共轭值。

$\left(\begin{array}{c}P=P_2=\frac{U_2}{R^2+X^2}[R(U_1\cos {\delta }_{12}-U_2)+{\mathrm{XU}}_1\sin {\delta }_{12}]\\ Q=Q_2=\frac{U_2}{R^2+X^2}[-{\mathrm{RU}}_1\sin {\delta }_{12}+X(U_1\cos {\delta }_{12}-U_2)]\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中：R和X为传输线的电阻和感抗。

通常δ₁₂很小，则sinδ₁₂≈δ₁₂，cosδ₁₂≈1，上述公式(3)化简得：

$\left(\begin{array}{c}{P}_2=\frac{U_2}{R^2+X^2}[{\mathrm{RU}}_1-{\mathrm{RU}}_2+{\mathrm{XU}}_1{\delta }_{12}]\\ Q_2=\frac{U_2}{R^2+X^2}[{\mathrm{XU}}_1-{\mathrm{XU}}_2-{\mathrm{RU}}_1{\delta }_{12}]\end{array}\right)---\left(4\right)$

由于微网线路的电阻和感抗处于同一个数量级，如表1所示，不能忽略任何一个，使公式(4)无法进一步化简，难以直接实现微网的有功、无功功率独立控制。因此，要实现对微网线路有功功率和无功功率的独立、精确控制需要采用逆系统有功、无功独立控制方法。

根据逆系统的思想，将P₂、Q₂作为输入，U₁、δ₁₂作为输出，求解公式(4)的逆系统方程得公式(5)：

$\left(\begin{array}{c}{U}_1=\frac{P_{2}R+Q_{2}X}{U_2}+U_2\\ {\delta }_{12}=\frac{P_{2}X-Q_{2}R}{P_{2}R+Q_{2}X+{U_2}^2}\end{array}\right)---\left(5\right)$

由逆系统方程设计逆系统控制单元如图6，整个逆系统控制过程示意图如图3，图中P′和Q′为采用基于逆系统的微网有功、无功功率独立控制方法对微电源调整后传输线上实际传输的有功功率和无功功率。由于逆系统是被控系统精确模型的求逆，因此，理论上可以使P′、Q′与线路上应传输的有功功率和无功功率目标值P、Q分别实时保持一致，实现有功、无功功率的精确、独立控制。

(3)在PWM控制单元中，以公式(5)中求得的U₁、δ₁₂构成的电压作为参考波电压，将实时检测到的微电源1并网点电压与参考波电压进行滞环比较，可以产生相应的PWM脉冲列，进而控制微电源1的并网逆变器输出电压的大小和相位，从而使母线1的电压达到理论目标值，进而保证传输线上的有功、无功功率与功率决策单元要求一致，可实现微网传输线上有功、无功功率独立、精确控制。

建立微网如图4所示，微电源1与微电源2之间传输线长度为1千米，参数采用LJ-70型导线参数，如表1所示。微电源1发出有功功率10千瓦，无功功率2千乏，在原工况下，微电源1经线路向微电源2侧传输的有功功率为1.8千瓦，无功功率为0.6千乏。下面进行不同工况下的仿真实验：

第一种工况，在1.5秒时，微电源2侧的本地有功负荷增加0.6千瓦、无功负荷不变。根据微网功率调整指令，微电源2向其本地负荷提供的有功功率增加0.2千瓦，无功功率不变；微电源1采用基于逆系统的微网有功无功功率独立控制方法经传输线向微电源2侧传输的有功功率增加0.4千瓦，以满足有功负荷变化要求，而无功功率不变，微网传输线上有功功率调节仿真结果如图7所示。

第二种工况，在1.5秒时，微电源2侧的本地无功负荷增加0.4千乏、有功负荷不变。根据微网功率调整指令，微电源2向其本地负荷提供的无功功率增加0.1千乏，有功功率不变；微电源1采用基于逆系统的微网有功无功功率独立控制方法经传输线向微电源2侧传输的无功功率增加0.3千乏，以满足无功负荷变化要求，而有功功率不变，微网传输线上无功功率调节仿真结果如图8所示。

以上仿真实验中，线路上所传输的有功、无功功率均是采用基于逆系统的微网有功无功功率独立控制方法通过微电源1的并网逆变器来控制母线1的电压有效值及其相位，进而实现微电源1与微电源2之间传输线上有功、无功功率独立、精确控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。