微电网孤岛运行控制系统中的改进下垂控制方法

摘要

本发明公开了一种改进的微电网孤岛运行控制系统中的改进下垂控制方法，它通过在传统下垂控制中，增加下垂系数的自动调节，以及直流侧额定输出功率的自动调节，来减小负荷变化引起的电压幅值和频率的波动。假设微电网中有k组逆变器并联，第k组逆变器输出的有功和无功分别为P

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电网的运行控制方法，尤其涉及一种微电网孤岛运行控制系统中的改 进下垂控制方法。

背景技术

从系统观点来看，微电网将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一 可控的单元，能够同时向用户供给电能和热能。微电网中包含有多个分布式电源(Distributed  Generation，DG)和储能装置，联合向负荷供电，整个微电网对外是一个整体，通过一个主隔离 开关与上级电网变电站相连。微电网的基本结构如图1所示。

微电网有并网运行和孤岛运行两种运行模式，由于很多DG是通过逆变器接入微电网的， 微电网孤岛运行时，就相当于多个逆变器并联。假设有k(k≥2)个逆变器并联，其简化原理 图如图2所示。其中，各个DG的输出电压分别为U₁∠δ₁、U₂∠δ₂…U_k∠δ_k，负载电压为U_L∠0， 且各个并联逆变器模块的参数相同，即r₁＝r₂＝r₃＝…＝r_k＝r，X₁＝X₂＝X₃＝…＝X_k＝X。

如图2所示，负载消耗的功率中，由逆变器k(k≥2)提供的有功功率P_k和无功功率Q_k可 分别表示为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_k=\frac{U_L}{{r_k}^2+{X_k}^2}[r_k(U_k\cos {\delta }_k-U_L)+X_k{U}_k\sin {\delta }_k]\\ Q_k=\frac{U_L}{{r_k}^2+{X_k}^2}[X_k(U_k\cos {\delta }_k-U_L)-r_k{U}_k\sin {\delta }_k]\end{array}\right)---\left(1\right)$

若AO之间、BO之间、CO之间以及DO之间的感抗远大于电阻(即X_k＞＞r_k)，当功率角较 小时，可近似认为sinδ_k＝δk，cosδ_k＝1，则式(1)可写为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_k=\frac{U_L{U}_k}{X_k}{\delta }_k\\ Q_k=\frac{U_L{U}_k-U_L^2}{X_k}\end{array}\right)---\left(2\right)$

由上式可看出，有功功率主要决定于功角，而无功功率主要决定于逆变单元输出电压的 幅值。逆变单元输出电压的幅值可以直接控制，而其功角控制则是通过调节逆变单元输出角 频率ω_k或频率f_k来实现的，即：

$f_k=\frac{{\omega }_k}{2\pi }=\frac{d{\delta }_k}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

此时，逆变器并联系统的下垂控制包含输出电压幅值U_k和角频率ω_k的下垂，下垂控制方 程为：

$\left(\begin{array}{c}{\omega }_k={\omega }_0-k_{\mathrm{P\omega }}{P}_k\\ U_k=U_0-k_{\mathrm{QU}}{Q}_k\end{array}\right)---\left(4\right)$

式中，ω₀为系统空载时的角频率；U₀为系统空载时输出电压的幅值；k_Pω为系统有功-频率下 垂特性曲线的下垂系数；k_QU为系统无功-电压下垂特性曲线的下垂系数。

若AO之间、BO之间、CO之间以及DO之间的电阻远大于感抗(即r_k＞＞X_k)，功率角较小 时，式(1)可改写为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_k=\frac{U_L{U}_k-U_L^2}{r_k}\\ Q_k=-\frac{U_L{U}_k}{r_k}{\delta }_k\end{array}\right)---\left(5\right)$

由上式可以看出，有功功率主要决定于电压幅值，而无功功率主要决定于功角。

此时，逆变器并联系统的下垂控制方程为：

$\left(\begin{array}{c}{\omega }_k={\omega }_0+k_{\mathrm{Q\omega }}{Q}_k\\ U_k=U_0-k_{\mathrm{PU}}{P}_k\end{array}\right)---\left(6\right)$

式中，k_Qω为系统无功-频率下垂特性曲线的下垂系数；k_PU为系统有功-电压下垂特性曲线的 下垂系数。

同理，若AO之间、BO之间、CO之间以及DO之间的电阻与感抗接近时，系统下垂控制 方程为：

$\left(\begin{array}{c}{\omega }_k={\omega }_0-k_{\mathrm{P\omega }}{P}_k+k_{\mathrm{Q\omega }}{Q}_k\\ U_k=U_0-k_{\mathrm{QU}}{Q}_k-k_{\mathrm{PU}}{P}_k\end{array}\right)---\left(7\right)$

在传统的下垂控制方式中，可以实现系统输出功率的自动可调，但牺牲了系统输出电压 幅值和频率的稳态性指标。虽然下垂系数在理论上可以任意小，但在实际应用中由于受到硬 件误差以及控制精度的影响，往往不得不取一个折衷的值。传统的下垂控制中，在不同的系 统负荷下，下垂系数是不变的，因而可能会造成输出电压和频率的过度下垂，影响微电网电 压幅值和频率的稳定性。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，采用一种微电网孤岛运行控制系统中的改进下垂 控制方法，可以有效减小下垂控制中电压幅值和频率的波动，且适用于多个DG并联的情况。

为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

对于微电网孤岛运行控制系统中的改进下垂控制方法，它的步骤为：

步骤1，取微电网中有k组DG，第k组逆变器的输出阻抗和连线阻抗之和为r_k+jX_k，假 设并联逆变器输出阻抗和连线阻抗之和呈现感性为主，即X_k＞＞r_k；

步骤2，取ω_k、U_k分别为第k组逆变器输出电压的角频率和幅值，ω₀、U₀分别为微电 网系统空载时输出电压的角频率和幅值，k_Pω、k_QU分别为系统有功-频率下垂特性曲线和无功 -电压下垂特性曲线的下垂系数，P_k、Q_k分别为第k组逆变器输出的有功功率和无功功率；

步骤3，传统下垂控制中，逆变器输出电压幅值和频率下垂控制方程为：

$\left(\begin{array}{c}{\omega }_k={\omega }_0-k_{\mathrm{P\omega }}{P}_k\\ U_k=U_0-k_{\mathrm{QU}}{Q}_k\end{array}\right)---\left(8\right)$

步骤4，将传统下垂控制中的下垂系数k_Pω和k_QU用一个与有功、无功相关的简单函数替 代，k_Pω2、k_QU2分别为k_Pω和k_QU简单函数的系数，k_Pω1、k_QU1分别为k_Pω和k_QU简单函数中 的常数，即：

$\left(\begin{array}{c}{k}_{\mathrm{P\omega }}=k_{\mathrm{P\omega }1}+k_{\mathrm{P\omega }2}{P}_k\\ k_{\mathrm{QU}}=k_{\mathrm{QU}1}+k_{\mathrm{QU}2}{Q}_k\end{array}\right)---\left(9\right)$

步骤5，引入系统直流侧额定输出功率P_n和Q_n，以及微电网系统的额定输出电压角频率 和幅值ω_n、U_n；

步骤6，实时检测负荷功率P_k和Q_k，负荷功率变化时，在DG的最大输出功率范围内， 对P_n和Q_n自动调节，使其在Δt时间内逐渐趋近于P_k和Q_k，此时，系统下垂控制方程为：

$\left(\begin{array}{c}{\omega }_k={\omega }_n-(k_{\mathrm{P\omega }1}+k_{\mathrm{P\omega }2}{P}_k)(P_n-P_k)\\ U_k=U_n-(k_{\mathrm{QU}1}+k_{\mathrm{QU}2}{Q}_k)(Q_n-Q_k)\end{array}\right)---\left(10\right)$

，进而对微电网系统进行控制。

所述系统直流侧额定输出功率P_n和Q_n，它们的初始值是微电网中DG的额定输出功率。 所述微电网系统的额定输出电压角频率ω_n＝2πf＝100π，额定输出电压幅值U_n＝311V。

本发明是关于微电网孤岛运行控制系统运行中改进下垂控制的发明。在传统下垂控制中， 引入系统直流侧额定输出功率，以及微电网系统的额定输出电压角频率和幅值，增加下垂系 数的自动调节，以及直流侧额定输出功率的自动调节，来减小负荷变化引起的电压幅值和频 率的波动。

本发明的有益效果是：方法简单，可以有效减小并消除负荷变化引起的微电网输出电压 幅值和频率的波动。

附图说明

图1为微电网的基本结构图；

图2为逆变器并联简化原理图；

图3微电网孤岛运行时输出电压频率波形；

图4微电网孤岛运行时输出相电压幅值波形；

具体实施方式

下面结合附图与实例对本发明做进一步说明。

对于微电网孤岛运行控制系统中的改进下垂控制方法，它的步骤为：

步骤1，取微电网中有k组DG，第k组逆变器的输出阻抗和连线阻抗之和为r_k+jX_k，假 设并联逆变器输出阻抗和连线阻抗之和呈现感性为主，即X_k＞＞r_k；

步骤2，取ω_k、U_k分别为第k组逆变器输出电压的角频率和幅值，ω₀、U₀分别为微电 网系统空载时输出电压的角频率和幅值，k_Pω、k_QU分别为系统有功-频率下垂特性曲线和无功 -电压下垂特性曲线的下垂系数，P_k、Q_k分别为第k组逆变器输出的有功功率和无功功率；

步骤3，传统下垂控制中，逆变器输出电压幅值和频率下垂控制方程为：

$\left(\begin{array}{c}{\omega }_k={\omega }_0-k_{\mathrm{P\omega }}{P}_k\\ U_k=U_0-k_{\mathrm{QU}}{Q}_k\end{array}\right)---\left(8\right)$

步骤4，将传统下垂控制中的下垂系数k_Pω和k_QU用一个与有功、无功相关的简单函数替 代，k_Pω2、k_QU2分别为k_Pω和k_QU简单函数的系数，k_Pω1、k_QU1分别为k_Pω和k_QU简单函数中 的常数，即：

$\left(\begin{array}{c}{k}_{\mathrm{P\omega }}=k_{\mathrm{P\omega }1}+k_{\mathrm{P\omega }2}{P}_k\\ K_{\mathrm{QU}}=k_{\mathrm{QU}1}+k_{\mathrm{QU}2}{Q}_k\end{array}\right)---\left(9\right)$

步骤5，引入系统直流侧额定输出功率P_n和Q_n，以及微电网系统的额定输出电压角频率 和幅值ω_n、U_n；

步骤6，实时检测负荷功率P_k和Q_k，负荷功率变化时，在DG的最大输出功率范围内， 对P_n和Q_n自动调节，使其在Δt时间内逐渐趋近于P_k和Q_k，此时，系统下垂控制方程为：

$\left(\begin{array}{c}{\omega }_k={\omega }_n-(k_{\mathrm{P\omega }1}+k_{\mathrm{P\omega }2}{P}_k)(P_n-P_k)\\ U_k=U_n-(k_{\mathrm{QU}1}+k_{\mathrm{QU}2}{Q}_k)(Q_n-Q_k)\end{array}\right)---\left(10\right)$

本发明方法原理如下：

取微电网中有k组DG，传统的下垂控制中，假设并联逆变器输出阻抗和连线阻抗之和呈 现感性为主，即对第k组逆变器，X_k＞＞r_k，逆变器并联系统的下垂控制包含输出电压幅值和 角频率的下垂，下垂控制方程为：

$\left(\begin{array}{c}{\omega }_k={\omega }_0-k_{\mathrm{P\omega }}{P}_k\\ U_k=U_0-k_{\mathrm{QU}}{Q}_k\end{array}\right)---\left(11\right)$

式中，ω_k为第k组逆变器输出角频率的指令值；ω₀为系统空载时的角频率；k_Pω为系统有 功-频率下垂特性曲线的下垂系数；U_k为第k组逆变器输出电压幅值指令值；U₀为系统空载 时输出电压的幅值；k_QU为系统无功-电压下垂特性曲线的下垂系数。

此时，在不同的系统负荷下，下垂系数是不变的，因而可能会造成输出电压和频率的过 度下垂，影响微电网电压幅值和频率的稳定性。为解决该问题，本发明提出一种改进的下垂 控制方法。

首先，通过增加下垂系数的调节，可以减小负荷变化时由逆变器均流控制引起的微电网 电压幅值和频率的过度下垂，从而避免微电网中交流母线电压幅值和频率出现较大波动，增 加微电网逆变器并联系统的稳定性和可靠性。本发明将下垂系数k_Pω和k_QU用一个与有功、无 功相关的简单函数替代，当检测到功率变化时，会根据实际输出功率大小动态地调节下垂量。

其次，本发明还引入了系统直流侧额定输出功率P_n和Q_n，以及微电网系统的额定输出 电压角频率和幅值ω_n、U_n，实时检测负荷功率P_k和Q_k，负荷功率变化时，在DG的最大输 出功率范围内，对P_n和Q_n自动调节，使其在Δt时间内逐渐趋近于P_k和Q_k，当并联逆变器输 出阻抗和连线阻抗之和呈现感性为主，且负荷功率小于系统最大输出功率时，系统的下垂控 制方程如下：

$\left(\begin{array}{c}{\omega }_k={\omega }_n-(k_{\mathrm{P\omega }1}+k_{\mathrm{P\omega }2}{P}_k)(P_n-P_k)\\ U_k=U_n-(k_{\mathrm{QU}1}+k_{\mathrm{QU}2}{Q}_k)(Q_n-Q_k)\end{array}\right)---\left(12\right)$

式中，k_Pω1和k_Pω2为下垂系数k_Pω-P_k线性函数的常数和系数；k_QU1和k_QU2为下垂系数k_QU-Q_k线性函数的常数和系数。

其中，系统直流侧额定输出功率P_n和Q_n的初始值是微电网中DG的额定输出功率，微电 网系统的额定输出电压角频率ω_n＝2πf＝100π，额定输出电压幅值U_n＝311V。

根据本发明的方法，对微电网孤岛运行进行仿真，采用传统下垂控制和改进下垂控制仿 真结果的比较如图3和图4所示。仿真模型由k个DG组成，各个DG交流侧经滤波装置后共 同为负荷供电，模型中的参数设置如下：各个DG模块的参数一致，其中逆变器交流侧的滤 波电感L_k＝2.2mH，电阻r_k＝0.1Ω，滤波电容C_k＝500μF；传统下垂控制中，P-f下垂曲线斜 率为-1×10^-5，Q-U下垂曲线斜率为-1×10^-3；初始时刻，负荷为P＝20kW，Q＝0Var；t＝0.8s时， 负荷变为P＝40kW，Q＝5kVar；t＝1.2s时，负荷又恢复为P＝20kW，Q＝0Var；系统仿真时间为 2s。根据仿真结果可以看出，在负荷变化时，采用本发明中的改进下垂控制可以使系统的输 出电压幅值和频率恢复到额定值，增加微电网逆变器并联系统的稳定性和可靠性。