一种基于动态基准的低压微电网改进下垂控制策略

摘要

本发明公开了一种基于动态基准的低压微电网改进下垂控制策略，根据有功负荷的变化来构建P‑U下垂控制中频率基准的取值，来补偿微网的频率波动，基于无功负荷的变化构建Q‑f下垂控制中电压基准值的原理，改进无功下垂系数，改善微源的无功均分。其中Q‑f下垂控制中的动态频率基准是在其额定值基础上加上负载变化引起的频率偏离量，在几乎不影响微源无功输出的情况下适应不同负荷侧无功需求时的频率调节，实现频率的误差调节，进而提高频率的稳定性；P‑U下垂控制中的动态电压基准是在其额定值基础上机上各微源线路压降值，简化控制，本发明以改进下垂系数来等效替代动态电压基准，可使有功均分可在各微源输出电压不同的情况下仍保持精准。

说明书

技术领域

本发明涉及智能电网控制领域，尤其是一种基于动态基准的低压微电网改进下垂控制策略的设计方法及其控制系统。

背景技术

随着新能源和可再生能源发电的不断渗透，为有效解决分布式发电大规模并网状态下所引发的诸多问题，充分发挥其潜能，在分布式发电技术领域产生了微电网。微电网以微源的形式整合如光伏发电、风力发电等各种类型可再生能源，提高了资源的使用效率，并通过热电联产来更好地协调各式微源。下垂控制法作为广泛适用于微网中逆变器的控制方法之一，可实现微源的即插即用功能及点对点控制，在协调微源工作时对微源间的通信并无太大依赖，所以在微源的功率平衡及电压稳定等方面，下垂控制表现得更加高效和可靠。

下垂控制属于有差调节，当微网系统的负荷变化时，不能保证微网的运行频率稳定在额定值，频率波动现象较为明显，除此之外，微网中各微源系统线路阻抗的差异使各逆变器的输出电压偏离其额定值程度不一，彼此间存在差异，因此传统的下垂控制也不能精准地实现有功功率均分。因此，负荷变化时的微电网的频率及微源出力的安全稳定性控制仍然是关键性技术难题之一。目前针对上述问题通常采用以下几种控制策略：(1)基于不同时间尺度的分层控制；(2)分层一致性控制方法。前者通过在较短时间尺度内增大下垂系数的一次控制来提高功率均分精度，并在较长时间尺度内利用二次控制调整频率，尽管可一定程度上改善功率均分精度，但频率偏差的解决效果并不理想，在时间上也有局限性；后者通过协调各微源出力，使微源在出力突变后的电压、频率趋于一直稳定，同样频率波动问题仍旧存在。正是出于上述原因，所以急需一种既能维持频率稳定，又能改善有功功率均分的控制策略，来确保低压微网出力及频率的稳定。

发明内容

本发明针对传统P-U下垂控制中负荷变化引起的的频率波动现象及受线路阻抗影响的功率均分问题，提供一种基于动态基准的低压微电网改进下垂控制策略。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述策略为：根据无功负荷的实时变化来设计实时的频率基准值，确保频率随负荷变化的波动相对较小；以根据各微源线路压降随有功负荷的实时变化来设计实时的电压基准值为原理，改进有功下垂系数，并使有功均分能在各微源输出电压不同的情况下保持精准。

所述策略的具体内容如下：

步骤1，设计Q-f控制中动态频率基准的实时取值；

步骤2，设计P-U控制中动态电压基准的实时取值；

步骤3，设计P-U控制的下垂系数；

步骤4，设计下垂控制器。

进一步的，步骤1中，根据微源分派的无功变化来拟定动态频率基准值，即频率基准值大小因负荷而定，以此来补偿频率的偏离量，进而保证微网运行频率稳定在额定值，具体如下：

(1.1)首先确定微源分派的无功变化量；

假设无功负荷在1,2,...,j,...,n(j≥2)时刻发生改变，以任意j时刻时的前一时刻j-1时刻时的微源无功为基础，可得j时刻时微源分派的无功变化量：

ΔQ(j)＝Q(j)-Q(j-1)，(1)

令ΔQ(0)＝0，可得关于微源分派的无功变化序列，设为A，则

A＝(ΔQ(0),ΔQ(1),...,ΔQ(j),...,ΔQ(n))^T，(2)

(1.2)确定频率基准的校正量；

根据微源Q-f下垂控制方程，可得j时刻时的微网频率偏移量：

Δf(j)＝m·ΔQ(j)，(3)

其中，m是无功下垂系数，令j时刻时的频率基准的校正量：

Δf^*(j)＝f^*(j)-f^*(j-1)＝-Δf(j)，(4)

则可得到关于微源频率基准值校正序列，设为B，则

B＝-m·A，(5)

(1.3)确定各时刻微源的频率基准值，设F为各时刻的微源基准频率序列：

F＝(f^*(0),f^*(1),...,f^*(j),...,f^*(n))^T，(6)

令f^*(0)＝50Hz，根据式(4)，则有F＝MF+B，其中M是常数矩阵(rank(M)＝n+1)

则有

F＝(E-M)^-1B，(8)

则j时刻时的微源频率基准值为

f^*(j)＝D·F＝mD(E-M)^-1A，(9)

其中，代表第j+1位数是1的n+1维单位行向量。

进一步的，步骤2中，考虑负荷变化时各微源的线路压降来确定各P-U控制中的动态电压基准值，得出符合微源实际运行时的P-U下垂特性，即为了使下垂特性适合微源实际运行时的输出电压控制，可在各微源输出电压不同情况下，使微源间的有功均分保持精准，具体如下：

(2.1)确定线路压降的变化量；

假设有功负荷也在1,2,...,j,...,n(j≥2)时刻改变，以任意j时刻的前一时刻j-1时刻的线路压降为基础，可得j时刻时的微源线路压降幅值变化量：

ΔU_L(j)＝U_L(j)-U_L(j-1)，(10)

令ΔU_L(0)＝0，可得微源线路压降的变化序列，设为C，则

C＝(ΔU_L(0),ΔU_L(1),...,ΔU_L(j),...,ΔU_L(n))^T，(11)

(2.2)确定动态电压基准值，即各时刻时的微源电压基准值；

令j时刻时的电压基准值为

U^*(j)＝U^*(j-1)+ΔU_L(j)，(12)

令U^*(0)＝U_S，其中U_S是公共耦合点电压，设各时刻时的微源电压基准值系列为U：

U＝(U^*(0),U^*(1),...,U^*(j),...,U^*(n))^T，(13)

令U＝MU+C，其中M如式(7)所示，则

U＝(E-M)^-1C，(14)

则j时刻时的微源电压基准值为

U^*(j)＝D·U＝D(E-M)^-1C，(15)。

进一步的，步骤3中，以步骤2为原理，通过拟合每次负荷有功变化时的微源实际运行点，得出拟合直线方程，并能以改进传统的有功下垂系数的方法来实现，具体如下：

对微源的各实际运行点进行拟合，其方程求解如下：

(3.1)确定微源最大有功运行点P坐标(P_max,U′_min)；

低压微网中，线路阻抗以阻性为主，当微源最大有功输出时，其线路压降为：

式中，R_L是线路阻抗，则点P纵坐标：

式中，U_min为理论上微源的最小运行电压幅值。

(3.2)确定直线l₅方程；

令所有微源的有功基准值相等且为0，则点O坐标为(0,U^*)，因此直线l₅方程为：

U＝U^*+n′(P-P^*)，(18)

其中，U^*为理论上微源的电压基准值，n′为直线l₅的斜率：

式中，n为传统的有功下垂系数，对于任意负荷变化时刻即j时刻时的微源，其线路压降为：

此时，微源的实际输出电压为：

因此，负荷变化时的微源各运行点坐标均满足直线l₅方程，可将其作为微源的实际P-U下垂特性发来控制其输出电压，可增加在实际控制中的简便性。

进一步的，步骤4中，根据动态频率基准取值的方法，设计Q-f下垂控制器；根据式(9)建立在线频率基准值评估计算系统，通过检测负荷变化前后的无功计算出无功变化量，得出正常的频率偏移量，并在负荷变化前的频率基准值的基础上减去该偏移量得到负荷变化后的微源频率基准值，并将其运用于控制负荷变化后的稳态运行的微源，直至下次负荷变化时减去新的频率偏移量生成新的频率基准值。

根据以动态电压基准为原理的下垂系数取值的方法，设计P-U下垂控制器；其原理是通过计算负荷变化时的线路压将的变化量，并在负荷变化前的微源电压基准值的基础上加上该变化量得出负荷变化后的微源电压基准值，并将其运用于控制负荷变化后的稳态运行的微源；根据上述原理将其简化为有功下垂系数的改进，通过检测各微源系统自身的线路阻抗，取其与传统电压基准即公共耦合点电压的比值为下垂系数的校正量，再加上传统值生成改进的下垂系数，并将其用于控制各微源的有功输出，即可获得理想的有功均分精度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、在几乎不影响微源无功输出的情况下适应不同负荷侧无功需求时的频率调节，实现频率的误差调节，进而提高频率的稳定性。

2、使有功均分可在各微源输出电压不同的情况下仍保持精准。

附图说明

图1为动态基准的整体构建过程；

图2为基于动态频率基准的微源Q-f下垂特性；

图3为基于动态电压基准的微源P-U下垂特性；

图4为基于动态电压基准的微源有功均分；

图5为基于动态频率基准的微源Q-f下垂控制器设计；

图6为基于动态电压基准的微源P-U下垂控制器设计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明所述策略为：根据无功负荷的实时变化来设计实时的频率基准值，确保频率随负荷变化的波动相对较小；以根据各微源线路压降随有功负荷的实时变化来设计实时的电压基准值为原理，改进有功下垂系数，并使有功均分能在各微源输出电压不同的情况下保持精准。

具体内容如下：

步骤1，设计Q-f控制中动态频率基准的实时取值；

如图1所示，根据微源分派的无功变化来拟定动态频率基准值，即频率基准值大小因负荷而定，以此来补偿频率的偏离量，进而保证微网运行频率稳定在额定值，具体如下：

(1.1)首先确定微源分派的无功变化量；

假设无功负荷在1,2,...,j,...,n(j≥2)时刻发生改变，以任意j时刻时的前一时刻j-1时刻时的微源无功为基础，可得j时刻时微源分派的无功变化量：

ΔQ(j)＝Q(j)-Q(j-1)，(1)

令ΔQ(0)＝0，可得关于微源分派的无功变化序列，设为A，则

A＝(ΔQ(0),ΔQ(1),...,ΔQ(j),...,ΔQ(n))^T，(2)

(1.2)确定频率基准的校正量；

根据微源Q-f下垂控制方程，可得j时刻时的微网频率偏移量：

Δf(j)＝m·ΔQ(j)，(3)

其中，m是无功下垂系数，令j时刻时的频率基准的校正量：

Δf^*(j)＝f^*(j)-f^*(j-1)＝-Δf(j)，(4)

则可得到关于微源频率基准值校正序列，设为B，则

B＝-m·A，(5)

(1.3)确定各时刻微源的频率基准值，设F为各时刻的微源基准频率序列：

F＝(f^*(0),f^*(1),...,f^*(j),...,f^*(n))^T，(6)

令f^*(0)＝50Hz，根据式(4)，则有F＝MF+B，其中M是常数矩阵(rank(M)＝n+1)

则有

F＝(E-M)^-1B，(8)

则j时刻时的微源频率基准值为

f^*(j)＝D·F＝mD(E-M)^-1A，(9)

其中，代表第j+1位数是1的n+1维单位行向量；由于负荷变化的不确定性，一般是为了得出当前微网运行时的频率基准值，当负荷连续变化或变化频繁时，此方法可快速地计算出每次负荷变化时的频率基准值。如图2所示，直线L₁,L₂分别表示j，j-1时刻时的微源Q-f下垂特性，当负荷在j时刻变化时，微源分派的无功由Q(j-1)变为Q(j)，可根据式(9)求得j时刻时的频率基准值，采用直线L₂来控制j时刻至j+1时刻稳定运行区间的微源，可使频率不会随负荷的增加而降落，与j-1时刻至j时刻间的微网稳定频率几乎保持在同一值，即额定值。

步骤2，设计P-U控制中动态电压基准的实时取值；

如图1所示，考虑负荷变化时各微源的线路压降来确定各P-U控制中的动态电压基准值，得出符合微源实际运行时的P-U下垂特性，即为了使下垂特性适合微源实际运行时的输出电压控制，可在各微源输出电压不同情况下，使微源间的有功均分保持精准，具体如下：

(2.1)确定线路压降的变化量；

假设有功负荷也在1,2,...,j,...,n(j≥2)时刻改变，以任意j时刻的前一时刻j-1时刻的线路压降为基础，可得j时刻时的微源线路压降幅值变化量：

ΔU_L(j)＝U_L(j)-U_L(j-1)，(10)

令ΔU_L(0)＝0，可得微源线路压降的变化序列，设为C，则

C＝(ΔU_L(0),ΔU_L(1),...,ΔU_L(j),...,ΔU_L(n))^T，(11)

(2.2)确定动态电压基准值，即各时刻时的微源电压基准值；

令j时刻时的电压基准值为

U^*(j)＝U^*(j-1)+ΔU_L(j)，(12)

令U^*(0)＝U_S，其中U_S是公共耦合点电压，设各时刻时的微源电压基准值系列为U：

U＝(U^*(0),U^*(1),...,U^*(j),...,U^*(n))^T，(13)

令U＝MU+C，其中M如式(7)所示，则

U＝(E-M)^-1C，(14)

则j时刻时的微源电压基准值为

U^*(j)＝D·U＝D(E-M)^-1C，(15)。

图2给出了本发明的微源P-U下垂曲线，直线l₁表示传统的P-U下垂曲线(即0时刻时不考虑线路压降时的下垂曲线)，直线l₂,l₃分别表示j-1，j时刻负荷变化时所采用的改进微源下垂曲线。如果采用l₁来控制任意时刻运行的微源，微源的实际输出电压与其无功输出并不匹配，会造成微源间有功均分偏差，而采用l₂,l₃控制j-1，j时刻稳态运行时的微源，能使微源的有功输出较好地匹配其实际运行电压。

步骤3，设计P-U控制的下垂系数；

以步骤2为原理，通过拟合每次负荷有功变化时的微源实际运行点，得出拟合直线方程，并能以改进传统的有功下垂系数的方法来实现，具体如下：

图3所示的直线l₄表示微源最大有功输出时的改进下垂曲线，直线l₅并不是下垂曲线，而是拟合微源各实际运行点的直线。若采用直线l₂来控制微源，并不能覆盖该微源的所有实际运行点，只针对该时刻即微源有功输出为P(j-1)的运行点A有效，当负荷变化时，微源有功输出变为P(j)，控制曲线将变为l₃，此时的微源实际运行点为点B，由此可见，负荷变化时的微源实际运行点不在同一电压基准的改进下垂曲线上，因此本发明对微源的各实际运行点进行拟合，拟合曲线即直线l₅，其方程求解如下：

(3.1)确定微源最大有功运行点P坐标(P_max,U′_min)；

低压微网中，线路阻抗以阻性为主，当微源最大有功输出时，其线路压降为：

式中，R_L是线路阻抗，则点P纵坐标：

式中，U_min为理论上微源的最小运行电压幅值。

(3.2)确定直线l₅方程；

令所有微源的有功基准值相等且为0，则点O坐标为(0,U^*)，因此直线l₅方程为：

U＝U^*+n′(P-P^*)，(18)

其中，U^*为理论上微源的电压基准值，其中，n′为直线l₅的斜率：

式中，n为传统的有功下垂系数，对于任意负荷变化时刻即j时刻时的微源，其线路压降为：

此时，微源的实际输出电压为：

因此，负荷变化时的微源各运行点坐标均满足直线l₅方程，可将其作为微源的实际P-U下垂特性发来控制其输出电压，可增加在实际控制中的简便性，相对于传统下垂曲线l₁而言，直线l₅改进了有功下垂系数，即斜率。基于直线l₅的两台微源的有功均分情况如图4所示，直线l′₁,l″₁分别表示基于直线l₁的DG₁,DG₂的P-U下垂曲线，若不考虑线路压降，两者的输出电压是相同的，有功输出是P₁,P₂，负荷按容量比均分负荷功率，但实际上线路压降的存在会导致两个微源的输出电压不同，即图4中的U₁,U₂，有功输出变为P′₁,P′₂，偏离上述有功均分精度；直线l′₅,l″₅分别表示本发明改进的DG₁,DG₂的P-U下垂曲线，虽然没有改变两者的输出电压，但下垂系数的改进可使各自的有功输出回调至P₁,P₂，进而符合上述的有功均分精度，所以本发明的优势是无需考虑各微源的输出电压是否一致，其有功均分精度相对较好。

步骤4，设计下垂控制器；

根据动态频率基准取值的方法，设计Q-f下垂控制器；图5描绘了任一次负荷变化时的各微源系统的Q-f下垂控制器设计，根据式(9)

f^*(j)＝D·F＝mD(E-M)^-1A

建立在线频率基准值评估计算系统，通过检测负荷变化前后的无功计算出无功变化量，得出正常的频率偏移量，并在负荷变化前的频率基准值的基础上减去该偏移量得到负荷变化后的微源频率基准值，并将其运用于控制负荷变化后的稳态运行的微源，直至下次负荷变化时减去新的频率偏移量生成新的频率基准值。

根据以动态电压基准为原理的下垂系数取值的方法，设计P-U下垂控制器；图6描述了各微源系统的P-U下垂控制器设计，其原理是通过计算负荷变化时的线路压将的变化量，并在负荷变化前的微源电压基准值的基础上加上该变化量得出负荷变化后的微源电压基准值，并将其运用于控制负荷变化后的稳态运行的微源；根据上述原理将其简化为有功下垂系数的改进，通过检测各微源系统自身的线路阻抗，取其与传统电压基准即公共耦合点电压的比值为下垂系数的校正量，再加上传统值生成改进的下垂系数，并将其用于控制各微源的有功输出，无需考虑负荷的变化，即可获得理想的有功均分精度。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。