基于谐波注入的无互连线孤岛微电网频率无静差控制方法

摘要

一种基于谐波注入的无互连线孤岛微电网频率无静差控制方法，构建采用P‑f/Q‑v下垂控制算法控制的两台逆变器并联系统；在传统P‑f/Q‑v下垂控制算法下运行得到逆变器的输出电压幅值与频率；将标准工频50Hz与逆变器输出的电压频率值作差得到频率误差值，经PI调节器后的输出作为频率补偿值并添加给第一台逆变器下垂控制中的频率给定值；通过谐波注入模块向并联系统添加频率恒定但幅值与补偿量相关的谐波电压；通过第二台逆变器的谐波提取模块提取的谐波电流的幅值反向计算出频率补偿量；将计算出的频率补偿量添加给第二台逆变器下垂控制中的频率给定值，实现并联逆变器系统的频率无差控制。本发明能实现频率无差控制且不影响有功功率分配，简化系统并提高系统灵活性。

说明书

技术领域

本发明涉及微电网领域，尤其是一种孤岛微电网无互连线频率控制方法。

背景技术

随着近年来能源与环境问题日益严重，微电网技术得到了大规模的发展，由于微电网中逆变器多采用下垂控制，因此当其运行在孤岛模式时由于下垂控制的固有特点将导致在负载不为额定值时系统电压幅值与频率偏离给定产生静差，这是微电网控制中的一大难点。现有的频率控制方法多是针对单台逆变器运行的情况，少数考虑了多台并联情况的控制方法也需要额外引入互连线，增加了成本并且影响系统灵活性。

为了实现孤岛微电网的高质量运行必须对频率进行控制，但是现有控制方法存在增加成本且影响灵活性的问题。为解决此问题，本发明提出了一种基于谐波注入的无互连线孤岛微电网频率无差控制方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种实现系统频率无差控制、保持系统灵活性的基于谐波注入的无互连线孤岛微电网频率无静差控制方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述方法步骤如下：

步骤1，构建采用P-f/Q-v下垂控制算法控制的两台逆变器并联系统；

步骤2，按照传统P-f/Q-v下垂控制算法的下垂关系，即f＝f^*-m(P-P^*)，V＝V^*-n(Q-Q^*)进行控制得到逆变器的输出电压幅值与频率，其中f为输出电压频率，f^*为下垂控制额定频率，m为有功下垂系数，P为逆变器输出有功功率，P^*为下垂控制额定有功功率；V为输出电压幅值，V^*为下垂控制额定电压幅值，n为无功下垂系数，Q为逆变器输出无功功率，Q^*为下垂控制额定无功功率；

步骤3，将标准工频50Hz与逆变器输出的电压频率值作差得到频率误差值，经PI调节器后的输出作为频率补偿值并添加给第一台逆变器下垂控制中的频率给定值；

步骤4，通过谐波注入模块向并联系统添加频率恒定但幅值与补偿量相关的谐波电压；

步骤5，通过第二台逆变器的谐波提取模块提取的谐波电流的幅值反向计算出频率补偿量；

步骤6，将计算出的频率补偿量添加给第二台逆变器下垂控制中的频率给定值，实现并联逆变器系统的频率无差控制。

进一步的，所述步骤3的内容为：

步骤3.1，在并联系统中第一台逆变器的频率控制中添加一个PI调节器，调节器输入为系统频率与工频的差值；

步骤3.2，将调节器输出作为下垂控制的频率补偿量，此时P-f关系变为：

f＝(f^*+Δf)-m(P-P^*)>

式中，f输出电压频率，f^*为下垂控制额定频率，Δf为频率给定值补偿量即PI调节器输出值，m为有功下垂系数，P为逆变器输出有功功率，P^*为下垂控制额定功率。

进一步的，所述步骤4的内容为：

步骤4.1，添加到并联系统的谐波电压的幅值为：

U＝a(1+Δf) (2)

式中，U为注入谐波电压的幅值，a为一个可调系数，根据PCC的电能质量要求以及不同的线路阻抗进行选取可使注入的谐波对PCC电能质量的影响降到最低，Δf为频率给定值的补偿量，即PI调节器的输出值。

步骤4.2，将确定了幅值的谐波电压加入到第一台逆变器的输出电压上，可通过串联可控电压源或直接添加到内部电压给定值之上实现。

进一步的，所述步骤5的内容为：

步骤5.1，对第二台逆变器的输出电流进行谐波提取，提取与注入频率相同的谐波部分，可通过复数滤波器或在不同频率的dq坐标系中进行提取；

步骤5.2，第二台逆变器计算出的频率补偿量为：

Δf＝I_h/I_s-1>

式中，Δf为频率给定值的补偿量；I_h为提取出的谐波电流幅值；I_s为谐波电流的标准值，即在注入谐波电压幅值为a>

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、实现了孤岛微电网频率无静差控制，在负载有功功率变化的情况下仍能保证系统输出电压频率为50Hz，消除了频率误差对敏感负载的影响。

2、在频率无静差控制的基础上不影响功率的分配，有功功率仍然按照传统下垂控制的P-f关系进行分配，保留了有功功率可以精确分配的优点。

3、本发明所实现的功能均是在不需要增添互连线与通信环节的前提下实现的，在实现了所提控制目标的基础上并不影响系统的灵活性，并且减少了系统的复杂度，节省了成本。并且此种不需要互连线却能实现有互连线系统才能实现的功能的控制方法在其他领域也将发挥重要作用，应用前景十分广阔。

附图说明

图1为本发明方法的控制框图。

图2为并联系统频率波形图。

图3为并联系统逆变器输出功率波形图。

图4为加入本发明所提控制方法后PCC电压波形。

图5为加入本发明所提控制方法后负载电流波形。

图6为加入本发明所提控制方法后负载实测功率波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明所述方法步骤如下：

步骤1，构建采用P-f/Q-v下垂控制算法控制的两台逆变器并联系统；

步骤2，按照传统P-f/Q-v下垂控制算法的下垂关系，即f＝f^*-m(P-P^*)，V＝V^*-n(Q-Q^*)进行控制得到逆变器的输出电压幅值与频率，其中f为输出电压频率，f^*为下垂控制额定频率，m为有功下垂系数，P为逆变器输出有功功率，P^*为下垂控制额定有功功率；V为输出电压幅值，V^*为下垂控制额定电压幅值，n为无功下垂系数，Q为逆变器输出无功功率，Q^*为下垂控制额定无功功率；

步骤3，将标准工频50Hz与逆变器输出的电压频率值作差得到频率误差值，经PI调节器后的输出作为频率补偿值并添加给第一台逆变器下垂控制中的频率给定值；

步骤3.1，在并联系统中第一台逆变器的频率控制中添加一个PI调节器，调节器输入为系统频率与工频的差值；

步骤3.2，将调节器输出作为下垂控制的频率补偿量，此时P-f关系变为：

f＝(f^*+Δf)-m(P-P^*)>

式中，f输出电压频率，f^*为下垂控制额定频率，Δf为频率给定值补偿量即PI调节器输出值，m为有功下垂系数，P为逆变器输出有功功率，P^*为下垂控制额定功率。

步骤4，通过谐波注入模块向并联系统添加频率恒定但幅值与补偿量相关的谐波电压；

步骤4.1，添加到并联系统的谐波电压的幅值为：

U＝a(1+Δf) (2)

式中，U为注入谐波电压的幅值，a为一个可调系数，根据PCC的电能质量要求以及不同的线路阻抗进行选取可使注入的谐波对PCC电能质量的影响降到最低，Δf为频率给定值的补偿量，即PI调节器的输出值。

步骤4.2，将确定了幅值的谐波电压加入到第一台逆变器的输出电压上，可通过串联可控电压源或直接添加到内部电压给定值之上实现。

步骤5，通过第二台逆变器的谐波提取模块提取的谐波电流的幅值反向计算出频率补偿量；

步骤5.1，对第二台逆变器的输出电流进行谐波提取，提取与注入频率相同的谐波部分，可通过复数滤波器或在不同频率的dq坐标系中进行提取；

步骤5.2，第二台逆变器计算出的频率补偿量为：

Δf＝I_h/I_s-1>

式中，Δf为频率给定值的补偿量；I_h为提取出的谐波电流幅值；I_s为谐波电流的标准值，即在注入谐波电压幅值为a>

步骤6，将计算出的频率补偿量添加给第二台逆变器下垂控制中的频率给定值，实现并联逆变器系统的频率无差控制。

以下通过两台并联逆变器的仿真对本发明进行有效性验证。

仿真参数如下：并网逆变器直流侧电压700V；电网相电压峰值为311V；下垂控制器额定有功功率为1kW，有功下垂系数为1e-4，额定无功功率为0，无功下垂系数为3e-4；线路阻抗分别为Z₁＝(0.1+j0.013)Ω，Z₂＝(0.3+j0.039)Ω；负载有功功率初始值为5kW并在1.5s时变为7kW，无功功率初始值为3kVar并在1.5s时变为4kVar；本发明提出的控制方法在0.5s时开始运行，且在2.5s时加入鲁棒下垂控制，验证本发明所提方法与现有其他方法兼容性。仿真结果如附图2～6所示。图2为加入本发明所提控制方法前后系统的频率波形图，据此图可知，加入本发明所提控制方法后，系统的频率可以实现无差控制，且不受负载功率变化的影响。图3为加入本发明所提控制方法前后系统输出功率波形图，据此图可知虽然所提方法对瞬时功率产生微小影响，但不影响功率的精确分配，仍能实现有功功率的均分。且图2、图3中2.5s之后的波形证明本发明所提控制方法有比较好的兼容性，与现有的一些改进下垂控制并不冲突。图4、图5、图6一起观察可以发现本发明中所提方法对并网点电能质量以及负载的实测功率几乎没有影响，具备实际应用的价值。结合上文所述以及各波形图可以验证本发明所提出方法的有效性与可行性。

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。