一种用于智能电网的柔性孤岛-并网控制装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种用于智能电网的柔性孤岛-并网控制装置及方法，装置包括柔性逆变单元、单相电力检测单元、GPS相位检测单元、孤岛-并网检测单元、通信单元和主控单元；每个柔性逆变单元包括角型分压拓扑电路和星连接型逆变电路；各单相电力检测单元分别连接在各星连接型逆变电路的输出端和PCC节点处；GPS相位检测单元分别连接在各星连接型逆变电路的输出端和PCC节点处；孤岛-并网检测单元的输入端连接PCC节点处的单相电力检测单元的输出端和PCC节点处的GPS相位检测单元的输出端；孤岛-并网检测单元的输出端连接主控单元的输入端。本发明的由新型拓扑结构组成的柔性逆变单元可使微电网和主电网之间进行柔性并网和孤岛模式切换，减小微电网对电路的冲击。
【专利说明】—种用于智能电网的柔性孤岛-并网控制装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电网【技术领域】，具体是一种用于智能电网的柔性孤岛-并网控制装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着经济和社会的发展，能源消耗越来越大，环境污染和电力需求的迅速增长使得人们越来越重视可再生能源的发展。因此近年来微电网的比例在逐年升高，所以微电网的控制问题变得非常重要。微电网具有容量有限，阻尼小，稳定性差等特点，这使得微电网的发展受到了极大的限制。
[0003]由于微电网主要有两种运行模式，所以主要控制方法也分为两种，但都有一定的缺陷。对于孤岛运行微电网控制主要集中用下垂控制(P_f，Q-V)，但是由于微电网中负载存在较大波动，单纯的下垂控制会引起较大频率偏差和电压幅值偏差，从而导致较大环流，以及电网失稳；对于并网运行的微电网控制主要采用P/Q控制，保证微电网输出固定的有共和无功功率，但是当微电网与主电网发生故障切除时，微电网将失去稳定性。
[0004]因此需要考虑微电网在两种运行模式下的综合控制方法，微电网的稳定有效控制，不仅需要及时判断微电网的并网或孤岛模式进行切换，而且要针对不同模式及时切换不同的控制方法从而达到，微电网稳定运行，减小电压相位偏差，同时对于有并网要求的微电网，通过有领导者的多智能体一致性算法，实时保证微电网的并网条件，从而保证微电网的稳定运行。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于智能电网的柔性孤岛-并网控制装置及方法。
[0006]本发明的技术方案是:
[0007]一种用于智能电网的柔性孤岛-并网控制装置，包括柔性逆变单元、单相电力检测单元、GPS相位检测单元、孤岛-并网检测单元、通信单元和主控单元；
[0008]所述柔性逆变单元有多个，每个柔性逆变单元包括角型分压拓扑电路和星连接型逆变电路；
[0009]角型分压拓扑电路的输入端连接微电网的直流输入端，角型分压拓扑电路的输出端连接星连接型逆变电路的输入端，星连接型逆变电路的输出端连接PCC节点；
[0010]角型分压拓扑电路包括第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管、第四可控开关管、第五可控开关管、第六可控开关管、第七可控开关管、第二十可控开关管、第一电容和第二电容，第二可控开关管、第三可控开关管、第四可控开关管形成角形连接结构，第五可控开关管、第六可控开关管、第七可控开关管形成角形连接结构，两个角形连接结构串联，第二可控开关管的输入端连接第一可控开关管的输出端，第一可控开关管的输入端连接第一电容，第一电容与第二电容串联，第二电容连接第二十可控开关管的输出端，第二十可控开关管的输入端连接第七可控开关管的输出端；两个角形连接结构串联线路的中性点连接第一电容与第二电容串联线路的中性点；
[0011]星连接型逆变电路包括第八可控开关管、第九可控开关管、第十可控开关管、第i^一可控开关管、第十二可控开关管、第十三可控开关管、第十四可控开关管、第十五可控开关管、第十六可控开关管、第十七可控开关管、第十八可控开关管、第十九可控开关管，第八可控开关管、第九可控开关管、第十可控开关管形成第一星形连接结构，第十一可控开关管、第十二可控开关管、第十三可控开关管形成第二星形连接结构，第十四可控开关管、第十五可控开关管、第十六可控开关管形成第三星形连接结构，第十七可控开关管、第十八可控开关管、第十九可控开关管形成第四星形连接结构，第一星形连接结构、第二星形连接结构形成第一桥臂，第三星形连接结构、第四星形连接结构形成第二桥臂，第一星形连接结构的中性点、第二星形连接结构的中性点连接，第三星形连接结构的中性点、第四星形连接结构的中性点连接；第十四可控开关管的输入端与第八可控开关管的输入端连接后，再与第二可控开关管的输入端连接，第十八可控开关管的输出端与第十二可控开关管的输出端连接后，再与第七可控开关管的输出端连接，第九可控开关管的输出端连接第十一可控开关管的输入端，第十可控开关管的输出端连接第十三可控开关管的输出端，第十五可控开关管的输出端连接第十七可控开关管的输入端，第十六可控开关管的输出端连接第十九可控开关管的输出端；
[0012]单相电力检测单元有多个，包括电压互感器和电流互感器，各单相电力检测单元分别连接在各星连接型逆变电路的输出端和PCC节点处；
[0013]GPS相位检测单元有多个，分别连接在各星连接型逆变电路的输出端和PCC节点处；
[0014]孤岛-并网检测单元的输入端连接PCC节点处的单相电力检测单元的输出端和PCC节点处的GPS相位检测单元的输出端；孤岛-并网检测单元的输出端连接主控单元的输入端；
[0015]连接在各星连接型逆变电路的输出端的各单相电力检测单元和GPS相位检测单元分别连接至通信单元，主控单元、孤岛-并网检测单元分别与通信单元连接。
[0016]采用所述的用于智能电网的柔性孤岛-并网控制装置进行智能电网的柔性孤岛-并网控制的方法，包括以下步骤:
[0017]步骤1:各单相电力检测单元、GPS相位检测单元实时采集柔性逆变单元的输出电压、输出电流和GPS相位，以及PCC节点处的输出电压、输出电流和GPS相位；
[0018]步骤2:孤岛-并网检测单元对智能电网进行孤岛-并网检测；
[0019]步骤2.1:根据柔性逆变单元的输出电压的频率，判断柔性逆变单元输出电压是否过零点，是，则执行步骤2.2，否则，重复步骤2.1 ；
[0020]步骤2.2:计算前一周期的PCC节点处的输出电压的频率Un-1)和前一周期的每个柔性逆变单元的输出电压的频率4 (η-1)；
[0021]步骤2.3:分别计算前一周期的PCC节点处的输出电压的频率fp。。(n-1)与前一周期的每个柔性逆变单元的输出电压的频率(η-1)的差值，得到该差值的最大值Af(I1-1)=max (I fi (n-1) -fpcc (n-1) |)；
[0022]步骤2.4:若Af (η-1) > κ f则进入步骤3，否则，执行步骤2.5，其中κ f为频率变换判断阈值；
[0023]步骤2.5:计算每个柔性逆变单元两个周期之间的输出电压的频率差Afs =Af(n-l)-Af(n-2)；
[0024]步骤2.6:计算每个柔性逆变单元的输出电压与PCC节点处的输出电压的同步相位差^i(Ii)= Θ Jn-D + A Θ Sgn(Afs)，式中，Θ i (η)表示每个柔性逆变单元的输出电压与PCC节点处的输出电压的同步相位差，Q11-1)表示前一周期的每个柔性逆变单兀的输出电压的附加相位，Δ Θ为固定的相位增量,对于VwSO，存在Qi(Ii) =0,同时
【权利要求】
1.一种用于智能电网的柔性孤岛-并网控制装置，其特征在于:包括柔性逆变单元、单相电力检测单元、GPS相位检测单元、孤岛-并网检测单元、通信单元和主控单元； 所述柔性逆变单元有多个，每个柔性逆变单元包括角型分压拓扑电路和星连接型逆变电路； 角型分压拓扑电路的输入端连接微电网的直流输入端，角型分压拓扑电路的输出端连接星连接型逆变电路的输入端，星连接型逆变电路的输出端连接PCC节点； 角型分压拓扑电路包括第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管、第四可控开关管、第五可控开关管、第六可控开关管、第七可控开关管、第二十可控开关管、第一电容和第二电容，第二可控开关管、第三可控开关管、第四可控开关管形成角形连接结构，第五可控开关管、第六可控开关管、第七可控开关管形成角形连接结构，两个角形连接结构串联，第二可控开关管的输入端连接第一可控开关管的输出端，第一可控开关管的输入端连接第一电容，第一电容与第二电容串联，第二电容连接第二十可控开关管的输出端，第二十可控开关管的输入端连接第七可控开关管的输出端；两个角形连接结构串联线路的中性点连接第一电容与第二电容串联线路的中性点； 星连接型逆变电路包括第八可控开关管、第九可控开关管、第十可控开关管、第i^一可控开关管、第十二可控开关管、第十三可控开关管、第十四可控开关管、第十五可控开关管、第十六可控开关管、第十七可控开关管、第十八可控开关管、第十九可控开关管，第八可控开关管、第九可控开关管、第十可控开关管形成第一星形连接结构，第i^一可控开关管、第十二可控开关管、第十三可控开关管形成第二星形连接结构，第十四可控开关管、第十五可控开关管、第十六可控开关管形成第三星形连接结构，第十七可控开关管、第十八可控开关管、第十九可控开关管形成第四星形连接结构，第一星形连接结构、第二星形连接结构形成第一桥臂，第三星形连接结构、第四星形连接结构形成第二桥臂，第一星形连接结构的中性点、第二星形连接结构的中性点连接，第三星形连接结构的中性点、第四星形连接结构的中性点连接；第十四可控开关管的输入端与第八可控开关管的输入端连接后，再与第二可控开关管的输入端连接，第十八可控开关管的输出端与第十二可控开关管的输出端连接后，再与第七可控开关管的输出端连接，第九可控开关管的输出端连接第十一可控开关管的输入端，第十可控开关管的输出端连接第十三可控开关管的输出端，第十五可控开关管的输出端连接第十七可控开关管的输入端，第十六可控开关管的输出端连接第十九可控开关管的输出端； 单相电力检测单元有多个，包括电压互感器和电流互感器，各单相电力检测单元分别连接在各星连接型逆变电路的输出端和PCC节点处； GPS相位检测单元有多个，分别连接在各星连接型逆变电路的输出端和PCC节点处； 孤岛-并网检测单元的输入端连接PCC节点处的单相电力检测单元的输出端和PCC节点处的GPS相位检测单元的输出端；孤岛-并网检测单元的输出端连接主控单元的输入端; 连接在各星连接型逆变电路的输出端的各单相电力检测单元和GPS相位检测单元分别连接至通信单元，主控单元、孤岛-并网检测单元分别与通信单元连接。
2.采用权利要求1所述的用于智能电网的柔性孤岛-并网控制装置进行智能电网的柔性孤岛-并网控制的方法，其特征在于:包括以下步骤:步骤1:各单相电力检测单元、GPS相位检测单元实时采集柔性逆变单元的输出电压、输出电流和GPS相位，以及PCC节点处的输出电压、输出电流和GPS相位； 步骤2:孤岛-并网检测单元对智能电网进行孤岛-并网检测； 步骤2.1:根据柔性逆变单元的输出电压的频率，判断柔性逆变单元输出电压是否过零点，是，则执行步骤2.2，否则，重复步骤2.1 ； 步骤2.2:计算前一周期的PCC节点处的输出电压的频率f^(n-l)和前一周期的每个柔性逆变单元的输出电压的频率fi(n-l)； 步骤2.3:分别计算前一周期的PCC节点处的输出电压的频率fpc;c;(n-l)与前一周期的每个柔性逆变单元的输出电压的频率4(11-1)的差值，得到该差值的最大值Af(n-l)=max (I f i (n-1) -fpcc (n-1) |)； 步骤2.4:若Af (n-1) > Kf则进入步骤3，否则，执行步骤2.5，其中κ f为频率变换判断阈值； 步骤2.5:计算每个柔性逆变单元两个周期之间的输出电压的频率差Afs =Af(n-l)-Af(n-2)；步骤2.6:计算每个柔性逆变单元的输出电压与PCC节点处的输出电压的同步相位差^1i)= Θ Jn-D + A Θ Sgn(Afs)，式中，Θ i (η)表示每个柔性逆变单元的输出电压与PCC节点处的输出电压的同步相位差，Q11-1)表示前一周期的每个柔性逆变单兀的输出电压的附加相位，Δ Θ为固定的相位增量,对于v?so，存在Qi(Ii) =0,同时
步骤2.7:计算每个柔性逆变单元输出电压的相位Θ iAps ；
步骤2.8:判断是否成立:若成立，则判断当前微电网处于并网运行模式，执行步骤4 ;若不成立，则当前微电网处于孤岛运行模式，进入步骤3 ； 步骤3:微电网处于孤岛运行模式下，主控单元对微电网进行分级控制； 步骤3.1:对微电网进行孤岛一级控制； 步骤3.1.1:设置微电网参考频率ωΜ?，柔性逆变单元的下垂参数np 1、m(U，每个柔性逆变单元对负载变化的敏感度参数kn，1、Iinu、an，1、am； i，柔性逆变单元的下垂参数的变化时间常数td，柔性逆变单元的有功功率变换判断阈值K p，柔性逆变单元的无功功率变换判断阈值K Q ； 步骤3.1.2:计算微电网负载总有功功率Ptrtal和微电网负载总无功功率Qttrtal,计算在两个相邻周期内每个柔性逆变单元的有功输出功率Pwm和无功输出功率Qwm ； 步骤3.1.3:对柔性逆变单元的有功输出功率相对变化率
和柔性逆变单元的无功输出功率相对变化率
进行判断:如果
，则执行步骤3.1.4，否则执行步骤3.1.9，t为周期；步骤3.1.4:对柔性逆变单元的有功输出功率绝对变化率、和柔性逆变单元的无
at功输出功率绝对变化率^^进行判断:如果^且^^>0，则执行步骤3.1.5 ;如果
atatdt且,<0，则执行步骤3.1.6 ;如果￥<0且%^0，则执行步骤3.1.7 ;如果atdtdtdt￥< O且^^< O，则执行步骤3.1.8 ；dt dt 步骤3.1.5:动态调整柔性逆变单元的下垂参数，然后执行步骤3.1.9，计算公式如下: V(P)=画卜’卜-K., ^e'.^ 'jj
(Q) = mm- kmJ'j 步骤3.1.6:动态调整柔性逆变单元的下垂参数，然后执行步骤3.1.9，计算公式如下:
η.(P) = mini?.1n.-k.0) ρΛ , 、p.' { pJ ".■ dt J J
( fcfQΛλ
m (O) = max m ,, m , - k -—
q.1 Jq.1 5 q.1 m.1 j
\ VatJJ 步骤3.1.7:动态调整柔性逆变单元的下垂参数，然后执行步骤3.1.9，计算公式如下:
V⑷=腿x [?’ [,V1 - Ki ^e'^-?
mqi (Q) ^min mq ij^nq 1- kmJ 步骤3.1.8:动态调整柔性逆变单元的下垂参数，然后执行步骤3.1.9，计算公式如下:
( (Ap
nPi (P) = max nP A nP1-Ki ~^e"A'^l]
\ VατJJ mqj (Q) = max mqiimqj -km i0
VVatJJ 步骤3.1.9:根据动态调整确定的柔性逆变单元的下垂参数，进行柔性逆变单元的输出电压幅值设定值Ei和GPS相位设定值δ i计算: s ,D、I Uδ; 8丨?㈧只ln卜T~+亡
V VJJ El=^ngj (Q)^og ]κ? ^ΞΞΚΣ +Ε:
I VJj式中，<是第i个柔性逆变单元的初始电压GPS相位设定值，第是i个柔性逆变单元的初始电压幅值设定值，为第i个柔性逆变单元的额定输出有功功率，QL,.是第i个柔性逆变单元的初始额定输出无功功率，T2-T1为采样周期，即当前时刻T2与前一时刻T1的时间差； 步骤3.1.10:根据确定的柔性逆变单元的输出电压幅值设定值和GPS相位设定值，计算柔性逆变单元的一级控制参考电压设定值，作为孤岛一级控制输出； 步骤3.2:对微电网进行孤岛二级控制； 步骤3.2.1:设定微电网内柔性逆变单元的通讯拓扑结构邻接矩阵A和环流阈值- 步骤3.2.2:计算每两个柔性逆变单元的环流，并选择出环流最大值Λ Ih ；步骤3.2.3:将Λ Ih与\比较，若> κΙη，则执行步骤3.2.4，否则，执行步骤3.2.2 ;步骤3.2.4:比较所有柔性逆变单元的额定输出有功功率，选择额定输出有功功率最小的柔性逆变单元为微电网的基准柔性逆变单元，保证基准柔性逆变单元的额定输出有功功率和基准柔性逆变单元的额定输出无功功率恒定，即基准柔性逆变单元的输出电压幅值Vleader 和 GPS 相位 δ leader 恒定； 步骤3.2.5:采集所有柔性逆变单元的输出电压幅值和GPS相位； 步骤3.2.6:根据通信拓扑结构邻接矩阵A判断对应的柔性逆变单元是否与基准柔性逆变单元通讯相连；若是，则执行步骤3.2.7，否则执行步骤3.2.8 ; 步骤3.2.7:计算柔性逆变单元的输出电压幅值设定值的调整值△ ei和GPS相位设定值的调整值Λ δ i，并执行步骤3.2.9 ;
式中，Bij表示通信拓扑结构邻接矩阵A的元素，Ni表示与第i个柔性逆变单元的通讯相连接的其他柔性逆变单元的集合，Vi表示第i柔性逆变单元的输出电压幅值； 步骤3.2.8:计算柔性逆变单元的输出电压幅值设定值的调整值△ ^和GPS相位设定值的调整值Λ δ i ;
步骤3.2.9:调整每个柔性逆变单元在一级控制中确定的输出电压幅值设定值和GPS相位设定值，得到柔性逆变单元的输出电压幅值的二级控制设定值< 和GPS相位的二级控制设定值豸；
步骤3.2.10:根据柔性逆变单元的输出电压幅值的二级控制设定值和GPS相位的二级控制设定值，计算柔性逆变单元的二级控制参考电压设定值，作为孤岛二级控制输出，执行步骤5 ; 步骤4:微电网处于并网运行模式下，对微电网进行分级控制； 步骤4.1:对微电网进行并网一级控制； 步骤4.1.1:设置PCC节点输入有功功率Ppcx和PCC节点输入无功功率Qpcx ； 步骤4.1.2:计算微电网中柔性逆变单元的输出总有功功率Pk和输出无功功率Qk ；步骤4.1.3:计算微电网并网一级控制输出有功电流值参考值idMf和并网一级控制输出无功电流参考值i_f，作为并网一级控制输出；
式中，kpd、kid为有功电流调节值，kM、kiq为无功电流调节值； 步骤4.2:对微电网进行并网二级控制控制； 步骤4.2.1:设置微电网中柔性逆变单元与主电网的通信拓扑结构邻接矩阵B、电压幅值偏差阈值Kv，相位偏差阈值K 5 ; 步骤4.2.2:人工设定是否并网，若是，则执行步骤4.2.3，否则继续步骤4.2.2 ; 步骤4.2.3:采集主电网侧的输出电压幅值乂―和主电网侧的GPS相位S—作为并网二级控制基准值； 步骤4.2.4:分别对PCC节点的电压幅值乂。。。与主电网侧的输出电压幅值Vmain、PCC节点的GPS相位δρ。。与主电网侧的GPS相位3?^进行判断，若I Vp。。-VmJ > ^或I δ pcc- δ J> κ δ,则执行步骤4.2.5，否则执行步骤4.2.4 ; 步骤4.2.5:采集所有柔性逆变单元的输出电压幅值和GPS相位； 步骤4.2.6:根据通信拓扑结构邻接矩阵B判断其对应的柔性逆变单元是否与主电网相连；若相连，则执行步骤4.2.7，否则执行步骤4.2.8 ; 步骤4.2.7:计算柔性逆变单元的输出电压幅值设定值的调整值△ ^和GPS相位设定值的调整值Λ δ i，执行步骤4.2.9 ;
式中，b.j表示通信拓扑结构邻接矩阵B的元素，Ni表示与第i个柔性逆变单元通讯相连接的其他柔性逆变单元的集合； 步骤4.2.8:计算柔性逆变单元的输出电压幅值设定值的调整值△ ^和GPS相位设定值的调整值Λ δ i ;
步骤4.2.9:分别计算每个柔性逆变单元的输出电压调整值AE1、有功电流调整值AIdi和无功电流调整值AIqi ；
步骤4.2.10:调整每个柔性逆变单元的微电网并网一级控制输出有功电流值参考值idMf和并网一级控制输出无功电流参考值，作为并网二级控制输出；
^dref ^dref+ 八 Idi
iqref iqref+ 八 Iqi 步骤5:将孤岛二级控制输出或者并网二级控制输出作为柔性逆变单元的输入，对微电网实时控制。
【文档编号】H02J3/38GK104135030SQ201410367416
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】韩仁科, 孙秋野, 张艺缤, 马大中, 黄博南 申请人:东北大学