一种基于模糊PI控制的孤岛微电网运行方法与流程

本发明涉及微电网控制技术领域，具体涉及一种基于模糊PI控制的孤岛微电网运行方法。

背景技术：

近几年来，随着环境问题和能源问题的日益严峻，各国政府开始大力开发研究各种可再生新能源构成的分布式发电技术。由分布式电源(Distributed Generation，DG)、储能装置、负荷、相关监控和保护装置汇集而成的微电网通过柔性控制，可以大大降低DG接入大电网对大电网正常供电水平和安全可靠性造成的影响。微电网具有独特性、多样性、可控性、交互性和独立性等特点。微电网作为自治系统，最重要的特点是独立性，即具有孤岛运行的能力。微电网孤岛运行时，需要对微网中的DG进行有效控制，以维持电压和频率在允许的变化范围之内。目前有如下两种主要的控制策略：①主从控制；②对等控制。

主从控制策略又分为两种，一种是以分布式电源为主控制单元的主从控制，另一种是以中心控制器为主控单元的主从控制。以分布式电源为主控单元的主从控制，主控单元采用V/f控制，维持微电源逆变器输出端口电压和频率的恒定，为微电网系统提供电压和频率支持。从DG使用PQ控制，不论系统运行在何种状态，逆变器的输出电压被钳住，只要通过调节并网逆变器的输出电流，就可以达到控制输出功率的目的。

当微电网出现频繁或明显的负荷波动时，采用传统频率下垂特性进行功率调节时，频率下垂因子的调节范围会受到限制，频率变化可能超出正常范围，而导致系统的震荡。这就要求对接入DG的逆变器控制进行改进，现有技术中，因PID控制器结构简单、稳态无静差等优点，其广泛用于逆变器下垂控制中，但其参数的选取和整定过程繁琐直接影响到逆变器控制性能，而且固定的参数在面对微电网负荷变化时，灵活性和适应性降低，表现出较大的局限。

技术实现要素：

针对负荷波动情况下孤岛微电网电压幅值和频率震荡的问题，本申请提供一种基于模糊PI控制的孤岛微电网运行方法，包括步骤：

建立孤岛微电网运行模型，孤岛微电网包括主分布式电源和从分布式电源；

基于模糊PI改进v/f下垂控制系统中的下垂控制器；

通过所述下垂控制器控制所述主分布式电源运行，以获取所述主分布式电源输出的电压幅值和频率；

将所述电压幅值和频率转换成调制信号，并由所述调制信号控制所述主分布式电源的逆变器的输出功率。

一种实施例中，基于模糊PI改进所述v/f下垂控制系统中的下垂控制器，具体包括步骤：

创建下垂控制器的控制模型：

其中，ω、U分别为逆变器输出的角频率和电压幅值，P_ref，Q_ref，P、Q分别表示分布式电源的参考有功功率、参考无功功率，输出有功功率和无功功率；ω_ref，U_ref分别表示逆变器的参考频率和参考电压幅值，K_Pm和K_Pn为下垂控制器的比例系数，K_Im和K_In为下垂控制器的积分系数；

基于模糊PI控制原理在线整定下垂控制器的比例系数K_Pm、K_Pn和积分系数K_Im、K_In。

一种实施例中，将电压幅值和频率转换成调制信号，具体包括步骤：

将电压幅值和频率作为电压电流双环控制的输入；然后经电压电流双环控制后得到正弦调制信号；

正弦信号经SPWN调制后转换为调制信号。

一种实施例中，基于模糊PI控制原理在线整定所述下垂控制器的比例系数和积分系数，具体包括步骤：

设定下垂控制器的输入量、输出量；

设置输入量和输出量的论域、量化因子和比例因子；

确定模糊集合和隶属度函数；

选择模糊控制规则；

基于模糊推理原则，根据输入量在线整定下垂控制器的比例系数和积分系数。

一种实施例中，获取主分布式电源输出的电压幅值和频率，具体包括步骤：

采集逆变器的电压和主分布式电源输出的电流；

根据电压和电流计算主分布式电源的输出功率；

根据输出功率并利用P-f下垂控制和Q-U下垂控制分别获得频率和电压幅值。

本申请的有益效果是：将v/f控制系统中的下垂控制器中加入模糊PI控制，基于模糊推理原则，下垂控制器可以有效控制主分布式电源输出的电压幅值和频率，通过将输出的电压幅值和频率转换成调制信号，该调制信号能有效的控制主分布式电源的输出功率，进一步达到抑制孤岛微电网运行中电压幅值和频率的波动。

附图说明

图1为孤岛微电网运行方法流程图；

图2为主运行模型中v/f控制系统原理图；

图3为从运行模型中v/f控制系统原理图；

图4为微电网结构原理图；

图5为基于模糊PI控制的下垂控制器原理图；

图6为下垂控制器的模糊输入量和输出量的三角形隶属度函数曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本例提供一种基于模糊PI控制的孤岛微电网运行方法，其流程图如图1所示，包括如下步骤。

S100：建立孤岛微电网运行模型。

具体的，孤岛电网运行模型包括主运行模型和从运行模型，孤岛电网包括主分布式电源和从分布式电源，故明思义，主分布式电源根据主运行模型工作，从分布式电源根据从运行模型工作，本例中，主运行模型由v/f控制系统控制，v/f控制系统包括：功率测量、下垂控制器和电压电流控制器，其原理图如图2所示，从运行模型由PQ控制系统控制，PQ控制系统包括电流调节器，其原理图如图3所示。

为了方便描述微电网的孤岛运行，本例的主分布式电源和从分布式电源各一台，两者通过输电线路并联于公共母线，且二者都是直流源，分别通过各自的逆变器由直流电转变为三相交流电，经滤波器滤过高次谐波后，经过输电线路到达公共母线，然后，共同为负荷供电，其微电网的结构图如图4所示。

其中，PQ控制系统控制从分布式电源运行的方法是：PQ控制方法要求从分布式电源的逆变器的输出电流必须与微电网电压同频同相，利用锁相环(PLL)技术，使得从分布式电源能够获得频率支撑。PQ控制系统通过一个电流调节器来控制从分布式电源的输出电流I_{fd_ref}、I_{fq_ref}；然后选择合适的坐标变换参考轴，对经电流调节器调节后得到的电流进行坐标变换，使得从分布式电源输出电流的有功分量和无功分量解耦后分别对有功功率和无功功率进行相应的控制。进一步，本例的电流调节器采用比例积分PI控制器。

S200：基于模糊PI改进v/f下垂控制中的下垂控制器。

传统的v/f下垂控制系统中的下垂控制器模型如下：

ω＝ω_n-m(P-P_n)；

U＝U_n-n(Q—Q_n)；

其中，ω、U分别为主分布式电源的逆变器输出的角频率和电压幅值，P、Q分别为主分布式电源输出的有功功率和无功功率；ω_n、U_n分别为额定角频率和额定电压幅值；P_n、Q_n分别为额定有功功率和额定无功功率；m、n分别为有功功率下垂系数和无功功率下垂系数。

由于通过模糊PI控制可以有效控制逆变器输出的角频率和电压幅值，进一步有效控制逆变器的输出功率，本步骤中，将v/f控制系统中的下垂控制器加入模糊PI控制，以创建新的下垂控制器，新的下垂控制器的控制模型如下，基于模糊PI的下垂控制器原理图如图5所示：

其中，ω、U分别为逆变器输出的角频率和电压幅值，P_ref，Q_ref，P、Q分别表示分布式电源的参考有功功率、参考无功功率，输出有功功率和无功功率；ω_ref，U_ref分别表示逆变器的参考频率和参考电压幅值，K_Pm和K_Pn为下垂控制器的比例系数，K_Im和K_In为下垂控制器的积分系数。

上述创建的下垂控制器运行的过程中需要基于模糊PI控制原理在线整定下垂控制器的比例系数K_Pm、K_Pn和积分系数K_Im、K_In。具体的，包括，设定下垂控制器的输入量、输出量；设置输入量和输出量的论域、量化因子和比例因子；确定模糊集合和隶属度函数；选择模糊控制规则；基于模糊推理原则，根据输入量的误差及误差变化率在线整定下垂控制器的比例系数和积分系数。

进一步，以电压幅值为例说明模糊PI整定下垂控制器的比例系数和积分系数，其中，下垂控制器的输入量为：

误差e_U＝U_ref-U；

误差变化率ec_U＝de_U/dt；

下垂控制器的输出量为比例系数和积分系数K_P、K_I，其中以K_P代表K_Pm、K_Pn，K_I代表K_Im、K_In。

误差e、误差变化率ec的论域都为[-6，6]，输出变量K_P的论域为[-1，1]，K_I的论域为[0，1]。量化因子K_e＝K_ec＝0.1，比例因子

分别将输入量电压幅值误差e和误差变化率ec，以输出量及K_P、K_I的基本论域经量化因子和比例因子量化后落在模糊集合{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}中(即：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大})，代入得到输入量在论域上的隶属度函数。采用Mamdani模糊推理方法，根据模糊控制规则，经行模糊推理，由输入量的隶属度得到模糊输出量K_P、K_I及其对应的隶属度函数。采用最大隶属度平均法，根据模糊输出量K_P、K_I及其对应的隶属度，得到反模糊化的精确输出量。得到的模糊输入和输出量的三角形隶属度函数曲线图如图6所示。

本例的输出量K_p的模糊控制规则表如下：

本例的输出量K_I的模糊控制规则表如下：

S300：通过下垂控制器控制主分布式电源运行，以获取主分布式电源输出的电压幅值和频率。

具体的，由于主分布式电源采用v/f控制系统运行，为了获取主分布式电源输出的电压幅值和频率，首先，需要采集逆变器的电压和主分布式电源输出的电流；其次，根据采集的电压和电流计算主分布式电源的输出功率；最后，根据输出功率并利用P-f下垂控制和Q-U下垂控制分别获得所需的频率和电压幅值。

S400：将电压幅值和频率转换成调制信号，并由调制信号控制主分布式电源的逆变器的输出功率。

本步骤中，需要将步骤S300中获取的电压幅值和频率作为电压电流双环控制的输入；然后经电压电流双环控制后得到正弦调制信号；最后经SPWN调制得到调制信号，控制逆变器输出功率的大小。

下面进一步分析孤岛微电网通过上述方法运行分析微电网电压幅值和频率的稳定性。

孤岛微电网运行时，当微电网投切无功负荷时会引起电压幅值波动。如果采用传统下垂控制器控制微电网运行时，因下垂系数n固定，在0.45s时因为无功波动，电压幅值出现了上升，幅度上升为10V左右；而，如果采用模糊PI改进的下垂控制器控制微电网运行时，通过模糊PI控制调整K_pn和K_In的值，使得电压幅值基本不变。

同样的，针对微电网的输出功率的稳定性，当微电网采用传统下垂控制器运行时，因下垂系数m固定，在0.45s时因为负荷的有功功率增加，导致微电网频率下降；而，如果采用模糊PI改进的下垂控制器控制微电网运行时，通过调制调节K_pm和K_Im的值，使得频率基本无波动。由于微电网孤岛运行时，微电网内部的频率稳定依赖于进行V/f控制系统的机组对系统有功功率的平衡，因此，运用模糊PI改进的下垂控制器更能实现V/f控制系统的参考频率稳定。

由于v/f控制系统中的下垂控制器加入了模糊PI控制，使得微电网在孤岛运行模式下，当存在负荷波动情况时，也能进一步确保微电网供电的电压稳定性和频率稳定性。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。