微电网动态稳定控制系统和方法与流程

本发明涉及微电网控制领域，具体地，涉及一种微电网动态稳定控制系统和方法。

背景技术：

近些年来，分布式发电获得了越来越广泛的应用。其中，分散的小容量分布式发电系统(简称微型电源)、储能系统和负荷等组成的微电网受到热烈关注。

微电网包括多种分布式电源(如光伏电站、风力发电机、柴油发电机等)，但存在着发电间歇性、需要电网支撑、出现故障需要断开、电能质量不稳定等缺点。因此，需要一种对微电网的电压进行稳定控制、改善电能质量并能够实现离网运行和并网运行的无缝切换的微电网动态稳定控制系统。

技术实现要素：

根据本发明的第一个方面，提供一种微电网动态稳定控制系统，包括：微电网动态稳定控制装置，采集母线的实时电压和实时电流，基于实时电压和实时电流计算功率因数；中央控制装置，接收所述功率因数，并且当所述功率因数低于预定阈值时，发送无功控制指令；至少一个就地控制装置，接收所述无功控制指令，并向所述微电网动态稳定控制装置以及所述至少一个就地控制装置所控制的至少一个分布式电源发送控制信号；其中，所述微电网动态稳定控制装置根据所述控制信号时基于下垂控制补偿母线电压，所述至少一个分布式电源根据所述控制信号时向所述母线发出无功功率以提高所述母线的功率因数。

根据本发明的第二个方面，提供一种微电网动态稳定控制方法，包括：由微电网动态稳定控制装置采集母线的实时电压和实时电流，并基于实时电压和实时电流计算功率因数；当所述功率因数低于预定阈值时，由中央控制装置发出无功控制指令，以控制微电网动态稳定控制装置基于下垂控制补偿母线电压，并控制至少一个分布式电源向所述母线发出无功功率以提高功率因数。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制系统的框图。

图2是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制系统补偿母线电压的方法的流程图。

图3是根据本发明的示例性实施例的电压下垂控制的示意性曲线图。

图4是根据本发明的示例性实施例的频率下垂控制的示意性曲线图。

图5是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置的实时功率计算单元的框图。

图6是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置的相角计算单元的框图。

图7是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置的电压幅值计算单元的框图。

图8是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置的电压参考值计算单元的框图。

图9是根据本发明的示例性实施例的正序电压外环与电流内环双环控制策略的框图。

图10是根据本发明的示例性实施例的负序电压外环与电流内环双环控制策略的框图。

图11是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制系统的框图。

图12是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置由并网状态转换为离网状态的运行状态的示图。

图13是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置由离网状态转换为并网状态的运行状态的示图。

图14是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置对400V母线进行相位跟踪的原理图。

图15是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置对400V母线进行相位跟踪相位示图。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，将理解的是，所公开的实施例仅是本发明的示例，其中，本发明可以以各种替代形式来实现。附图无需按比例绘制；一些特征可被夸大或最小化以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。

图1是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制系统的框图。微电网动态稳定控制系统包括中央控制装置101、地调中心102、风机数据采集与就地控制装置111、光伏数据采集与就地控制装置112、储能数据采集与就地控制装置113、微燃机数据采集与就地控制装置114、柴油机数据采集与就地控制装置115、工厂数据采集与就地控制装置116、动稳数据采集与就地控制装置117、风机121、光伏电站122、储能装置123、微燃机124、柴油机125、工厂126以及微电网动态稳定控制装置127。

如图1所示，中央控制装置101通过传输控制协议(Modbus TCP)与地调中心102相连，并基于电力系统自动化领域全球通用标准(IEC61850)连接至各个就地控制装置(例如，风机数据采集与就地控制装置111、光伏数据采集与就地控制装置112、储能数据采集与就地控制装置113、微燃机数据采集与就地控制装置114、柴油机数据采集与就地控制装置115、工厂数据采集与就地控制装置116、动稳数据采集与就地控制装置117等)，各个就地控制装置通过Modbus TCP连接至对应的分布式电源(例如，风机121、光伏电站122、储能装置123、微燃机124、柴油机125、工厂126)，并连接至微电网动态稳定控制装置127。光伏电站122、储能装置123、微燃机124、柴油机125、工厂126与微电网动态稳定控制装置127连接至400V母线。

图2是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制系统补偿母线电压的方法的流程图。

如图2所示，微电网动态稳定控制装置127可采集400V母线的实时电压和实时电流(S21)，并计算400V母线的功率因数(S22)。随后，微电网动态稳定控制装置127可通过就地控制装置117将计算的功率因数反馈至中央控制装置101，并由中央控制装置101判断功率因数是否低于预定阈值(S23)，如果功率因数低于预定阈值，中央控制装置101可向各个就地控制装置(光伏数据采集与就地控制装置112、储能数据采集与就地控制装置113、微燃机数据采集与就地控制装置114、柴油机数据采集与就地控制装置115、工厂数据采集与就地控制装置116、动稳数据采集与就地控制装置117)发出无功控制指令，随后，各个就地控制装置可向与其对应的分布式电源以及微电网动态稳定控制装置127发送控制信号(S24)。

分布式电源(光伏电站122、储能装置123、微燃机124、柴油机125、工厂126)接收到所述控制信号之后，可向400V母线发出无功功率来提高母线电压的功率因数。同时，微电网动态稳定控制系统接收到所述控制信号之后，采用下垂控制来补偿母线电压。

图3是根据本发明的示例性实施例的电压下垂控制的示意性曲线图。图4是根据本发明的示例性实施例的频率下垂控制的示意性曲线图。

如图3所示，当400V母线电压高于标准值V₀时，各个分布式电源可吸收无功功率，从而使电压降低至标准值V₀。当400V母线电压低于标准值V₀时，各个分布式电源可发出无功功率，从而使电压升高至标准值V₀。

如果微电网系统发生故障，电压瞬间跌落到V₁，系统的运行状态将由A点滑落到B点，此时将会发出更多的无功功率支撑母线电压。下垂控制通过发出无功功率补偿母线电压，并保持电压平衡。以下将参照附图详细描述通过下垂控制补偿母线电压的控制。

图5是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置127的实时功率计算单元的框图。400V母线的实时电压值和实时电流值由微电网动态稳定控制装置127采集，并对采集到的实时电压值和实时电流值分别进行Clark坐标轴转换和Park坐标轴转换，随后将坐标轴转换后的实时电压值和实时电流值输入实时功率计算单元，实时功率计算单元可计算400V母线的实时功率，并输出400V母线的有功功率和无功功率。

图6是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置127的相角计算单元的框图。图7是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置127的电压幅值计算单元的框图。

图6示出了利用实时功率计算单元输出的有功功率值与给定的有功功率值来计算相角的框图。给定的有功功率值如图4中的状态A所对应的有功功率值。频率下垂系数为图4所示的频率下垂控制的示意性曲线图的斜率，即为Δf/ΔP。随后，2π×(50-频率下垂系数)经由积分环节输出相角。所述下垂控制的相角计算没有锁相环环节，即微电网动态稳定控制装置127在计算相角时不会被400V母线的频率信号影响，而是使用给定的频率(例如50Hz)通过积分环节输出标准相角。

图7示出了利用实时功率计算单元输出的无功功率值与给定的无功功率值来计算电压幅值的框图。给定的无功功率值如图3中的状态A所对应的无功功率值。电压下垂系数为图3所示的电压下垂控制的示意性曲线图的斜率，即为ΔV/ΔQ。电压幅值主要根据额定电压为V₀来确定，即电压下垂控制输出的电压幅值是在额定电压附近上下波动。

图8是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置127的电压参考值计算单元的框图。根据所述输出相角，分别计算输出相角、输出相角+2/3π、输出相角-2/3π的余弦值，并分别与所述输出电压幅值相乘，将乘积进行Clark坐标轴转换和Park坐标轴转换后分别得出d轴电压参考值和q轴电压参考值。

图9是根据本发明的示例性实施例的正序电压外环与电流内环双环控制策略的框图。在所述控制策略中，对采集的实时电压进行正序提取，得到d轴正序电压反馈V_pd和q轴正序电压反馈V_pq，并通过双环控制策略和反Park坐标轴转换得出用于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的正序两相旋转坐标分量。

图10是根据本发明的示例性实施例的负序电压外环与电流内环双环控制策略的框图。在所述控制策略中，对采集的实时电压进行负序提取，得到d轴正序电压反馈V_nd和q轴正序电压反馈V_nq，并通过双环控制策略和反Park坐标轴转换得出用于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的负序两相旋转坐标分量。

用于SVPWM的正序两相旋转坐标分量与负序两相旋转坐标分量能够对电压不平衡进行补偿，使系统电压的正序分量在预定范围之内，并抵消系统电压的负序分量。

如上所述，在微电网运行的过程中，微电网动态稳定控制装置127实时监测400V母线的电压和电流，并计算实时功率因数，同时根据图5-图10所描述的控制方法，对400V母线的电压进行补偿。在各个分布式电源(光伏电站122、储能装置123、微燃机124、柴油机125、工厂126)接收到控制信号从而向400V母线发出无功功率的过程中，微电网动态稳定控制装置127监测400V母线的电压和电流，并计算实时功率因数，以向中央控制装置提供反馈信号，从而通过下垂控制确保各个分布式电源(光伏电站122、储能装置123、微燃机124、柴油机125、工厂126)向400V母线发出的无功功率能够使400V母线的电压保持为额定功率，也就是说，微电网动态稳定控制装置127通过实时监测和下垂控制，来实时控制各个分布式电源(光伏电站122、储能装置123、微燃机124、柴油机125、工厂126)对400V母线发出的无功功率的量。

此外，微电网动态稳定控制装置127还可在微电网并网状态和离网状态的切换中控制微电网动态稳定控制装置127的电压幅值以及频率，以促进微电网并网状态和离网状态的切换，提高切换速度。

图11是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制系统的框图。如图所示，微电网动态稳定控制装置127与400V母线之间具有自身断路器131，400V母线的并网点以下具有整个微电网系统的并网断路器132。在本示例性实施例中，微电网动态稳定控制装置127的离网状态即为将自身断路器131断路，并保持并网断路器132连接，使微电网动态稳定控制装置127与400V母线断开，也就是说使微电网动态稳定控制装置127与微电网系统离网，从而使微电网动态稳定控制装置127处于孤岛运行状态。

微电网动态稳定控制装置127的并网状态与离网状态的切换由中央控制装置101来控制。如果微电网动态稳定控制装置127的并网状态与离网状态的切换不是由中央控制装置101来控制的，则微电网动态稳定控制装置127可能出现故障，则需要通过图5-图10所示的下垂控制来控制微电网动态稳定控制装置127的电压以免造成严重后果，并在下一次并网之前清除故障信息。

图12是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置127由并网状态转换为离网状态的运行状态的示图。如图所示，微电网动态稳定控制装置127在并网运行状态下，其电压下垂控制曲线和频率下垂控制曲线分别如图12的左上图和图12的右上图所示，其中，微电网动态稳定控制装置127的运行状态如A点所示(A点对应的电压为400V母线的额定电压为V₀，A点对应的频率为400V母线的频率f₀)。

当微电网动态稳定控制装置127从并网运行状态被切换为离网运行状态时，其电压下垂控制曲线和频率下垂控制曲线分别如图12的左下图和图12的右下图所示，其中，微电网动态稳定控制装置127的运行状态如A1点所示(A1点对应的电压为V₁，A点对应的频率为f₁)。即在并网运行状态转换为离网运行状态的过程中，微电网动态稳定控制装置127的运行状态由A点下滑至A1点，电压下垂控制曲线和频率下垂控制曲线分别由经过A点的曲线下降为经过A1点的曲线。如图所示，微电网动态稳定控制装置127的电压幅值下降ΔV，微电网动态稳定控制装置127的频率下降Δf。同时，微电网动态稳定控制装置127执行图5-图10所示的下垂控制，来补偿微电网动态稳定控制装置127的电压，从而使微电网动态稳定控制装置127的电压迅速达到稳定状态。

如果微电网动态稳定控制装置127从并网运行状态被切换为离网运行状态不是由中央控制装置101控制的，则微电网动态稳定控制系统可能发生故障，其运行状态可能由A点降至B点，此时，微电网动态稳定控制装置127可通过下垂控制来保持电压和频率，以免造成电压和频率过量下跌，并在下一次并网之前清除故障信息。

当微电网动态稳定控制装置127由离网状态转换为并网状态的运行状态时，为将所述自身断路器131连接，并保持所述并网断路器连接，使微电网动态稳定控制装置127与400V母线连接，也就是说使微电网动态稳定控制装置127与微电网系统并网，从而使微电网系统处于并网运行状态。

图13是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置127由离网状态转换为并网状态的运行状态的示图。如图所示，微电网动态稳定控制装置127在离网运行状态下，其电压下垂控制曲线和频率下垂控制曲线分别如图13的左上图和图13的右上图所示，其中，微电网动态稳定控制装置127的运行状态如A点所示。

当微电网动态稳定控制装置127从离网运行状态被切换为并网运行状态时，其电压下垂控制曲线和频率下垂控制曲线分别如图13的左中图和图13的右中图所示，其中，微电网动态稳定控制装置127的运行状态由A1点提升至A点。即在离网运行状态转换为并网运行状态的过程中，电压下垂控制曲线和频率下垂控制曲线分别由经过A1的曲线(如图中实线所示)上升为经过A点的曲线(如图中虚线所示)。如图所示，微电网动态稳定控制装置127的电压幅值上升ΔV，微电网动态稳定控制装置127的频率上升Δf。同时，微电网动态稳定控制系统执行图5-图10所示的下垂控制，来补偿微电网动态稳定控制装置127的电压，从而使微电网动态稳定控制装置127的电压迅速达到稳定状态。

如果微电网动态稳定控制装置127从离网运行状态被切换为并网运行状态不是由中央控制装置101控制的，则微电网动态稳定控制装置127可能发生故障，微电网动态稳定控制装置127可通过图5-图10所示的下垂控制来保持电压和频率，以免造成电压和频率过量升高，同时避免瞬时电流过大而造成严重后果。并在并网之前清除故障信息。

在将微电网动态稳定控制装置127从离网运行状态切换为并网运行状态的过程中，微电网动态稳定控制装置127与400V母线电压的频率、相位等参数均不相同，为了提高离网运行状态与并网运行状态的切换速度，可采用改变下垂系数和给定功率的方法。

改变频率下垂控制曲线的下垂系数，即为改变下垂控制曲线的斜率，使下垂控制曲线的斜率的绝对值增大，因此Δf增大，即400V母线和微电网动态稳定控制系统之间的频率差加大，从而加快了微电网动态稳定控制装置127对400V母线电压的相角跟踪速度。

可选地，还可通过改变给定功率的方法加快离网运行状态与并网运行状态的切换速度。例如，由于频率下垂控制曲线的斜率为负数，因此当给定功率减小时，则Δf增大，即400V母线和微电网动态稳定控制装置127之间的频率差加大，从而加快了微电网动态稳定控制装置127对400V母线电压的相角跟踪速度。

如图13的右下图所示，即为改变下垂系数和给定功率来加快微电网动态稳定控制装置127从离网运行状态切换为并网运行状态的速度的控制曲线，图中，A1点对应的频率为f₁，对应的有功功率为P_max；A对应的频率为f₀，对应的有功功率为P_ref；有功功率在P_min和P_max之间调整。如图所示，频率下垂控制曲线的斜率被调整为(f₂-f₁)/(P_min-P_max)。

如图13的左下图所示，微电网动态稳定控制装置127通过相位跟踪的方式，与400V母线的相位保持一致，此外，微电网动态稳定控制装置127还包括13次谐波滤出的滤波系统，所述滤波系统可滤除所述母线电压的高次谐波，保持相位跟踪的准确性。

图14是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置127对400V母线进行相位跟踪的原理图。图15是根据本发明的示例性实施例的微电网动态稳定控制装置127对400V母线进行相位跟踪相位示图。

如图所示，微电网动态稳定控制装置127与400V母线之间的阻抗角相位为V_R+jX，微电网动态稳定控制装置127输出的电压相位V_system通过向量加法对400V母线电压相位V_grid进行跟踪，并与V_grid保持一致，即V_system+V_R+jX＝V_grid。

此外，在将微电网动态稳定控制装置127从离网运行状态切换为并网运行状态时，还需要确定切换瞬间的最大电流值，以便于对切换相角的控制，并可有助于根据最大电流值选择电网中的器件。根据图15所示，最大电流值|I_R+jX|_max可根据以下等式确定：

|I_R+jX|_max≈V_grid·θ/|R+jX|

微电网动态稳定控制装置127通过下垂控制实现微电网系统的动态无功补偿以及功率因数调整，通过在-10％～+10％的频率波动率范围内调节频率以及在-10％～7％的电压波动率范围内调节电压，保证了正常运行中母线电压的稳定并改善了电能的质量。并且，微电网动态稳定控制装置127能够在离网运行状态与并网运行状态的切换中通过下垂控制补偿电压并调整功率因数，实现-200kW～200kW的范围内动态调节微电网动态稳定控制装置127有功功率，以及在-200kVA～200kVA的范围内调节微电网动态稳定控制装置127无功功率，并通过改变下垂系数以及治理13次以下的电压或电流谐波来提高相位跟踪速度，从而提升离网运行状态与并网运行状态的切换速度，使离网运行状态与并网运行状态的切换时间小于10ms。

虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述本发明的所有可能形式。更确切地说，说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。此外，可将各种实现的实施例的特征进行组合以形成本发明的进一步的实施例。