一种孤岛微电网功率精准分配的二次控制方法与流程

本发明属于微电网控制
技术领域：
，具体地说是一种孤岛微电网功率精准分配的二次控制方法。
背景技术：
：微电网可由分布式电源(distributedgenerator，dg)、储能系统、负荷等多个发电单元、用电单元灵活，可实现自我协调。微电网中分布式电源发电与大电网互为补充，在减少大电网的容量、提高供电可靠性及用电峰谷调节等方面显示出独特的优势，但是滥用以及不规范无管理性地使用分布式发电逐渐也使得其弊端日渐明显，因而，微电网作为电网与分布式电源的中间层，能够保证在分布式能源接入率最大化的同时，减小分布式电源直接接入电网运行的风险，充分发挥电网灵活高效运行的技术优势，通过有效的控制策略将分布式电源的电压和频率稳定在各自的额定值附近才能保障电力系统安全可靠的运行。微电网具有并网和孤岛两种工作模式。在孤岛模式下，各分布式电源并联运行，由于此时没有大电网支撑，分布式电源的电压和频率容易波动，所以该模式下的控制策略的选择对微电网安全运行至关重要，下垂控制策略是一种经典的微电网控制策略，通过模拟同步机下垂特性来调节有功和无功功率，为微电网系统在孤岛运行状态时提供电压和频率支撑。但是传统下垂控制中由于各dg馈线阻抗差异较大，实现输出无功功率受馈线阻抗差异影响，无法按照dg容量比例实现无功功率的精确分配。为解决微电网中无功功率分配不均的问题，研究人员提出了多种改善无功功率分配精度的方法。常用的方法有将虚拟阻抗加入传统下垂控制环节，但加入的虚拟阻抗的增加将导致输出电压明显跌落，大大降低了微电网系统电压质量。另有研究将无功偏差作用于有功/频率下垂控制，产生有功扰动；再通过低宽带通讯发出同步信号，将该扰动作用到下垂控制中无功/电压下垂环节，以此消除无功偏差。但该方法会产生频率的波动，影响微电网的电能质量和稳定性，且通信存在延时情况，方法实际应用难度较大。技术实现要素：本发明的目的是针对传统下垂控制中无功功率输出与线路阻抗有关以致难以实现无功功率合理分配的问题，提供一种孤岛微电网功率精准分配的二次控制方法，该方法能够实现在负荷波动情况下自适应调整各分布式电源的功率分配情况，使得输出无功功率与线路阻抗无关，实现无功功率按分布式电源容量比合理分配输出，仿真结果验证了该改进策略的有效性。本发明的目的是通过以下技术方案解决的：一种孤岛微电网功率精准分配的二次控制方法，其特征在于：该方法基于包括多个分布式电源的微电网系统，各分布式电源通过对应相连的电压型三相有源逆变器和lc滤波器接入微电网系统的公共节点，微电网系统处于孤岛运行状态；该微电网系统的控制模型包含皆带有坐标变换模块的功率控制外环模块和电压电流控制内环模块，其中功率控制外环模块还包括功率计算模块、改进下垂控制模块，电压电流控制内环模块还包括电压电流双环控制器、pwm脉冲调制器，该控制模型用于控制各分布式电源输入微网的有功无功功率，实现各分布式电源输出功率的精准分配；其中改进下垂控制模块的具体控制步骤为：a、改进下垂控制模块获取功率计算模块输出的第i个分布式电源输出的有功功率实际值pi和无功功率实际值qi；b、根据第i个分布式电源的额定无功功率qni和第i个分布式电源的输出的无功功率实际值qi获得第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值q期i：式(3)中，qni为第i个分布式电源的额定无功功率；qi为第i个分布式电源输出的无功功率实际值；q期i为第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值；c、将第i个分布式电源的输出的无功功率实际值qi和第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值q期i输入改进下垂控制模块中的pi控制器，获得第i个分布式电源的电压控制补偿量vi'：vi'＝(kp+ki/s)(q期i-qi)(4)式(4)中，vi'为第i个分布式电源的电压控制补偿量；kp为pi控制器的比例放大系数；ki为pi控制器的积分比例系数；1/s为pi控制器的积分算子；d、将第i个分布式电源的电压控制补偿量vi'与第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值vi相叠加获得第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值vi*：vi*＝vi+vi'＝vn-ni(qi-qni)+(kp+ki/s)(q期i-qi)(5)式(5)中，vi*为第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值；vn为微电网系统的额定电压；ni为第i个分布式电源的无功下垂系数，根据其自身容量设置；e、改进下垂控制模块将第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值fi和获得的第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值vi*合成为三相电压参考值uref后输送给电压电流控制内环模块。所述功率控制外环模块采集第i个分布式电源对应的lc滤波器后的输出电压uoabc和输出电流ioabc，经坐标变换模块进行clack和park坐标变换，获得变换后的旋转坐标系下的直轴电压分量uod、交轴电压分量uoq、直轴电流分量iod以及交轴电流分量ioq，输入功率计算模块中得到第i个分布式电源对应的lc滤波器后输出的有功功率实际值pi和无功功率实际值qi，功率计算模块中的功率计算公式为：式(1)中，pi为第i个分布式电源输出的有功功率实际值；qi为第i个分布式电源输出的无功功率实际值。所述步骤d中的第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值vi和所述步骤e中的第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值fi基于传统下垂控制方法的控制方程获得，该控制方程如下：式(2)中，fn为微电网系统额定频率；fi为第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值；vn为微电网系统额定电压；vi为第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值；mi为第i个分布式电源的有功下垂系数；ni为第i个分布式电源的无功下垂系数；pni为第i个分布式电源的额定有功功率；qni为第i个分布式电源的额定无功功率；pi为第i个分布式电源输出的有功功率实际值；qi为第i个分布式电源输出的无功功率实际值。所述电压电流控制内环模块中的电压电流双环控制器接收改进下垂控制模块输送的三相电压参考值uref；同时电压电流控制内环模块采集第i个分布式电源对应的lc滤波器后的输出电压uoabc和电容电流icabc，经坐标变换模块进行clack和park坐标变换后亦输入电压电流双环控制器；电压电流双环控制器处理后得到指令信号；指令信号再经坐标变换模块进行clack和park坐标反变换后送入pwm脉冲调制器；pwm脉冲调制器产生开关信号控制电压型三相有源逆变器中功率器件的通断来实现上述指令信号。第i个分布式电源对应的lc滤波器后的输出电压uoabc经clack和park坐标变换的具体过程为：其中，clack坐标变换的公式为：式(6)中，uα和uβ为经过clack坐标变换所得静止坐标系下的电压值；ua、ub、uc为功率控制外环模块采集的第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器的输出电压uoabc的三相电压分量；cabc/αβ为clack坐标变换矩阵，具体为：其中pack坐标变换的公式为：式(8)中，uod、uoq分别为经pack坐标变换后的旋转坐标系下的直轴电压分量和交轴电压分量；pαβ/dq为pack坐标变换矩阵，具体为：第i个分布式电源对应的lc滤波器后的输出电流ioabc经clack和park坐标变换的具体过程为：其中，clack坐标变换的公式为：式(10)中，iα和iβ为经过clack坐标变换所得静止坐标系下的电流值；ia、ib、ic为功率控制外环模块采集的第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器的输出电流ioabc的三相电流分量；其中pack坐标变换的公式为：式(11)中，iod、uoq分别为经pack坐标变换后的旋转坐标系下的直轴电流分量和交轴电流分量。本发明相比现有技术有如下优点：本发明的二次控制方法通过自动调整各分布式电源的功率分配情况，使得电压型三相有源逆变器输出的无功功率与线路阻抗无关，只需利用分布式电源的无功功率额定值和输出的无功功率实际值实时得到不同容量配比下每台分布式电源输出的无功功率期望值，在负荷波动情况下也能够保证无功功率按比例分配，大大增强了微电网系统的动态性能，实现各分布式电源无需通信便可实现无功功率按分布式电源容量比合理分配输出，提高了微电网系统的可靠性，在实际应用过程中便于实现。附图说明附图1为本发明的孤岛微电网功率精准分配的二次控制方法的总体框架图；附图2为本发明的改进下垂控制模块的流程框图；附图3为传统下垂控制方法的流程图；附图4为本发明的孤岛微电网功率精准分配的二次控制方法的流程图；附图5为采用本发明的孤岛微电网功率精准分配的二次控制方法的两台dg并联运行模型图；附图6为仿真场景一的基于传统下垂控制和基于本发明改进方法控制的分布式电源输出的无功功率实际值仿真结果图；附图7为仿真场景一的基于传统下垂控制和基于本发明改进方法控制的分布式电源输出的无功功率实际值比例仿真结果图；附图8为仿真场景二的基于传统下垂控制和基于本发明改进方法控制的分布式电源输出的无功功率实际值仿真结果图；附图9为仿真场景二的基于传统下垂控制和基于本发明改进方法控制的分布式电源输出的无功功率实际值比例仿真结果图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。本发明公开了一种孤岛微电网功率精准分配的二次控制方法，该方法基于该方法基于包括多个分布式电源(distributedgenerator，dg)的微电网系统，各分布式电源通过对应相连的电压型三相有源逆变器和lc滤波器接入微电网系统的公共节点，微电网系统处于孤岛运行状态；该微电网系统的控制模型包含皆带有坐标变换模块的功率控制外环模块和电压电流控制内环模块，其中功率控制外环模块还包括功率计算模块、改进下垂控制模块，电压电流控制内环模块还包括电压电流双环控制器、pwm脉冲调制器，该控制模型用于控制各分布式电源输入微网的有功无功功率，实现各分布式电源输出功率的精准分配。该方法基于传统下垂控制增加了无功功率二次控制，具体地，设计了dg无功功率期望值自适应算法，根据dg无功功率期望值采用pi控制器生成传统下垂控制时的微电网系统电压参考值vi的电压控制补偿量vi'，将其与微电网系统电压参考值vi叠加，最终得到微电网系统电压补偿参考值vi*。本发明的方法能够实现在负荷波动情况下通过自适应算法得到各dg输出的无功功率期望值，自适应调整各dg的功率分配情况，达到输出无功功率按dg容量比进行精准分配的目的。其中改进下垂控制模块的流程框图如图2所示，改进下垂控制模块的具体控制步骤为：a、改进下垂控制模块获取功率计算模块输出的第i个分布式电源输出的有功功率实际值pi和无功功率实际值qi；b、根据第i个分布式电源的额定无功功率qni和第i个分布式电源的输出的无功功率实际值qi获得第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值q期i：式(3)中，qni为第i个分布式电源的额定无功功率；qi为第i个分布式电源输出的无功功率实际值；q期i为第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值；c、将第i个分布式电源的输出的无功功率实际值qi和第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值q期i输入改进下垂控制模块中的pi控制器，获得第i个分布式电源的电压控制补偿量vi'：vi'＝(kp+ki/s)(q期i-qi)(4)式(4)中，vi'为第i个分布式电源的电压控制补偿量；kp为pi控制器的比例放大系数；ki为pi控制器的积分比例系数；1/s为pi控制器的积分算子d、将第i个分布式电源的电压控制补偿量vi'与第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值vi相叠加获得第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值vi*：vi*＝vi+vi'＝vn-ni(qi-qni)+(kp+ki/s)(q期i-qi)(5)式(5)中，vi*为第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值；vn为微电网系统的额定电压；ni为第i个分布式电源的无功下垂系数，根据其自身容量设置；e、改进下垂控制模块将第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值fi和获得的第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值vi*合成为三相电压参考值uref后输送给电压电流控制内环模块。本发明的孤岛微电网功率精准分配的二次控制方法的总体框架图、流程图分别如图1、图4所示：功率控制外环模块采集第i个分布式电源对应的lc滤波器后的输出电压uoabc和输出电流ioabc，经坐标变换模块进行clack和park坐标变换，获得变换后的旋转坐标系下的直轴电压分量uod、交轴电压分量uoq、直轴电流分量iod以及交轴电流分量ioq，输入功率计算模块中得到第i个分布式电源对应的lc滤波器后输出的有功功率实际值pi和无功功率实际值qi，功率计算模块中的功率计算公式为：式(1)中，pi为第i个分布式电源输出的有功功率实际值；qi为第i个分布式电源输出的无功功率实际值。功率计算模块获得的第i个分布式电源对应的lc滤波器后输出的有功功率实际值pi和无功功率实际值qi输送给改进下垂控制模块；经改进下垂控制模块处理后合成为三相电压参考值uref后输送给电压电流控制内环模块中的电压电流双环控制器；同时电压电流控制内环模块采集第i个分布式电源对应的lc滤波器后的输出电压uoabc和电容电流icabc，经坐标变换模块进行clack和park坐标变换后亦输入电压电流双环控制器；电压电流双环控制器处理后得到指令信号；指令信号再经坐标变换模块进行clack和park坐标反变换后送入pwm脉冲调制器；pwm脉冲调制器产生开关信号控制电压型三相有源逆变器中功率器件的通断来实现上述指令信号。在上述方法中，将微电网系统的输电线路阻抗视为感性，采用传统下垂控制方法，确定第i个分布式电源的有功下垂系数mi和无功下垂系数ni，经传统下垂控制方法的控制方程得到第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值fi和第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值vi，该控制方程如下：式(2)中，fn为微电网系统额定频率；fi为第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值；vn为微电网系统额定电压；vi为第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值；mi为第i个分布式电源的有功下垂系数；ni为第i个分布式电源的无功下垂系数；pni为第i个分布式电源的额定有功功率；qni为第i个分布式电源的额定无功功率；pi为第i个分布式电源输出的有功功率实际值；qi为第i个分布式电源输出的无功功率实际值。对比现有技术中的下垂控制方法(流程图如图3所示)，通过本发明的二次控制方法能够实现电压型三相有源逆变器输出的无功功率实际值与线路阻抗无关，利用分布式电源的无功功率额定值和输出的无功功率实际值实时得到不同容量配比下每台分布式电源输出的无功功率期望值，在负荷波动情况下也能够保证无功功率按分布式电源容量比合理分配输出，大大增强了微电网系统的动态性能。为了说明本发明的方法效果，给出如下实施例：为验证本发明所提出孤岛微电网功率精准分配的二次控制方法的有效性，在matlab中搭建两台dg并联运行模型如图5所示。图5中的电压型三相有源逆变器的额定电压幅值和额定频率分别为311v和50hz；dg的直流侧电压均为700v，滤波电容均为1600μf，滤波电感为0.8mh，初始负荷为(15+j10)kva。设定仿真时间为1s，0.3s前采用传统下垂控制策略(下称：传统下垂控制)，0.3s时切换为本发明所提出的改进下垂控制策略(下称：本发明改进方法)，并在0.6s时接入负荷(10+j5)kva。其余相关参数根据不同的仿真场景设定。下面将在不同的仿真场景中对本发明所提出的改进下垂控制策略进行验证。仿真场景一：两台dg额定容量相同、线路阻抗不同、负荷存在波动，仿真参数见表1。表1：仿真场景一的仿真参数表dg额定容量/kva线路电阻/ω线路电抗/ω有功下垂系数m/(10-5)无功下垂系数m/(10-4)120+j100.130.0241.23.2220+j100.350.00921.23.2仿真结果如图6、图7所示，两台dg的容量比例为1：1，线路阻抗不同。当0～0.3s时采用传统下垂控制策略时，由图6得dg1、dg2输出的无功功率实际值分别7.85kvar和2.15kvar，由图7得到输出的无功功率实际值的比例q1/q2为3.6，未按照1：1的比例进行分配。0.3s时刻采用本发明的改进下垂控制策略，经过一个暂态后dg1和dg2输出的无功功率输出分别为5.05kvar和4.91kvar，由图7得到输出的无功功率实际值的比例为1.02，基本达到功率按dg容量比分配。在0.6s时加入负荷(10+j5)kva，经过一个暂态后dg1和dg2输出的无功功率实际值分别为7.51kvar和7.48kvar，输出的无功功率实际值的比例仍为1.004，基本达到功率按dg容量比分配。该结果表明本发明所提出的孤岛微电网功率精准分配的二次控制方法在负荷波动的情况下依然能够实现无功功率按照相同dg容量比例进行均分，大大提高了无功功率分配精度，暂态时间短，具有良好的动态性能。仿真场景二：两台dg额定容量不同、线路阻抗不同、存在负荷波动，仿真参数见表2。表2：仿真场景二的仿真参数表dg额定容量/kva线路电阻/ω线路电抗/ω有功下垂系数m/(10-5)无功下垂系数m/(10-4)120+j100.130.0240.481.2828+j40.350.00921.23.2仿真结果如图8、图9所示，两台dg的容量比例为2.5:1、线路阻抗不同。当0～0.3s时采用传统的下垂控制策略时，由图8得dg1、dg2输出的无功功率分别5.29kvar和4.62kvar，由图9得到输出的无功功率实际值的比例q1/q2为1.13，未按照2.5：1的比例进行分配，0.3s时刻采用本发明的改进下垂控制策略，经过一个暂态后dg1和dg2输出的无功功率实际值分别为7.07kvar和2.85kvar，由图9得到输出的无功功率实际值的比例为2.5，在0.6s时加入负荷(10+j5)kva，经过一个暂态后dg1和dg2输出的无功功率实际值分别为10.4kvar和4.23kvar，输出的无功功率实际值的比例仍为2.5。该结果表明本发明所提出的孤岛微电网功率精准分配的二次控制方法在负荷波动的情况下依然能够实现无功功率按照不同dg容量比例进行分配，大大提高了无功功率分配精度，暂态时间短，具有良好的动态性能。以上仿真实验分析表明，本发明能够解决传统下垂控制中无功功率分配精度的问题。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。当前第1页12