一种基于相角下垂控制的微电网系统及组网方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于相角下垂控制的微电网系统，所述微电网系统包括调度系统、微电网本体，每个微电网本体均通过相应的并网开关连接至公用电网，调度系统用于控制并网开关的启闭以实现微电网系统在孤岛模式和并网模式两种运行模式之间的切换；微电网系统在孤岛模式下运行时，并网开关断开，分布式电源采用VSI相角下垂控制器，为微电网本体提供电压和频率支撑；所述微电网系统在并网模式下运行时，并网开关闭合，分布式电源采用PQ控制器输出指定功率，由公用电网为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑。本发明还公开了一种基于相角下垂控制的微电网组网方法。本发明在实现分布式电源利用率最大化的同时，实现微电网能量的合理流动。
【专利说明】—种基于相角下垂控制的微电网系统及组网方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及可再生能源发电微电网领域，特别地涉及一种基于相角下垂控制的微电网系统及组网方法。
【背景技术】
[0002]在能源危机和环境保护的双重压力下，微电网技术受到各界的广泛重视和应用。微电网系统是指为了充分利用可再生能源，将分布式电源、储能单元和负荷结合在一起的区域电网，既可以运行在孤岛模式下，也可以并入大电网，实现能源的就地开发利用，减少能量传输损耗，同时控制微电网内部的能量流动，实现微电网系统经济优化运行。
[0003]微电网可以看成是由众多分布式装置组成的区域电网形式，通常是由电压源型逆变器控制输出的有功以及无功功率。分布式电源通过变流器产生直流电后，再通过逆变器产生交流电，可以看成是微电网内部的一个DG (Distributed Generation)单元。对于其中的逆变器一般采用PQ控制或电压源型逆变器(VSI)控制策略。采用PQ控制的逆变器可以等效成电流源，其输出功率由上层调度管理系统决定，而不受微电网内部功率变化的影响，适用于有大电网作支撑的情况，是目前主流的微电网控制策略之一，通过跟随PCC处的电压，控制注入的电流大小来调节输出功率。采用VSI控制的逆变器可以等效成电压源，其输出功率随着微电网内部功率的变化而改变，起到调节功率的作用，适用于孤岛运行状态，需要配备储能装置。微电网在并网运行时，可由公用电网为其提供电压和频率支撑。孤岛运行时由于缺乏公用电网提供的大容量电网电压支撑，因此必需有一定数量的采用VSI控制的单元为其提供电压和频率支撑，建立稳定可靠的电压，以保证微电网的正常运行。
[0004]考虑到微电网中众多的分布式电源的相互联系，对其进行合理的功率配置显得尤为重要，在一个微电网系统中应以最小限度的通信成本实现功率的合理配置，目前较为常见的是采用下垂特性控制方法，其控制方法通常使用频率下垂控制，以此产生参考信号，该方法利用分布式电源输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理进行控制，通过采集本地反馈信息从而控制逆变器的输出特性，然而由于众多逆变器的并网，导致其频率的波动范围较大，影响整个微电网的稳定性。与此同时，在大区域范围内的微电网并联系统中，各微电网系统之间以及微电网系统内部的分布式电源也需要建立统一的时间基准，以保障能量调度系统的统一管理。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一在于提供一种基于相角下垂控制的微电网系统，通过对运行在不同模式下的微电网逆变器进行控制，从而跟踪负荷功率的变化或者按照功率设定值输出功率，实现不同模式运行下微电网内部的功率平衡，同时利用GPS同步时钟产生公共脉冲基准，实现微电网间以及微电网内部多种分布式电源间的同步锁相，提高系统稳定性。
[0006]为实现以上目的，本发明采取的技术方案是:
[0007]所述微电网系统包括调度系统、微电网本体，所述微电网本体至少包括由风能和太阳能通过逆变器转换成符合供电质量的分布式电源，每个微电网本体均通过相应的并网开关连接至公用电网，所述调度系统用于控制并网开关的启闭以实现微电网系统在孤岛模式和并网模式两种运行模式之间的切换；
[0008]组网的多个微电网本体之间以及微电网系统内部的多台逆变器均以公共脉冲基准作为同步基准；
[0009]所述逆变器采用DSP控制系统，以收集本地数据，同时还接受上层调度系统的指令，按照上层调度系统的给定值输出有功功率以及无功功率，所述本地数据包括输入电压、电流、功率以及逆变输出电压、电流和有功、无功功率；
[0010]所述微电网系统在孤岛模式下运行时，并网开关断开，上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用VSI相角下垂控制器，使用相角下垂控制产生参考信号，用以为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑；
[0011]所述微电网系统在并网模式下运行时，并网开关闭合，上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用PQ控制器输出指定功率，由公用电网为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑。
[0012]所述公共脉冲基准为由GPS同步时钟产生的公共脉冲形成的同步基准，逆变器在检测到同步基准的上升沿时开始产生一定频率的脉冲，同时进行同步锁相，在检测到下一个同步基准的上升沿时进行频率校验。
[0013]所述PQ控制为通过对P和Q的参考值进行解耦得到电感电流参考值，该电感电流参考值与电感电流实际值的差值经过电流环比例积分控制器以及前馈解耦之后产生调制信号。其控制技术可以采用任何已有的实现技术。
[0014]所述逆变器均采用空间矢量脉宽调制技术，以实现了两种运行模式的无缝切换，保证了微电网本体在孤岛模式下仍可维持本地重要负载的供电。
[0015]所述微电网系统还包括通过并网开关接入公用电网的燃气轮机、燃料电池以及蓄电池或/和飞轮储能形成的储能系统，以提高微电网系统运行的稳定性以及供电的可靠性。
[0016]本发明的另一目的在于提供一种基于相角下垂控制的微电网组网方法，通过对运行在不同模式下的微电网逆变器进行控制，从而跟踪负荷功率的变化或者按照功率设定值输出功率，实现不同模式运行下微电网内部的功率平衡，同时利用GPS同步时钟产生公共脉冲基准，实现微电网间以及微电网内部多种分布式电源间的同步锁相，提高系统稳定性。
[0017]一种基于相角下垂控制的微电网方法，其包括以下步骤:
[0018]步骤S1、判断微电网系统的运行模式，当为孤岛模式时，执行步骤S2，反之，当为并网模式时,执行步骤S3 ；
[0019]步骤S2、上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用VSI相角下垂控制器，使用相角下垂控制产生参考信号，用以为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑；
[0020]步骤S3、上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用PQ控制器输出指定功率，由公用电网为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑。
[0021]VSI相角下垂控制器包括VSI控制器、功率控制器，所述VSI控制器的输入端连接于公用电网输入端，其输出端通过功率控制器连接至逆变器的空间矢量脉冲调制器，在VSI控制器与功率控制器之间以及功率控制器与空间矢量脉冲调制器之间分别设有abc/dq坐标变换器和abc/α β坐标变换器。
[0022]所述步骤S2包括以下步骤:
[0023]步骤S2.1、VSI控制器经过abc/dq坐标变换器变换，得到分布式电源的输出有功功率P。和无功功率Q。:
[0024]
【权利要求】
1.一种基于相角下垂控制的微电网系统，其特征在于， 所述微电网系统包括调度系统、微电网本体，所述微电网本体至少包括由风能和太阳能通过逆变器转换成符合供电质量的分布式电源，每个微电网本体均通过相应的并网开关连接至公用电网，所述调度系统用于控制并网开关的启闭以实现微电网系统在孤岛模式和并网模式两种运行模式之间的切换； 组网的多个微电网本体之间以及微电网系统内部的多台逆变器均以公共脉冲基准作为同步基准； 所述逆变器采用DSP控制系统，以收集本地数据，同时还接受上层调度系统的指令，按照上层调度系统的给定值输出有功功率以及无功功率，所述本地数据包括输入电压、电流、功率以及逆变输出电压、电流和有功、无功功率； 所述微电网系统在孤岛模式下运行时，并网开关断开，上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用VSI相角下垂控制器，使用相角下垂控制产生参考信号，用以为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑； 所述微电网系统在并网模式下运行时，并网开关闭合，上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用PQ控制器输出指定功率，由公用电网为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑。
2.根据权利要求1所述的基于相角下垂控制的微电网系统，其特征在于，所述公共脉冲基准为由GPS同步时钟产生的公共脉冲形成的同步基准，逆变器在检测到同步基准的上升沿时开始产生一定频率的脉冲，同时进行同步锁相，在检测到下一个同步基准的上升沿时进行频率校验。
3.根据权利要求1所述的基于相角下垂控制的微电网系统，其特征在于，所述PQ控制为通过对P和Q的参考值进行解耦得到电感电流参考值，该电感电流参考值与电感电流实际值的差值经过电流环比例积分控制器以及前馈解耦之后产生调制信号。
4.根据权利要求1所述的基于相角下垂控制的微电网系统，其特征在于，所述逆变器均采用空间矢量脉宽调制技术，以实现了两种运行模式的无缝切换。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于相角下垂控制的微电网系统，其特征在于，所述微电网系统还包括通过并网开关接入公用电网的燃气轮机、燃料电池以及蓄电池或/和飞轮储能形成的储能系统，以提高微电网系统运行的稳定性以及供电的可靠性。
6.一种基于相角下垂控制的微电网方法，其特征在于，其包括以下步骤: 步骤S1、判断微电网系统的运行模式，当为孤岛模式时，执行步骤S2，反之，当为并网模式时，执行步骤S3; 步骤S2、上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用VSI相角下垂控制器，使用相角下垂控制产生参考信号，用以为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑； 步骤S3、上层调度系统切换分布式电源工作模式，采用PQ控制器输出指定功率，由公用电网为该分布式电源所在的微电网本体提供电压和频率支撑。
7.根据权利要求6所述的基于相角下垂控制的微电网组网方法，其特征在于，VSI相角下垂控制器包括VSI控制器、功率控制器，所述VSI控制器的输入端连接于公用电网输入端，其输出端通过功率控制器连接至逆变器的空间矢量脉冲调制器，在VSI控制器与功率控制器之间以及功率控制器与空间矢量脉冲调制器之间分别设有abc/dq坐标变换器和abc/α β坐标变换器。
8.根据权利要求7所述的基于相角下垂控制的微电网组网方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤: 步骤S2.1、VSI控制器经过abc/dq坐标变换器变换，得到分布式电源的输出有功功率P。和无功功率Q。:
9.根据权利要求7或8所述的基于相角下垂控制的微电网组网方法，其特征在于，功率控制器、abc/dq坐标变换器和abc/α β坐标变换器采用相同的相角Θ，所述相角Θ由功率控制器广生，6 = 5 +?。
10.根据权利要求8所述的基于相角下垂控制的微电网组网方法，其特征在于，所述步骤S2.2和步骤S2.3之间还包括以下步骤:通过电压电流双环控制器对输出参考信号以及VSI控制器经过abc/dq坐标变换器变换的信号进行内外环控制。
【文档编号】H02J3/46GK103956778SQ201410153759
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月16日 优先权日:2014年4月16日
【发明者】张继元, 舒杰, 黄磊, 吴昌宏, 吴志锋 申请人:中国科学院广州能源研究所