一种针对分布式电源的全分散式孤岛无功控制方法与流程

本发明涉及一种微电网的控制方法，尤其是涉及一种针对分布式电源的全分散式孤岛无功控制方法。
背景技术：
：分布式发电是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施，能够经济、高效、可靠地发电。分布式电源位置灵活、分散，能与大电网互为备用，在一定程度上分担了输电网从电厂向用户远距离和大功率输电的功能。尽管分布式电源优点突出，但分布式电源相对于大电网来说是一个不可控电源，大电网也往往限制或隔离分布式电源。为了协调大电网与分布式电源的矛盾，又提出了微电网的概念。微电网是一个由负荷与微电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微电源由电力电子器件负责能量转换，并提供必需的控制；对大电网表现为单一的受控单元，对用户则表现为可定制的电源。目前，微电网可以工作在并网状态和孤网状态。在孤网状态下，分布式电源一般采用下垂控制的方法来合理地分摊负荷。而在下垂控制中，有功负荷可以较简单地通过频率下垂的方式分配给各个分布式电源，因为在稳态过程中微网系统的频率变化是连续的。但是，由于各个分布式电源机端阻抗不一定相同，各个分布式电源的输出电压也是不一定相等的。从而，无功功率和电压的下垂控制难以取得良好的效果。在无功负荷剧烈波动的情况下，PCC点的电压也难以迅速趋于稳定。为解决目前无功功率和电压的下垂控制的难题，有学者提出引入虚拟阻抗的概念，来削弱机端阻抗的影响，但是这种方法容易影响微网的电压质量；也有学者通过向微网中各个分布式电源注入一种含有无功功率信息的谐波电压信号来合理地分摊无功负荷，但是这种方法有可能造成分布式电源机端输出电压的失真。另外，目前的研究主要集中在采用无功功率-电压(Q-V)下垂控制的分布式电源上，却忽略了采用电压-无功功率(V-Q)下垂控制的分布式电源，并且极少有研究成果能够解决无功负荷波动时PCC点电压的恢复问题。技术实现要素：为解决上述问题，本发明提出了一种针对分布式电源的全分散式孤岛无功控制方法，同时对采用无功功率-电压(Q-V)下垂控制和采用电压-无功功率(V-Q)下垂控制的分布式电源进行控制，并且在孤网状态下应用于分布式电源的无功功率分摊和即插即用。本发明的技术方案采用如下步骤：本发明针对采用Q-V下垂控制的分布式电源或者采用V-Q下垂控制的分布式电源，通过两种电压控制方式同时进行控制得到两个变化量，两个变化量相加或者进一步处理得到参考值，施加到分布式电源上进行电压或者功率的控制。若针对采用Q-V下垂控制的分布式电源，各个分布式电源同时通过第一输出电压控制方式和第二输出电压控制方式分别进行控制，再分别通过第一低通滤波器和第二低通滤波器进行解耦，解耦后得到第一控制输出电压变化量Vpri(Qi)和第二控制输出电压变化量Vsec(α,VPCC,cal)，采用以下公式将第一控制输出电压变化量Vpri(Qi)、第二控制输出电压变化量Vsec(α,VPCC,cal)相加得到输出电压参考值Vi,ref，进而对分布式电源进行电压控制；Vi,ref＝Vpri(Qi)+Vsec(α,VPCC,cal)；若针对采用V-Q下垂控制的分布式电源，各个分布式电源首先同时通过第一目标电压控制方式和第二目标电压控制方式分别进行控制，再通过第一和第二低通滤波器进行解耦，解耦后得到第一控制目标电压变化量Vpri,obj(Qi)和第二控制目标电压变化量Vsec,obj(α,VPCC,obj)，采用以下公式将第一控制目标电压变化量Vpri,obj(Qi)和第二控制目标电压变化量Vsec,obj(α,VPCC,obj)相加得到目标电压控制量Vi,obj，并通过潮流计算得到PCC点(公共连接点)目标电压幅值VPCC,obj；Vi,obj＝Vpri,obj(Qi)+Vsec,obj(α,VPCC,obj)然后对于各个分布式电源，同时通过根据目标电压控制量Vi,obj进行的电压跟踪前馈控制和根据PCC点目标电压幅值VPCC,obj进行的电压跟踪反馈控制分别进行控制，得到电压跟踪前馈值和电压跟踪反馈值采用以下公式将两者相加得到无功功率输出的参考值Qi,ref，进而对分布式电源进行功率的控制：Qi,ref=Qi,refback+Qi,refforward.]]>所述第一输出电压控制方式采用以下公式计算得到第一控制输出电压变化量Vpri(Qi)：Vpri(Qi)=(V*-nQi)+[(V*-niQi)-(V*-nQi)]11+T1s]]>其中，V*为分布式电源的输出电压参考值，Qi为分布式电源的无功功率输出值，n为标准下垂斜率，ni为第i台分布式电源的下垂斜率，n＝(Vmax-Vmin)/Si，Si是分布式电源的视在功率容量，Vmax和Vmin分别为分布式电源的输出电压上、下限，T1为第一低通滤波器的时间常数，s为频域变量。所述的第i台分布式电源的下垂斜率ni具体采用以下公式计算得到：ni=nk+1VPCC,ref(Xk-Xi),i≠knk=n]]>其中，Xi为第i台分布式电源的输出端电抗，Xk为第k台分布式电源的输出端电抗且是微网内所有分布式电源的输出端电抗中的最大值，ni为第i台分布式电源的下垂斜率，nk为第k台分布式电源的下垂斜率且为标准下垂斜率，即nk＝n，VPCC,ref为PCC点电压参考值。所述第二输出电压控制方式采用以下公式计算得到第二控制输出电压变化量Vsec(α,VPCC,cal)：Vsec(α,VPCC,cal)=α(VPCC,ref-VPCC,cal)11+T2s]]>其中，α为增益系数，VPCC,cal为PCC点实际电压幅值，VPCC,ref为PCC点电压参考值，T2为第二低通滤波器的时间常数，s为频域变量。所述第一目标电压控制方式采用以下公式计算得到第一控制目标电压变化量Vpri,obj(Qi)：Vpri,obj(Qi)=Vpri(Qi)=(V*-nQi)+[(V*-niQi)-(V*-nQi)]11+T1s]]>其中，V*为分布式电源的输出电压参考值，Qi为分布式电源的无功功率输出值，n为标准下垂斜率，ni为第i台分布式电源的下垂斜率，n＝(Vmax-Vmin)/Si，Si是分布式电源的视在功率容量，Vmax和Vmin分别为分布式电源的输出电压上、下限，T1为第一低通滤波器的时间常数，s为频域变量。所述第二目标电压控制方式采用以下公式计算得到第二控制目标电压变化量Vsec,obj(α,VPCC,obj)：Vsec,obj(α,VPCC,obj)=α(VPCC,ref-VPCC,obj)11+T2s]]>其中，α为增益系数，VPCC,obj为PCC点目标电压幅值，VPCC,ref为PCC点电压参考值，T2为第二低通滤波器的时间常数，s为频域变量。所述电压跟踪前馈控制采用以下公式计算得到电压跟踪前馈值Qi,refforward=Si-1n(Vi,obj-Vmin)]]>其中，n为标准下垂斜率，n＝(Vmax-Vmin)/Si，Si是分布式电源的视在功率容量，Vmax和Vmin分别为分布式电源的输出电压上、下限，Vi,obj表示目标电压控制量。所述电压跟踪反馈控制采用以下公式计算得到电压跟踪反馈值Qi,refback=KP(VPCC,obj-VPCC,cal)+KI∫(VPCC,obj-VPCC,cal)dt]]>其中，KP为PI比例环节系数，KI为PI积分环节系数，VPCC,obj表示PCC点目标电压幅值，VPCC,cal为PCC点实际电压幅值。本发明具有的有益的效果是：本发明可以在孤岛微电网中应用于分布式电源的无功功率分摊和即插即用且不需要信息交互，极大的降低了系统的复杂性和成本，且能够在无功负荷波动时解决PCC点的电压恢复问题。在本发明中，滤波器在提升微网动态性能和维持系统稳定性方面有着重要作用。本发明在本地的分布式电源(DistributedGenerator，简称为DG)中可以完成无功功率一次控制、二次控制，可以在不借助集中控制器和通信的情况下，将系统无功负荷分摊给各个分布式电源，并使得各个分布式电源合理地调整机端输出电压，进而使得PCC点电压趋于稳定；其中的两个低通滤波器用以对分布式电源的动态特性进行解耦，并改善系统的性能。本发明可在不借助于信息交互的情形下，应用于采用无功功率-电压(Q-V)下垂控制和采用电压-无功功率(V-Q)下垂控制的分布式电源，也可以拓展到微电网的其他应用方面。附图说明图1为本发明方法中采用Q-V下垂控制的分布式电源的控制方法示意图。图2为本发明方法中采用V-Q下垂控制的分布式电源的控制方法示意图。图3为传统下垂控制中的分布式电源等效模型图。图4为本发明方法中的改进下垂斜率法的原理示意图。图5为本发明的仿真验证的微电网模型图。图6(a)为本发明的仿真验证中微网无功负荷波动时PCC点电压变化曲线。图6(b)为本发明的仿真验证中微网无功负荷波动时各个分布式电源输出无功功率的变化曲线。图7(a)为本发明的仿真验证中PCC点电压参考值变化时的PCC点电压变化曲线图7(b)为本发明的仿真验证中PCC点电压参考值变化时的各个分布式电源输出无功功率的变化曲线图8(a)为本发明的仿真验证中投切分布式电源DG2时的PCC点电压变化曲线图8(b)为本发明的仿真验证中投切分布式电源DG2时的各个分布式电源输出无功功率的变化曲线图中：所有图中的DG1，DG2，DG3，DG4均为同一组的四个分布式电源。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。本发明方法针对两种不同下垂控制的分布式电源采用不同的无功控制方式进行。1)如图1所示，针对采用Q-V下垂控制的分布式电源，各个分布式电源同时通过第一输出电压控制方式、第二输出电压控制方式进行控制，分别得到第一控制输出电压变化量Vpri(Qi)、第二控制输出电压变化量Vsec(α,VPCC,cal)，并通过第一和第二低通滤波器进行解耦；采用公式将第一控制输出电压变化量Vpri(Qi)、第二控制输出电压变化量Vsec(α,VPCC,cal)相加得到输出电压参考值Vi,ref，进而对分布式电源进行电压控制；Vi,ref＝Vpri(Qi)+Vsec(α,VPCC,cal)步骤1)中的第一输出电压控制方式采用以下公式计算得到第一控制输出电压变化量Vpri(Qi)：Vpri(Qi)=(V*-nQi)+[(V*-niQi)-(V*-nQi)]11+T1s]]>其中，V*为分布式电源的输出电压参考值，Vmax和Vmin分别为分布式电源的输出电压上、下限，Si是分布式电源的视在功率容量，Qi为分布式电源的无功功率输出值，n为标准下垂斜率，n＝(Vmax-Vmin)/Si，T1为第一低通滤波器的时间常数，s为频域变量。第一控制输出电压变化量Vpri中的ni采用以下公式计算得到：ni=nk+1VPCC,ref(Xk-Xi),i≠knk=n]]>其中，Xi为第i台分布式电源的输出端电抗，Xk为第k台分布式电源的输出端电抗且是微网内所有分布式电源的输出端电抗中的最大值，ni为第i台分布式电源的下垂斜率，nk为第k台分布式电源的下垂斜率且为标准下垂斜率(即nk＝n)，VPCC,ref为PCC点的电压参考值。第二输出电压控制方式采用以下公式计算得到第二控制输出电压变化量Vsec(α,VPCC,cal)：Vsec(α,VPCC,cal)=α(VPCC,ref-VPCC,cal)11+T2s]]>其中，α为增益系数，VPCC,cal为PCC点实际电压幅值，T2为第二低通滤波器的时间常数，s为频域变量。2)如图2所示，针对采用V-Q下垂控制的分布式电源，各个分布式电源首先通过第一目标电压控制方式、第二目标电压控制方式进行控制，分别得到第一控制目标电压变化量Vpri,obj(Qi)、第二控制目标电压变化量Vsec,obj(α,VPCC,obj)，并通过第一和第二低通滤波器进行解耦；将Vpri,obj(Qi)和Vsec,obj(α,VPCC,obj)相加得到目标电压控制量Vi,obj，并通过潮流计算得到PCC点目标电压幅值VPCC,obj；然后各个分布式电源同时通过电压跟踪前馈控制和电压跟踪反馈控制进行控制，分别得到电压跟踪前馈值和电压跟踪反馈值并将两者相加得到无功功率输出的参考值Qi,ref，进而对分布式电源进行控制。上述关系如下公式表示。Vi,obj=Vpri,obj(Qi)+Vsec,obj(α,VPCC,obj)Qi,ref=Qi,refback+Qi,refforward]]>第一目标电压控制方式采用以下公式计算得到第一控制目标电压变化量Vpri,obj(Qi)：Vpri,obj(Qi)=Vpri(Qi)=(V*-nQi)+[(V*-niQi)-(V*-nQi)]11+T1s]]>其中，第一控制目标电压变化量Vpri,obj(Qi)与第一控制输出电压变化量Vpri(Qi)计算方法相同，参数意义也相同。第二目标电压控制方式采用以下公式计算得到第二控制目标电压变化量Vsec,obj(α,VPCC,obj)：Vsec,obj(α,VPCC,obj)=α(VPCC,ref-VPCC,obj)11+T2s]]>其中，α为增益系数，VPCC,obj为PCC点目标电压幅值，T2为第二低通滤波器的时间常数，s为频域变量。电压跟踪前馈控制采用以下公式计算得到电压跟踪前馈值Qi,refforward=Si-1n(Vi,obj-Vmin)]]>电压跟踪反馈控制采用以下公式计算得到电压跟踪反馈值Qi,refback=KP(VPCC,obj-VPCC,cal)+KI∫(VPCC,obj-VPCC,cal)dt]]>其中，KP为PI比例环节系数，KI为PI积分环节系数。本发明是为微电网中所有的分布式电源(DG)而设计的，每个分布式电源(DG)都有对应的控制方法。各个分布式电源都通过一个集成的本地控制方法进行。本发明主要由两个部分组成：针对采用Q-V下垂的分布式电源的控制，针对采用V-Q下垂的分布式电源的控制。通过解耦处理，微电网系统动态特性与采用传统的下垂控制方法时的是类似的，因此采用本发明控制后的系统具有较好的稳态和动态性能。本发明的设计原理如下：在传统下垂控制中，分布式电源的等效模型图如图3所示。其中，Lf,i和Cf,i是第i台分布式电源的LC滤波器的电感和电容参数，Lfeeder,i是第i台分布式电源的馈线电感，LT,i是第i台分布式电源所连的变压器Ti的内部电感，Vi∠δi是第i台分布式电源的机端电压，VPCC∠0°是PCC点的电压。由于线路电阻可以忽略不计，第i台分布式电源与PCC点间的线路阻抗Xi可以用以下公式来表示：Xi＝Xfeeder,i+XT,i＝ω(Lfeeder.i+LT,i)其中，Xfeeder,i表示第i台分布式电源与PCC点间的馈线电抗，XT,i表示第i台分布式电源与PCC点间所连的变压器的内部电抗。而传统下垂控制则可用以下公式来表示：ωi=ω*-miPiVi=V*-niQi]]>其中，ωi为第i台分布式电源的输出角频率，Vi为第i台分布式电源的机端电压幅值，ω*和V*分别为角频率和机端电压幅值的基准值，Pi为第i台分布式电源的输出有功功率，Qi为第i台分布式电源的输出无功功率，mi为第i台分布式电源的有功下垂系数，ni为第i台分布式电源的无功下垂系数。另外，如图3所示，第i台分布式电源的机端电压幅值Vi可由PCC点电压幅值VPCC计算得到：Vi=VPCC+QiXiVPCC---(12)]]>结合上面两个公式，可得到第i台分布式电源的输出无功功率的计算方式：Qi=VPCC(V*-VPCC)Xi+VPCCni]]>当微网中有两台分布式电源DG1和DG2时，且分布式电源的视在功率容量相等S1＝S2，则两台分布式电源输出无功功率的差值为：ΔQerr=Q1-Q2Q1=(X2-X1)+VPCC(n2-n1)X2+VPCCn2]]>若要使两台分布式电源输出无功功率的差值为零即ΔQerr＝0，则必须满足：n2=n1+1VPCC(X1-X2)]]>当视在功率相同的两台分布式电源采用传统下垂控制时，若各个分布式电源的输出无功功率相等，则控制效果最好；但是由上述公式可知，当各个分布式电源的馈线电感不同时，输出无功功率也会不相等。本发明方法中减少两台分布式电源输出无功功率的差值的原理如图4所示：假设X1>X2，增大DG2的无功下垂系数n2能够减少两台分布式电源输出无功功率的差值。本发明的具体实施例如下：在Matlab/Simulink软件中建立一个典型的孤岛交流微电网，微电网包括四个1MW的分布式发电机(DG1，DG2，DG3，DG4)、一个固定负荷和两个可变负荷，如图5所示。其中，DG1和DG2采用Q-V下垂控制，而DG3和DG4采用V-Q下垂控制。系统的其他参数如图5和表1所示：表1系统部分参数值在仿真示例中，设计了三种工况进行仿真验证：(1)初始无功负荷为1.2MVar，PCC点电压参考值为0.91p.u.。当t＝20s时，系统总无功负荷升至1.5MVar；当t＝30s，系统总无功负荷升至1.8Mvar。仿真图像如图6所示。图6(a)为微网无功负荷波动时PCC点电压变化曲线，图6(b)为微网无功负荷波动时各个分布式电源输出无功功率的变化曲线。由图6(a)可知，当系统无功负荷上升时，PCC点电压幅值有一个很短的暂态过程，并且迅速地收敛到PCC点电压参考值。整个暂态过程的电压幅值偏差不超过0.001p.u.。而由图6(b)可知，当无功负荷波动时，本发明方法能够使各个分布式电源的输出无功功率的偏差削减为零。(2)初始无功负荷为1.2MVar，当t＝25s，PCC点电压参考值由0.91p.u.升至0.95p.u.。根据公式(4)，四台分布式电源的无功下垂系数也相应发生改变，参数值如表2所示。仿真图像如图7所示。表2VPCC,ref＝0.95时各分布式电源的无功下垂系数参数数值DG1的无功下垂系数n10.2DG2的无功下垂系数n20.367DG3的无功下垂系数n30.326DG4的无功下垂系数n40.262图7(a)为PCC点电压参考值变化时的PCC点电压变化曲线，图7(b)为PCC点电压参考值变化时的各个分布式电源输出无功功率的变化曲线。由图7(a)可知，当PCC点电压参考值上升至0.95p.u.时，PCC点电压幅值能够迅速收敛到新的电压参考值并且电压幅值偏差不超过0.001p.u.。而在图7(b)中，各个分布式电源的输出无功功率能够随着电压参考值的变化迅速作出反应，并且收敛于同一无功功率值。(3)初始无功负荷为1.2MVar，PCC点电压参考值为0.91p.u.。当t＝15s时，DG2退出微网系统；当t＝44s时，DG2重新投入微网系统运行。仿真图像如图8所示。图8(a)为投切分布式电源DG2时的PCC点电压变化曲线，图8(b)为投切分布式电源DG2时的各个分布式电源输出无功功率的变化曲线。在图8(a)中，当DG2退出微网系统时，PCC点电压幅值有一个很短的暂态过程，并且迅速地收敛到PCC点电压参考值。而由图8(b)可知，在DG2退出微网系统后，其他三台分布式电源的输出无功功率能迅速上升并都收敛于新的稳态值，而DG2的输出无功功率则迅速下降并且也能收敛和保持稳定；而当DG2重新投入微网系统运行后，四台分布式电源的输出无功功率又都能迅速地收敛于DG2退出微网系统前的稳态值。必须指出的是，本发明提出的新型控制方法能够满足采用Q-V下垂控制和采用V-Q下垂控制的分布式电源的控制要求。在没有通信和中央控制系统的情况下，本发明的控制方法能够较好解决微网无功负荷平均分摊和PCC点电压恢复问题，使系统稳定运行。本发明的控制方法使得系统有较好的稳态和动态性能，是一个可行的控制方法。上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。当前第1页1 2 3