一种微网中基于下垂特性的模式自适应电压源控制方法与流程

本发明涉及一种微网中基于下垂特性的模式自适应电压源控制方法，属于微电网的运行与控制技术领域。

背景技术：
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传统的下垂特性的模式自适应电压源控制方法，具有逆变器过流能力弱、频率响应速度快、无法与同步电机型微源并联运行、无法灵活的实现并离网状态切换及联络线功率控制等缺点。

技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种微网中基于下垂特性的模式自适应电压源控制方法，适用于微电网组网及多种运行模式的逆变器型微源的改进下垂控制策略，能够实现微电网在孤岛运行状态下的稳定运行，并网状态下根据调度指令的联络线功率控制及并离网运行状态的平滑切换，可实现以多台储能自同步电压源换流器组网的离网型微电网安全稳定、经济高效的运行。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：

一种微网中基于下垂特性的模式自适应电压源控制方法，由孤岛状态下的改进下垂控制、微电网双模式平滑切换控制、联网状态下的改进下垂控制组成；

所述的孤岛状态下的改进下垂控制：针对传统下垂控制的逆变器存在过流能力弱、频率响应速度快、无法与同步电机型微源并联运行等缺点，对P-f型下垂控制增加了限幅和虚拟惯性环节，实现微电网在孤岛运行状态下的多下垂控制型微源的并联稳定运行；

所述的微电网双模式平滑切换控制：通过对外部电网和微电网的相角偏差和电 压幅值偏差进行PI调节，分别得到预同期频率偏差控制信号和电压偏差控制信号，各微源逆变器接收微电网预同期控制系统下达的频率偏差控制信号和电压偏差控制信号后，分别按照信号平移有功下垂曲线和无功下垂曲线进行控制；

所述联网状态下的改进下垂控制：是在改进下垂控制的基础上增加了联络线功率控制，根据当前联络线的有功和无功功率和调度系统下达的联络线功率的有功和无功参考值的偏差进行PI调节，分别得到基准有功功率和基准无功功率的参考信号，分别按照信号平移有功下垂曲线和无功下垂曲线进行控制。

所述的微电网预同期控制系统包含信号检测单元、合闸信号控制单元及微电网预同期控制单元；其中：信号检测单元实时检测PCC点两侧微电网和外部电网的电压频率、相角和幅值，此处采用基于二阶广义积分器的单同步旋转坐标系的锁相环实现对微电网和外部电网电压的锁相；合闸信号控制单元根据检测的结果，判断微电网是否满足同期并网条件，当检测到同期并网条件满足时，合闸信号控制单元发出合闸指令，闭合微电网PCC点的静态开关STS；微电网预同期控制单元对检测单元检测到的外部电网和微电网的相角和电压幅值偏差进行相角偏差和电压偏差控制，并将调节信号同时发送给具有电压和频率调节能力的各台微源，从而对微电网的电压频率、相角和幅值进行调节，使其满足同期并网条件。

本发明的积极有益效果如下：

1、本发明可应用于大容量离网型微电网，克服了目前采用逆变器接口的电压源型微源存在的过流能力弱、频率响应速度快，无法与同步电机型微源并联运行等缺点，可以实现微电网在孤岛运行状态下的多下垂控制型微源的并联稳定运行，以及电力电子型微源和同步电机型微源的共同组网运行，提高微电网组网的灵活性。

2、本发明可以实现微源的电压和相位预同期控制，不改变微源的控制策略， 就可以实现微电网并离网运行状态的平滑切换。

3、本发明需改变微源的控制策略，就可以实现微电网在并网运行状态下，根据调度指令的联络线功率控制，可以灵活实现微电网的多种运行模式。

4、本发明可以实现微电网孤岛状态下的稳定运行、并离网状态的平滑切换以及并网状态下按调度指令的联络线功率控制，实现了微源控制模型的归一化。

附图说明：

图1为本发明中改进有功频率下垂控制框图；

图2为本发明中改进无功电压下垂控制框图；

图3为本发明中微电网预同期控制系统结构框图；

图4为本发明中孤岛运行情况下的改进有功频率下垂控制框图；

图5为本发明中孤岛运行情况下的改进无功电压下垂控制框图；

图6为本发明中联络线有功功率控制框图；

图7为本发明中联络线无功功率控制框图；

图8为本发明中微电网模式自适应改进下垂控制框图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的解释和说明(参见图1-图8)：

实施例：一种微网中基于下垂特性的模式自适应电压源控制方法，由孤岛状态下的改进下垂控制、微电网双模式平滑切换控制、联网状态下的改进下垂控制组成；

(一)孤岛状态下的改进下垂控制：

在微电网孤岛运行状态下，参照电力系统一次调频有差控制的原理，逆变器型微源采用下垂控制，通过对逆变器输出功率和输出电压幅值/相角之间的下垂控制，使各逆变器共同承担系统中负荷功率波动，参与系统调频调压；针对传统下垂控制 存在过流能力差、响应快、惯性小的不足，对P-f型下垂控制进行改进，增加了限幅和虚拟惯性环节。改进有功频率下垂控制如图1所示，在图1中，增加了有功功率限幅控制环节，当微源输出功率超出其允许的运行范围时(P_min<P<P_max)，功率限幅环节中的积分器开始工作，实现微源P-f下垂特性曲线的平移，使微源以恒功率方式运行，避免微源因过载或功率反向注入等问题发生故障停机；通过增加虚拟惯性环节，能够使微源的频率缓慢变化到新的参考值，从而增加频率的响应时间。

同理，改进无功电压下垂控制也增加了功率限幅环节，控制原理如图2所示。

(二)微电网双模式平滑切换控制：

为了保证对重要用户的可靠供电，微电网须具备无缝切换功能。由于并网状态和孤岛状态，逆变器均采用下垂控制，所以微电网从并网状态切换到孤岛状态时，逆变器的控制策略不需要改变。但是微电网由孤岛状态切换到并网状态时，需要满足同期并网条件，即微电网和大电网电压的相位、幅值、频率一致时，静态开关才能闭合。

对电网的相角进行同步控制时，由于相角量的时变性较大，对通信速度要求较高，而基于多下垂控制的微源组网的微电网中通信线路的传输速度较低，因此微电网预同期控制系统位于微电网静态开关STS附近，经过预同期控制后，得到预同期频率偏差和电压偏差信号，再经过低速通信线传输至各微源逆变器。微电网预同期控制系统的结构如图3所示。

微电网预同期控制系统包含信号检测单元、合闸信号控制单元及微电网预同期控制单元。其中，信号检测单元实时检测PCC点两侧微电网和外部电网的电压频率、相角和幅值，此处采用基于二阶广义积分器的单同步旋转坐标系的锁相环(SOGI-SPLL)实现对微电网和外部电网电压的锁相；合闸信号控制单元根据检测的结果，判断微电网是否满足同期并网条件，当检测到同期并网条件满足时，合闸信号控制单元发出合闸指令，闭合微电网PCC点的静态开关STS；微电网预同期控制单元对检测单元检测到的外部电网和微电网的相角和电压幅值偏差进行相角偏差和电压偏差控制，并将调节信号同时发送给具有电压和频率调节能力的各台微源，从而对微电网的电压频率、相角和幅值进行调节，使其满足同期并网条件。

微电网预同期控制原理如下式所示，通过对外部电网和微电网的相角偏差和电压幅值偏差进行PI调节，分别得到预同期频率偏差控制信号Δω_syn和电压偏差控制信号ΔE_syn：

式中，θ_pccg、U_pccg和θ_pccm、U_pccm分别为公共连接点处主网和微电网的电压矢量的相位和幅值。

各微源逆变器接收微电网预同期控制单元下达的频率偏差控制信号和电压偏差控制信号后，分别按照信号平移有功下垂曲线和无功下垂曲线：

控制框图如图4和图5所示。需要指出的是，在并网瞬间，将Δω_syn和ΔE_syn锁存，相当于得到一个新的ω^*′＝ω^*+Δω_syn，E^*′＝E^*+ΔE_syn。

经过PI调节器的调节，达到稳定状态后，有：

当(3)式成立时，闭合并网开关STS，微电网将并网运行。

(三)联网状态下的改进下垂控制：

由于微电网在满足式(3)时并网，因此微电网并网运行之后，如果不采取其他控制策略，微电网与外部电网没有功率交换；并且由于微电网并网之后，ω'_ref＝ω_pccm＝ω_pccg，各微源的输出功率将保持并网时的输出功率P₁、P₂不变。因此，不改变控制策略，微电网在并网运行后能够使各微源以恒功率运行，通过改变ω^*'的设置可以改变各微源的输出功率。如设置ω^*'＝ω_pccg，则可以使各微源的输出功率P_i为其基点功率P^*_I。

若并网状态下，微电网中的可控微源以PQ模式运行，微电网中的负荷功率波动和不可控微源的功率波动，均由外部电网来平抑。为了降低可再生能源并网对电网的影响，微电网在并网运行时，作为受控单元，应具备与外部电网的联络线功率控制能力，即联络线交换功率能够听从电网调度指令。

在改进下垂控制的基础上增加联络线功率控制，如下式所示：

式中，P_i^*、Q_i^*依然为微电网EMS系统下达给微源i的基点功率，与孤岛运行状态下的值相同；P_g^*和Q_g^*为调度系统下达的联络线功率的有功和无功参考值，P_g和Q_g为联络线功率的实际有功和无功值，这四个量需要依靠低速通信线路传输至各逆变器；k_pp、k_pi、k_qp和k_qi为联络线有功功率控制和无功功率控制的PI参数。

联络线有功和无功功率控制框图分别如图6和图7所示，当微电网孤岛运行时，P_g^*、Q_g^*、P_g、Q_g均设置为0。

增加联络线功率控制功能后，下垂特性可以表达为：

式(5)相当于将下垂控制特性中的ω^*更改为ω^*'：

系统总体的控制框图如图8所示。

本发明可应用于大容量离网型微电网，克服了目前采用逆变器接口的电压源型微源存在的过流能力弱、频率响应速度快，无法与同步电机型微源并联运行等缺点，可以实现微电网在孤岛运行状态下的多下垂控制型微源的并联稳定运行，以及电力电子型微源和同步电机型微源的共同组网运行，提高微电网组网的灵活性。

本发明可以实现微源的电压和相位预同期控制，不改变微源的控制策略，就可以实现微电网并离网运行状态的平滑切换。

本发明需改变微源的控制策略，就可以实现微电网在并网运行状态下，根据调度指令的联络线功率控制，可以灵活实现微电网的多种运行模式。

本发明可以实现微电网孤岛状态下的稳定运行、并离网状态的平滑切换以及并 网状态下按调度指令的联络线功率控制，实现了微源控制模型的归一化。