一种基于内模控制的微电网并离网平滑切换控制方法与流程
本发明属于微电网运行控制领域，具体来说，涉及一种基于内模控制的微电网并离网平滑切换控制方法。
背景技术：
随着传统能源供应短缺以及对用电可靠性的提高，以高效、清洁的分布式电源(distributedgeneration，DG)为基础，结合储能单元、负荷和相关控制装置的微电网成为一种灵活、先进的新型供电方式，是近年来国内外研究的热点。微网中的微源包括光伏、风电、蓄电池、微型燃气轮机等，通常通过电力电子装置(如变流器)并联运行。对于光伏、风机等微源，其输出功率大小受天气影响较大，一般按最大功率或恒功率输出，称之为从电源；对于蓄电池、燃料电池等具有储能特性的微源，控制相对灵活，既可采用恒功率控制，也可在孤岛模式下作为电压源应用，称之为主电源。
微网既可以与大电网并联运行，也可以在电网故障下孤岛运行，独立为本地负载供电，具有较高的供电安全性和可靠性。微网的主要控制方法可归结为主从控制和下垂控制。由于主从控制可以方便地应用现有的商用逆变器，现阶段微网示范工程及相应研究仍以主从结构为主。它是依托一台功率稳定且容量较大的电源担负组网电源(如储能变流器)，在并网时采用PQ控制；在孤岛时工作于v/f模式，灵活快速调整有功/无功功率的吞吐，为其他DG提供电压频率支撑。因此，当微网在并网/孤岛模式间进行切换时，主逆变器的控制结构也需要进行相应调整，如何减少不同控制器的结构切换对系统动态性能的扰动，一直以来是主从结构下模式转换的难点。此外相对于传统电网，微电网惯性小，不论风、光等间歇性电源的输出功率波动、负载消耗功率以及模型参数摄动等一系列扰动均将引起显著的瞬时波动，如何保证DG快速、准确响应功率需求，保持负载电压稳定，对微电网的控制方法提出了挑战，尤其是实现并网/孤岛模式的平滑切换，已成为微网控制的重要技术特征。因此，微电网必须要有一套有效的控制系统，主动抑制微电网运行过程中供需功率扰动和控制结构扰动对系统动态性能的影响，使影响控制在合理范围内，甚至消除扰动，提升微网稳定性、动态性能，提高电能质量。
技术实现要素：
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于内模控制的微电网并离网平滑切换控制方法，该控制方法能够避免微电网并离网运行模式切换时不同逆变器控制环路切换带来的扰动，而且基于扰动观测器的内模控制可主动抑制供需功率扰动，并具有理想的跟踪性能和抗扰性能。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
一种基于内模控制的微电网并离网平滑切换控制方法，该控制方法包括下述步骤：
步骤10)利用微电网能量管理器采集主电网运行信息，根据主电网的运行信息选择微电网操作模式，并下发操作指令到微电网主逆变器；若主电网正常运行，微电网工作于并网模式；若主电网发生故障，微电网工作于离网模式；
步骤20)主逆变器功率环采用下垂控制方式，产生主逆变器参考电压及参考频率，如式(1)和式(2)所示：
winv＝wn-m(P-Pn) 式(2)
式中，表示主逆变器本地输出电压参考指令，单位：千伏；vn表示主逆变器输出电压的额定值，单位：千伏；n表示分布式电源的电压下垂特性系数，单位：千伏/兆乏；Q表示分布式电源实际输出无功功率，单位：兆乏；Qn表示在额定电压下，分布式电源输出无功功率，单位：兆乏；winv表示主逆变器本地角频率参考指令，wn表示主逆变器角频率额定值，单位：弧度/秒；m表示分布式电源的频率下垂特性系数，单位：弧度/秒·兆瓦；P表示分布式电源实际输出有功功率，单位：兆瓦；Pn表示在额定角频率下，分布式电源输出有功功率，单位：兆瓦；
步骤30)采集微电网运行数据，将基于扰动观测器的内模控制应用于电压电流双环控制器，提高控制系统鲁棒性和跟踪性能；
步骤40)根据微电网运行模式，进行电压和相位的控制：微电网由并网模式切换至离网模式时，保持上一时刻操作值，避免暂态扰动；微电网由离网模式切换至并网模式时，进行预同步操作，使偏差减小至允许范围内。
作为优选例，所述的步骤30)包括：电压外环采用比例积分控制器，如式(3)所示：
式中，表示在dq参考坐标系下，电流环参考设定值的d轴分量，单位：千安；kup表示电压比例积分控制器中比例项系数，kui表示电压比例积分控制器中积分项系数，1/s表示积分作用；表示在dq参考坐标系下，的d轴分量，vod表示在dq参考坐标系下，主逆变器输出电压vo的d轴分量，Cf表示逆变器终端所连接的LC滤波器中电容器数值，单位:法拉；表示在dq参考坐标系下，主逆变器输出电压vo的q轴分量，单位：千伏；表示在dq参考坐标系下，电流环参考设定值的q轴分量，单位：千安；表示在dq参考坐标系下，的q轴分量，单位：千伏；dq参考坐标系是指将abc交流坐标系经过派克变换得到的直流旋转坐标系；
电流内环采用比例控制器，如式(4)所示：
式中，vid表示在dq参考坐标系下，主逆变器电流控制器输出的调制波电压的d轴分量，viq表示在dq参考坐标系下，主逆变器电流控制器输出的调制波电压的q轴分量，单位：千伏；kip表示电流比例控制器中比例项系数，iid表示在dq参考坐标系下，主逆变器输出电流值的d轴分量，iiq表示在dq参考坐标系下，主逆变器输出电流值的q轴分量，单位：千安；Lf表示逆变器终端所连接的LC滤波器中电感数值，单位：亨利；
根据式(3)和式(4)，建立电压电流双环模型作为广义被控对象，如式(5)所示：
式中，G(s)表示广义被控对象，kpwm表示主逆变器电压增益，Rf表示滤波器中滤波电阻，s表示表示微分；
内模控制器前馈项如式(6)所示，扰动观测器前馈项如式(7)所示：
式中，f(s)表示内模控制前馈项的低通滤波器，Gn(s)表示广义被控对象的标称模型；λ表示f(s)的滤波时间常数，单位：秒；表示Lf的标称值；表示Cf的标称值；表示Rf的标称值；Q(s)表示扰动观测器前馈项的低通滤波器，Tf表示Q(s)的滤波时间常数，单位:秒；
内模控制前馈项对应控制系统跟踪性能，通过前馈补偿将输入输出传递函数单位化，提高设定值跟踪性能；扰动观测器前馈项对应控制系统抗扰性能，实时估计微电网运行工况下等效功率扰动，并通过前馈补偿于电流环设定值，提高系统鲁棒性，将基于扰动观测器的内模控制应用于电压电流环，提高控制系统动态性能。
作为优选例，所述的步骤30)中，主逆变器本地输出电压参考指令与主逆变器输出电压v o的差值由电压外环消除。
作为优选例，所述的步骤30)中，扰动观测器前馈项实时估计微电网运行工况下等效功率扰动，所述扰动包括分布式电源功率输出扰动、负载消耗功率扰动以及模型参数摄动。
作为优选例，所述的步骤40)具体包括：首先对电网电压锁相，采集电网侧相角θg与主逆变器相角θinv进行比较，经过积分作用得到频率补偿量Δwc，将频率补偿量Δwc补偿于主逆变器本地角频率参考指令winv中；为保证微网侧频率及相角同时跟随电网侧额定值，需维持两侧相角重合状态一定时间，当满足设定时间时，频率预同步完成；对于幅值预同步，采集主逆变器输出电压vo与电网侧额定电压vg进行比较，经过积分作用得到电压补偿量Δvc，将电压补偿量补偿于主逆变器本地输出电压参考指令中；当微网侧和电网侧的相角偏差和电压幅值偏差同时减小至允许范围内，预同步过程完成，进行并网操作。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：在并网模式和离网模式下，主逆变器功率环都采用下垂控制产生电压环参考值及频率参考值，避免了常规算法中模式转换过程引起的控制环路切换，为实现微网工作模式的平滑过渡奠定基础；将基于扰动观测器的内模控制应用于电压电流双环控制结构，不仅能够有效抵消系统中供需功率不平衡的影响并提高对模型参数摄动的鲁棒性，同时优化控制环路跟踪性能，进一步改善模式切换过程的动态品质。该控制方法实现简单，只是在传统方案上增加线性控制结构，适用于采用数字信号处理器DSP等实现的逆变器算法，具有较好的实际推广价值。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图；
图2(a)是本发明实施例中电压下垂控制结构图；
图2(b)是本发明实施例中频率下垂控制结构图；
图3是本发明实施例中基于内模控制的电压电流双环控制结构图；
图4(a)是本发明实施例中微电网过渡过程中相位预同步控制框图；
图4(b)是本发明实施例中微电网过渡过程中电压预同步控制框图；
图5是本发明实施例中中采用的微电网仿真系统图；
图6(a)是本发明实施例中并网转孤岛模式主逆变器输出电压仿真结果；
图6(b)是本发明实施例中并网转孤岛模式主逆变器输出电流仿真结果；
图7(a)是采用传统无内模控制的并网转孤岛模式主逆变器输出电压仿真结果；
图7(b)是采用传统无内模控制的并网转孤岛模式主逆变器输出电流仿真结果；
图8(a)是本发明实施例中孤岛模式主逆变器输出电压仿真结果；
图8(b)是本发明实施例中孤岛模式主逆变器输出电流仿真结果；
图8(c)是本发明实施例中孤岛模式微电网角频率仿真结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
如图1所示，本发明实施例的一种基于内模控制的微电网并离网平滑切换控制方法，包括下述步骤：
步骤10)利用微电网能量管理器采集主电网运行信息，根据主电网的运行信息选择微电网操作模式，并下发操作指令到微电网主逆变器。若主电网正常运行，微电网工作于并网模式；若主电网发生故障，微电网工作于离网模式。
步骤20)主逆变器功率环采用下垂控制方式，产生主逆变器参考电压及参考频率，如式(1)和式(2)所示：
winv＝wn-m(P-Pn) 式(2)
式中，表示主逆变器本地输出电压参考指令，单位：千伏；vn表示主逆变器输出电压的额定值，单位：千伏；n表示分布式电源的电压下垂特性系数，单位：千伏/兆乏；Q表示分布式电源实际输出无功功率，单位：兆乏；Qn表示在额定电压下，分布式电源输出无功功率，单位：兆乏；winv表示主逆变器本地角频率参考指令，wn表示主逆变器角频率额定值，单位：弧度/秒；m表示分布式电源的频率下垂特性系数，单位：弧度/秒·兆瓦；P表示分布式电源实际输出有功功率，单位：兆瓦；Pn表示在额定角频率下，分布式电源输出有功功率，单位：兆瓦。
实际中，vn和wn取为电网侧额定值。微电网并网运行时，主逆变器本地输出电压参考指令和角频率参考指令winv受大电网钳制，输出有功功率Pn、无功功率Qn。微电网离网运行时，主逆变器作为主电源承担系统的电压/频率支撑，维持功率平衡。
步骤30)采集微电网运行数据，将基于扰动观测器的内模控制应用于电压电流双环控制器，提高控制系统鲁棒性和跟踪性能。
具体来说，步骤30)包括：电压外环采用比例积分控制器，如式(3)所示：
式中，表示在dq参考坐标系下，电流环参考设定值的d轴分量，单位：千安；kup表示电压比例积分控制器中比例项系数，kui表示电压比例积分控制器中积分项系数，1/s表示积分作用；表示在dq参考坐标系下，的d轴分量，vod表示在dq参考坐标系下，主逆变器输出电压vo的d轴分量，Cf表示逆变器终端所连接的LC滤波器中电容器数值，单位:法拉；表示在dq参考坐标系下，主逆变器输出电压vo的q轴分量，单位：千伏；表示在dq参考坐标系下，电流环参考设定值的q轴分量，单位：千安；表示在dq参考坐标系下，的q轴分量，单位：千伏；dq参考坐标系是指将abc交流坐标系经过派克变换得到的直流旋转坐标系；
电流内环采用比例控制器，如式(4)所示：
式中，vid表示在dq参考坐标系下，主逆变器电流控制器输出的调制波电压的d轴分量，viq表示在dq参考坐标系下，主逆变器电流控制器输出的调制波电压的q轴分量，单位：千伏；kip表示电流比例控制器中比例项系数，iid表示在dq参考坐标系下，主逆变器输出电流值的d轴分量，iiq表示在dq参考坐标系下，主逆变器输出电流值的q轴分量，单位：千安；Lf表示逆变器终端所连接的LC滤波器中电感数值，单位：亨利；
根据式(3)和式(4)，建立电压电流双环模型作为广义被控对象，如式(5)所示：
式中，G(s)表示广义被控对象，kpwm表示主逆变器电压增益，Rf表示滤波器中滤波电阻，s表示表示微分；
内模控制器前馈项如式(6)所示，扰动观测器前馈项如式(7)所示：
式中，f(s)表示内模控制前馈项的低通滤波器，Gn(s)表示广义被控对象的标称模型；λ表示f(s)的滤波时间常数，单位：秒；表示Lf的标称值；表示Cf的标称值；表示Rf的标称值；Q(s)表示扰动观测器前馈项的低通滤波器，Tf表示Q(s)的滤波时间常数，单位:秒；
内模控制前馈项对应控制系统跟踪性能，通过前馈补偿将输入输出传递函数单位化，提高设定值跟踪性能；扰动观测器前馈项对应控制系统抗扰性能，实时估计微电网运行工况下等效功率扰动，并通过前馈补偿于电流环设定值，提高系统鲁棒性，将基于扰动观测器的内模控制应用于电压电流环，提高控制系统动态性能。
作为优选，所述的步骤30)中，为提高电流内环响应速度，电流内环采用比例控制器，主逆变器本地输出电压参考指令与主逆变器输出电压v o的差值由电压外环消除。
步骤30)中，扰动观测器前馈项实时估计微电网运行工况下等效功率扰动，所述扰动包括分布式电源功率输出扰动、负载消耗功率扰动以及模型参数摄动。
步骤30)中，内模控制器前馈项及扰动观测器前馈项的设计重点分别为滤波时间常数λ和Tf。在实际调试过程中，首先假设模型无差，调试λ使控制器跟踪性能最优；再加入扰动观测器前馈项，调试Tf提高系统抗扰性能。
步骤40)根据微电网运行模式，进行电压和相位的控制：微电网由并网模式切换至离网模式时，保持上一时刻操作值，避免暂态扰动；微电网由离网模式切换至并网模式时，进行预同步操作，使偏差减小至允许范围内。所述的步骤40)具体包括：首先对电网电压锁相。本实施例中优选使用二阶广义积分提取正序分量，可以避免不平衡负载等影响。采集电网侧相角θg与主逆变器相角θinv进行比较，经过积分作用得到频率补偿量Δwc，将频率补偿量Δwc补偿于主逆变器本地角频率参考指令winv中；为保证微网侧频率及相角同时跟随电网侧额定值，需维持两侧相角重合状态一定时间，当满足设定时间时，频率预同步完成；对于幅值预同步，采集主逆变器输出电压vo与电网侧额定电压vg进行比较，经过积分作用得到电压补偿量Δvc，将电压补偿量补偿于主逆变器本地输出电压参考指令中；当微网侧和电网侧的相角偏差和电压幅值偏差同时减小至允许范围内，预同步过程完成，进行并网操作。
通过以上步骤，形成了基于内模控制的微电网平滑切换控制方法。在微电网离网/并网模式下，功率环采用下垂控制，避免不同运行模式切换引起的控制环路切换；将基于扰动观测器的内模控制应用于电压电流环，实现了微电网操作过程中功率扰动影响的主动抑制以及设定值跟踪性能的改善，提升了系统稳定性和动态性能。相比于其他微电网平滑切换方法，本控制方法同时抑制了控制结构扰动和功率扰动。
本发明实施例中的微电网电压下垂控制框图如2(a)所示，频率下垂控制框图如图2(b)所示。电压下垂控制通过主逆变器输出无功功率与输出电压之间的关系得到电压参考值。频率下垂控制通过主逆变器输出有功功率与频率之间的关系得到逆变器参考频率，进而得到逆变器相角。
本发明实施例中的基于内模控制的电压电流双环控制框图如3所示，该控制框图主要包括三部分，一部分是基本的电压电流双环控制器，一部分是扰动观测器前馈项，最后一部分是内模控制器前馈项。电压电流双环中电流内环采用比例控制器，环路误差由电压控制器消除。扰动观测器通过比较电流环设定值与逆变器输出电压，实时估计出等效功率扰动，并前馈补偿于电流设定值中。内模控制器前馈项通过设定值前馈补偿将输入输出传递函数单位化，提高了跟踪性能。通过上述作用，反馈通道与前馈通道相互补充，满足二自由度设计准则，实现了微电网操作过程中跟踪性能与抗扰性能的同步改善，提升了系统动态品质。
本发明实施例中的相角预同步控制框图如4(a)所示，通过电网相位提取环节基于二阶广义积分提取电网侧dq变换参考相位，为微电网并网运行或者预同步操作过程提供相角参考；当预同步指令触发预同步模块时，通过比例积分调整逆变器侧角频率使逆变器侧相角同步跟随电网侧相角。本发明实施例中的电压幅值预同步控制框图如4(b)所示，通过比例积分调整逆变器输出电压跟随电网侧电压幅值。当微电网侧与电网侧相角差、电压幅值差都小于阀值时下发并网指令，有效实现了离网至并网模式的无缝切换。
下面例举一个实施例。
仿真系统如图5所示，由能量管理器、静态开关STS、主逆变器(储能单元)和若干从逆变器(光伏逆变器/风电逆变器)以及用电负荷等构成。能量管理器采集电网侧信号，决定微电网运行模式。在不同运行模式下，风电逆变器、光伏逆变器处于PQ控制模式，因此微电网操作运行的重点是主逆变器控制方法。正常情况下，微电网并网运行，STS闭合。微电网侧电压、频率决定于电网侧，主逆变器根据设定的下垂控制输出额定有功功率和无功功率。当主电网故障，系统进入离网模式，STS断开，主逆变器根据下垂控制提供微网频率、电压支撑。基于MATLAB/Simulink平台搭建仿真微电网模型，分别对微电网并离网模式切换及孤岛微电网发生加载或减载等情况进行了仿真，比较本发明实施例的微电网控制方法与传统的微电网控制方法的差异。传统的并离网控制方法是在切换瞬间使当前的控制器控制量跟随先前的控制器控制量，只包含基本的电压电流双环反馈通道，不含设定值内模控制前馈项和负载电流扰动观测前馈通道。
图6为微电网采用本发明控制方法的微电网并网转孤岛仿真结果。相对于计划性孤岛，非计划孤岛实现平滑切换难度更高，尤其是联络线处有较大的功率传输时。开始时主逆变器运行于并网模式，由于下垂控制中额定有功功率Pn和无功功率Qn为零，则逆变器零功率输出，负载功率全部由电网供给；0.2s时，电网故障导致微网进入孤岛模式，负载功率全部由微电网供给，电网侧功率供给为零。图6(a)给出了微电网由并网至孤岛运行模式切换过程中主逆变器输出电压波形，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示输出电压，单位：伏。如图6(a)所示，最初输出电压与电网侧额定值一致，进入孤岛后降低，但瞬时过程很短，两个周波调节稳定，三相电压未出现振荡。图6(b)给出了微电网由并网至孤岛运行模式切换过程中主逆变器输出电流波形，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示输出电流，单位：安。如图6(b)所示，由于主逆变器下垂额定功率设置为0，最初微网侧主逆变器电流输出为零，进入孤岛模式后输出电流快速增加，三相未没有出现振荡。由图6(a)、图6(b)可知，采用本控制方法能够实现并网/孤岛运行模式的无缝切换，过程平滑、切换时间短，这是由于切换过程整套控制环路保持一致，未发生控制器切换，而且新增加的内模控制器前馈项和扰动观测前馈项分别能够提前估计并补偿扰动，提高系统跟踪性能和抗扰性能，提高了系统动态特性。
为了显示本发明实施例中微电网运行控制策略的优势，图7为采用常规控制策略的微电网仿真结果。开始时主逆变器运行于并网模式，由于下垂控制中额定有功功率Pn和无功功率Qn为零，则逆变器零功率输出，负载功率全部由电网供给；0.2s时，电网故障导致微网进入孤岛模式，负载功率全部由微电网供给，电网侧功率供给为零。图7(a)给出了微电网由并网至孤岛运行模式切换过程中主逆变器输出电压波形，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示输出电压，单位：伏。如图7(a)所示，最初输出电压与电网侧额定值一致，进入孤岛后降低，需要八九个周波才能稳定。图7(b)给出了微电网由并网至孤岛运行模式切换过程中主逆变器输出电流波形，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示输出电流，单位：安。如图7(b)所示，由于主逆变器下垂额定功率设置为0，最初微网侧主逆变器电流输出为零，进入孤岛模式后输出电流增加，初期出现了一定的畸变并且过渡过程出现振荡，这是由于虽然状态跟随能一定平缓运行过程，但在模式转化过程中控制环路发生控制器切换，导致控制过程出现振荡。而本发明实施例中由于采用跟踪值前馈项和扰动前馈项的补偿作用，如图6(a)、6(b)所示可以实现运行过程平滑切换。
图8所示为微电网孤岛模式下采用本发明方法进行加减载操作的仿真结果。系统首先运行于孤岛空载模式，0.2s时投入负载，0.4s时切除负载。图8(a)给出了微电网主逆变器输出电压波形，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示输出电压，单位：伏。图8(b)给出了微电网主逆变器输出电流波形，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示输出电流，单位：安。图8(c)给出了微电网主逆变器角频率波形，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示输出电流，单位：弧度/秒。由图可知，在孤岛模式下加载操作时，输出电压稍微降低、输出电流增加为负载提供功率，仅出现非常微小的抖动，很快进入稳态值；此时根据设定的下垂系数系统频率降低0.5Hz(即角频率降低πrad，约为311rad)，符合下垂特性。随后进行减载操作时，输出电压在一两个周波内恢复至额定值，而电流恢复至零输出，同时角频率升回至100π。本控制方法对孤岛模式下微电网具有良好的动态调节性能。
本发明实施例的控制方法是基于内模控制的微电网并离网平滑切换控制方法。针对微电网运行过程中存在的供需功率功率扰动，尤其是不同操作模式下不同控制器切换引起的结构扰动。本控制方法在功率环中采用下垂控制，避免不同控制器切换。此外，采用包含内模控制前馈项和扰动观测前馈项的改进电压电流双环结构，提高控制系统抗扰性能和跟踪性能，实现了并离网无缝切换，平滑了动态过程，有效提高微电网的动态性能和电能质量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
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