一种同步定频微电网运行控制方法及系统与流程

一种同步定频微电网运行控制方法及系统，属于电力系统自动化领域。

背景技术：

微电网是分布式可再生能源高效利用的有效方式，微电网与大电网相结合是未来电力系统的发展方向。微电网具有并网与离网(孤岛)两种运行模式，大电网故障时微电网以孤岛方式运行，可以保证用户的可靠供电。微电网中的分布式电源(distributedenergyresources，der)一般都是通过电力电子逆变装置接入，其中光伏发电与风力发电等间歇性电源容量占比高，而且受投资与运维成本的限制，往往缺少良好的通信条件，也不具备完善的运行监控与能量管理系统，微电网不宜照搬大电网的运行控制与保护方法。

目前，孤岛运行方式下的微电网主要有以下三种运行控制方法：

(1)主从控制方法，是目前实际微网工程应用较多的控制方法。主控电源采用电压频率(v/f)控制方式，为系统提供电压和频率支撑；其它der采用功率(p/q)控制，为系统提供功率支持。主从控制方法比较简单，但要求主控电源的容量足够大，能够支撑起微网的频率与电压，一旦主控电源由于故障等原因退出运行，整个微网将失去频率与电压支撑，无法维持正常运行。

(2)对等控制方法，是目前微网控制方法的研究热点。微网中采用对等控制的各der具有同等地位，根据接入点的就地电压与系统频率信息，模拟大电网的有功功率/频率(p/f)和无功功率/电压(q/u)的下垂特性控制逆变器的输出功率，将系统频率与电压维持在合格范围内。对等控制方法的优点是der之间不需要建立通信连接，能够实现der的即插即用；主要缺点是控制方法较复杂，存在大电网中固有的频率与电压稳定问题，而且配电线路的r/x比较高，不再满足大电网中有功与无功的解耦控制规律，难以完全达到大电网的下垂控制效果。

(3)分层控制方法，采用中央控制与就地控制两层结构，就地控制一般采用下垂控制策略，通过中央控制优化der的有功与无功输出，实现系统频率与电压的稳定。分层控制的效果比较好，能够实现微网的优化、高效运行，但控制系统与实现方法都比较复杂，对通信系统要求较高，且依然存在频率与电压稳定破坏的风险。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过同步信号单元送入的脉冲信号，结合逆变器能够产生频率和相位独立受控的交流电的特点，使微电网中所有的分布式电源的输出在同一时间参考系内进行主动调节控制，使微电网的控制转化为单一的电压控制问题，简化了运行控制方法，克服了传统交流电网频率控制方法导致的功率振荡与稳定问题的同步定频微电网运行控制方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该同步定频微电网运行控制方法，包括多个分布式电源，分布式电源的输出端连接逆变器的输入端，逆变器的输出端接入微电网中，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，同步信号单元接收卫星授时信号；

同步信号单元接收卫星授时信号的秒脉冲信号，秒脉冲信号送入电流控制单元内；

步骤2，电流控制单元向逆变器发出控制信号；

由电流控制单元结合秒脉冲信号向逆变器发出控制信号，利用授时卫星的秒脉冲信号同步逆变器内部的时钟；

步骤3，逆变器输出交流电信号；

逆变器将分布式电源生成的直流电转换为相位为零，频率为50hz的正弦波交流电，并将交流电并入微电网中；

步骤4，逆变器自动调整输出，使其输出端输出的电压幅值满足电网要求；

根据分布式电源与电网并网点的电压幅值，各个逆变器调节自身输出的交流电流的大小，使输出端输出的电压在符合标准要求电压的上限值1.1un与下限值0.97un之间，un为电网标准额定电压。

优选的，所述的秒脉冲信号为卫星授时1pps秒脉冲信号。

优选的，所述的逆变器利用电流-电压下垂控制特性使逆变器输出电流按容量进行分配。

一种同步定频微电网运行控制系统，其特征在于：设置有与逆变器一一对应的电流控制单元，每一个电流控制单元的输入端接入同步信号单元，卫星授时信号接入同步信号单元中，电流控制单元的输出端接入逆变器的控制信号输入端。

优选的，所述的同步信号单元包括高精度晶振、相位同步模块以及后备同步模块，自同步信号和所述的卫星授时信号同时接入后备同步信号模块，卫星授时信号和高精度晶振同时接入相位同步模块，后备同步信号模块的输出端接入相位同步模块，相位同步模块的输出端连接所述电流控制单元的输入端。

优选的，所述的自同步信号为所述微电网中任意一台逆变器在负载电流中叠加波形、幅值、频率的低频分量。

优选的，还设置有为感性负载提供无功功率的补偿电容器，补偿电容器通过开关接入微电网中。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

在本同步定频微电网运行控制方法及系统中，通过同步信号单元送入的脉冲信号，结合逆变器能够产生频率和相位独立受控的交流电的特点，使得逆变器将分布式电源生成的直流电转换为相位为零，频率为50hz的正弦波交流电，然后根据分布式电源与电网并网点的电压幅值调节逆变器输出电流幅值，使分布式电源输出端输出的电压幅值合格。使微电网中所有的分布式电源的输出在同一时间参考系内进行主动调节控制，使微电网的控制转化为单一的电压控制问题，简化了运行控制方法，克服了传统交流电网频率控制方法导致的功率振荡与稳定问题，实现交流电网运行控制方法的根本变革。

通过设置补偿电容，当负荷电流中存在感性分量时，电网电压的相位将相对于1pps脉冲出现偏移，偏移角度等于负荷阻抗角θ。逆变器输出电流与电网电压之间也存在相角差θ，因此，这种情况下逆变器除提供有功功率外，还提供负荷所需的无功功率，使其输出功率因数小于1，无法充分利用其容量。此时投入与负荷并联的无功补偿电容c，使其提供负荷所需的全部无功容量，则将使电网电压相位回到零，从而使逆变器仅输出有功功率，功率因数达到1。

相位同步模块接收卫星授时信号和高精度晶振的输出信号，产生频率固定(50hz)的相位同步脉冲，作为逆变器产生同步定频的电流相位参考信号，在卫星授时信号短时失效时，依靠高精度晶振的守时功能保证相位同步脉冲的时间精度。在卫星授时信号长期失效时，利用预选指定的某台逆变器在正常负载电流中叠加波形、幅值、频率合适的低频分量作为自同步信号，为所有逆变器的提供电流相位参考信号。因此在授时卫星提供的卫星授时信号无法正常提供的情况下，也会为所有的逆变器提供电流相位参考信号。

下垂曲线根据正常运行时的静态特性制定，采用三点式分段方式，即最大允许电压(对应最小输出电流)，额定工作点(对应额定电压与额定电流)以及最大限流点(对应最低允许电压以及最大输出电流)。在此基础上，考虑线路阻抗影响，利用各调节电源的就地负荷比例进一步协同优化下垂系数，减少线路损耗，利用下垂曲线控制特性达到就地电源多出力，远方电源少出力的目的。

附图说明

图1为同步定频微电网运行控制方法流程图。

图2为同步定频微电网运行控制系统原理方框图。

图3为同步定频微电网运行控制系统同步信号单元原理方框图。

图4为同步定频微电网运行控制系统双逆变器微电网系统结构图。

图5为图3等效电路图。

图6为同步定频微电网运行控制系统无功补偿控制示意图。

图7为同步定频微电网运行控制系统下垂控制特性示意图。

图8为同步定频微电网运行控制系统考虑线路阻抗的功率分配电路示意图。

具体实施方式

图1～8是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～8对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种同步定频微电网运行控制方法，包括同步定频微电网运行控制系统，同步定频微电网运行控制系统包括同步信号单元、电流控制单元以及逆变器，同步信号单元输出的同步时间信号送入电流控制单元中，电流控制单元的输出端接入逆变器的控制信号输入端。

在正常情况下，同步信号单元通过卫星授时信号(如gps、北斗等)接收由其发出的1pps的秒脉冲信号，秒脉冲信号送入电流控制单元内，由电流控制单元结合秒脉冲信号向逆变器发出控制信号，利用授时卫星的秒脉冲信号同步逆变器内部的时钟，利用现有技术的逆变器能够产生频率和相位独立受控的交流电的特点，使得逆变器将分布式电源生成的直流电转换为相位为零，频率为50hz的正弦波交流电，然后根据分布式电源与电网并网点的电压幅值调节逆变器输出电流幅值，使分布式电源输出端输出的电压幅值合格。

结合图3～图4，以两组逆变器组成的纯电阻负荷的微电网为例，逆变器inv1和逆变器inv2分别同时接收1pps的时间同步信号，然后输出相位为零(相对1pps)、频率为50hz的受控电流与受控电流与在负荷zl上产生的电压为：

根据上述式(1)可知，如果负荷电流中存在感性分量时，电网电压的相位将相对于1pps脉冲出现偏移，偏移角度等于负荷阻抗角θ。逆变器输出电流与电网电压之间也存在相角差θ，因此，这种情况下逆变器除提供有功功率外，还提供负荷所需的无功功率，使其输出功率因数小于1，无法充分利用其容量。此时投入与负荷并联的无功补偿电容c，如图5所示，使其提供负荷所需的全部无功容量，则将使电网电压相位回到零，从而使逆变器仅输出有功功率，功率因数达到1。

如图2所示，同步信号单元包括高精度晶振、相位同步模块以及后备同步模块，自同步信号和卫星授时信号同时接入后备同步信号模块，卫星授时信号和高精度晶振同时接入相位同步模块，后备同步信号模块的输出端接入相位同步模块中。

相位同步模块接收卫星授时信号和高精度晶振的输出信号，产生频率固定(50hz)的相位同步脉冲，作为逆变器产生同步定频的电流相位参考信号，在卫星授时信号短时失效时，依靠高精度晶振的守时功能保证相位同步脉冲的时间精度。在卫星授时信号长期失效时，利用预选指定的某台逆变器在正常负载电流中叠加波形、幅值、频率合适的低频分量作为自同步信号，为所有逆变器的提供电流相位参考信号。因此在授时卫星提供的卫星授时信号无法正常提供的情况下，也会为所有的逆变器提供电流相位参考信号。

由图6所示同时结合图3～图4，电网电压u在符合标准要求电压的上下限制uh(1.1un)与ul(0.97un)之间变化时，逆变器输出电流在零值与最大允许输出值imax(1.3in)之间变化。假设两个逆变器额定功率之和与负载额定功率相同，则在额定负载时两个逆变器输出电流达到额定值，电网电压u达到额定值un，如果负荷功率减少一半(电阻增加一倍)，则两个逆变器的输出电流减少到约0.5倍的额定电流，电网电压则上升约为1.05倍的额定电压。

由上所述可知，下垂曲线根据正常运行时的静态特性制定，采用三点式分段方式，即最大允许电压(对应最小输出电流)，额定工作点(对应额定电压与额定电流)以及最大限流点(对应最低允许电压以及最大输出电流)。在此基础上，考虑线路阻抗影响，利用各调节电源的就地负荷比例进一步协同优化下垂系数，减少线路损耗，如图7所示，负荷zl增大时，电

压u2降低，由于线路阻抗影响，远端可调电源电压变化量小于就地可调电源利用下垂曲线控制特性达到就地电源多出力，远方电源少出力的目的。

具体工作过程及工作原理如下：

一种同步定频微电网运行控制方法，包括如下步骤：

步骤1，同步信号单元接收卫星授时信号。

在正常情况下，同步信号单元通过卫星授时信号(如gps、北斗等)接收由其发出的1pps的秒脉冲信号，秒脉冲信号送入电流控制单元内。

步骤2，电流控制单元向逆变器发出控制信号。

由电流控制单元结合秒脉冲信号向逆变器发出控制信号，利用授时卫星的秒脉冲信号同步逆变器内部的时钟。

步骤3，逆变器输出交流电信号。

利用现有技术的逆变器能够产生频率和相位独立受控的交流电的特点，使得逆变器将分布式电源生成的直流电转换为相位为零，频率为50hz的正弦波交流电。

步骤4，逆变器自动调整输出，使其输出端输出的电压幅值满足电网要求；

根据分布式电源与电网并网点的电压幅值，各个逆变器调节自身输出的交流电流的大小，使输出端输出的电压在符合标准要求电压的上限值1.1un与下限值0.97un之间，un为电网标准额定电压。

利用卫星授时信号，将所有分布式电源的输出在同一时间参考系内进行主动调节控制，使微电网的控制转化为单一的电压控制问题。因此通过本同步定频微电网运行控制方法简化了运行控制方法，克服了传统交流电网频率控制方法导致的功率振荡与稳定问题，实现交流电网运行控制方法的根本变革。

交流电在负荷上产生负荷电压u，如果负荷电流中存在感性分量时，电网电压的相位将相对于1pps脉冲出现偏移，偏移角度等于负荷阻抗角θ。逆变器输出电流与电网电压之间也存在相角差θ，因此，这种情况下逆变器除提供有功功率外，还提供负荷所需的无功功率，使其输出功率因数小于1，此时投入与负荷并联的无功补偿电容c，使其提供负荷所需的全部无功容量，则将使电网电压相位回到零，从而使逆变器仅输出有功功率，功率因数达到1。

逆变器采用相同的电流-电压(i-u)下垂控制特性，电网电压u在符合标准要求电压的上下限制uh(1.1un)与ul(0.97un)之间变化时，逆变器输出电流在零值与最大允许输出值imax(1.3in)之间变化，因此通过电流-电压(i-u)下垂控制可以实现逆变器输出电流按容量的分配，采用无功补偿电容器就地补偿负荷中的无功电流，使逆变器输出功率因数达到1。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。