一种柴发机组-逆变器并联供电系统暂稳态功率均分控制方法

一种柴发机组
‑
逆变器并联供电系统暂稳态功率均分控制方法
技术领域
1.本申请属于微电网运行控制技术领域，具体涉及一种柴发机组
‑
逆变器并联供电系统暂稳态功率均分控制方法。


背景技术：

2.随着可再生能源发电技术、储能技术、微网技术等的快速发展，构建风光柴储多能源发电微网系统已成为解决偏远地区供电难题的有效技术途径。与常规同步机电源不同，光伏、风电、储能等分布式电源往往通过逆变器作为并网接口，柴发机组
‑
逆变器并联供电已成为该独立微网系统的典型供电配置。
3.为提高系统安全可靠运行性能，柴发机组
‑
逆变器并联供电系统中，柴发机组一般作为主电源，负载维持系统电压和频率的稳定，逆变器一般作为从电源，以电流源的模式接入系统，通过上层能量管理调节其输出功率。大功率负载突变扰动下，以电流源模式运行的逆变器不具备快速功率调节能力，使得柴发机组
‑
逆变器并联供电系统难以实现异构电源间暂稳态功率均分，大功率负载突变扰动主要靠柴发机组响应，给含高比例电力电子电源的风光柴储能多能源发电微网系统的电压/频率稳定性带来严峻挑战。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺点，本申请提供了一种柴发机组
‑
逆变器并联供电系统暂稳态功率均分控制方法，其目的在于通过给基于锁相控制逆变器引入有功调频
‑
无功调压控制模式，解决大功率负载突变下柴发机组
‑
逆变器并联供电系统暂稳态功率均分难题，增强独立微电网异构电源并联供电系统运行安全稳定性。
5.为实现上述目的，本发明提供一种柴发机组
‑
逆变器并联供电系统暂稳态功率均分控制方法，包括以下步骤：
6.1)逆变器通过锁相环检测电网频率；
7.2)逆变器检测并计算自身端电压幅值、自身输出有功功率、自身输出无功功率；
8.3)柴发机组检测并计算自身发电机转速、自身端电压幅值、自身输出有功功率、自身输出无功功率；
9.4)逆变器采用有功调频下垂策略，通过pid控制器调节d轴电流指令；
10.5)逆变器采用无功调压下垂策略，通过pi控制器调节q轴电流指令；
11.6)柴发机组采用有功调频下垂策略，通过调速器调节柴油机输出机械功率；
12.7)柴发机组采用无功调压下垂策略，通过励磁控制器调节发电机励磁电压。
13.进一步地，所述步骤4)的控制逻辑为：
14.逆变器基于检测计算得到的自身输出有功功率和电网频率，通过下垂控制和pid控制调节逆变器输出电流d轴电流指令，表达式如下：
[0015][0016]
式中，i
d_ref
为标幺值下逆变器d轴电流指令，ω
ref
为标幺值下逆变器频率设定值，k
p
为有功调频下垂系数，p
inv
为逆变器输出有功功率标幺值，ω为锁相环检测出的电网频率标幺值，k
p1
有功调频pid控制器的比例系数，k
i1
为有功调频pid控制器的积分系数，k
d1
为有功调频pid控制器的微分系数，t1为有功电流指令控制延时环节的时间常数。
[0017]
进一步地，所述步骤5)的控制逻辑如下：
[0018]
逆变器基于检测计算得到的自身输出无功功率和自身端电压幅值，通过下垂控制和pi控制调节逆变器输出电流q轴电流指令，表达式如下
[0019][0020]
式中，i
q_ref
为标幺值下逆变器q轴电流指令，u
ref
为标幺值下逆变器端电压指令值，k
q
为无功调压下垂系数，q
inv
为逆变器输出无功功率标幺值，u
inv
为标幺值下逆变器端电压幅值，k
p2
无功调压pi控制器的比例系数，k
i2
为无功调压pi控制器的积分系数，t2为无功电流指令控制延时环节的时间常数。
[0021]
进一步地，所述步骤6)的控制逻辑为：
[0022]
柴发机组基于检测计算得到的自身输出有功功率和自身发电机转速，通过下垂控制和调速控制调节原动机机械功率，表达式如下：
[0023]
t
m
＝(ω
ref
‑
k
p
p
sg
‑
ω
sg
)g
gov
(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0024]
式中，t
m
为标幺值下柴发机组原动机输出机械功率，ω
ref
为标幺值下柴发机组转速指令值，k
p
为有功调频下垂系数，p
sg
为柴发机组输出有功功率标幺值，ω
sg
为柴发机组转速标幺值，g
gov
(s)为调速器动态传递函数。
[0025]
进一步地，所述步骤7)的控制逻辑为：
[0026]
柴发机组基于检测计算得到的自身输出无功功率和自身端电压幅值，通过下垂控制和励磁控制调节励磁电压，表达式如下：
[0027]
e
f
＝(u
ref
‑
k
q
q
sg
‑
u
sg
)g
exc
(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0028]
式中，e
f
为标幺值下柴发机组励磁电压，u
ref
为标幺值下柴发机组端电压指令值，k
q
为无功调压下垂系数，q
sg
为柴发机组输出无功功率标幺值，u
sg
为标幺值下柴发机组端电压幅值，g
exc
(s)为励磁控制动态传递函数。
[0029]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0030]
(1)通过给逆变器引入有功调频控制策略，不但增强了大功率负载突变下柴发机组
‑
逆变器并联供电系统有功功率暂稳态均分性能，而且增强了系统频率稳定性；
[0031]
(2)通过给逆变器引入无功调压控制策略，不但增强了大功率负载突变下柴发机组
‑
逆变器并联供电系统无功功率暂稳态均分性能，而且增强了系统电压稳定性；
[0032]
(3)只需在电流源模式逆变器基础上，增加有功调频
‑
无功调压外环控制对dq轴电流指令进行调节，无需额外增加硬件设备和修改通讯方式，方便对现有逆变器进行升级改造，易于推广，便于直接工程应用。
附图说明
[0033]
图1为柴发机组
‑
逆变器并联供电系统示意图；
[0034]
图2为本发明提供的柴发机组
‑
逆变器并联供电系统暂稳态功率均分控制方法示意图；
[0035]
图3为验证所提方法有效性的仿真系统示意图；
[0036]
图4为大功率负载突变下柴发机组
‑
逆变器有功功率动态示意图；
[0037]
图5为大功率负载突变下柴发机组
‑
逆变器无功功率动态示意图；
[0038]
图6为大功率负载突变下母线电压幅值动态示意图；
[0039]
图7为大功率负载突变下系统频率动态示意图。
具体实施方式
[0040]
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。此外，下面所描述的本申请各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0041]
图1所示为本发明应用场景：独立微电网中柴发机组
‑
逆变器并联供电系统。图2所示为本发明的技术方案，逆变器以电流源模式与柴发机组并联，基于锁相环检测电网频率变化，通过有功调频下垂控制调节逆变器输出有功电流指令；检测自身端电压幅值变化，通过无功调压下垂控制调节逆变器输出无功电流指令；柴发机组采用有功调频下垂策略调节原动机输出机械功率，采用无功调压下垂策略调节发电励磁电压；以此实现大功率负载突变下逆变器与柴发机组暂稳态功率均分。
[0042]
柴发机组
‑
逆变器并联供电系统暂稳态功率均分控制方法，如图2所示，包括如下步骤：
[0043]
1)逆变器通过锁相环检测电网频率；
[0044]
2)逆变器检测并计算自身端电压幅值、输出有功功率、输出无功功率；
[0045]
3)柴发机组检测并计算自身转速、端电压幅值、输出有功功率、输出无功功率；
[0046]
4)逆变器基于检测计算得到的自身输出有功功率和电网频率，通过下垂控制和pid控制调节逆变器输出电流d轴电流指令，控制逻辑如下式所示：
[0047][0048]
式中，i
d_ref
为标幺值下逆变器d轴电流指令，ω
ref
为标幺值下逆变器频率设定值，k
p
为有功调频下垂系数，p
inv
为逆变器输出有功功率标幺值，ω为锁相环检测出的电网频率标幺值，k
p1
有功调频pid控制器的比例系数，k
i1
为有功调频pid控制器的积分系数，k
d1
为有功调频pid控制器的微分系数，t1为有功电流指令控制延时环节的时间常数。
[0049]
当有功负荷突增时，柴发机组转速会下降，电网频率会降低，逆变器有功调频外环pid控制器检测到频率偏差，快速增大d轴电流指令以使得逆变器快速响应暂态有功功率缺额；当有功负荷突卸时，柴发机组转速会上升，电网频率会升高，逆变器有功调频外环pid控制器检测到频率偏差，快速减小d轴电流指令以使得逆变器快速响应暂态有功功率过剩；逆变器和柴发机组间的稳态有功功率均分由有功频率下垂控制实现。
[0050]
5)逆变器基于检测计算得到的自身输出无功功率和自身端电压幅值，通过下垂控制和pi控制调节逆变器输出电流q轴电流指令，控制逻辑如下式所示：
[0051][0052]
式中，i
q_ref
为标幺值下逆变器q轴电流指令，u
ref
为标幺值下逆变器端电压指令值，k
q
为无功调压下垂系数，q
inv
为逆变器输出无功功率标幺值，u
inv
为标幺值下逆变器端电压幅值，k
p2
无功调压pi控制器的比例系数，k
i2
为无功调压pi控制器的积分系数，t2为无功电流指令控制延时环节的时间常数。
[0053]
当无功负荷突增时，系统母线电压会降低，带来逆变器端电压幅值减小，逆变器无功调压外环pi控制器检测到电压偏差，快速增大q轴电流指令值以使得逆变器快速响应暂态无功功率缺额；当无功负荷突卸时，系统母线电压会升高，带来逆变器端电压幅值增大，逆变器无功调压外环pi控制器检测到电压偏差，快速减小q轴电流指令以使得逆变器快速响应暂态无功功率过剩；逆变器和柴发机组间的稳态无功功率均分由无功调压下垂控制实现。
[0054]
6)柴发机组基于检测计算得到的自身输出有功功率和自身发电机转速，通过下垂控制和调速控制调节原动机机械功率，控制逻辑如下式所示：
[0055]
t
m
＝(ω
ref
‑
k
p
p
sg
‑
ω
sg
)g
gov
(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0056]
式中，t
m
为标幺值下柴发机组原动机输出机械功率，ω
ref
为标幺值下柴发机组转速指令值，k
p
为有功调频下垂系数，p
sg
为柴发机组输出有功功率标幺值，ω
sg
为柴发机组转速标幺值，g
gov
(s)为调速器动态传递函数。
[0057]
当有功负荷突增时，柴发机组转速会下降，柴发机组调速器检测到转速偏差，增大原动机输出的机械功率以使得柴发机组响应暂态有功功率缺额；当有功负荷突卸时，柴发机组转速会上升，柴发机组调速器检测到转速偏差，减小原动机输出的机械功率以使得柴发机组响应暂态有功功率过剩；逆变器和柴发机组间的稳态有功功率均分由有功频率下垂控制实现。
[0058]
7)柴发机组基于检测计算得到的自身输出无功功率和自身端电压幅值，通过下垂控制和励磁控制调节励磁电压，控制逻辑如下式所示：
[0059]
e
f
＝(u
ref
‑
k
q
q
sg
‑
u
sg
)g
exc
(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0060]
式中，e
f
为标幺值下柴发机组励磁电压，u
ref
为标幺值下柴发机组端电压指令值，k
q
为无功调压下垂系数，q
sg
为柴发机组输出无功功率标幺值，u
sg
为标幺值下柴发机组端电压幅值，g
exc
(s)为励磁控制动态传递函数。
[0061]
当无功负荷突增时，系统母线电压会降低，带来柴发机组端电压幅值减小，柴发机组励磁控制检测到电压偏差，增大发电机励磁电压以使得柴发机组响应暂态无功功率缺额；当无功负荷突卸时，系统母线电压会升高，带来柴发机组端电压幅值增大，柴发机组励磁控制检测到电压偏差，减小发电机励磁电压以使得柴发机组响应暂态无功功率过剩；逆变器和柴发机组间的稳态无功功率均分由无功调压下垂控制实现。
[0062]
在pscad/emtdc中搭建如图3所示的仿真模型对本申请所提出的控制方法性能进行验证。仿真模型中柴发机组和逆变器容量均为500kva，线电压额定值为400v；阻感负载1中电感值为1.2mh，电阻值为0.5ω；阻感负载2中电感值为0.96mh，电阻值为0.4ω。40s前系
统处于稳态，bk1
‑
bk5合闸状态，bk6分闸状态，柴发机组和逆变器并联带负载1。40s时，bk6合闸，阻感负载2投入，系统进行大功率负载突加；50s时，bk6分闸，阻感负载2切除，系统进行大功率负载突卸。
[0063]
图4～图7的仿真结果可以看出，大功率负载突增突卸下，柴发机组和逆变器间能够实现暂稳态功率均分，增强了系统电压频率稳定性。
[0064]
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。