一种级联式微电网频率控制电路及设计方法

1.本发明涉及微电网电路设计技术领域，特别涉及一种级联式微电网频率控制电路及设计方法。


背景技术：

2.微电网因其在可再生能源领域的重要作用和地位而成为研究热点。根据配置不同，微电网可分为两种类型。第一种是并联微电网，这方面的研究已经进行了多年。下垂控制和虚拟同步发电机是最常用的控制策略。另一种类型是级联式微电网，与前者相比是一种新型微电网。
3.近年来，级联式微电网的引入推动了微电网在高/中压领域的发展，特别是大规模光伏发电、储能电站等。传统的级联式系统控制方法大多依赖于集中控制。近年来，为了减少通信负担，受下垂控制的启发，人们提出了许多分散控制方法。同样，频率同步和功率平衡可以自动实现。例如，在rl负载下的逆功率因数下垂控制。针对不同的负载特性的f-p/q下垂控制和功率因数角下垂控制。然而，这些方法忽略了它们引起的频率偏移。
4.因此，对于级联式微电网的运行，频率恢复控制也是迫切需要的。最经典的方法是中央控制法。但中央控制器对通信的依赖程度高，计算量大，会降低系统的可靠性。为了减少通信依赖，使控制算法本地化，提出了一种基于局部控制器和邻居信息的分布式频率控制方法。但是通信延迟和故障仍然会威胁到系统的工作性能、稳定性和可靠性。


技术实现要素：

5.为了至少部分地解决现有技术存在的技术问题，发明人做出本发明，通过具体实施方式，提供一种级联式微电网频率控制电路及设计方法。
6.第一方面，本发明实施例提供一种级联式微电网频率控制电路，包括公共负载和多个逆变器单元，所述多个逆变器单元之间串联，所述逆变器单元包括分布式电源、串联逆变器和谐振电路，所述逆变器单元还包括：
7.数据处理电路，用于实时采集级联式微电网的系统整体功率因素角、稳态时负载电压相位角和输出电流频率；实时采集所述逆变器单元的输出电压、输出电流、输出电压相位角和输出电压角频率；
8.功率计算电路，用于根据所述电气参数，确定每个所述逆变器单元的有功功率和无功功率；
9.内环控制电路，用于根据串联逆变器同步控制逻辑，对所述逆变器单元的频率进行同步；根据分散式二次频率控制逻辑，对所述逆变器单元的频率进行二次恢复控制；
10.锁相环电路，用于控制所述逆变器单元内部环路振荡信号的频率和相位。
11.具体的，所述内环控制电路，包括：
12.同步控制电路，用于根据串联逆变器同步控制逻辑，对所述逆变器单元的频率进行同步，所述串联逆变器同步控制逻辑如下：
13.fi＝f
*
+sgn(qi)mipi14.其中fi为第i个逆变器单元的频率值，f
*
为串联微电网空载时频率值，sgn表示符号函数，qi为第i个逆变器单元的输出无功功率，mi为下垂控制系数，pi为第i个逆变器单元的输出有功功率i为逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表逆变器单元的总数；
15.频率二次恢复电路，用于根据分散式二次频率控制逻辑，对所述逆变器单元的频率进行二次恢复控制，所述分散式二次频率控制逻辑如下：
[0016][0017]
其中fi为第i个逆变器单元的频率值，f
*
为串联微电网空载时频率值，sgn表示符号函数，qi为第i个逆变器单元的输出无功功率，mi为下垂控制系数，pi为第i个逆变器单元的输出有功功率，k
ii
为第i个逆变器单元的积分系数，s为拉普拉斯算子，f
ref
为串联储能微电网的频率恢复的额定值，fi为输出电流的频率值，i为逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表逆变器单元的总数。
[0018]
具体的，所述逆变器单元还包括：
[0019]
负载切换电路，用于在所述公共负载中的阻感性负载和阻容性负载之间进行切换。
[0020]
第二方面，本发明实施例提供一种级联式微电网频率控制电路设计方法，包括以下步骤：
[0021]
设置多个逆变器单元，所述逆变器单元包括分布式电源、串联逆变器、谐振电路、数据处理电路、功率计算电路、内环控制电路和锁相环电路；所述内环控制电路包括同步控制电路和频率二次恢复电路；
[0022]
将公共负载和多个逆变器单元串联；
[0023]
其中，设置所述逆变器单元，包括以下步骤：
[0024]
设置数据处理电路，实时采集级联式微电网和所述级联式微电网中每个逆变器单元的电气参数；
[0025]
设置功率计算电路，将所述电气参数进行计算，确定每个所述逆变器单元的有功功率和无功功率；
[0026]
根据串联逆变器同步控制逻辑，设置所述同步控制电路，对所述逆变器单元的频率进行同步；
[0027]
根据分散式二次频率控制逻辑，设置所述频率二次恢复电路，对所述逆变器单元的频率进行二次恢复控制。
[0028]
具体的，所述串联逆变器同步控制逻辑如下：
[0029]fi
＝f
*
+sgn(qi)mipi[0030]
其中fi为第i个逆变器单元的频率值，f
*
为串联微电网空载时频率值，sgn表示符号函数，qi为第i个逆变器单元的输出无功功率，mi为下垂控制系数，pi为第i个逆变器单元的输出有功功率i为逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表逆变器单元的总数。
[0031]
具体的，所述分散式二次频率控制逻辑如下：
[0032]
[0033]
其中fi为第i个逆变器单元的频率值，f
*
为串联微电网空载时频率值，sgn表示符号函数，qi为第i个逆变器单元的输出无功功率，mi为下垂控制系数，pi为第i个逆变器单元的输出有功功率，k
ii
为第i个逆变器单元的积分系数，s为拉普拉斯算子，f
ref
为串联储能微电网的频率恢复的额定值，fi为输出电流的频率值，i为逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表逆变器单元的总数。
[0034]
具体的，设置所述逆变器单元，还包括以下步骤：
[0035]
设置锁相环电路，控制所述逆变器单元内部环路振荡信号的频率和相位；
[0036]
设置负载切换电路，对所述公共负载中的阻感性负载和阻容性负载进行切换。
[0037]
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
[0038]
本发明实施例提出的分散式频率恢复控制，仅依赖于局部信息将级联式微电网系统频率恢复到额定值，频率控制不需要任何通信，降低了通信成本，避免了通信延时、丢包、故障风险。和集中式控制方案相比，该方法采用无通信分散式控制，可使级联式微电网系统可靠性大大增强。
[0039]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0040]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0041]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0042]
图1为本发明实施例中的级联式微电网频率控制电路示意图；
[0043]
图2为本发明实施例中的级联式微电网系统结构示意图；
[0044]
图3a为本发明实施例中阻感负载变化时频率恢复原理示意图；
[0045]
图3b为本发明实施例中阻容负载变化时频率恢复原理示意图；
[0046]
图4a为本发明实施例中阻感负载下频率恢复控制逻辑工作性能示意图；
[0047]
图4b为本发明实施例中阻容负载下频率恢复控制逻辑工作性能示意图；
[0048]
图5a为本发明实施例中阻感负载切换为阻容负载时控制逻辑动态响应示意图；
[0049]
图5b为本发明实施例中阻容负载切换为阻感负载时控制逻辑动态响应示意图。
具体实施方式
[0050]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0051]
为了解决现有技术中存在的的问题，本发明实施例提供一种级联式微电网频率控制电路及设计方法。
[0052]
实施例一
[0053]
本发明实施例一提供一种级联式微电网频率控制电路，其结构如图1所示，通过实
时采集级联式微电网和所述级联式微电网中每个逆变器单元的电气参数，根据所述电气参数，确定每个所述逆变器单元的有功功率和无功功率等数据，根据分散式二次频率控制逻辑，在每个逆变器单元的内部进行pi控制，实现频率二次恢复控制。在负载切换中实现对阻容性负载或阻感性负载的切换。
[0054]
其中，级联式微电网系统结构如图2所示，每个逆变器单元包括分布式微源、串联逆变器和谐振电路，多个逆变器单元和负荷构成级联式微电网系统。分布式微源即分布式电源，分布式电源简称dg(distributed generation)，电气与电子工程师协会ieee定义的dg是小容量的、可以在电力系统任意位置并网的发电机，容量范围小于10mw，并网电压等级通常连接到配电系统所属的各个电压等级。
[0055]
一种级联式微电网频率控制电路包括公共负载和多个逆变器单元，所述多个逆变器单元之间串联，所述逆变器单元包括分布式电源、串联逆变器和谐振电路，所述逆变器单元还包括：
[0056]
数据处理电路，用于实时采集级联式微电网的系统整体功率因素角、稳态时负载电压相位角和输出电流频率；实时采集所述逆变器单元的输出电压、输出电流、输出电压相位角和输出电压角频率；
[0057]
功率计算电路，用于根据所述电气参数，确定每个所述逆变器单元的有功功率和无功功率；
[0058]
内环控制电路，用于根据串联逆变器同步控制逻辑，对所述逆变器单元的频率进行同步；根据分散式二次频率控制逻辑，对所述逆变器单元的频率进行二次恢复控制；
[0059]
锁相环电路，用于控制所述逆变器单元内部环路振荡信号的频率和相位。图2中的pll代表锁相环路，是一种反馈控制电路，简称锁相环(pll，phase-locked loop)，其特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。
[0060]
具体的，所述内环控制电路，包括：
[0061]
同步控制电路，用于根据串联逆变器同步控制逻辑，对所述逆变器单元的频率进行同步，所述串联逆变器同步控制逻辑如下：
[0062]fi
＝f
*
+sgn(qi)mipi[0063]
其中fi为第i个逆变器单元的频率值，f
*
为串联微电网空载时频率值，sgn表示符号函数，qi为第i个逆变器单元的输出无功功率，mi为下垂控制系数，pi为第i个逆变器单元的输出有功功率i为逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表逆变器单元的总数；
[0064]
频率二次恢复电路，用于根据分散式二次频率控制逻辑，对所述逆变器单元的频率进行二次恢复控制，所述分散式二次频率控制逻辑如下：
[0065][0066]
其中fi为第i个逆变器单元的频率值，f
*
为串联微电网空载时频率值，sgn表示符号函数，qi为第i个逆变器单元的输出无功功率，mi为下垂控制系数，pi为第i个逆变器单元的输出有功功率，k
ii
为第i个逆变器单元的积分系数，s为拉普拉斯算子，f
ref
为串联储能微电网的频率恢复的额定值，fi为输出电流的频率值，i为逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表逆变器单元的总数。
[0067]
具体的，所述逆变器单元还包括：
[0068]
负载切换电路，用于在所述公共负载中的阻感性负载和阻容性负载之间进行切换。
[0069]
本实施例中一种级联式微电网频率控制电路的控制过程详述如下：
[0070]
确定二次频率控制目标函数，所述目标函数具体包括以下表达式：
[0071][0072][0073]
其中f
ref
为串联储能微电网的频率恢复的额定值，fi为第i个逆变器单元的频率值，pi和mi分别为第i个逆变器单元的输出有功功率与下垂控制系数，pj和mj分别为第j个逆变器单元的输出功率与下垂控制系数，t代表时间，i和j为逆变器单元编号，i和j在不超过n的正整数中取值，且i不等于j，n代表逆变器单元的总数。
[0074]
实时采集级联式微电网和所述级联式微电网中每个逆变器单元的电气参数；根据所述电气参数，确定每个所述逆变器单元的有功功率和无功功率。
[0075]
具体的，所述实时采集级联式微电网和所述级联式微电网中每个逆变器单元的电气参数，包括以下步骤：
[0076]
实时采集级联式微电网的系统整体功率因素角、稳态时负载电压相位角和输出电流频率；实时采集所述级联式微电网中每个逆变器单元的输出电压、输出电流、输出电压相位角和输出电压角频率。
[0077]
基于每个所述逆变器单元的有功功率和无功功率，搭建串联逆变器同步控制逻辑；根据所述串联逆变器同步控制逻辑，对每个所述逆变器单元的频率进行同步；
[0078]
所述串联逆变器同步控制逻辑表达式如下：
[0079]fi
＝f
*
+sgn(qi)mipi[0080]
其中fi为第i个逆变器单元的频率值，f
*
为串联微电网空载时频率值，sgn表示符号函数，qi为第i个逆变器单元的输出无功功率，mi为下垂控制系数，pi为第i个逆变器单元的输出有功功率i为逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表逆变器单元的总数。
[0081]
根据所述电气参数，确定每个所述逆变器单元的期望输出电压相位角模型；
[0082]
对于级联式微电网而言，各dg机组具有相同的负载电流，这是一种本质上的共同信息。具体的，所述期望输出电压相位角模型表达式为：
[0083][0084]
其中θ
ii
为第i个逆变器单元的期望输出电压相位角，atan2为反正切函数，为串联储能微电网系统整体的功率因素角，p
*max_i
为第i个逆变器单元的输出功率上限约束，θi为第i个逆变器单元的输出电压相位角，θ`
load
为稳态时负载电压的相位角，i为逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表逆变器单元的总数。
[0085]
将所述期望输出电压相位角模型进行小信号线性化，得到每个所述逆变器单元的输出电流频率模型；
[0086]
具体的，将所述期望输出电压相位角模型进行小信号线性化，得到每个所述逆变
器单元的输出电流频率模型，包括以下步骤：
[0087]
将所述期望输出电压相位角模型表达式进行小信号线性化；
[0088]
设稳态电压角相同，将θi＝θ
i0
+δθi代入所述小信号线性化后的期望输出电压相位角模型表达式并消去θ
i0
，得到每个所述逆变器单元的输出电流频率模型，所述输出电流频率模型表达式为：
[0089][0090]
其中f
ii
为第i个逆变器单元输出电流的频率值，为串联储能微电网系统整体的功率因素角，p
*max_i
为第i个逆变器单元的输出功率上限约束，ωi为第i个逆变器单元的输出电压角频率，i为逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表逆变器单元的总数。
[0091]
由输出电流频率模型表达式可知，当前级联式微电网系统频率代表所有单元的加权平均频率。因此，可以利用级联式微电网系统固有的特性，通过恢复当前频率来调节整个级联式微电网系统的频率。
[0092]
根据所述输出电流频率模型，构造每个所述逆变器单元的频率偏移模型；
[0093]
具体的，所述频率偏移模型表达式为：
[0094][0095]
其中δfi为第i个逆变器单元的频率值偏移量，k
ii
为辅助控制器的系数，s为拉普拉斯算子，f
ref
为串联储能微电网的频率恢复的额定值，f
ii
为第i个逆变器单元输出电流的频率值，i为逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表逆变器单元的总数。
[0096]
根据所述级联式微电网中所有逆变器单元电流相同的特点，基于每个所述逆变器单元的有功功率、无功功率和所述频率偏移模型，搭建分散式二次频率控制逻辑；
[0097]
具体的，根据所述级联式微电网中所有逆变器单元电流相同的特点，得到如下表达式，
[0098]fi1
＝f
i2
＝
…
＝f
in
＝fi[0099]
其中f
i1
为第1个逆变器单元的频率值，f
i2
为第2个逆变器单元的频率值，f
in
为第n个逆变器单元的频率值，n代表逆变器单元的总数，fi为输出电流的频率值；
[0100]
基于每个所述逆变器单元的有功功率、无功功率和所述频率偏移模型，搭建分散式二次频率控制逻辑，所述分散式二次频率控制逻辑表达式如下：
[0101][0102]
其中fi为第i个逆变器单元的频率值，f
*
为串联微电网空载时频率值，sgn表示符号函数，qi为第i个逆变器单元的输出无功功率。mi为下垂控制系数，与dg容量成反比。pi为第i个逆变器单元的输出有功功率。k
ii
为第i个逆变器单元的积分系数，s为拉普拉斯算子，f
ref
为串联储能微电网的频率恢复的额定值，fi为输出电流的频率值，i为逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表逆变器单元的总数。k
ii
用于频率的二次恢复控制。
[0103]
根据所述分散式二次频率控制逻辑，对每个所述逆变器单元的频率进行二次恢复
控制。
[0104]
通过pi控制，电流频率恢复到正常值，各dg频率收敛到与电流频率相等的值。pi控制即pi调节器(proportional integral controller)，pi调节器是一种线性控制器，也叫比例积分控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
[0105]
在稳态下，电流频率通过pi控制恢复到正常值，所有逆变器单元频率收敛到与电流频率相等的值。然后可以得到系统频率实际上恢复到串联储能微电网的频率恢复的额定值f
ref
。
[0106]
f1＝f2＝
…
＝fi＝
…
＝fn＝fi＝f
ref
[0107]
其中fi为第i个串联逆变器单元的频率值，i为串联逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表串联逆变器单元的总数，fi为输出电流的频率值。
[0108]
同时，由于所有逆变器单元共用相同的电流，得到
[0109]
δf1＝δf2＝
…
＝δfi＝
…
＝δfn[0110]
m1δp1＝m2δp2＝
…
miδpi＝
…
＝mnδpn[0111]
其中δfi为第i个串联逆变器单元的频率偏移量，i为串联逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表串联逆变器单元的总数，mi为下垂控制系数，δpi为串联微电网空载时第i个串联逆变器单元功率偏移量。
[0112]
频率恢复原理如图3a和图3b所示，当阻感负载或者阻容负载增加时，频率由点a到达点b，提出的控制核心是改变f-p曲线偏移量，这样，工作点就会从点b移动到所需的点c。
[0113]
为了更清晰地验证本发明实施例实现soc均衡的效果，这里展示一个对比案例仿真分析。在仿真软件中建立由四个级联单元组成的级联式微电网。总体控制策略图如图2所示。以下分别进行a、b两个案例的分析：
[0114]
在案例a下，仿真结果如图4a和图4b所示。图4a和图4b分别表示了所提出的控制逻辑在阻感性负载和阻容性负载下的工作性能。图4a和图4b的四条曲线分别对应所建立的级联式微电网中的四个级联单元，从图中可以看出，四条曲线能够恢复到期望的位置，实现了无通信下的频率恢复控制，从而验证了所提出的频率恢复控制逻辑的有效性，其稳定性不受负载阻抗特性的影响。
[0115]
在案例b中，仿真结果如图5a和图5b所示，验证了所提控制逻辑在负荷特性变化过程中的动态响应。在图5a中，级联式微电网系统首先在阻感负载下运行，当t＝3s时，负载切换为阻容负载。图5a和图5b中的四条曲线分别对应所建立的级联式微电网中的四个级联单元，四条曲线能够恢复到期望的位置，实现了无通信下的频率恢复控制，系统保持稳定，实现了频率恢复和功率共享。电容性电阻负载转换为感应性电阻负载时的仿真结果与上述分析结果相似，四条曲线能够恢复到期望的位置，实现了无通信下的频率恢复控制，系统保持稳定，实现了频率恢复和功率共享。
[0116]
本实施例的上述电路中，仅依赖于局部信息将级联式微电网系统频率恢复到额定值，频率控制不需要任何通信，降低了通信成本，避免了通信延时、丢包、故障风险。和集中式控制方案相比，该方法采用无通信分散式控制，可使级联式微电网系统可靠性大大增强。
[0117]
实施例二
[0118]
本发明实施例二提供一种级联式微电网频率控制电路设计方法，包括以下步骤：
[0119]
步骤s1：设置多个逆变器单元，所述逆变器单元包括分布式电源、串联逆变器、谐振电路、数据处理电路、功率计算电路、内环控制电路和锁相环电路；所述内环控制电路包括同步控制电路和频率二次恢复电路；
[0120]
步骤s2：将公共负载和多个逆变器单元串联；
[0121]
其中，设置所述逆变器单元，包括以下步骤：
[0122]
步骤s11：设置数据处理电路，实时采集级联式微电网和所述级联式微电网中每个逆变器单元的电气参数；
[0123]
步骤s12：设置功率计算电路，将所述电气参数进行计算，确定每个所述逆变器单元的有功功率和无功功率；
[0124]
步骤s13：根据串联逆变器同步控制逻辑，设置所述同步控制电路，对所述逆变器单元的频率进行同步；
[0125]
步骤s14：根据分散式二次频率控制逻辑，设置所述频率二次恢复电路，对所述逆变器单元的频率进行二次恢复控制。
[0126]
具体的，所述串联逆变器同步控制逻辑如下：
[0127]fi
＝f
*
+sgn(qi)mipi[0128]
其中fi为第i个逆变器单元的频率值，f
*
为串联微电网空载时频率值，sgn表示符号函数，qi为第i个逆变器单元的输出无功功率，mi为下垂控制系数，pi为第i个逆变器单元的输出有功功率i为逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表逆变器单元的总数。
[0129]
具体的，所述分散式二次频率控制逻辑如下：
[0130][0131]
其中fi为第i个逆变器单元的频率值，f
*
为串联微电网空载时频率值，sgn表示符号函数，qi为第i个逆变器单元的输出无功功率，mi为下垂控制系数，pi为第i个逆变器单元的输出有功功率，k
ii
为第i个逆变器单元的积分系数，s为拉普拉斯算子，f
ref
为串联储能微电网的频率恢复的额定值，fi为输出电流的频率值，i为逆变器单元编号，i在不超过n的正整数中取值，n代表逆变器单元的总数。
[0132]
具体的，设置所述逆变器单元，还包括以下步骤：
[0133]
设置锁相环电路，控制所述逆变器单元内部环路振荡信号的频率和相位；
[0134]
设置负载切换电路，对所述公共负载中的阻感性负载和阻容性负载进行切换。
[0135]
关于上述实施例中的方法，已经在有关该电路的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
[0136]
本实施例中，仅依赖于局部信息将级联式微电网系统频率恢复到额定值，频率控制不需要任何通信，降低了通信成本，避免了通信延时、丢包、故障风险。和集中式控制方案相比，该方法采用无通信分散式控制，可使级联式微电网系统可靠性大大增强。
[0137]
凡在本发明的原则范围内做的任何修改、补充和等同替换等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围内。