一种不对称电压跌落下的分布式新能源多目标控制方法与流程

1.本发明涉及电力系统微电网技术领域，特别是一种不对称电压跌落下的分布式新能源多目标控制方法。


背景技术：

2.随着风能、太阳能等分布式新能源大量接入电网，发展以高比例可再生能源渗透为核心的低碳可持续能源系统已成为世界各国的重要战略目标。在故障暂态下，电力电子接口的新能源面临因电压支撑能力弱、电流越限、有功振荡等问题而切机的风险，大规模新能源发电单元接入对电力系统的可靠性和稳定性影响不断增大。当新能源发电单元并网点发生不对称电压跌落时，一方面电力电子接口耐受能力差往往导致风电和光伏脱网，而另一方面电力电子装置的高可控性也为高比例新能源接入电力系统提供了有力的解决方案。因此，根据电力系统相关并网标准设定控制目标电气量，通过主动改变新能源的控制策略，为电压不平衡跌落下的新能源发电单元提供较强的故障穿越能力，对提升高比例新能源系统的运行稳定性具有重要意义。
3.不平衡电压跌落下新能源控制策略多针对某一两个控制目标进行研究，并网逆变器仍面临一定的切机风险。而考虑多目标的控制策略对并网逆变器容量有较大要求，因逆变器容量不足导致控制目标无法实现的情况时有发生。因此，有必要通过充分考虑电压跌落场景，在不同电压跌落场景下选取合适的控制目标，保证充分利用逆变器容量下实现多目标协调控制。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述和/或现有的不平衡电压跌落下新能源控制策略中存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明所要解决的问题在于在不同电压跌落场景下选取合适的控制目标。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种不对称电压跌落下的分布式新能源多目标控制方法，其包括，不对称电压跌落情况检测；对电压向量进行正负序分离，得到对应的电压正负序分量；判断电压跌落场景，根据不同场景选择不同的控制目标，基于ipopt求解器求解多目标控制下的参考电流；将电流参考值输出到电流内环控制中，经svpwm调制从而控制三相桥式逆变器进行输出。
8.作为本发明所述不对称电压跌落下的分布式新能源多目标控制方法的一种优选方案，其中：所述对电压向量进行正负序分离的具体计算步骤包括，
9.电压不对称情况下，交流系统中任何一点正负序电压矢量在αβ坐标系下表示为：
[0010][0011]
式中，vk表示交流系统任意一点k的电压；和表示交流系统任意一点k的正序和负序电压；和表示正序和负序电压的幅值；ω为角频率；δ
+
和δ-分别为正负序电压对应的初相角；
[0012]
同理，任一点注入电流矢量i可被正序和负序、有功和无功这四个电流分量表示为：
[0013][0014]
式中，为逆变器发出的正序有功、无功电流和负序有功、无功电流；为逆变器发出的正序有功、无功电流和负序有功、无功电流幅值。
[0015]
作为本发明所述不对称电压跌落下的分布式新能源多目标控制方法的一种优选方案，其中：所述电流分量可以在一定程度上提升公共并网点pcc的电压，根据基尔霍夫电压定律得到逆变器出口侧电压的数学表达式如下：
[0016][0017][0018]
式中，v
+
和v-代表pcc点处电压；和代表电网侧母线电压；lg和rg为线路等效电感和电抗；i
+
、i-代表逆变器输出的正序和负序电流。
[0019]
作为本发明所述不对称电压跌落下的分布式新能源多目标控制方法的一种优选方案，其中：所述逆变器的主动电压支撑控制策略即通过主动注入正负序电流提升pcc点的正序电压、降低负序电压。
[0020]
作为本发明所述不对称电压跌落下的分布式新能源多目标控制方法的一种优选方案，其中：将所述电压矢量和电流矢量的公式代入到逆变器出口测电压的公式，可以得到以幅值表示的dq旋转坐标系下的逆变器电压支撑方程：
[0021][0022]
[0023][0024][0025]
式中，v
+
、v-为公共并网点正负序电压幅值；为网侧电压正负序电压幅值；ω为角频率；l、r为线路等效电感和电抗；为逆变器发出的正序有功、无功电流和负序有功、无功电流；δ
+
、δ-为公共并网点正负序电压初始相角；为网侧电压正负序电压相角。
[0026]
作为本发明所述不对称电压跌落下的分布式新能源多目标控制方法的一种优选方案，其中：所述判断电压跌落场景包括，根据电压跌落程度和电压不平衡度，可将故障分为电压轻微跌落、电压严重跌落但电压不平衡度较小以及电压严重跌落且电压不平衡度大3种不同场景，并分别提出对应场景下的控制目标，然后在不同控制目标场景下确定电流、电流、功率振荡约束要求，通过多约束下求目标函数极值问题求解实现。
[0027]
作为本发明所述不对称电压跌落下的分布式新能源多目标控制方法的一种优选方案，其中：所述电压轻微跌落的场景下，不对称电压跌落下控制目标为：
[0028]
作为本发明所述不对称电压跌落下的分布式新能源多目标控制方法的一种优选方案，其中：所述电压严重跌落但电压不平衡度较小的场景下，应以最大正序电压支撑max v
+
为目标。
[0029]
作为本发明所述不对称电压跌落下的分布式新能源多目标控制方法的一种优选方案，其中：所述电压严重跌落且电压不平衡度大的场景下，控制目标转化为最大化正负序电压差值：max
△
v＝v
+-v-。
[0030]
作为本发明所述不对称电压跌落下的分布式新能源多目标控制方法的一种优选方案，其中：所述基于ipopt求解器求解多目标控制下的参考电流，使用内点法对有约束问题进行求解，可以求解带约束的非线性多变量函数的最小值，通过求解多约束下目标函数极值，即可得到电流参考值，其中，所述基于ipopt求解器求解多目标控制下的参考电流所采用的具体函数为：x＝ipopt(x0,funcs,fun)；式中，x的返回值即为需求解的4个电流指令值的优化结果，x0为初始值，funcs是用m文件定义的非线性目标函数的梯度、约束、雅可比矩阵以及约束海森矩阵，fun是用m文件定义的非线性向量函数。
[0031]
本发明有益效果为：并网逆变器在电网电压不平衡跌落下要考虑有功输出、电压支撑控制目标，且需要满足电流限幅、有功振荡等约束，对多个控制目标进行量化推导，提出一种考虑电压跌落场景的改进控制策略，有效地协调了多个控制目标，提升了逆变器在不平衡电压跌落下的运行稳定性，保证了逆变器的安全运行。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用
的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0033]
图1为基于不对称电压跌落下的分布式新能源多目标主动控制策略流程图。
[0034]
图2为提出的故障下控制系统图。
[0035]
图3为分布式新能源并网拓扑图。
[0036]
图4为电压支撑矢量图。
[0037]
图5为电压跌落场景分类图。
[0038]
图6为电流参考值计算流程图。
[0039]
图7为电压轻微跌落时pcc母线三相电压。
[0040]
图8为电压轻微跌落时pcc及网侧母线正负序电压。
[0041]
图9为电压轻微跌落时逆变器输出三相电流。
[0042]
图10为电压跌落较大而不平衡度小时pcc母线三相电压。
[0043]
图11为电压跌落较大而不平衡度小时pcc及网侧母线正负序电压。
[0044]
图12为电压跌落较大而不平衡度小时逆变器输出三相电流。
[0045]
图13为电压跌落较大且不平衡度较大时pcc母线三相电压。
[0046]
图14为电压跌落较大且不平衡度较大时pcc及网侧母线正负序电压。
[0047]
图15为电压跌落较大且不平衡度较大时逆变器输出三相电流。
具体实施方式
[0048]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0049]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0050]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0051]
实施例1
[0052]
参照图1～6，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种不对称电压跌落下的分布式新能源多目标控制方法，对不对称电压跌落行为进行场景区分，分别提出对应场景下的控制目标，实现电压支撑。
[0053]
如图1所示，具体包括以下步骤：
[0054]
s1：基于改进dq变化法检测不对称电压跌落情况。
[0055]
s2：利用sogi法对电压向量进行正负序分离，得到对应的电压正负序分量，得出基于序分量提取的正负序电压方程。
[0056]
应说明的是，以逆变型新能源发电单元为研究对象，其控制策略如图2所示，在不对称电压跌落下，为了实现电流控制策略的多个控制目标，可以通过灵活注入不同大小的正负序有功、无功电流满足低压穿越要求。
[0057]
电压不对称情况下，交流系统中任何一点正负序电压矢量在坐标系下表示为：
[0058]
式中，vk表示交流系统任意一点k的电压；和表示交流系统任意一点k的正序和负序电压；和表示正序和负序电压的幅值；ω为角频率；δ
+
和δ-分别为正负序电压对应的初相角。
[0059]
同理可知，任一点注入电流矢量i可被正序和负序、有功和无功这四个电流分量表示为：
[0060][0061]
式中，为逆变器发出的正序有功、无功电流和负序有功、无功电流；为逆变器发出的正序有功、无功电流和负序有功、无功电流幅值。
[0062]
根据图3的拓扑结构和对称分量法，这些电流分量可以在一定程度上提升公共并网点pcc的电压，根据基尔霍夫电压定律得到逆变器出口侧电压的数学表达式如下：
[0063][0064][0065]
式中，v
+
和v-代表pcc点处电压；和代表电网侧母线电压；lg和rg为线路等效电感和电抗；i
+
、i-代表逆变器输出的正序和负序电流。
[0066]
逆变器的主动电压支撑控制策略即通过主动注入正负序电流提升pcc点的正序电压、降低负序电压，故利用上式可推导需注入的参考电流。
[0067]
将式(1)和式(2)代入到式(3)(4)，可以得到以幅值表示的dq旋转坐标系下的逆变器电压支撑方程，具体推导见图4。该式是下文各控制目标的基础。
[0068][0069]
[0070][0071][0072]
式中，v
+
、v-为公共并网点正负序电压幅值；为网侧电压正负序电压幅值；ω为角频率；l、r为线路等效电感和电抗；为逆变器发出的正序有功、无功电流和负序有功、无功电流；δ
+
、δ-为公共并网点正负序电压初始相角；为网侧电压正负序电压相角。
[0073]
从式(5)-(8)可以看出，通过设置不同四个电流指令幅值，可以实现支撑正序电压、降低负序电压从而控制相电压的目标，同时电压支撑效果同样取决于送出线阻抗参数。
[0074]
s3：判断电压跌落场景，根据不同场景选择不同的控制目标。
[0075]
应说明的是，当系统发生严重电压跌落时，应优先发出无功尽可能动态支撑并网点电压，为系统提供较大的电压支撑；而当发生轻微电压跌落时，应保证向系统输送最大有功的同时对系统提供电压支撑。因此，将以有功输出为目标同时满足相电压约束有解定义为轻微电压跌落，反之定义为较大电压跌落；同时，在电压跌落较大时需考虑电压不平衡度问题，当电压不平衡度较小时无需注入负序功率，通过最大相与最小相电压差值比较简单判别电压不平衡度：
[0076][0077]
式中：v
max
、v
min
为最大相、最小相相电压。
[0078]
根据电压偏差标准的相电压差值定义电压不平衡度大小，当δv《0.25p.u.场景定义为电压不平衡度较小，反之定义为电压不平衡度较大。根据以上场景定义标准，可以得到图5所示的场景定义及结果，分别提出对应场景下的控制目标。
[0079]
(1)电压轻微跌落下控制目标
[0080]
不平衡电压跌落下的多个控制目标，其中电压支撑、电流限幅、有功功率振荡必须满足一定的约束要求，有功输出在这三个目标基础上尽可能多的注入，在定义的轻微电压跌落场景下，不对称电压跌落下多目标控制策略可以转化为以最优有功输出为目标，以相电压、相电流、有功振荡为约束下的多变量优化求解问题，此时，不对称电压跌落下控制目标为：
[0081]
(2)电压跌落较大而不平衡度较小控制目标
[0082]
当以有功为目标无解时定义为电压跌落较大时，且电压不平衡水平低于设定的电压不平衡度指标，应充分提升相电压改善低压穿越能力，减少逆变器脱网风险。此时，正序电压对三相电压的提升效果最为明显，且电压不平衡度较小时，很少会面临较大相电压越限情况，因此无需降低负序电压,且仅注入正序电流可以使得输出三相电流平衡。在此场景下应以最大正序电压支撑max v
+
为目标。
[0083]
(3)较大电压跌落而电压不平衡度大控制目标
[0084]
电压跌落程度较大且不平衡度较大情况下，仅提升正序电压不能有效支撑相电
压，为了最大提升并网点电压水平，应以尽可能提升正序电压、降低负序电压，在最大相电压约束、最大相电流、功率振荡约束下实现最优电压支撑效果，提升电压不平衡度较大情况下的低压穿越能力，此时控制目标转化为最大化正负序电压差值：maxδv＝v
+-v-。
[0085]
s4：基于ipopt求解器求解多目标控制下的参考电流。
[0086]
应说明的是，针对不同电压跌落类型与电压跌落程度，首先以逆变器是否具有有功输出能力和电压不平衡度大小设定不同控制目标，然后在不同控制目标场景下确定电流、电流、功率振荡约束要求，通过多约束下求目标函数极值问题求解实现。采用仿真平台调用的ipopt优化算法，使用内点法对有约束问题进行求解，可以求解带约束的非线性多变量函数的最小值。通过求解多约束下目标函数极值，即可得到电流参考指令，具体流程如图6所示。采用ipopt求解器求解得到实现多控制目标的电流参考值，具体函数的定义为：
[0087]
x＝ipopt(x0,funcs,fun)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0088]
式中，x的返回值即为需求解的4个电流指令值的优化结果，x0为初始值，funcs是用m文件定义的非线性目标函数的梯度、约束、雅可比矩阵以及约束海森矩阵，fun是用m文件定义的非线性向量函数。
[0089]
s5：将电流参考值输出到电流内环控制中，经svpwm调制从而控制三相桥式逆变器进行输出。
[0090]
实施例2
[0091]
参照图7～15，为本发明第二个实施例，该实施例提供了一种不对称电压跌落下的分布式新能源多目标控制方法，为了验证本发明的有益效果，通过仿真实验进行科学论证。
[0092]
场景1：电压轻微跌落
[0093]
在0.1s时刻，电网侧发生轻微不对称电压跌落，正序电压跌落至0.75p.u.，负序电压为0.25p.u.。
[0094]
如图7～9所示的电压轻微跌落时新能源输出波形，可以看出，在电压跌落较小时，此多目标控制策略可以实现最大化电压支撑，即c相的电压幅值支撑到了1.1p.u.。pcc母线正序电压被抬升了0.1p.u.，由0.75p.u.抬升至0.85p.u.，抬升幅度较大，负序电压不变。同时逆变器受电流幅值的约束，输出电流被限制在1.2p.u.。
[0095]
场景2：电压跌落较大而不平衡度较小
[0096]
在0.1s时刻，电网侧发生较严重的不对称电压跌落，正序电压跌落至0.6p.u.，负序电压为0.25p.u.。
[0097]
如图10～12所示的电压跌落较大而不平衡度小时新能源输出波形，可以看出，在电压跌落较大而不平衡度较小时，在此控制方法下，b相电压支撑到了0.95。pcc母线正序电压由0.6p.u.抬升至0.69p.u.，抬升幅度较大，负序电压保持0.25不变。同时逆变器受电流幅值的约束，输出电流被限制在1.2p.u.。
[0098]
场景3：电压跌落较大且不平衡度较大
[0099]
在0.1s时刻，电网侧发生较严重的不对称电压跌落，正序电压跌落至0.56p.u.，负序电压为0.26p.u.。
[0100]
如图13～15所示的电压跌落较大而不平衡度较大时新能源输出波形，可以看出，在电压跌落较大且不平衡度较大时，在此控制方法下，相电压维持在0.85-1.1p.u.之间，满足电压支撑的要求。pcc母线正序电压由0.56p.u.抬升至0.94p.u.，抬升幅度较大，同时负
序电压由0.26降低到0.17，不平衡度由46.4％降低到了18.1％。同时逆变器受电流幅值的约束，输出电流被限制在1.2p.u.。
[0101]
综上所述，本发明采用的改进控制策略，有效地协调了多个控制目标，提升了逆变器在不平衡电压跌落下的运行稳定性，保证了逆变器的安全运行。
[0102]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。