永磁同步发电机组网侧变换器改进下垂控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微型电网系统领域，具体涉及一种微电网孤岛运行状态下永磁同步发 电机组网侧变换器改进下垂控制方法。
【背景技术】
[0002] 微电网是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，它利用现代电力电子 技术将风电、光伏、燃料电池和储能设备等并在一起，直接与用户侧相连，可以与外部电网 连接并网运行，也可以与外部电网断开孤岛运行。当微电网与外部电网断开运行于孤岛模 式时，要求微电网系统能为维持输出电压和频率的稳定。微电网孤岛模式运行时，当微电网 中的供电负荷增大时，线路的损耗增加，用户端电压下降，导致供电电压质量降低，为了保 证微电网供电电压的质量，需要采取一定的措施解决此问题。
[0003] 根据传统的发电机的控制思路，通常选择在系统中增加动态无功补偿装置，通过 动态无功补偿装置来调节微电网系统的无功电流，提升电网电压幅值同时抑制电网电压的 波动，达到提高供电电压的质量和增加系统的稳定性的目的，但是此种方案需要增加新的 装置，会给微电网系统带来额外的成本。
[0004] 通过分析可知，当微电网系统中用户端电压出现降低时，可以采用合理调整微电 网中发电单元的的负荷分配来提升用户端电压。根据微电网系统的组成结构可知，可以利 用微电网中的电力电子装置模拟传统发电机的频率和电压调节特性来实现，采用下垂控制 策略即可实现上述要求。
[0005] 因风能具有不确定的特点，风力发电机的发电功率由风能决定，微电网孤岛运行 时机侧变换器发出的功率和网侧变换器的输出功率有可能不相等，因此需要微电网中的储 能单元来协调控制完成系统的功率平衡，为了完成与储能单元的协调控制，在下垂控制基 础上，采用改进的平移下垂特性曲线的控制策略，调节风电变换器的下垂控制输出功率，提 高了微电网的稳定性。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是为了解决上述微电网中存在的电压降低和电压波动问题，提出 了一种永磁同步发电机组网侧改进下垂控制方法，根据功率不平衡变化情况，通过调整输 出频率值动态平移网侧变换器的下垂特性曲线，调节网侧变换器输出功率，补偿功率差额， 保证系统的功率平衡。该方法能够实现微电网孤岛模式运行时，系统功率平衡协调和用户 端供电电压质量保证。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] -种永磁同步发电机组网侧下垂控制方法，包括：
[0009] 当微电网以孤岛模式运行时，永磁同步发电机组网侧变换器采用下垂控制方式， 同时机侧变换器完成直流母线电压值和电机定子电压控制，网侧变换器通过采样获取直流 母线电压值、交流电网电压值和电网电流值；根据直流母线电压的变化范围调整下垂控制 策略，通过下垂控制输出电压参考值指令和输出频率指令，根据获取的电压参考值指令得 到dq坐标系下输出电压参考值，根据输出电压参考值与dq坐标系下的实际电压，计算得到 有功电流电流环的指令值和无功电流环指令值；
[0010] 将采集到的交流电网电流值根据坐标变换获得有功电流环和无功电流环的反馈 值，分别根据有功电流电流环和无功电流环的指令值和反馈值，计算输出电压指令，经过坐 标变换最终得到输出电压控制网侧变换器的工作。
[0011] 根据交流电网电压值和交流电网电流值获取永磁同步发电机组输出的有功功率P 和无功功率Q ;将所述有功功率P和无功功率Q经过低通滤波处理，获取功率的平均值；
[0012] 根据直流母线电压波动值获取频率调整值，根据频率调整值和下垂控制原理计算 得到输出电压参考值指令和输出频率指令。
[0013] 所述获取永磁同步发电机组输出的有功功率P和无功功率Q的方法为：
[0014] 将采样得到的交流电网电压值和电网电流值经过Clarke变换和park变换，得到 dq坐标系下的电压电流值，根据得到的电压电流值计算有功功率值和无功功率值。
[0015] 根据直流母线电压波动值获取频率调整值的具体方法为：
[0016] 假设A为直流母线电压允许波动值，B为直流母线电压极限设定值；
[0017] 当I ud"rf-ud。I < A时，系统功率平衡，频率调整值为0 ;
[0018] 当Iud^f-Uj >A时，采用P控制器，比例环节切入控制，将下垂特性曲线小幅度 平移，调节输出功率，保持功率平衡，频率调整值为P控制器输出值；
[0019] 当Iud^f-Uj >B时，采用PI控制器，比例积分环节同时发挥作用，此时频率调整 值为PI调节器输出值，此时根据频率调整值大幅平移下垂特性曲线，调节功率平衡，促使 直流电压恢复至参考值；
[0020] 式中Utorf为直流母线电压直流参考值，u d。为直流母线电压实际值；
[0021] 当直流电压逐渐接近参考值，偏差小于a时，a为设定的常数值；比例积分环节输 入变为〇,输出不变，下垂特性曲线平移至新的位置，循环工作。
[0022] 所述输出电压参考值指令和输出频率指令分别为：
[0024] 其中，为输出频率指令值，ω。为空载角频率，kp为有功功率下垂系数，P为变 流器输出有功功率，ω ud。为直流电压模块计算输出的频率调整值，IT为输出电压指令值，U。 为空载运行电压，h为无功功率下垂系数，Q为变流器输出无功功率。
[0025] 根据获取的电压参考值指令得到dq坐标系下输出电压参考值，将d轴的电压参考 值与实际d轴电压值相减，经过PI调节器后获取d轴电流环指令值；将q轴的电压参考值 与实际q轴电压值相减，经过PI调节器后获取q轴电流环指令值。
[0026] d轴的输出电压参考值为计算获取的输出电压指令值If ;q轴的输出电压参考值 为零。
[0027] 将采集到的交流电网电流值根据坐标变换获得的有功电流环和无功电流环的反 馈值，得到输出电压指令，具体方法为：
[0028] 将通过变换获取的有功电流值与有功电流的指令值相减，经过PI调节器后获取d 轴输出电压指令；
[0029] 将通过变换获取的无功电流值与无功电流的指令值相减，经过PI调节器后获取q 轴输出电压指令。
[0030] 将获取的输出电压指令进行计算，经过ipark变换后将得到的电压指令送入 SVPffM计算模块，得到控制网侧变换器工作的输出电压。
[0031] 本发明的有益效果是：
[0032] 本发明微电网系统不需要增加额外的硬件，易于实现且简单有效。微电网系统孤 岛运行状态下，通过对永磁同步发电机组的网侧控制方案调整，网侧变换器采用改进的下 垂控制策略，有效改善微电网孤岛运行状态时供电电压的质量。
[0033] 当微电网以孤岛模式运行时，永磁同步发电机组网侧变换器采用改进的下垂控 制，在完成永磁同步发电机组网侧控制的同时，控制系统的功率保持平衡，并能够提升供电 端交流电压，采用此方法可以有效的提升孤岛状态下用户端电压供电质量，提升了微电网 系统供电电压的质量和稳定性。
【附图说明】
[0034] 图1是本发明永磁同步发电机组网侧变换器采用改进下垂控制策略原理框图；
[0035] 图2是本发明永磁同步发电机组网侧变换器采用改进下垂控制策略方法流程图。
【具体实施方式】：
[0036] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
[0037] -种微电网孤岛运行状态下永磁同步发电机组网侧改进下垂控制方法，包括：
[0038] 微电网以孤岛模式运行时，永磁同步发电机组网侧变换器网侧变换器采用改进的 下垂控制方案，机侧变换器完成电机电压控制，网侧变换器通过直流母线电压值和下垂控 制方法获取网侧变换器有功电流电流环的指令值和无功电流环指令值；根据经坐标变换获 得的有功电流环和无功电流环的反馈值，得到输出电压参考指令，最终得到输出电压控制 网侧变换器的工作。
[0039] 改进的平移下垂特性曲线控制方案为：根据功率不平衡变化情况，通过调整输出 频率值动态平移网侧变换器的下垂特性曲线，调节网侧变换器输出功率，补偿功率差额，保 证系统的功率平衡。
[0040] 图1所示为永磁同步发电机组网侧变换器采用改进的下垂控制方案的控制原理 框图：
[0041] 当检测到微电网系统在孤岛模式运行时，永磁同步发电机组网侧变换器切换到下 垂控制方式：
[0042] 永磁同步机组网侧变换器通过检测到的输出电压Uabc和输出电流Iabc计算出网 侧变换器的有功功率和无功功率，计算所得的功率值经过低通滤波器后得到平均功率值； 根据直流母线电压波动值AUdc计算获取频率调整值；
[0043] 频率调整值ω ud。通过判断直流母线电压值获取：
[0044] 1)当Iutfcraf-UdtJ < A时，系统功率平衡，频率调整值为0 ;
[0045] 2)当|ud_f-Ud」>A时，采用P控制器，比例环节切入控制，将下垂特性曲线小幅 度平移，调节输出功率，保持功率平衡，频率调整值为P控制器输出值；
[0046] 3)当Iutorf-Uj > B时，采用PI控制器，比例积分环节同时发挥作用，此时频率 调整值为PI调节器输出值，此时根据频率调整值大幅平移下垂特性曲线，调节功率平衡， 促使直流电压恢复至参考值；当直流电压逐渐接近参考值，偏差小于a时，比例积分