一种基于扰动观测器的微电网并离网平滑切换控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于扰动观测器的微电网并离网平滑切换控制方法，包括下述步骤：步骤10）微电网能量管理层采集电网及联络线处运行信息，根据电网的运行状态和联络线允许开断阀值进行微电网操作模式决策，并下发操作指令到分布式电源本地控制器；步骤20）获取逆变器输出电压参考指令、频率参考指令，以及相角参考指令；步骤30）采集当前微电网的运行数据，建立电压电流双环模型；步骤40）将负载电流扰动估计值，通过前馈补偿于内环电流参考指令，形成改进型电压电流双环控制器。该控制方法在源荷功率出现扰动，尤其是并离网模式切换情况下，实现扰动主动抑制，平滑运行过程，有效提高控制稳定性及动态性能。
【专利说明】
一种基于扰动观测器的微电网并离网平滑切换控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于微电网运行控制领域，具体来说，涉及一种基于扰动观测器的微电网 并离网平滑切换控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着地球资源的日渐衰竭以及人们对环境问题的关注，可再生能源的接入越来越 受到世界各国的重视。微电网是一种在能量供应系统中增加可再生能源和分布式能源渗透 率的新兴能量传输模式，其组成部分包括不同种类的分布式能源（distributed energy resources，DER，包括微型燃气轮机、风力发电机、光伏、燃料电池、储能设备等）、各种电负 荷和/或热负荷的用户终端以及相关的监控、保护装置。
[0003] 微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必须的控制；微 电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全 等的要求。微电网与大电网之间通过公共连接点进行能量交换，双方互为备用，从而提供了 供电的可靠性。由于微电网是规模较小的分散系统，与负荷的距离较近，可以增加本地供电 的可靠性、降低网损，大大增加了能源利用效率，是一种符合未来智能电网发展要求的新型 供电模式。
[0004] 正常情况下，微电网与大电网连接，由大电网提供电压、频率支撑；当配网侧出现 故障时，公共连接点断开，微电网进入孤岛模式。因此，所涉及的控制策略需要在并网模式 下，离网模式下以及并离网切换模式下稳定、平滑运行。在与大电网相连的运行模式下，由 于大电网所具有的大惯性，电压、频率波动较小;切换至孤岛模式后，微电网的电压、频率需 由自身控制，由于此时微电网是独立的小系统，等效转动惯量很小，不论分布式电源输出功 率、负载消耗功率以及模型参数摄动等一系列扰动均将引起显著的瞬时波动，且各分布式 电源以小规模分散接入，随机性、分散性远较传统大电网的集中接入方式明显。因此，微电 网必须要有一套有效的控制系统，主动抑制微电网运行过程中各种扰动对系统动态性能的 影响，使影响控制在合理范围内，甚至消除扰动，提升微网稳定性、动态性能，提高电能质 量。
【发明内容】
[0005] 技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种基于扰动观测器的微电网并 离网平滑切换控制方法，基于扰动观测器实时估计出微电网运行过程中功率扰动，以负载 电流扰动形式通过前馈补偿于电流内环设定值指令中，实现各种扰动的主动抑制，平滑运 行过程的动态特性，尤其在并离网切换模式下实现无缝切换，从而提高微电网的稳定性和 控制性能。
[0006] 技术方案:为解决上述技术问题，本发明实施例采取一种基于扰动观测器的微电 网并离网平滑切换控制方法，该控制方法包括下述步骤：
[0007] 步骤10)微电网能量管理层采集电网及联络线处运行信息，根据电网的运行状态 和联络线允许开断阀值进行微电网操作模式决策，并下发操作指令到分布式电源本地控制 器；
[0008] 步骤20)获取逆变器输出电压参考指令、频率参考指令，以及相角参考指令：
[0009] 根据步骤10)微电网操作模式，通过本地控制器中下垂控制环设置逆变器输出电 压及频率参考指今，并下发至电压电流双环棹制器，如式（1)所示：
[0010]
式⑴
[0011] 式中，winv表示逆变器本地角频率参考指令，wn表示逆变器角频率额定值，单位:弧 度/秒;m表示分布式电源的频率下垂特性系数，单位:弧度/秒·兆瓦;P表示分布式电源实 际输出有功功率，Ρο表示在额定角频率下，分布式电源输出有功功率，单位:兆瓦;V;表示逆 变器本地输出电压参考指令，v n表示逆变器输出电压的额定值，单位:千伏;η表示分布式电 源的电压下垂特性系数，单位:千伏/兆乏;Q表示分布式电源实际输出无功功率，Q〇表示在 额定电压下，分布式电源输出无功功率，单位:兆乏；
[0012] 相角参考指令由微电网操作模式决定：当运行于联网模式时，微电网相角取自电 网侧相角；当联网模式切换至离网模式，则以离网时刻相角为初相角，为角频率进行相 角积分;若后续再需进入联网模式，则进行相角预同步使逆变侧相位跟随电网侧，当两侧相 角差小于阀值进行并网操作，恢复逆变器相角参考指令为电网侧相角值；
[0013] 步骤30)采集当前微电网的运行数据，建立电压电流双环模型，电压外环模型如式 (2)所示，电流内环模型如式(3)所示：
[0014]
[00?5] 在式中，iidref表示在dq参考坐标系下电流参考设定值的d轴分量，kup表示电压比 例积分控制器中比例项系数，kul表示电压比例积分控制器中积分项系数，Ι/s表示积分作 用;表不在dq参考坐标系下电压参考值的d轴分量，v〇d表不在dq参考坐标系下逆变器输 出电压的d轴分量，C f表示逆变器终端所连接的LC滤波器中电容器数值，VQq表示在dq参考坐 标系下逆变器输出电压的q轴分量，iiqref表不在dq参考坐标系下电流参考设定值的q轴分 量；V%表示在dq参考坐标系下电压参考值的q轴分量;dq参考坐标系是指将abc交流静止坐 标系经过派克变换得到的直流旋转坐标系；
[0016]
[0017]式中，Vid表示逆变器电流控制器输出的调制波电压在dq参考坐标系下d轴分量， kip表示电流比例控制器中比例项系数，ild表示在dq参考坐标系下逆变器输出电流值的d轴 分量，wo表示逆变器角频率额定值，L f表示逆变器终端所连接的LC滤波器中电感数值，ilq表 示在dq参考坐标系下逆变器输出电流值的q轴分量， Vcid表示在dq参考坐标系下逆变器输出 电压的d轴分量，Viq表不逆变器电流控制器输出的调制波电压在dq参考坐标系下q轴分量；
[0018] 根据式(3)和滤波器模型，建立扩展广义对象模型PG(s)，如式(4)所示：
[0019]
式（4)
[0020] 式中，kpwm表不逆变器电压增益，Rf表不滤波器中滤波电阻；
[0021]根据式(4)，扰动观测器实时估计微电网运行工况下等效功率扰动，如式(5)所示，
[00221
式(5)
[0023] 式中，^表示负载扰动电流估计值，io表示负载扰动电流实际值，Q(s)表示低通滤 波器，Tf表示低通滤波器中的滤波系数，/，.表示模型参数对应于标称参数的广义对象模 型；
[0024] 步骤40)将负载电流扰动估计值，通过前馈补偿于内环电流参考指令，形成改进型 电压电流双环控制器，如式(6)所示：
[0025]
式（6)
[0026] 式中，表示在dq参考坐标系下改进型电流参考设定值的d轴分量，4re/表示在dq 参考坐标系下改进型电流参考设定值的q轴分量，I表示负载扰动电流估计值ξ的d轴分量， .表示负载扰动电流估计值的q轴分量。
[0027] 作为优选例，所述的步骤10)中，根据电网的运行状态和联络线允许开断阀值进行 微电网操作模式决策，包括四种情况:第一种情形：电网正常运行下，微电网静态开关闭合， 处于联网状态;第二种情形：电网出现故障，微电网能量管理层检测联络线处功率是否在阀 值之内，若小于阀值，则直接下发离网操作指令，若联络线交换功率大于阀值，则采取减载 或者调整分布式电源出力，使联络线处交换功率满足在阀值范围内，再下发离网操作指令； 第三种情形：电网处于故障情况下，微电网静态开关断开，处于离网状态;第四种情形：电网 故障恢复后，下发微电网预同步指令，满足并网条件后，下发并网指令。
[0028] 作为优选例，所述的步骤30)中，扰动观测器实时估计微电网运行工况下等效功率 扰动，所述扰动包括引起逆变器输出电压偏差的扰动。
[0029] 作为优选例，所述扰动包括分布式电源功率输出扰动、负载消耗功率扰动以及模 型参数摄动。
[0030] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明实施例的控制方 法，基于扰动观测器实时估计出微电网运行过程中功率扰动，以负载电流扰动形式通过前 馈补偿于电流内环设定值指令中，实现各种扰动的主动抑制，平滑运行过程的动态特性，尤 其在并离网切换模式下实现无缝切换，从而提高微电网的稳定性和控制性能。本发明实施 例的控制方法提供了一种广义的并离网切换控制方法，对电压幅值和电压相位实现分别控 制，并避免了不同操作模式下不同控制器间的切换。此外，针对微电网运行过程中由于输出 功率、负荷消耗功率等产生的功率扰动，基于扰动观测器策略实时估计出各扰动对微电网 控制性能的影响，以负载电流扰动形式通过前馈补偿于电流内环设定值指令中，实现扰动 的主动抑制，甚至消除，提尚动态性能和电能质量。此控制方法，相比于现在的基于负载电 流前馈的控制方法，不需要依赖于高性能传感器和高带宽，符合微电网的分散性和即插即 用等特性。前馈和反馈结合的控制方法是一种基于二自由度的控制方法，在原电压电流控 制双环的基础上加入扰动前馈补偿环，可以对两种控制通道分别设计，相互补充，从而避免 微电网功率扰动，尤其是并离网切模式下的瞬间动态。同时，对模式参数摄动具有较强鲁棒 性，能够抑制模型参数摄动对微电网动态过程的不利影响，提高微电网的稳定性和控制性 能，提升电能质量。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明实施例的流程图；
[0032] 图2是本发明实施例中微电网参考相角控制框图；
[0033] 图3是本发明实施例中基于扰动观测器的改进型电压电流双环结构图；
[0034] 图4是本发明实施例中采用的微电网仿真系统图；
[0035] 图5 (a)是本发明实施例中微电网由并网模式切换至孤岛模式时各分布式电源输 出功率控制效果图；
[0036] 图5 (b)是本发明实施例中微电网由并网模式切换至孤岛模式时各分布式电源频 率控制效果图；
[0037] 图6(a)是本发明实施例中微电网由并网模式切换至孤岛模式时分布式电源输出 电压控制效果图；
[0038] 图6(b)是本发明实施例中微电网由并网模式切换至孤岛模式时分布式电源输出 电流控制效果图；
[0039] 图6(c)是本发明实施例中微电网由并网模式切换至孤岛模式时联络线上输出电 流线条图；
[0040] 图7是在微电网由并网模式切换至孤岛模式时，采用本发明实施例方法和采用传 统无补偿前馈方法的控制效果对比图；
[0041] 图8(a)是本发明实施例中微电网在孤岛模式中负荷突增情况下分布式电源输出 电压控制效果图；
[0042] 图8(b)是本发明实施例中微电网在孤岛模式中负荷突增情况下分布式电源输出 电流控制效果图；
[0043]图9(a)是本发明实施例中微电网在孤岛模式中负荷突减情况下分布式电源输出 电压控制效果图；
[0044]图9(b)是本发明实施例中微电网在孤岛模式中负荷突减情况下分布式电源输出 电流控制效果图。
【具体实施方式】
[0045]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例 对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发 明，并不用于限定发明。
[0046]如图1所示，本发明实施例的一种基于扰动观测器的微电网并离网平滑切换控制 方法，包括下述步骤：
[0047]步骤10)微电网能量管理层采集电网及联络线处运行信息，根据电网的运行状态 和联络线允许开断阀值进行微电网操作模式决策，并下发操作指令到分布式电源本地控制 器。
[0048] 在步骤10)中，根据电网的运行状态和联络线允许开断阀值进行微电网操作模式 决策，包括四种情况:第一种情形：电网正常运行下，微电网静态开关闭合，处于联网状态； 第二种情形：电网出现故障，微电网能量管理层检测联络线处功率是否在阀值之内，若小于 阀值，则直接下发离网操作指令，若联络线交换功率大于阀值，则采取减载或者调整分布式 电源出力，使联络线处交换功率满足在阀值范围内，再下发离网操作指令;第三种情形：电 网处于故障情况下，微电网静态开关断开，处于离网状态;第四种情形：电网故障恢复后，下 发微电网预同步指令，满足并网条件后，下发并网指令。此步骤中，微电网操作模式指令同 时下发至静态开关和分布式电源本地控制器，指导控制参考值设置。
[0049] 步骤20)获取逆变器输出电压参考指令、频率参考指令，以及相角参考指令：
[0050] 根据步骤10)微电网操作模式，通过本地控制器中下垂控制环设置逆变器输出电 压及频率参考指令，并下发至电压电流双环控制器，如式(1)所示：
[0051 ]
式（1)
[0052]式中，winv表示逆变器本地角频率参考指令，wn表示逆变器角频率额定值，单位:弧 度/秒;m表示分布式电源的频率下垂特性系数，单位:弧度/秒·兆瓦;P表示分布式电源实 际输出有功功率，Po表示在额定角频率下，分布式电源输出有功功率，单位:兆瓦； <表示逆 变器本地输出电压参考指令，vn表示逆变器输出电压的额定值，单位:千伏;η表示分布式电 源的电压下垂特性系数，单位:千伏/兆乏;Q表示分布式电源实际输出无功功率，Q〇表示在 额定电压下，分布式电源输出无功功率，单位:兆乏。
[0053]相角参考指令由微电网操作模式决定，有三种模式。当运行于联网模式时，微电网 相角取自电网侧相角，如式(7)所示：
[0054] 0inv = 0g 式（7)
[0055] 式中，θιην表示逆变器相角参考指令，单位:弧度；08表示电网侧相角参考值，根据 二阶广义锁相环决定，单位:弧度。
[0056] 当联网模式切换至离网模式，则以离网时刻相角为初相角，根据式（1)所得Winv为 角频率进行相角积分，产生相角参考指令，如式(8)所示：
[0057] 0inv = 0inv〇+/winvdt 式（8)
[0058] 式中，θιην〇表示切换瞬间逆变器参考初相角指令，单位:弧度。
[0059] 若后续再需进入联网模式，则进行相角预同步使逆变侧相位跟随电网侧，如式(9) 所示：
[0060]
式（9)
[0061] 式中，沒；_表示预同步投入瞬间逆变器参考初相角指令，单位:弧度;kpll表示预同 步比例积分控制器中比例项系数，km表示预同步比例积分控制器中积分项系数。
[0062] 当两侧相角差小于阀值，例如，满足式（10)，进行并网操作，恢复逆变器相角参考 指令为电网侧相角值，如式(2)所示。
[0063] 0inv-0g|^5° 式（10)
[0064] 步骤30)采集当前微电网的运行数据，建立电压电流双环模型，电压外环模型如式 (2)所示，电流内环模型如式(3)所示：
[0065]
式⑵
[0066] 在式中，iidref表示在dq参考坐标系下电流参考设定值的d轴分量，kup表示电压比 例积分控制器中比例项系数，k ul表示电压比例积分控制器中积分项系数，Ι/s表示积分作 用；表不在dq参考坐标系下电压参考值的d轴分量，v〇d表不在dq参考坐标系下逆变器输 出电压的d轴分量，C f表示逆变器终端所连接的LC滤波器中电容器数值，VQq表示在dq参考坐 标系下逆变器输出电压的q轴分量，iiqref表不在dq参考坐标系下电流参考设定值的q轴分 量;vly:表示在dq参考坐标系下电压参考值的q轴分量;dq参考坐标系是指将abc交流静止坐 标系经过派克变换得到的直流旋转坐标系；
[0067]
式⑶
[0068] 式中，Vid表示逆变器电流控制器输出的调制波电压在dq参考坐标系下d轴分量， kip表示电流比例控制器中比例项系数，ild表示在dq参考坐标系下逆变器输出电流值的d轴 分量，wo表示逆变器角频率额定值，L f表示逆变器终端所连接的LC滤波器中电感数值，ilq表 示在dq参考坐标系下逆变器输出电流值的q轴分量， Vcid表示在dq参考坐标系下逆变器输出 电压的d轴分量，Viq表不逆变器电流控制器输出的调制波电压在dq参考坐标系下q轴分量。 [0069]根据式(3)和滤波器模型，建立扩展广义对象模型PG(s)，如式(4)所示：
[0070]
式（4)
[0071] 式中，kP?表示逆变器电压增益，Rf表示滤波器中滤波电阻。
[0072] 根据式(4)，扰动观测器实时估计微电网运行工况下等效功率扰动，如式(5)所示。
[0073] 扰动包括引起逆变器输出电压偏差的扰动。扰动包括分布式电源功率输出扰动、 负载消耗功率扰动以及模型参数摄动。
[0074]
式（5)
[0075] 式中j表示负载扰动电流估计值，io表示负载扰动电流实际值，Q(s)表示低通滤 波器，Tf表示低通滤波器中的滤波系数，/5(，.表示模型参数对应于标称参数的广义对象模 型；
[0076] 步骤40)将负载电流扰动估计值，通过前馈补偿于内环电流参考指令，形成改进型 电压电流双环控制器，如式(6)所示：
[0077]
式（6)
[0078] 式中，4·?/表示在dq参考坐标系下改进型电流参考设定值的d轴分量，?6/表示在dq 参考坐标系下改进型电流参考设定值的q轴分量表示负载扰动电流估计值的d轴分 量，i表示负载扰动电流估计值ξ的q轴分量。
[0079] 以上步骤，形成了基于扰动观测器的改进型电压电流双环控制器，反馈通道与前 馈通道相互补充，满足二自由度设计准则，实现了微电网操作过程中功率扰动影响的主动 抑制，有效的改善了电能质量，提升了系统稳定性和动态性能。
[0080] 本发明实施例中的微电网本地控制器下垂环控制框图如2所示，该控制框图主要 包括三部分，一部分是电网相位提取环节，一部分是相位预同步环节，最后一部分是相角转 换环节。电网相位提取环苄基于二阶广义积分提取电网侧dq变换参考相位，为微电网并网 运行或者预同步操作过程提供相角参考；当由并网模式转入离网模式时，保存转换瞬间相 角初值，并以下垂环角频率为积分基数进行积分，作为微网侧dq变换参考相位;当电网故障 修复，则预同步指令触发预同步模块，调整逆变器侧角频率使逆变器侧相角同步跟随电网 侧相角，直到两者差值小于阀值，则下发并网指令同时提取电网侧相角作为参考相角，因此 有效实现了不同操作模式下参考相角的无缝切换。
[0081] 本发明实施例中的微电网改进型电压电流双环控制器控制框图如3所示，该控制 框图是在原有的电压电流双环基础上增加基于扰动观测器的前馈补偿环节构成。由扰动观 测器实时估计微电网运行中输出功率、负载功率等功率波动，尤其是在并离网模式切换情 况下，以负载扰动电流形式体现。通过前馈通道补偿于电流内环电流指令设定值中，实现不 依赖于高性能传感器和高通带宽的扰动主动抑制，有效改善电能质量。本实施例中的负载 电流扰动值是种广义的扰动形式，包括分布式电源输出扰动，负载消耗扰动以及模型参数 摄动等一系列引起逆变器输出电压偏差的扰动源。
[0082]下面例举一个实施例。
[0083] 仿真系统如图4所示，由微电网1(MG1)和微电网2(MG2)两个仿真微电网组成。两个 微电网通过开关1、开关2和开关3的不同组合连接或者断开与电网相连的海底电缆实现各 种不同的操作模式。各微电网由双馈风力发电机组(简称DFIG)、光伏系统(简称PV)、超导储 能（简称SC)、电池（简称BES)及负荷支线(Load)组成。正常情况下，各微电网电池处于浮充 状态，即既不充电也不放电，保持电池荷电状态(简称S0C)大于90%。当微电网切换至离网 模式下，电池通过下垂控制分配负载功率，为微电网运行提供频率、电压支撑;光伏发电以 最大功率跟踪(简称MPPT)形式运行。各母线电压等级以及设备容量在图4中标识，基于电力 系统计算机辅助设计/含直流电磁暂态仿真(英文简称:PSCAD/EMTDC)平台搭建仿真微电网 模型。分别对微电网并离网模式切换及孤岛微电网发生功率缺失或剩余等情况进行了仿 真，比较各种情况下本发明实施例的微电网控制方法与传统的微电网控制方法的差异。传 统的并离网控制方法，是在切换瞬间使当前的控制器控制量跟随先前的控制器控制量，避 免不同控制器切换所产生的控制量不一致，只包含基本的电压电流双环反馈通道，不含负 载电流扰动前馈通道。不失一般性，仿真结果主要以MG1的动态过程为说明对象。
[0084] 仿真结果如图4和图5所示。在图4和图5中，横坐标表示时间，单位:秒，纵坐标表示 频率，单位:赫兹。
[0085] 图5、图6和图7为微电网1由并网模式切换至离网模式的仿真结果。开始运行时，电 池1 一电池3处于浮充状态，风速13m/s，光照密度为1000W/m2,光照温度为25°C，光伏以最大 功率跟踪方式运行;0.5秒时电网侧出现故障，第一微网由并网模式切换至离网模式，电池 1 一电池3承担负载功率，为微网提供频率与电压支撑，设置它们的下垂系数比值为mBES1: mBES2:mBES3 = 2:1: 1。仿真结果如图5所不，图5(a)为模式切换过程中各分布式电源及电网输 出功率曲线图，横坐标表示时间，单位:秒，纵坐标表示有功功率，单位:兆瓦。如图5(a)所 示，并网模式下由风机、光伏及电网共同承担微网内负荷，电池不承担功率;在0.5秒离网 后，电网侧断开，原先由电网承担的功率由电池1~电池3按照1 /mBESl: 1 /II1BES2 : 1 /II1BES3 = 1 : 2 : 2的比例承担。图5(b)为模式切换过程中各分布式电源频率变换过程，横坐标表示时间，单 位:秒，纵坐标表示频率，单位:赫兹。由图5(b)可知，电池1~电池3频率在0.2s内共同达到 49.8Hz，在允许频率波动范围内。
[0086] 以下说明中，以电池1的动态仿真过程为例，电池2和电池3动态过程与电池1类似。 仿真结果如图6所示，图6(a)为电池1输出电压曲线，横坐标表示时间，单位:秒，纵坐标表示 瞬时电压，单位:千伏；图6 (b)为电池1输出电流曲线，横坐标表不时间，单位:秒，纵坐标表 示瞬时电流，单位:千安；图6(c)为电网侧输出电流曲线，横坐标表示时间，单位:秒，纵坐标 表示瞬时电流，单位:千安。由图6曲线可知，利用本发明实施例的方法，在微电网运行过程 中未引起任何畸变，可以有效缓解并离网模式切换对分布式电源本地电压、本地电流的冲 击及波动，提高动态性能和电能质量。为了更明晰的体现本发明方法的优势，将本发明方法 与传统的并离网模式切换方法进行对比。仿真结果如图7所示，横坐标表示时间，单位:秒， 纵坐标表示电压有效值，单位:千伏。由图7曲线可知，本发明方法相较传统的方法可以主动 有效的抑制切换方式所引起的功率扰动，平滑切换过程。
[0087] 图8为微电网1在离网模式下功率短缺时的电池输出仿真结果，在2秒时光照密度 由1000W/V下降600W/m2,引起电池增发功率弥补微网内负荷功率不足。图8(a)为电池输出 电压曲线，横坐标表示时间，单位:秒，纵坐标表示瞬时电压，单位:千伏。图8(b)为电池输出 电流曲线，横坐标表示时间，单位:秒，纵坐标表示瞬时电流，单位:千安。由图8中运行线可 知，采用本发明实施例的控制方法，本地电压并未引起明显波动，同时电池电流平滑的增 加，以应对光伏出力的减少。这是由于本发明实施例方法中所采用的基于扰动观测器的改 进型电压电流控制器，可以有效的实时估计系统中功率扰动并进行前馈补偿，弥补了功率 缺额对电能质量的影响，提尚系统稳定性及瞬态性能。
[0088] 图9为微电网1在离网模式下功率富余时的电池输出仿真结果，在3秒时光照密度 由600W/V恢复到1000W/m2,引起微网内负荷功率富余。其中，图9(a)为电池输出电压曲线， 横坐标表示时间，单位:秒，纵坐标表示瞬时电压，单位:千伏;图9(b)为电池输出电流曲线， 横坐标表示时间，单位:秒，纵坐标表示瞬时电流，单位:千安。由图9中运行线可知，采用本 发明实施例的控制方法，本地电压并未引起明显波动，同时电池输出电流平滑的减少以应 对光伏出力的增加，整个运行过程未引起任何波动。这是由于扰动估计值通过前馈通道及 时予以补偿的原因。
[0089] 本发明实施例的控制方法，在微电网并离网模式切换及孤岛微电网故障时，均能 实现微电网中各种储能、分布式电源及负荷的协同控制，有效提高微电网的调频控制能力。
[0090] 本发明实施例的基于扰动观测器的微电网并离网平滑切换控制方法是一种广义 的并离网切换控制策略，避免了不同操作模式下不同控制器间的切换。针对微电网运行过 程中由于输出功率、负荷消耗功率等产生的功率扰动尤其在并离网模式切换情况下，本发 明基于扰动观测器实时估计出各扰动对微网控制性能的影响，以负载电流扰动形式通过前 馈补偿于电流内环设定值指令中，实现扰动的主动抑制，甚至消除，实现了并离网无缝切 换，平滑了动态过程，有效提高微电网的动态性能和电能质量。
[0091] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该 了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进 一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和 改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要 求书及其等效物界定。
【主权项】
1. 一种基于扰动观测器的微电网并离网平滑切换控制方法，其特征在于，该控制方法 包括下述步骤： 步骤10)微电网能量管理层采集电网及联络线处运行信息，根据电网的运行状态和联 络线允许开断阀值进行微电网操作模式决策，并下发操作指令到分布式电源本地控制器； 步骤20)获取逆变器输出电压参考指令、频率参考指令，以及相角参考指令： 根据步骤10)微电网操作模式，通过本地控制器中下垂控制环设置逆变器输出电压及 频率参考指令，并下发至电压电流双环控制器，如式(1)所示：式中，Wlnv表示逆变器本地角频率参考指令，Wn表示逆变器角频率额定值，单位:弧度/ 秒;m表示分布式电源的频率下垂特性系数，单位:弧度/秒·兆瓦;P表示分布式电源实际输 出有功功率，Po表示在额定角频率下，分布式电源输出有功功率，单位:兆瓦； <表示逆变器 本地输出电压参考指令，Vn表示逆变器输出电压的额定值，单位:千伏;η表示分布式电源的 电压下垂特性系数，单位:千伏/兆乏;Q表示分布式电源实际输出无功功率，Qo表示在额定 电压下，分布式电源输出无功功率，单位:兆乏； 相角参考指令由微电网操作模式决定：当运行于联网模式时，微电网相角取自电网侧 相角；当联网模式切换至离网模式，则以离网时刻相角为初相角，Winv为角频率进行相角积 分;若后续再需进入联网模式，则进行相角预同步使逆变侧相位跟随电网侧，当两侧相角差 小于阀值进行并网操作，恢复逆变器相角参考指令为电网侧相角值； 步骤30)采集当前微电网的运行数据，建立电压电流双环模型，电压外环模型如式（2) 所示，电流内环模型如式(3)所示：在式中，iidrrf表示在dq参考坐标系下电流参考设定值的d轴分量，kup表示电压比例积分 控制器中比例项系数，kul表示电压比例积分控制器中积分项系数，Ι/s表示积分作用;表 示在dq参考坐标系下电压参考值的d轴分量，V tld表示在dq参考坐标系下逆变器输出电压的d 轴分量，Cf表示逆变器终端所连接的LC滤波器中电容器数值，Vtiq表示在dq参考坐标系下逆 变器输出电压的q轴分量，iiqref表不在dq参考坐标系下电流参考设定值的q轴分量;1^表不 在dq参考坐标系下电压参考值的q轴分量;dq参考坐标系是指将abc交流静止坐标系经过派 克变换得到的直流旋转坐标系；式中，Vid表示逆变器电流控制器输出的调制波电压在dq参考坐标系下d轴分量，kip表示 电流比例控制器中比例项系数，ild表示在dq参考坐标系下逆变器输出电流值的d轴分量，W0 表示逆变器角频率额定值，Lf表示逆变器终端所连接的LC滤波器中电感数值，ilq表示在dq 参考坐标系下逆变器输出电流值的q轴分量，Vod表示在dq参考坐标系下逆变器输出电压的d 轴分量，Viq表不逆变器电流控制器输出的调制波电压在dq参考坐标系下q轴分量； 根据式(3)和滤波器模型，建立扩展广义对象模型Pg(S)，如式(4)所示：式中，kP?表示逆变器电压增益，Rf表示滤波器中滤波电阻； 根据式(4)，扰动观测器实时估计微电网运行工况下等效功率扰动，如式(5)所示，式中，I表示负载扰动电流估计值，io表示负载扰动电流实际值，Q(S)表示低通滤波器， Tf表示低通滤波器中的滤波系数，表示模型参数对应于标称参数的广义对象模型； 步骤40)将负载电流扰动估计值，通过前馈补偿于内环电流参考指令，形成改进型电压 电流双环控制器，如式(6)所示：式中，表示在dq参考坐标系下改进型电流参考设定值的d轴分量，表示在dq参考 坐标系下改进型电流参考设定值的q轴分量，If表示负载扰动电流估计值ξ的d轴分量，^表 示负载扰动电流估计值?；的q轴分量。2. 按照权利要求1所述的基于扰动观测器的微电网并离网平滑切换控制方法，其特征 在于，所述的步骤10)中，根据电网的运行状态和联络线允许开断阀值进行微电网操作模式 决策，包括四种情况:第一种情形：电网正常运行下，微电网静态开关闭合，处于联网状态； 第二种情形：电网出现故障，微电网能量管理层检测联络线处功率是否在阀值之内，若小于 阀值，则直接下发离网操作指令，若联络线交换功率大于阀值，则采取减载或者调整分布式 电源出力，使联络线处交换功率满足在阀值范围内，再下发离网操作指令;第三种情形：电 网处于故障情况下，微电网静态开关断开，处于离网状态;第四种情形：电网故障恢复后，下 发微电网预同步指令，满足并网条件后，下发并网指令。3. 按照权利要求1或2所述的基于扰动观测器的微电网并离网平滑切换控制方法，其特 征在于，所述的步骤30)中，扰动观测器实时估计微电网运行工况下等效功率扰动，所述扰 动包括引起逆变器输出电压偏差的扰动。4. 按照权利要求3所述的基于扰动观测器的微电网并离网平滑切换控制方法，其特征 在于，所述扰动包括分布式电源功率输出扰动、负载消耗功率扰动以及模型参数摄动。
【文档编号】H02J3/38GK105932717SQ201610513952
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】顾伟, 楼冠男, 袁晓冬, 陈明, 柳伟, 曹戈
【申请人】东南大学, 国网江苏省电力公司电力科学研究院