新型微電網(wǎng)系統(tǒng)及其功率均衡控制策略和小信號建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)中的微電網(wǎng)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微電網(wǎng)無功及諧波功率 均衡的新型分層控制策略與小信號建模方法，具體涉及一種基于相位補(bǔ)償下垂控制、選擇 性虛擬阻抗及二次控制的新型微電網(wǎng)系統(tǒng)及其功率均衡控制策略和小信號建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，基于可再生能源的分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG)技術(shù)已經(jīng) 被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代電力系統(tǒng)中。以逆變器為接口的DG單元通常安裝在配電系統(tǒng)中，因此逆 變器的有效控制策略對多個分布式DG單元并聯(lián)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。在 配電網(wǎng)絡(luò)中，若干個DG單元聚集在一起形成微電網(wǎng)為關(guān)鍵負(fù)載供電。與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)相 比，微電網(wǎng)可分別運行于主電網(wǎng)故障時的自主孤島模式以及正常并網(wǎng)模式。
[0003] 在孤島運行模式下，微電網(wǎng)內(nèi)的電力電子裝置、線路阻抗不匹配、非線性及不對稱 負(fù)載等會影響系統(tǒng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性，造成微電網(wǎng)的無功及諧波功率不均等問題。因此， 如何使負(fù)荷在各DG單元間合理分配并改善系統(tǒng)供電質(zhì)量，是微電網(wǎng)控制中非常關(guān)鍵的部 分。目前常用的無通信線頻率和電壓幅值下垂控制策略能夠有效的實現(xiàn)功率均分。然而， 傳統(tǒng)下垂控制僅能使有功功率得到均分，由于線路阻抗中阻抗值的差異，其難以做到合理 地?zé)o功和諧波功率均分。此外，當(dāng)分布式DG的線路阻抗主要呈現(xiàn)阻性時，傳統(tǒng)的下垂控制 存在穩(wěn)定性問題。為了解決微電網(wǎng)功率均分問題，不同的改進(jìn)下垂控制策略相繼被提出。 其中，Josep M. Guerrero 在 IEEE Transactions on Industrial Electronics 上發(fā)表的題 為《Output impedance design of parallel-connected UPS inverters with wireless load sharing control》的文章在DG單元中采用主要呈現(xiàn)感性的虛擬阻抗方法可以降低 微電網(wǎng)系統(tǒng)的無功功率偏差。但是低壓孤島型微電網(wǎng)中存在更高的饋線阻抗，這將導(dǎo)致虛 擬阻抗的值非常大，從而對系統(tǒng)功率均分的動態(tài)性能產(chǎn)生影響。除了虛擬阻抗方法以外， K. D. Brabandere 在 IEEE Transactions on Power Electronics 上發(fā)表的題為《A voltage and frequency droop control method for parallel inverters〉〉的文章提出米用有功 功率和無功功率解耦的方法可以精確控制系統(tǒng)的輸出功率，但是這種方法需要精確的獲得 線路中阻感比值，難以應(yīng)用于工程實踐。此外，Jinwei He在IEEE Transactions on Power Electronics 上發(fā)表的題為〈〈An enhanced microgrid load demand sharing strategy〉〉的 文章提出將無功功率偏差作用于有功功率/頻率（P_f)下垂控制來產(chǎn)生有功擾動，再通過 低帶寬通信線發(fā)出同步信號將有功擾動作用于無功功率/電壓幅值（Q-E)下垂控制，以此 來消除無功功率偏差。但該控制策略會產(chǎn)生頻率波動并影響微電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性， 且同步信號作用的時間難以確定。授權(quán)公告號為CN103296700B的中國專利提出向微電網(wǎng) 注入適當(dāng)比例的諧波和無功電流，來實現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)諧波和無功電流的無互聯(lián)線并聯(lián)均分補(bǔ) 償控制。但該方法使輸出電壓產(chǎn)生畸變，在輸出阻抗呈感性的線路中會增大諧波，且會影響 輸出功率的測量精度。
[0004] 以上這些控制方法僅在特定條件下對無功功率均分有作用，但計算過程較為復(fù) 雜，難以應(yīng)用于工程實踐，且容易影響微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，未考慮在非線性負(fù)載下 的各次諧波的正序和負(fù)序分量的分解，因此，這些控制策略均難以應(yīng)用于多變流器微電網(wǎng) 各DG饋線阻抗不一致和微電網(wǎng)帶不平衡和非線性負(fù)載的場合，有必要研究一種更加精確 的可用來實現(xiàn)多變流器微電網(wǎng)各臺DG無功及諧波功率均衡的新型分層控制方法，將會廣 泛應(yīng)用于DG線路阻抗不一致、微電網(wǎng)帶非線性負(fù)載及復(fù)雜工況的應(yīng)用場合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于相位補(bǔ)償下垂控制、選擇 性虛擬阻抗及二次控制，能夠有效地實現(xiàn)微電網(wǎng)在非線性負(fù)載下的無功及諧波功率均分的 新型微電網(wǎng)系統(tǒng)及其功率均衡控制策略和小信號建模方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：新型微電網(wǎng)系統(tǒng)，包括兩路并聯(lián)接 入交流母線的DG單元、三相平衡阻性負(fù)載和非線性負(fù)載，第一 DG單元包括依次連接的第一 分布式電源、第一逆變器、第一 LCL型濾波電路、第一線路阻抗和第一靜態(tài)開關(guān)，以及第一 逆變器一次策略控制模塊；第二DG單元包括依次連接的第二分布式電源、第二逆變器、第 二LCL型濾波電路、第二線路阻抗，以及第二逆變器一次策略控制模塊，第一逆變器一次策 略控制模塊和第二逆變器一次策略控制模塊分別與二次策略控制模塊相連；第一 DG單元 通過第一靜態(tài)開關(guān)接入交流母線，第二DG單元通過第二線路阻抗接入交流母線，三相平衡 阻性負(fù)載和非線性負(fù)載分別通過第二靜態(tài)開關(guān)和第三靜態(tài)開關(guān)接入交流母線。
[0007] 進(jìn)一步地，所述的第一逆變器一次策略控制模塊和第二逆變器一次策略控制模塊 均包括功率計算模塊、基于相位補(bǔ)償?shù)南麓箍刂颇K、參考電壓信號生成器、PR電流控制 器、PR電壓控制器、SPffM模塊和基波正序、負(fù)序電流及諧波電流分離與選擇性虛擬阻抗模 塊；二次策略控制模塊的輸出分別與基于相位補(bǔ)償?shù)南麓箍刂颇K相連，基于相位補(bǔ)償?shù)?下垂控制模塊的輸入端海域功率計算模塊相連，基于相位補(bǔ)償?shù)南麓箍刂颇K的輸出連接 參考電壓信號生成器，參考電壓生成器和基波正序、負(fù)序電流及諧波電流分離與選擇性虛 擬阻抗模塊的輸出一次通過PR電壓控制器和PR電流控制器后連接SPffM模塊，SPffM模塊 的輸出與三相逆變器H橋IGBT相連。
[0008] 本發(fā)明的新型微電網(wǎng)系統(tǒng)功率均衡控制策略，包括以下步驟：
[0009] S1、實時檢測微電網(wǎng)系統(tǒng)DG單元中的三相逆變器側(cè)電流iub。、三相輸出電壓V cabc 和三相輸出電流iMb。，并通過Clark變換將檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為a 0坐標(biāo)軸下的逆變器側(cè)電流 im P、輸出電壓vCa P和輸出電流i。。P ;
[0010]S2、利用步驟Sl得到的逆變器輸出電壓vCa Ji和輸出電流i。。Ji，計算有功功率P和 無功功率Q，然后采用基于相位補(bǔ)償?shù)南麓箍刂铺岣呶㈦娋W(wǎng)系統(tǒng)阻尼，采用二次控制方法補(bǔ) 償下垂控制所帶來的電壓幅值和頻率偏差，最后得到各并聯(lián)DG單元功率控制環(huán)的參考電 壓％;
[0011] S3、利用Sl中通過Clark變換后的逆變器輸出電流Iciafi，通過基于滑動平均濾波 器（Moving Average Filter，MF)的序分量分解方法提取出逆變器輸出電流Iciafi的基波 正序*W、基波負(fù)序及諧波分量Pi ciaPviciaP, n、i。。p,13，結(jié)合基于基波正序、負(fù)序 電流及諧波電流分離與選擇性虛擬阻抗模塊的選擇性虛擬阻抗，輸出選擇性虛擬阻抗壓降 v va e，實現(xiàn)微電網(wǎng)無功及諧波功率均衡；
[0012] S4、將S2獲得的功率控制環(huán)的參考電壓信號^4與S3構(gòu)造出的選擇性虛擬阻抗壓 降V va e相加減，合成的逆變器輸出電壓參考信號通過采用多諧振比例諧振（Proportional Resonant，PR)控制器的電壓電流雙閉環(huán)控制環(huán)路及正弦脈沖寬度調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPffM)技術(shù)得到三相逆變器H橋IGBT所需的觸發(fā)脈沖信號，保證整個 微電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運行。
[0013] 進(jìn)一步地，所述的步驟Sl中將三相逆變器側(cè)電流iub。、三相輸出電壓v Cab。和三相 輸出電流iMb。，通過Clark變換轉(zhuǎn)換為a0坐標(biāo)軸下的逆變器側(cè)電流La J5、輸出電壓Vca J5 和輸出電流i。。e其變換公式為：
[0016] 其中，Xab。表示逆變器三相瞬時輸出電壓v Cab。、輸出電流iMb。和逆變器側(cè)電流iubc， xa p表示逆變器a 0軸瞬時輸出電壓￥& J5、輸出電流i。。逆變器側(cè)電流^afi。
[0017] 進(jìn)一步地，所述的步驟S2具體包括以下子步驟：
[0018]S21、利用Clark變換得到的逆變器輸出電壓veaJi和輸出電流i。。Ji通過功率計算 模塊得到瞬時有功功率P及瞬時無功功率q，經(jīng)低通濾波器（Low Pass Filter，LPF)處理 后輸出濾波后的平均有功功率P和無功功率Q，其計算公式如下所示：
[0020] 其中，為LPF的截止頻率，且LPF的帶寬遠(yuǎn)小于電壓電流雙閉環(huán)控制器的帶寬；
[0021] S22、將相位補(bǔ)償下垂控制和二次控制相結(jié)合，得到相位補(bǔ)償下垂控制與二次控制 之間的關(guān)系式為：
[0024]其中，s表示拉普拉斯算子，GtPF(s)表示截止頻率為5Hz的低通濾波器傳遞函數(shù)，Glpf(S) = Oc/(s+〇c) !Gfsec(S)表示頻率補(bǔ)償 PI 控制器，Gfsec(S) = kpf+kif/s，kpf、kif分另Ij 表示二次頻率恢復(fù)控制器中比例積分（PI)控制器的比例及積分系數(shù)；G pa(s)表示鎖相環(huán) 的傳遞函數(shù)，Gpix(S) = 1/( T S+1)，T表示一階鎖相環(huán)（Phase-locked Loop，PLL)的時間 常數(shù)；Gd(s)表示二次控制中的通信延時，Gd(s) = lAs+1.5cos) ;1^表示新增相位補(bǔ)償?shù)谋?例增益Us)表示二次控制中電壓幅值補(bǔ)償PI控制器，Gf3sf3tl (s) = kM+kb/s，!^，!^表示 二次控制電壓幅值恢復(fù)控制中PI控制器的比例及積分系數(shù)；《 為相位補(bǔ)償和二次控制結(jié) 合的輸出角頻率，EMe為功率控制環(huán)輸出電壓幅值；4和^表示微電網(wǎng)二次控制中的頻率 和電壓幅值參考值；k p和kq表示頻率和電壓幅值的下垂系數(shù)；