專利名稱：基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)虛擬阻抗的孤島微電網(wǎng)控制及優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)虛擬阻抗的孤島微電網(wǎng)控制及優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
在能源需求與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，既可提高傳統(tǒng)能源利用率又能充分利用各種可再生能源的分布式供能技術(shù)獲得了越來越多的重視與應(yīng)用。微電網(wǎng)由分布式電源(Distributed Generators, DGs)、儲能裝置、能量變換裝置、相關(guān)負(fù)載和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成，能夠充分發(fā)揮DG為電力系統(tǒng)和用戶所帶來的技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境效益，進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)運行的靈活性、高效性和清潔性，更好地滿足電力用戶對電能質(zhì)量、供電可靠性的要求，是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分。在微電網(wǎng)孤島工作模式下，多種類型的能源利用逆變器或者交交變流器并聯(lián)到微電網(wǎng)的交流母線上。在維持電壓幅值和頻率穩(wěn)定的同時實現(xiàn)功率的快速準(zhǔn)確分配，是微電網(wǎng)孤島運行控制中需要解決的關(guān)鍵問題。根據(jù)即插即用與“對等”的控制思想和設(shè)計理念提出的電壓幅值和頻率下垂控制，使DG只需要檢測接入點的信息，通過調(diào)整自身輸出電壓的頻率和幅值來控制輸出的有功和無功功率，無需通訊環(huán)節(jié)，因此具有更高的可靠性和靈活性，《電力系統(tǒng)自動化》，2008，32 (7) 98-103中的《微網(wǎng)綜合控制與分析》和《電工技術(shù)學(xué)報》，2009，24 (2) : 100-107中的《微網(wǎng)中分布式電源逆變器的多換反饋控制策略》都是基于此下垂控制方法設(shè)計的孤島微電網(wǎng)的整體控制策略。但是，下垂控制方法需要線路阻抗呈感性，且其本質(zhì)是以犧牲電壓質(zhì)量來換取功率的合理分配。在實際微電網(wǎng)中線路阻抗一般呈復(fù)阻抗特性，逆變器的輸出阻抗特性也依賴于所采取的控制策略和系統(tǒng)參數(shù)，因此下垂控制方法并不適用。而且DG和負(fù)載的分布導(dǎo)致線路阻抗不平衡，嚴(yán)重影響了功率分配的準(zhǔn)確性。因此，針對實際應(yīng)用中孤島運行模式下的微電網(wǎng)，采用下垂控制不但無法有效實現(xiàn)功率解耦和均分，同時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能也會受到影響。國內(nèi)外圍繞孤島運行微電網(wǎng)的控制策略問題，提出了眾多基于下垂控制的改進(jìn)方法。申請?zhí)枮?01110047934. 7的中國專利“基于虛擬阻抗的逆變器并聯(lián)運行方法”，針對每臺逆變器，引入一虛擬發(fā)電機，通過虛擬電抗Xv= Lv連接到逆變器的接入點，使虛擬發(fā)電機和母線間的阻抗呈感性，從而采用下垂控制方法實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。但是虛擬電抗Xv= Lv的設(shè)計方法需對電流進(jìn)行微分，放大了高頻噪聲，加上低通濾波器后又產(chǎn)生了相移和延遲。申請?zhí)枮?01110047934. 7的中國專利“一種利用虛擬阻抗提高微型電網(wǎng)內(nèi)多個逆變器無線并聯(lián)穩(wěn)定性的方法”，通過不斷調(diào)整虛擬電感值或者虛擬電阻值確保下垂系數(shù)能夠使多個逆變器并聯(lián)穩(wěn)定運行。但是該專利沒有給出，虛擬阻抗(Zv = Rv+j (OLv)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的閉環(huán)實現(xiàn)方法，同時沒有給出，也不能直接從系統(tǒng)推得包含虛擬阻抗閉環(huán)的孤島微電網(wǎng)整體控制策略。虛擬阻抗值不但涉及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時影響系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能、功率控制和分配性能等，需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。包括坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗值在內(nèi)的孤島微電網(wǎng)控制策略中的關(guān)鍵參數(shù)，如坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗值、功率分配的下垂系數(shù)、電壓電流反饋控制器的PI參數(shù)和前饋控制系數(shù)等，不但影響微電網(wǎng)的電能質(zhì)量、功率控制和分配性能，還影響微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，均需要基于更先進(jìn)更完善的理論，在整個微電網(wǎng)的框架內(nèi)，綜合考慮系統(tǒng)各種性能，進(jìn)行理論分析和優(yōu)化設(shè)計指導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對實際微電網(wǎng)中的復(fù)雜阻抗特性，提出一種基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)虛擬阻抗的孤島微電網(wǎng)控制及優(yōu)化方法；采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)正交變換設(shè)計旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗閉環(huán)，改善微電網(wǎng)的阻抗特性，補償功率分配的誤差，提高功率解耦性能；基于小信號動態(tài)分析方法，指導(dǎo)包括坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗值在內(nèi)的孤島微電網(wǎng)控制策略中關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化選擇與匹配。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是一種基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)虛擬阻抗的孤島微電網(wǎng)控制及優(yōu)化方法，該方法采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)正交變換實現(xiàn)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗閉環(huán)，改善微電網(wǎng)的阻抗特性，補償功率分配的誤差，提高功率解耦性能，其中，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗閉環(huán)的實現(xiàn)步驟如下I)將逆變器輸出電流i。和虛擬阻抗Zv = Rv+j Lv分別在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下正交分解，其中Rv為虛擬電阻，j Lv為虛擬電抗，ω為微電網(wǎng)中交流母線電壓的旋轉(zhuǎn)角頻率；2)在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下計算虛擬電壓vv，數(shù)學(xué)表達(dá)式為
rwi olVyd~ω^ν ,+od=
_Vvq _ COLyRv _ Ioq _式中，Vvd和Vvq分別為虛擬電壓Vv在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和q軸分量、分別為逆變器輸出電流i。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和q軸分量；3)采用電壓矢量定向方法，將虛擬電壓補償功率下垂控制的輸出，即電壓控制閉環(huán)的參考輸出信號，其在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和q軸分量分別為ν^Ρ<。補償后的功率
下垂控制的數(shù)學(xué)表達(dá)式為ω = con-mP
\Vn~nQ\「& - ZfIpod* = n - T u
_V J L 0 」L 略 rV W1OC1 _其中，ω為微電網(wǎng)中交流母線電壓的旋轉(zhuǎn)角頻率，ωη，Vn分別為逆變器的額定電壓和額定角頻率；p，Q分別為有功功率和無功功率;m，η分別為有功和無功下垂系數(shù)。然后，建立包含分布式能源、功率變換器、負(fù)載和電力網(wǎng)絡(luò)的微電網(wǎng)完整的小信號動態(tài)模型，基于小信號動態(tài)分析方法指導(dǎo)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗的最優(yōu)值選取，即虛擬電阻Rv的最優(yōu)值和虛擬電抗j Lv的最優(yōu)值選取。同時，采用小信號建模分析方法還為孤島微電網(wǎng)控制參數(shù)的優(yōu)化選擇提供理論基礎(chǔ)，包括功率分配的下垂控制系數(shù)、電壓電流反饋控制器的PI參數(shù)和前饋控制系數(shù)。本發(fā)明中的小信號動態(tài)分析方法、小信號建模分析方法均為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。
本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)正交變換設(shè)計旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗，改善微電網(wǎng)的阻抗特性，補償功率分配的誤差，提高功率解耦性能；基于小信號動態(tài)分析方法，指導(dǎo)包括坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗值在內(nèi)的孤島微電網(wǎng)控制策略中關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化選擇與匹配。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后的微電網(wǎng)在孤島運行模式下，可以有效實現(xiàn)功率解耦，提高功率分配的準(zhǔn)確性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)性能。圖9-12分別為有無坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗的微電網(wǎng)中有功功率和無功功率的動態(tài)響應(yīng)曲線。


圖I是微電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖；圖2是DG接入微電網(wǎng)的戴維南等效電路圖；圖3是DG控制及接口電路圖；圖4是無功功率特征根隨虛擬阻抗的變化圖；圖5是有功功率特征根隨虛擬阻抗的變化圖；圖6是有功功率特征根隨有功下垂系數(shù)的變化圖；圖7是無功功率特征根隨無功下垂系數(shù)的變化圖；圖8是系統(tǒng)特征根隨電壓電流反饋控制參數(shù)的變化圖；圖9是無坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗的微電網(wǎng)中有功功率動態(tài)響應(yīng)曲線；圖10是有坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗的微電網(wǎng)中有功功率動態(tài)響應(yīng)曲線；圖11是無坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗的微電網(wǎng)中無功功率動態(tài)響應(yīng)曲線；圖12是有坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗的微電網(wǎng)中無功功率動態(tài)響應(yīng)曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖I為典型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中包含風(fēng)力發(fā)電機、光伏電池、燃料電池3個典型的分布式電源(DG1-DG3)和3個位置不同的負(fù)載，各段線路阻抗為Zl-Z5。本文中各分布式電源均假設(shè)為直流源或整流后的直流源，經(jīng)SVPWM逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟姴⒂蒐CL低通濾波器濾除高次諧波后，并聯(lián)連接到微電網(wǎng)的交流母線上，并通過靜態(tài)切換開關(guān)在公共連接點PCC處與主電網(wǎng)相連。圖2為分布式電源連接到微電網(wǎng)交流母線的戴維南等效電路。圖中，E Z Φ為逆變器開路電壓，U Z O為交流母線電壓，Z和Θ分別為逆變器輸出阻抗的幅值和相角。根據(jù)等效電路，逆變器輸出的有功和無功功率分別為P =備[(A,cos0-")cos 沒+A,sin0sin 沒](I)2 = -^[(i cos^-C/)sin^-i cos^cos^](2)由于逆變器輸出電壓與交流母線電壓的相角差Φ非常小，因此，式⑴和(2)可以簡化為Ρ = ψ^Ε-υ)οο&θ+Εφ ηθ~](3)2 = ·|{(五-C/) sin 沒-呀 cos 沒](4)
根據(jù)系統(tǒng)阻抗的不同，即Z的相角Θ的不同，輸出的有功和無功功率和阻抗特性的關(guān)系如表I所不表I輸出功率和系統(tǒng)阻抗特性的關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)虛擬阻抗的孤島微電網(wǎng)控制及優(yōu)化方法，其特征是，該方法采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)正交變換實現(xiàn)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗閉環(huán)，改善微電網(wǎng)的阻抗特性，補償功率分配的誤差，提高功率解耦性能，其中，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗閉環(huán)的實現(xiàn)步驟如下 1)將逆變器輸出電流i。和虛擬阻抗Zv= Rv+j ω Lv分別在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下正交分解，其中Rv為虛擬電阻，j oLv為虛擬電抗，ω為微電網(wǎng)中交流母線電壓的旋轉(zhuǎn)角頻率； 2)在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下計算虛擬電壓Vv，數(shù)學(xué)表達(dá)式為 vVd _ RV~ω1ν iOd rv JL^ _ 式中，Vvd和Vvq分別為虛擬電壓Vv在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和q軸分量Ad和i。,分別為逆變器輸出電流i。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和q軸分量； 3)采用電壓矢量定向方法，將虛擬電壓補償功率下垂控制的輸出，即電壓控制閉環(huán)的參考輸出信號，其在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和q軸分量分別為v^P< ;補償后的功率下垂控制的數(shù)學(xué)表達(dá)式為ω = con-mPV:d] =「K ~nQ\_\ RV -alV1^iOdL °」L略 rv Iv其中，ω為微電網(wǎng)中交流母線電壓的旋轉(zhuǎn)角頻率，ωη，Vn分別為逆變器的額定電壓和額定角頻率；p，Q分別為有功功率和無功功率；m，η分別為有功和無功功率分配的下垂系數(shù)； 然后再建立包含分布式能源、功率變換器、負(fù)載和電力網(wǎng)絡(luò)的微電網(wǎng)完整的小信號動態(tài)模型，基于小信號動態(tài)分析方法指導(dǎo)步驟I)所述坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗閉環(huán)的最優(yōu)值選取，即虛擬電阻Rv的最優(yōu)值和虛擬電抗j Lv的最優(yōu)值選??；同時，采用小信號動態(tài)分析方法還為孤島微電網(wǎng)控制參數(shù)的優(yōu)化選擇提供基礎(chǔ)，所述孤島微電網(wǎng)控制參數(shù)包括有功和無功功率分配的下垂控制系數(shù)、電壓電流反饋控制器的PI參數(shù)和前饋控制系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)虛擬阻抗的孤島微電網(wǎng)控制及優(yōu)化方法，針對實際微電網(wǎng)中的復(fù)雜阻抗特性，采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)正交變換設(shè)計坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗，改善微電網(wǎng)的阻抗特性，補償功率分配的誤差，提高功率解耦性能。建立包含分布式能源、功率變換器、負(fù)載和電力網(wǎng)絡(luò)的微電網(wǎng)完整的小信號動態(tài)模型，基于小信號動態(tài)分析方法指導(dǎo)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗的最優(yōu)值選取。同時，采用小信號建模分析方法還為孤島微電網(wǎng)控制參數(shù)的優(yōu)化選擇提供理論基礎(chǔ)，包括功率分配的下垂控制系數(shù)、電壓電流反饋控制器的PI參數(shù)和前饋控制系數(shù)等。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后的微電網(wǎng)在孤島運行模式下，可以有效實現(xiàn)功率解耦，提高功率分配的準(zhǔn)確性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)性能。
文檔編號H02J3/38GK102623992SQ20121010705
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者張承慧, 李珂, 杜春水, 王瑞琪, 陳阿蓮 申請人:山東大學(xué)