一种复系数下垂定频并网协同控制方法及系统与流程

本技术实施例涉及微电网运行控制，尤其涉及一种复系数下垂定频并网协同控制方法及系统。

背景技术：

1、微电网作为分布式电源高效接入配电网的重要形式，传统下垂控制因无需通信、即插即用等优点而被广泛采用。传统下垂控制模拟同步发电机的外特性，通过调节有功功率与频率、无功功率与电压幅值的关系实现功率控制。然而，该控制方式存在固有缺陷，有功功率调节必然引起频率偏差，且线路阻抗的阻感比会导致有功与无功功率耦合，尤其在低压微电网中线路电阻不可忽略时，功率分配的准确性和动态性能显著恶化。

2、当微电网由孤岛模式切换至并网模式时，变流器需要与主电网保持频率和相位同步。现有并网同步技术通常依赖锁相环或锁频环获取电网电压的信息，但锁相环在弱电网或电网谐波环境下存在动态响应慢、易锁相失败等问题，且增加了控制系统的复杂性和对电网电压测量的依赖，降低了微电网的自治性与可靠性。同时，微电网并网运行时，变流器输出功率需精确跟踪调度指令，而传统下垂控制存在稳态误差，无法实现功率的无静差控制，影响微电网与电网之间的功率交换精度。

3、另一方面，为应对电网频率波动和电压变化，具备主动支撑能力的变流器控制策略日益受到关注。但现有方案中，有功频率下垂与无功电压下垂通常相互耦合，且无功功率受线路阻抗和负载变化影响显著，难以在稳态时精确控制在给定值，限制了微电网对电网的支撑效果和电能质量优化能力。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种复系数下垂定频并网协同控制方法及系统，用以克服现有技术中锁相环在弱电网环境下易失稳且传统下垂控制存在频率偏差与功率稳态误差的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种复系数下垂定频并网协同控制方法。包括：

3、步骤s1，采用复系数下垂控制将变流器输出电压频率固定为额定频率；

4、步骤s2，检测变流器输出电压频率，将所述变流器输出电压频率与所述额定频率作差得到第一频率偏差，根据所述第一频率偏差与预设的第一下垂系数确定第一下垂量；

5、步骤s3，检测变流器输出电压变化率，根据所述电压变化率与预设的第二下垂系数确定第二下垂量，将所述第一下垂量与所述第二下垂量叠加至外部给定的功率指令值上，得到第一功率指令值；

6、步骤s4，基于所述第一功率指令值与所述变流器输出电压频率得到第二频率偏差，将所述第二功率偏差输入控制器得到输出量，以所述输出量作为修正量叠加至所述第一功率指令值上，得到第二功率指令值；

7、步骤s5，根据所述第二功率指令值控制变流器的功率输出。

8、进一步地，所述步骤s1中，所述复系数下垂控制通过构造复下垂系数将复功率下垂量施加于变流器输出电压相量上，所述复下垂系数包含线路阻抗信息，其相量形式表达为：

9、；

10、其中，为实下垂系数，r和x分别为线路电阻和电抗，z为线路阻抗模值。

11、进一步地，所述步骤s2中，所述变流器输出电压频率的检测不依赖锁相环或锁频环，而是利用功率控制环节输出的dq轴电压参考值生成所述变流器输出电压频率，所述变流器输出电压频率的计算公式为：

12、；

13、其中，和为功率控制输出的dq轴电压参考值；为角频率增益系数；为电网额定频率；f为频率同步控制输出的频率，稳态时即为电网频率；ω为电网频率对应的角频率。

14、进一步地，所述控制器为比例积分控制器，所述输出量为电压参考值修正量；所述比例积分控制器与功率测量环节的低通滤波特性协同设计，使得从所述第一功率指令值到变流器实际输出功率的闭环传递函数在稳态下增益为1。

15、进一步地，所述闭环传递函数为：

16、；

17、其中，传递函数c(s)表示为：

18、；

19、其中，s为拉普拉斯变换的复频率变量，u为变流器输出电压幅值，为功率计算环节的增益系数，为线路阻抗模值，t为功率滤波时间常数，为所述变流器在同步旋转坐标系下的闭环特征多项式系数，为复下垂系数的实部相关参数和虚部相关参，为比例系数，为积分系数，稳态时满足。进一步地，所述步骤s3中，所述第一下垂量根据所述变流器输出电压频率与额定频率的第一频率偏差及预设的第一下垂系数确定，所述第二下垂量根据变流器输出电压变化率及预设的第二下垂系数确定，其下垂方程表达为：；

20、其中，为有功功率参考值，为无功功率参考值，、分别为额定有功功率和额定无功功率，ω为变流器输出角频率，为额定角频率，所述即为所述第一频率偏差；为所述预设的第一下垂系数，为所述预设的第二下垂系数；为d轴电压通道比例积分控制器前的误差信号，所述误差信号在物理上等价于变流器输出电压的变化率，即所述对应于所述变流器输出电压变化率，且稳态时，使得所述第二下垂量为零。

21、进一步地，所述误差信号与变流器输出电压变化率之间的关系为：

22、；其中，为功率跟踪控制中比例积分控制器的积分系数，u为变流器输出电压幅值；基于该关系，所述无功下垂方程等效为：

23、；

24、即无功功率参考值由变流器输出电压的变化率决定，稳态时电压变化率为零，无功功率参考值精确等于额定无功功率。

25、进一步地，所述步骤s5中，所述第二功率指令值经由功率跟踪控制环节转换为dq轴电压参考值，所述dq轴电压参考值同时输入至频率同步控制环节，所述频率同步控制环节将所述dq轴电压参考值中的q轴分量与d轴分量之比乘以角频率增益系数后叠加至额定角频率上，经积分环节输出变流器输出电压的相角。

26、进一步地，所述步骤s3中，所述第二下垂量根据变流器输出电压变化率及预设的第二下垂系数确定，所述变流器输出电压变化率通过d轴电压通道比例积分控制器前的误差信号表征，所述误差信号为所述比例积分控制器输入端的差值信号；所述第一下垂量叠加至额定有功功率上得到有功功率参考值，所述第二下垂量叠加至额定无功功率上得到无功功率参考值；所述有功功率参考值和所述无功功率参考值作为所述第一功率指令值的组成部分输入至控制器。

27、一种复系数下垂定频并网协同控制系统，包括：

28、频率固定模块，用于采用复系数下垂控制将变流器输出电压频率固定为额定频率；

29、频率检测与第一下垂模块，用于检测变流器输出电压频率，将所述变流器输出电压频率与所述额定频率作差得到第一频率偏差，根据所述第一频率偏差与预设的第一下垂系数确定第一下垂量；

30、电压检测与第二下垂模块，用于检测变流器输出电压变化率，根据所述电压变化率与预设的第二下垂系数确定第二下垂量，将所述第一下垂量与所述第二下垂量叠加至外部给定的功率指令值上，得到第一功率指令值；

31、功率跟踪控制模块，用于基于所述第一功率指令值与所述变流器输出电压频率得到第二频率偏差，将所述第二频率偏差输入控制器得到输出量，以所述输出量作为修正量叠加至所述第一功率指令值上，得到第二功率指令值；

32、功率输出控制模块，用于根据所述第二功率指令值控制变流器的功率输出。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明中复系数下垂控制避免了传统下垂控制的频率偏差问题，实现孤岛微电网的定频率运行，动态性能优越。发明的频率同步控制无需锁相环或锁频环，仅利用本地功率控制信息即可实现变流器与电网的频率同步，提高了微电网的自治性和可靠性。功率跟踪控制消除了并网时的稳态误差，实现了功率的无静差跟踪。前级有功频率下垂和无功电压变化率下垂使变流器具备主动频率支撑和电压变化响应能力，且稳态时无功功率可精确控制，解决了传统下垂控制策略下无功无法精确控制的问题。

34、进一步地，频率同步控制环节无需依赖锁相环或锁频环，亦无需额外测量电网电压，仅利用功率控制环节自身输出的dq轴电压参考值即可实现变流器输出电压频率与电网频率在稳态下的完全同步，从而简化了控制系统结构，提高了微电网并网运行的自治性与可靠性。

35、进一步地，变流器的稳态有功输出等于额定有功功率与频率下垂量之差，变流器的稳态无功输出等于额定无功功率。稳态时变流器的有功功率输出与无功功率输出互不影响，也即有功无功功率的稳态解耦。因此本发明同时也实现了对变流器输出无功功率的精确控制。