一种微电网电压分布式二级控制方法及装置与流程

1.本发明涉及微电网控制技术领域，具体涉及一种微电网电压分布式二级控制方法及装置。


背景技术：

2.为了实现“双碳”目标，减少化石燃料对环境造成的严重污染，减缓能源紧缺的现状，改善环境污染问题，分布式发电得到了迅速发展。由分布式电源(dg)、能量转换装置和负荷等组成的，具有自治能力、独立性和经济性强等优点的微电网应运而生。微电网最主要的特点是具有两种不同的运行模式：孤岛模式和并网模式。在微电网并网运行时，微电网与大电网相连接，相互进行能量交换，帮助微电网能够保持功率平衡，保证稳定运行；在微电网孤岛运行时，此时由于没有大电网的功率支撑，微电网需要靠自身的调节能力完成对功率和电压频率的控制。
3.在孤岛模式下，为了在负荷波动的情况下，分布式电源可以更加灵活的分担负荷，所以常常采用下垂控制策略对dg进行控制，各dg通过响应自身的下垂特性曲线完成功率的分配和对电压频率的支撑，下垂控制策略是孤岛模式下的经典控制策略。通过模拟电网中发电机的下垂特性曲线，每个dg根据其下垂曲线到达一个新的运行点，为系统实现功率共享提供电压和频率支持。由于dg在下垂控制策略中的运行互不干扰，所以下垂控制策略是即插即用的。但是，下垂控制策略存在一定的局限性，在下垂控制中电压容易离开额定电压值，产生偏移。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种微电网电压分布式二级控制方法及装置，以提高微电网运行的安全稳定性。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种微电网电压分布式二级控制方法，包括：
6.步骤s1，采集分布式电源dg经过滤波器后的电压和电流，并对采集得到的输出电压和输出电流进行clark和park坐标变换；
7.步骤s2，采用动态一致性算法实现分布式二级控制结构，获得微电网内全局电压平均值；
8.步骤s3，采用改进下垂控制方法获得系统电压参考值；
9.步骤s4，通过引入比例积分微分pid控制器，实现微电网内源网荷全局电压控制。
10.进一步地，所述步骤s1具体包括：采集dg经lc滤波器后的输出电压u
oabc
和输出电流i
oabc
，对输出电压u
oabc
和输出电流i
oabc
进行clark和park坐标变换后，获得旋转坐标系直轴电压分量u
od
、交轴电压分量u
oq
、直轴电流分量i
od
以及交轴电流分量i
oq
。
11.进一步地，所述步骤s2具体包括：
12.步骤s21，根据输出电压u
oabc
和输出电流i
oabc
进行坐标变换后获得的旋转坐标系直轴电压分量u
od
、交轴电压分量u
oq
、直轴电流分量i
od
以及交轴电流分量i
oq
，计算dg的输出有
功功率和输出无功功率；
13.步骤s22，采用动态一致性算法计算得到微电网内全局电压平均值。
14.进一步地，所述步骤s21计算dg的输出有功功率和输出无功功率的方式为：
[0015][0016]
其中，pi为dg输出有功功率；qi为dg输出无功功率；
[0017]
将计算得到的输出有功功率pi和输出无功功率qi经过一个lc低通滤波器，滤除其谐波分量，得到瞬时功率信号：
[0018][0019]
其中，g
lpf
(s)为lc低通滤波器的传递函数；ωc为截止频率。
[0020]
进一步地，所述步骤s22具体包括：
[0021]
采用动态一致性算法计算全局平均电压值u
avgi
(t)、u
avgj
(t)的公式如下：
[0022][0023][0024]
其中，τ表示一个时间常数，u
avgi
(τ)、u
avgj
(τ)分别为节点i、j得到的一个时间常数内的电压平均值，ui(t)为动态一致性算法中引入的动态时变输入信号，ni表示与节点i相邻的节点的集合，邻接矩阵a
ij
＝[a
ij
]∈rn×n表示节点i，j间的连接关系，u
avgi
(t)、u
avgj
(t)分别为节点i、j得到的全局电压平均值；
[0025]
邻接矩阵a
ij
＝[a
ij
]∈rn×n的元素可以通过以下公式确定：
[0026][0027]
其中，m代表边与边之间的权重，用g＝(v,e)表示一个图，其中v＝{1,2,...n}是图g的节点集，是节点的有序对集合，用来表示节点间的边，每一条边用一对节点(i,j)来表示，(i,j)∈e表示节点i，j相连接。
[0028]
进一步地，所述步骤s3用功率的一次函数代替传统下垂控制中的固定系数，改进下垂控制的方程为：
[0029]fi
＝f
n-(m
i-mipi)(p
i-p
ni
)
[0030]
ui＝u
n-(n
i-niqi)(q
i-q
ni
)
[0031]
其中，fi为系统频率参考值；fn为系统额定频率；mi为有功下垂系数常数项；mi为有功下垂系数；pi为dg输出有功功率；p
ni
为dg额定有功功率；un为系统额定电压；ui为系统电压参考值；ni为无功下垂系数常数项；ni为无功下垂系数；q
ni
为dg额定无功功率；qi为dg输出无功功率。
[0032]
进一步地，所述步骤s4具体包括：
[0033]
将微电网系统额定电压值un与全局电压平均值u
avgi
做差得到pid控制器的输入信号，经过pid控制器，其输出作为系统电压的补偿量δui，所述系统电压的补偿量δui为：
[0034]
δui＝(k
p
ki/s kds)(u
n-u
avgi
)
[0035]
其中，k
p
为pid控制器的比例放大系数，ki为pid控制器的积分比例系数；kd为pid控制器的微分系数；u
avg
i为节点i得到的全局电压平均值；
[0036]
将系统电压的补偿量δui与系统电压参考值ui相叠加，得到分布式二级控制规律中的系统电压参考值所述二级控制规律中系统电压参考值为：
[0037][0038]
其中，ui为系统电压参考值；δui为系统电压的补偿量；un为系统额定电压；ni为无功下垂系数；q
ni
为dg额定无功功率；qi为dg输出无功功率。
[0039]
对动态一致性算法的分析可得稳态时：
[0040][0041]
本发明还提供一种微电网电压分布式二级控制装置，包括：
[0042]
采集模块，用于采集分布式电源dg经过滤波器后的电压和电流，并对采集得到的输出电压和输出电流进行clark和park坐标变换；
[0043]
第一计算模块，用于采用动态一致性算法实现分布式二级控制结构，获得微电网内全局电压平均值；
[0044]
第二计算模块，用于采用改进下垂控制方法获得系统电压参考值；
[0045]
控制模块，用于通过引入pid控制器实现微电网内源网荷全局电压控制。
[0046]
进一步地，所述第二计算模块用功率的一次函数代替传统下垂控制中的固定系数，改进下垂控制的方程为：
[0047]fi
＝f
n-(m
i-mipi)(p
i-p
ni
)
[0048]
ui＝u
n-(n
i-niqi)(q
i-q
ni
)
[0049]
其中，fi为系统频率参考值；fn为系统额定频率；mi为有功下垂系数常数项；mi为有功下垂系数；pi为dg输出有功功率；p
ni
为dg额定有功功率；un为系统额定电压；ui为系统电压参考值；ni为无功下垂系数常数项；ni为无功下垂系数；q
ni
为dg额定无功功率；qi为dg输出无功功率。
[0050]
进一步地，所述控制模块具体用于：
[0051]
将微电网系统额定电压值un与全局电压平均值u
avgi
做差得到pid控制器的输入信号，经过pid控制器，其输出作为系统电压的补偿量δui，所述系统电压的补偿量δui为：
[0052]
δui＝(k
p
ki/s kds)(u
n-u
avgi
)
[0053]
其中，k
p
为pid控制器的比例放大系数，ki为pid控制器的积分比例系数；kd为pid控制器的微分系数；u
avgi
为节点i得到的全局电压平均值；
[0054]
将系统电压的补偿量δui与系统电压参考值ui相叠加，得到分布式二级控制规律中的系统电压参考值所述二级控制规律中系统电压参考值为：
[0055]
[0056]
其中，ui为系统电压参考值；δui为系统电压的补偿量；un为系统额定电压；ni为无功下垂系数；q
ni
为dg额定无功功率；qi为dg输出无功功率。
[0057]
对动态一致性算法的分析可得稳态时：
[0058][0059]
实施本发明具有如下有益效果：本发明在改进下垂控制的基础引入分布式二级控制，通过动态一致性算法各个分布式电源在本地可以获得全局平均电压，将微电网的电压调节对象从特定的某个特定dg的输出电压转化为全局平均电压，通过在无功-电压下垂方程中引入pid控制器将全局平均电压调整至额定电压，从而使得dg的输出电压都聚簇在额定电压值周围，实现了电压的自适应调节；本发明还通过动态一致性算法实现了分布式控制，实现了去中心化，在本地控制器中就可以得到全局电压平均值从而进行自身调节；本发明能够实现在负荷波动情况和dg因故障退出运行的情况下，输出电压都可以分布在额定电压周围，保证了下垂控制中的电压质量，提高了微电网运行的安全稳定性。
附图说明
[0060]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0061]
图1是本发明实施例一一种微电网电压分布式二级控制方法的流程示意图。
[0062]
图2是本发明实施例的控制原理示意图。
[0063]
图3是本发明实施例中系统仿真结构图。
[0064]
图4是本发明实施例中系统通信拓扑图。
[0065]
图5是本发明实施例中负荷波动情况下的仿真结果图。
[0066]
图6是本发明实施例中dg因故障退出运行的情况下的仿真结果图。
具体实施方式
[0067]
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
[0068]
请参照图1所示，本发明实施例一提供一种微电网电压分布式二级控制方法，包括：
[0069]
步骤s1，采集分布式电源dg经过滤波器后的电压和电流，并对采集得到的输出电压和输出电流进行clark和park坐标变换；
[0070]
步骤s2，采用动态一致性算法实现分布式二级控制结构，获得微电网内全局电压平均值；
[0071]
步骤s3，采用改进下垂控制方法获得系统电压参考值；
[0072]
步骤s4，通过引入比例积分微分pid控制器，实现微电网内源网荷全局电压控制。
[0073]
具体地，请结合图2所示，由于三相逆变器采用正弦脉宽调制调制后，输出电压中会掺杂大量谐波，需要经过lc滤波器除掉高次谐波后再将电能送往公共负载端或者直接并入大电网中。首先采集dg经lc滤波器后的输出电压u
oab
c和输出电流i
oabc
，对输出电压u
oabc
和
输出电流i
oabc
进行clark和park坐标变换后，获得旋转坐标系直轴电压分量u
od
、交轴电压分量u
oq
、直轴电流分量i
od
以及交轴电流分量i
oq
。
[0074]
clark坐标变换的公式为：
[0075][0076]
其中，u
α
、u
β
、i
α
、i
β
为经过clark坐标变换所得静止坐标系下的电压值和电流值；ua、ub、uc、ia、ib、ic为功率控制外环模块采集的第i个dg输出电压和电流三相分量；c
abc/αβ
为clark坐标变换矩阵，具体为：
[0077][0078]
其中park坐标变换的公式为：
[0079][0080]
其中，u
od
、u
oq
、i
od
、i
oq
分别为经park坐标变换后的旋转坐标系下的直轴电压分量、交轴电压分量、直轴电流分量、交轴电流分量；p
αβ/dq
为park坐标变换矩阵，具体为：
[0081][0082]
步骤s2具体包括以下两个步骤：
[0083]
步骤s21，根据输出电压u
oabc
和输出电流i
oabc
进行坐标变换后获得的旋转坐标系直轴电压分量u
od
、交轴电压分量u
oq
、直轴电流分量i
od
以及交轴电流分量i
oq
，计算dg的输出有功功率和输出无功功率：
[0084][0085]
其中，pi为dg输出有功功率；qi为dg输出无功功率；
[0086]
由上式得到的输出有功功率pi和输出无功功率qi中包含大量高次谐波分量，将其作为下一个控制模块的输入信号会对系统造成干扰，影响控制精度，可能导致下垂控制失稳，所以需要经过一个lc低通滤波器将谐波分量滤除得到较为稳定的瞬时功率信号：
[0087][0088]
其中，g
lpf
(s)为lc低通滤波器的传递函数；ωc为截止频率。
[0089]
步骤s22，采用动态一致性算法计算得到微电网内全局电压平均值。
[0090]
定义全局平均电压u
avg
：
[0091][0092]
其中，ui是系统电压参考值。
[0093]
采用动态一致性算法计算全局平均电压值u
avgi
(t)、u
avgj
(t)的公式如下：
[0094][0095][0096]
其中，τ表示一个时间常数，u
avgi
(τ)、u
avgj
(τ)分别为节点i、j得到的一个时间常数内的电压平均值，ui(t)为动态一致性算法中引入的动态时变输入信号，ni表示与节点i相邻的节点的集合，邻接矩阵a
ij
＝[a
ij
]∈rn×n表示节点i，j间的连接关系，u
avgi
(t)、u
avgj
(t)分别为节点i、j得到的全局电压平均值。
[0097]
邻接矩阵a
ij
＝[a
ij
]∈rn×n的元素可以通过以下公式确定：
[0098][0099]
其中，m代表边与边之间的权重，通常用g＝(v,e)表示一个图，其中v＝{1,2,...n}是图g的节点集，是节点的有序对集合，用来表示节点间的边，每一条边用一对节点(i,j)来表示，(i,j)∈e表示节点i，j相连接。
[0100]
下垂控制是微电网对等控制模式中采用的控制模式，dg通过响应各下垂特性曲线使得负载的功率可以实现自动分配。由于各个dg的下垂特性曲线之间互不干扰，仅通过各自的本地信息对自身出力进行决策，dg之间地位平等，不存在主控单元和从控单元，所以步骤s3通过对dg采取下垂控制可以实现微电网的对等控制模式。
[0101]
微电网的传统下垂控制模型包括有功下垂方程和无功下垂方程：
[0102]
所述有功和无功下垂方程为：
[0103]fi
＝f
n-mi(p
i-p
ni
)
[0104]
ui＝u
n-ni(q
i-q
ni
)
[0105]
其中，fi为系统频率参考值；fn为系统额定频率；mi为有功下垂系数；pi为dg输出有功功率；p
ni
为dg额定有功功率；un为系统额定电压；ui为系统电压参考值；ni为无功下垂系数；q
ni
为dg额定无功功率；qi为dg输出无功功率。
[0106]
传统的下垂控制根据dg运行工作点在下垂特性曲线上移动从而牺牲了对频率和电压的精准控制，所以下垂控制实质上是一种有差控制。当负荷波动较大时，采用传统控制
会出现线性递减的趋势，输出电压波动范围较大，且难以实现并联逆变器之间功率的合理分配，因此要对传统下垂控制进行改进。本实施例通过用功率的一次函数代替传统下垂控制中的固定系数，改进下垂控制的方程为：
[0107]fi
＝f
n-(m
i-mipi)(p
i-p
ni
)
[0108]
ui＝u
n-(n
i-niqi)(q
i-q
ni
)
[0109]
其中，fi为系统频率参考值；fn为系统额定频率；mi为有功下垂系数常数项；mi为有功下垂系数；pi为dg输出有功功率；p
ni
为dg额定有功功率；un为系统额定电压；ui为系统电压参考值；ni为无功下垂系数常数项；ni为无功下垂系数；q
ni
为dg额定无功功率；qi为dg输出无功功率。
[0110]
改进下垂控制的下垂系数不再保持恒定不变，而是随着实际输出有功功率和无功功率的大小自适应动态调节。当负荷变化的时候，各并联逆变器电压幅值和频率的下垂量会动态调节，减小负荷变化时由逆变器均流控制引起的微电网电压幅值和频率的过度下垂，从而避免微电网中交流母线电压幅值和频率出现较大波动，因此增加微电网逆变器并联系统的稳定性和可靠性。
[0111]
由于下垂控制中是靠牺牲电压来获得无功出力，采用无功功率分布式二级控制中电压会存在偏差，需要对电压进行二级控制，本实施例为保证将各个dg输出的电压调整至额定值，采用步骤s4实现源网荷全局电压精准控制。具体为：
[0112]
将微电网系统额定电压值un与全局电压平均值u
avgi
做差得到pid控制器的输入信号，经过pid控制器，其输出作为系统电压的补偿量δui，所述系统电压的补偿量δui为：
[0113]
δui＝(k
p
ki/s kds)(u
n-u
avgi
)
[0114]
其中，k
p
为pid控制器的比例放大系数，ki为pid控制器的积分比例系数；kd为pid控制器的微分系数；u
avgi
为节点i得到的全局电压平均值。
[0115]
将系统电压的补偿量δui与系统电压参考值ui相叠加，得到分布式二级控制规律中的系统电压参考值所述二级控制规律中系统电压参考值为：
[0116][0117]
其中，ui为系统电压参考值；δui为系统电压的补偿量；un为系统额定电压；ni为无功下垂系数；q
ni
为dg额定无功功率；qi为dg输出无功功率。
[0118]
对动态一致性算法的分析可得稳态时：
[0119][0120]
上式表明稳态时各个dg在本地分布式控制器中对全局平均电压的估计值u
avgi
可以精准跟踪至全局电压u
avg
，且所有dg的估计值一致。
[0121]
为了进一步说明本发明的有益效果，给出如下实施例进行介绍：
[0122]
为验证本发明所提出方法的有效性，在matlab中搭建四台dg并联运行模型如图3所示，其通信拓扑图结构如图4所示，仿真参数如表1所示：
[0123]
表1系统仿真参数
[0124][0125]
负荷波动时仿真分析：仿真中在t＝2s时投入公共负载load2，本发明所提控制方法的仿真结果如图5所示。
[0126]
dg因故障退出运行的情况下仿真分析：设置在t＝1.5s时load2投入使用，并在t＝3s时模拟dg3因故障被切除，直接退出运行，本发明所提控制方法的仿真结果图如图6所示。
[0127]
以上仿真实验分析表明，本发明能够实现在负荷波动情况和dg因故障退出运行的情况下，dg输出无功功率都可以按照dg容量比进行精准分配，可以解决电压偏移问题，并具有良好的动态性能。
[0128]
相应于前述本发明实施例一一种微电网电压分布式二级控制方法，本发明实施例二提供一种微电网电压分布式二级控制装置，包括：
[0129]
采集模块，用于采集分布式电源dg经过滤波器后的电压和电流，并对采集得到的输出电压和输出电流进行clark和park坐标变换；
[0130]
第一计算模块，用于采用动态一致性算法实现分布式二级控制结构，获得微电网内全局电压平均值；
[0131]
第二计算模块，用于采用改进下垂控制方法获得系统电压参考值；
[0132]
控制模块，用于通过引入pid控制器实现微电网内源网荷全局电压控制。
[0133]
进一步地，所述第二计算模块用功率的一次函数代替传统下垂控制中的固定系数，改进下垂控制的方程为：
[0134]fi
＝f
n-(m
i-mipi)(p
i-p
ni
)
[0135]
ui＝u
n-(n
i-niqi)(q
i-q
ni
)
[0136]
其中，fi为系统频率参考值；fn为系统额定频率；mi为有功下垂系数常数项；mi为有功下垂系数；pi为dg输出有功功率；p
ni
为dg额定有功功率；un为系统额定电压；ui为系统电压参考值；ni为无功下垂系数常数项；ni为无功下垂系数；q
ni
为dg额定无功功率；qi为dg输出无功功率。
[0137]
进一步地，所述控制模块具体用于：
[0138]
将微电网系统额定电压值un与全局电压平均值u
avgi
做差得到pid控制器的输入信号，经过pid控制器，其输出作为系统电压的补偿量δui，所述系统电压的补偿量δui为：
[0139]
δui＝(k
p
ki/s kds)(u
n-u
avgi
)
[0140]
其中，k
p
为pid控制器的比例放大系数，ki为pid控制器的积分比例系数；kd为pid控制器的微分系数；u
avgi
为节点i得到的全局电压平均值；
[0141]
将系统电压的补偿量δui与系统电压参考值ui相叠加，得到分布式二级控制规律中的系统电压参考值所述二级控制规律中系统电压参考值为：
[0142][0143]
其中，ui为系统电压参考值；δui为系统电压的补偿量；un为系统额定电压；ni为无功下垂系数；q
ni
为dg额定无功功率；qi为dg输出无功功率。
[0144]
对动态一致性算法的分析可得稳态时：
[0145][0146]
有关本实施例的工作原理及工作过程，请参照前述本发明实施例一的说明，此处不再赘述。
[0147]
通过上述说明可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在改进下垂控制的基础引入分布式二级控制，通过动态一致性算法各个分布式电源在本地可以获得全局平均电压，将微电网的电压调节对象从特定的某个特定dg的输出电压转化为全局平均电压，通过在无功-电压下垂方程中引入pid控制器将全局平均电压调整至额定电压，从而使得dg的输出电压都聚簇在额定电压值周围，实现了电压的自适应调节；本发明还通过动态一致性算法实现了分布式控制，实现了去中心化，在本地控制器中就可以得到全局电压平均值从而进行自身调节；本发明能够实现在负荷波动情况和dg因故障退出运行的情况下，输出电压都可以分布在额定电压周围，保证了下垂控制中的电压质量，提高了微电网运行的安全稳定性。
[0148]
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明的权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。