一种孤岛型泛微网频率和电压控制方法与流程

1.本发明涉及电力系统稳定性控制技术领域，尤其是一种孤岛型泛微网频率和电压控制方法。


背景技术：

2.泛微网利用分布式能源为电网提供能量支撑，作为可控的局部能源电网已被广泛应用。许多分布式能源，如光伏、风能、燃料电池、微型涡轮机和存储单元，通过电压源换流器(vsc)连接到泛微网的交流总线上。随着太阳能和风能等可再生能源越来越多地渗透到电力系统，特别是配电系统中，将出现严重的稳定性问题，因此系统的灵活性和可靠性将受到影响。可再生能源使用电力电子设备连接，这些电力电子设备具有与同步发电机不同的特性，尤其是缺乏惯性。因此，这种基于电力电子的逆变器的接口将影响电网的全局稳定性和惯性，会引发系统频率和电压波动的问题。这些逆变器中使用的简单电流控制方法不像传统的同步发电机那样自然具有惯性。有二级和三级控制方法可以通过保持电压和频率恒定来维持电网稳定性，但这种方法需要逆变器之间的高度通信，这会降低系统的可靠性。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种孤岛型泛微网频率和电压控制方法，利用虚拟同步发电机具有提供惯性、阻尼振荡和稳压的优势来提高系统电能质量。
4.为解决上述技术问题，本发明提供一种孤岛型泛微网频率和电压控制方法，包括如下步骤：
5.步骤1、进行泛微网可再生能源和电动汽车系统建模；
6.步骤2、利用虚拟同步发电机来模仿同步发电机的行为，列出下垂控制方程；
7.步骤3、求出虚拟同步发电机的离散状态方程；
8.步骤4、根据离散方程表达出模型预测控制中的代价函数；
9.步骤5、为了频率和电压获得更好的动态响应，调节虚拟同步发电机有功功率和无功功率。
10.优选的，步骤1中，进行泛微网可再生能源和电动汽车系统建模具体包括如下步骤：
11.步骤11、计算光伏发电系统输出功率p
pv
：
[0012][0013]
式中，ψ、和s是太阳能电池阵列的辐照度、转换效率和有效面积，ta是环境温度；
[0014]
步骤12、计算风力发电系统输出功率p
wind
：
[0015][0016]
式中，c
p
是捕获效率，λ是速度比，β是风力机的桨距角，η是效率，ρa是空气密度，v是风速；
[0017]
步骤13、计算电动汽车功率变化δp
ev
：
[0018][0019]
式中，k
ev
和t
ev
分别是电动汽车电池增益和时间常数，δf是频率变化。
[0020]
优选的，步骤2中，利用虚拟同步发电机来模仿同步发电机的行为，列出下垂控制方程具体包括如下步骤：
[0021]
步骤21、下垂控制方法中有功-频率表达式为：
[0022]
p＝p
ref
m(ω
ref-ωg)
[0023]
式中，m为频率垂度系数，p
ref
和ω
ref
分别为有功功率和vsg角频率的参考值，ωg为测量得到的角频率；
[0024]
步骤22、下垂控制方法中无功-电压表达式为：
[0025]
u＝u
ref
n(q
ref-qe)
[0026]
式中，n为无功功率垂度系数，q
ref
和u
ref
分别为无功功率和端电压的参考值，qe分别为测量得到的无功功率。
[0027]
优选的，步骤3中，求出虚拟同步发电机的离散状态方程具体包括如下步骤：
[0028]
步骤31、虚拟同步发电机的惯性方程表达式为：
[0029][0030]
式中，j、d分别为转动惯量、阻尼系数，pm为机械功率，pe为电磁功率，ωm和ω0分别是机械角频率和额定角频率；
[0031]
步骤32、虚拟同步发电机的状态空间模型为：
[0032][0033]
式中，ω＝ω
m-ω0，可再生输出功率的波动会引起供需双方功率的不平衡，从而引起频率的进一步波动，对于vsg，频率波动较小，近似为ωm≈ω0，输出功率pe可视为扰动，pm可视为可控输入变量；
[0034]
步骤33、虚拟同步发电机的离散状态方程为：
[0035][0036]
式中，ts为采样时间。
[0037]
优选的，步骤4中，根据离散方程表达出模型预测控制中的代价函数具体包括如下步骤：
[0038]
步骤41、频率、机械和电力的变化可以写成：
[0039][0040]
步骤42、代价函数考虑了虚拟同步发电机的频率偏差ω和额定功率变化pm，表示为
[0041][0042]
式中，α和β分别为频率和功率变化的权重系数，δω(k)和δpm(k)分别为k时刻的角速度误差和有功功率误差。
[0043]
优选的，步骤5中，为了频率和电压获得更好的动态响应，调节虚拟同步发电机有功功率和无功功率具体包括如下步骤：
[0044]
步骤51、虚拟同步发电机的有功功率基准变化为：
[0045]
δp
vsg
(k)＝δpm(k)；
[0046]
步骤52、虚拟同步发电机的无功功率基准变化为：
[0047][0048]
步骤53、虚拟同步发电机功率基准表达式为：
[0049][0050]
本发明的有益效果为：本发明在具有高渗透率的孤岛型泛微网中，给出了一种基于模型预测控制的虚拟同步发电机抑制频率和电压波动方法，避免了传统电压和电流双环控制时复杂的参数调整过程，预测出vsg有功功率和无功功率基准值变化量，增强了vsg的动态特性，利用储能和电动汽车提供惯性支持和功率补偿，可以令发电机输出功率更加平稳，所提控制器结构简单，能够实现阻尼和惯性的综合调整。
附图说明
[0051]
图1为本发明的系统结构示意图。
[0052]
图2为本发明的虚拟同步发电机控制结构示意图。
[0053]
图3(a)为本发明负载变化时的频率波形图。
[0054]
图3(b)为本发明负载变化时的频率变化率波形图。
[0055]
图4(a)为本发明负荷接入时电网变化波形图。
[0056]
图4(b)为本发明负荷断开时电网变化波形图。
[0057]
图5(a)为本发明负载变化时同步发电机输出功率波形图。
[0058]
图5(b)为本发明负载变化时储能和电动汽车输出功率波形图。
具体实施方式
[0059]
图1为本发明的系统结构示意图，主要的能源是柴油发电机和可再生能源，包括风电场和太阳能光伏系统；电动汽车和储能系统既可以供给能量也可以吸收能量；最后以家
庭负荷作为电力消费者。当泛微网孤岛运行时，由于缺少惯性支持会发生频率和电压波动，所以需要虚拟同步发电机提供惯性和阻尼支持。
[0060]
图2是利用模型预测控制虚拟同步发电机的控制框图，避免了传统电压和电流双环控制时复杂的参数调整过程，对虚拟同步发电机的功率基准值进行修正，减小电网频率和电压的变化，并且通过储能和电动汽车提供惯性支持。
[0061]
泛微网可再生能源和电动汽车输出功率计算步骤如下：
[0062]
步骤1，计算光伏发电系统输出功率p
pv
：
[0063][0064]
式中，ψ、和s是太阳能电池阵列的辐照度、转换效率和有效面积；ta是环境温度。
[0065]
步骤2，计算风力发电系统输出功率p
wind
：
[0066][0067]
式中，c
p
是捕获效率；λ是速度比；β是风力机的桨距角；η是效率；ρa是空气密度；v是风速。
[0068]
步骤3，计算电动汽车功率变化δp
ev
：
[0069][0070]
式中，k
ev
和t
ev
分别是电动汽车电池增益和时间常数；δf是频率变化。
[0071]
利用模型预测控制虚拟同步发电机(mpc-vsg)所需步骤如下：
[0072]
步骤1，下垂控制方法中有功-频率表达式为：
[0073][0074]
式中，m、n分别为频率、无功功率垂度系数；p
ref
、q
ref
、u
ref
、ω
ref
分别为有功功率、无功功率、pcc端电压、vsg角频率的参考值；ωg和qe分别为测量得到的角频率和无功功率。
[0075]
步骤2，虚拟同步发电机的惯性方程表达式为：
[0076][0077]
式中，j、d分别为转动惯量、阻尼系数；pm为机械功率，pe为电磁功率；ωm和ω0分别是机械角频率和额定角频率。
[0078]
步骤3，虚拟同步发电机的状态空间模型为：
[0079][0080]
式中，ω＝ω
m-ω0，可再生输出功率的波动会引起供需双方功率的不平衡，从而引起频率的进一步波动。对于vsg，频率波动较小，近似为ωm≈ω0。输出功率pe可视为扰动，pm可视为可控输入变量。
[0081]
步骤4，虚拟同步发电机的离散状态方程为：
[0082][0083]
式中，ts为采样时间。
[0084]
步骤5，频率、机械和电力的变化可以写成：
[0085][0086]
步骤6，代价函数考虑了虚拟同步发电机的频率偏差ω和额定功率变化pm，表示为
[0087][0088]
式中，α和β分别为频率和功率变化的权重系数；δω(k)和δpm(k)分别为k时刻的角速度误差和有功功率误差。
[0089]
虚拟同步发电机功率基准调节步骤如下：
[0090]
步骤1，虚拟同步发电机的有功功率基准变化为：
[0091]
δp
vsg
(k)＝δpm(k)
[0092]
步骤2，虚拟同步发电机的无功功率基准变化为：
[0093][0094]
步骤3，虚拟同步发电机功率基准表达式为：
[0095][0096]
下面以图3至图5为例对本发明所提利用模型预测控制虚拟同步发电机抑制频率和电压波动策略(mpc-vsg)进行更进一步的说明：
[0097]
为了比较负荷变化时频率和电压波动的情况，在3s时接入一个5kw负载，在7s时断开。图3(a)和图3(b)显示了负载变化下传统方法和所提方法下的频率和频率变化率变化对比图。从图3(a)看，传统方法下频率变化最大约为0.7hz，所提方法下频率变化约为0.2hz，频率变化减小了约71％，频率波动减小，明显改善了电能质量，增强了系统稳定性。随着频率的变化，频率变化率也值得关注。如图3(b)所示。传统方法下，最大频率变化率约为2.5hz/s，mpc-vsg方法下频率变化率约为0.2hz/s，小于0.6hz/s，满足国际标准化组织的要求。
[0098]
图4(a)和图4(b)是负荷接入与断开时交流侧电压变化曲线图，图4(a)是负荷接入时两种控制方法下电压波动的对比图，在3s时接入负荷，传统方法下电压减小5.6v，mpc-vsg方法下电压减小4.5v。图4(b)负荷断开时电压波动的对比图，在7s时断开负荷，传统方法下电压增大5.2v，mpc-vsg方法下电压增大3.8v。所提出的方法可以使电压波动分别减小19.6％和26.9％，电压波动得到有效抑制，电压动态性能得到了提高。
[0099]
图5(a)和图5(b)是传统方法和mpc-vsg方法下同步发电机、储能和电动汽车的功
率输出曲线图。当负荷接入时，无储能和电动汽车补偿的同步发电机输出功率立刻增大了5kw，变化幅度很大，mpc-vsg利用储能和电动汽车进行补偿，可以提供额外的功率使得同步发电机上升幅度更加平稳；当负荷断开时，无储能和电动汽车补偿的同步发电机输出功率迅速下降，mpc-vsg利用储能和电动汽车吸收多余的功率减缓同步发电机输出功率下降的速度。