一种基于虚拟振荡器控制器的微电网运行模式平滑切换方法与流程

1.本发明涉及微电网运行控制技术领域，尤其涉及一种基于虚拟振荡器控制器的微电网运行模式平滑切换方法。


背景技术：

2.随着新能源技术的发展，电网的结构正经历着巨大的改变，越来越多的新能源发电并网强烈冲击着现有的电网，全逆变器微电网的出现对电力电子技术的要求越来越高。多逆变器并联控制是整合区域内多种能源资源，实现多能互补发电的关键支撑技术之一，能够大大提高供电系统的可靠性、保障微电网内重要负荷不间断供电。目前逆变器并联控制已从非自治的主从控制、集中控制、分散逻辑控制等依赖信息交互的技术过渡至以下垂控制、虚拟同步发电机控制控制和虚拟振荡器控制器为代表的自治型并联控制技术。其显著特征是隐含自同步机制，因冗余度高、抗干扰能力强等优点而成为当前的研究热点。
3.在极端事件发生时，上级电网可能无法提供可靠的电能供应，此时微电网需要进入非计划孤岛运行模式。在并网模式下，逆变器往往采用跟网型控制，要求分布式电源根据调度指令精准输出功率；在离网模式下，逆变器采用构网控制，为微电网提供电压支撑。传统的下垂控制、虚拟同步机控制在微电网运行模式切换时涉及电流型控制到电压型控制的切换，容易由于控制方法差异导致控制器输出状态不匹配，从而引起输出量跳变。同时，控制方式的切换还对孤岛检测精确度有较高要求，由于孤岛检测存在时延性，微电网在与上层电网断开的瞬间无法立即完成运行模式的切换，不仅无法及时弥补因电网突然断开造成的功率缺额，同时逆变器仍以跟网型控制方式运行，无法支撑孤岛电压，可能导致孤岛电压进一步崩溃，使极端事件对电网造成的负面影响更加严重。
4.针对上述问题，现有技术中有方案基于非线性振子的耦合振荡过程提出了虚拟振荡器控制器，该方法利用非线性过程的极限环特性来实现微电网内多逆变器的自发同步。其中，基于hopf振子的虚拟振荡器控制器在并/离网运行模式下无需更改控制结构，从而在解决孤岛检测时延性影响方面有较大的应用潜力。该方案的缺点为：无法实现离网运行模式向并网运行模式的平滑切换。
5.因此，亟需一种基于虚拟振荡器控制器的微电网运行模式平滑切换方法。


技术实现要素：

6.本发明的实施例提供了一种基于虚拟振荡器控制器的微电网运行模式平滑切换方法，以实现微电网运行模式的平滑切换，保障电网内重要负荷的不间断供电。
7.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
8.一种基于虚拟振荡器控制器的微电网运行模式平滑切换方法，微电网由逆变器、lcl滤波器、虚拟振荡控制器和并网开关组成，逆变器经过lcl滤波器连接至微电网，所述方法包括：
9.基于全逆变器微电网的稳态指标确定全逆变器微电网的关键控制参数；
10.逆变器并网启动后，实时量测逆变器的出口电流，将逆变器的出口电流与参考电流之间的差值输入至虚拟振荡控制器，控制逆变器功率输出的跟随给定值；
11.在并网运行模式下，当上级电网发送扰动后，基于预同步时间要求确定逆变器的预同步参数，并网开关断开，逆变器由并网运行模式切换至离网运行模式，使虚拟振荡控制器的输入变为逆变器的出口电压与网侧电压之间的相位差，等待相位同步；
12.当逆变器的出口电压与网侧电压之间的相位差小于某一阈值ε后，并网开关切换，逆变器切换至并网运行模式，控制开关切换，虚拟振荡控制器输入重新变为逆变器的出口电流，保证逆变器并网运行模式下的有功出力跟随给定值。
13.优选地，所述的基于全逆变器微电网的稳态指标确定全逆变器微电网的关键控制参数，包括：
14.虚拟振荡器控制器在αβ坐标系下的状态空间方程：
[0015][0016]
取得到式(1)在极坐标系下的控制方程：
[0017][0018][0019]
从式(2)与式(3)可以看出，待确定的全逆变器微电网的关键控制参数为：v
ref
、ωg、ρ、σ、其中v
ref
为额定电压幅值；ωg＝2πfg，为额定角频率；ρ为输入电流的缩放系数；σ为稳定速度参数；为旋转角度，取值决定了逆变器稳态的下垂特性。
[0020]
优选地，所述的基于预同步时间要求确定预同步参数，包括：
[0021]
hopf型虚拟振荡器控制器下的逆变器，在参数选取合理的情况下，由并网模式切换为离网模式时无需更改控制结构，在由离网模式向并网模式切换前，需要切换控制器的反馈输入量进行预同步；
[0022]
在进行预同步前，虚拟振荡器控制器的输入切换为：
[0023][0024]
其中[u1,u2]为虚拟振荡器控制器的输入；κ为预同步参数，由预同步时间决定；[v
α
,v
β
]为逆变器端口电压在αβ坐标系下的分量；[v
g,α
,v
g,β
]为电网电压在αβ坐标系下的分量；
[0025]
则虚拟振荡器控制器的控制方程变为：
[0026][0027]
取
[0028]
且假设预同步过程中v≈vg，则
[0029][0030]
取相位差δ＝θ
g-θ，则
[0031][0032]
对式(13)在平衡点δ
eq
处分析，得：
[0033][0034]
从式(14)得出，δ
eq,1
＝0为稳定平衡点，δ
eq,2
＝π为不稳定平衡点，相角差会逐步减小为0，实现自发的预同步；
[0035]
为了不失一般性，定义δ由0.9π减小至0.1π的时间为t
sync
，对式(13)积分可得：
[0036][0037]
根据式(15)来选取预同步参数κ。
[0038]
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供了一种基于虚拟振荡器控制器的灾中微电网运行模式平滑切换方法，考虑电网稳态电压频率指标与预同步时间要求，实现微电网运行模式的平滑切换，保障电网内重要负荷的不间断供电。
[0039]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0040]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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。
[0041]
图1为本发明实施例提供的一种基于虚拟振荡器控制器的灾中微电网运行模式平滑切换方法的实现原理图；
[0042]
图2为本发明实施例提供的一种预同步过程相位图
[0043]
图3为本发明实施例提供的一种逆变器出口电流波形图(未预同步)
[0044]
图4为本发明实施例提供的一种逆变器出口电流波形图(预同步)
[0045]
图5为本发明实施例提供的一种逆变器输出有功功率波形图(预同步)。
具体实施方式
[0046]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0047]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0048]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0049]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0050]
本发明实施例基于电网对稳态电压/频率波动范围的要求，确定hopf虚拟振荡控制器的各控制参数；然后，根据电网对并网前预同步时间的要求确定同步控制环节的控制参数，完成整个控制结构的设计。
[0051]
本发明实施例提供的一种基于虚拟振荡器控制器的灾中微电网运行模式平滑切换方法的实现原理图如图1所示，包括如下的处理步骤：
[0052]
步骤1：基于全逆变器微电网的稳态指标确定全逆变器微电网的关键控制参数。
[0053]
如图1所示，微电网由dc/ac逆变器、lcl滤波器、虚拟振荡控制器和并网开关组成。其中虚拟振荡控制器的内部逻辑全部由编程实现，为数字化控制器；逆变器经过lcl滤波器连接至微电网。逆变器投入运行时，实时量测逆变器的出口电流，将该出口电流作为虚拟振荡控制器的输入信号，并将虚拟振荡控制器的输出电压变换至三相坐标系后，作为逆变器的端口电压参考信号输入到pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)调制器中进行调制。
[0054]
从图1可得虚拟振荡器控制器在αβ坐标系下的状态空间方程：
[0055]
[0056]
取可得式(1)在极坐标系下的控制方程：
[0057][0058][0059]
从式(2)与式(3)可以看出，待确定的控制参数为：v
ref
、ωg、ρ、σ、其中v
ref
为额定电压幅值；ωg＝2πfg，为额定角频率；ρ为输入电流的缩放系数；σ为稳定速度参数；为旋转角度，取值决定了逆变器稳态的下垂特性；
[0060]
本发明以为例进行控制参数的选取。
[0061]
取则式(2)与式(3)变为：
[0062][0063][0064]
稳态时，有则式(4)与式(5)在稳态下变为：
[0065][0066][0067]
可以看出，虚拟振荡器控制器具有线性的稳态下垂特性，但无需实时的功率计算与低通滤波环节。关键控制参数的选取如下：
[0068][0069][0070]
根据式(8)与式(9)，可确定参数ρ与参数σ。
[0071]
步骤2：全逆变器微电网的关键控制参数选取完毕后，逆变器并网启动，并将逆变器出口电流与参考电流差值输入至虚拟振荡控制器，以此来控制逆变器功率输出的跟随给定值。
[0072]
步骤3：基于预同步时间要求确定预同步参数
[0073]
在并网运行模式下，若上级电网突然遭受扰动、并网开关断开，导致上级电网失去与本地微电网的连接时，逆变器需要尽可能快地由并网运行模式切换至离网运行模式，从而保障本地微电网内部负荷的供电。在扰动被清除后，当上级电网重新具备向微电网供应电能的能力时，逆变器需要由离网运行模式重新切换至并网运行模式运行。当逆变器需要重新并网运行时，需要尽可能遵守调度中心下发的指令，在规定时间内完成预同步，之后并网开关闭合完成并网操作，因此，可根据预同步时间来设计虚拟振荡控制器在预同步运行
模式下的控制参数。
[0074]
hopf型虚拟振荡器控制器下的逆变器，在参数选取合理的情况下，由并网模式切换为离网模式时无需更改控制结构；在由离网模式向并网模式切换前，需要切换控制器的反馈输入量，使逆变器工作在预同步模式，为并网操作做准备。
[0075]
如图1所示，在逆变器进行由离网模式向并网模式切换的预同步操作中，虚拟振荡器控制器的输入切换为：
[0076][0077]
则虚拟振荡器控制器的控制方程变为：
[0078][0079]
取
[0080]
且假设预同步过程中v≈vg，则
[0081][0082]
取相位差δ＝θ
g-θ，则
[0083][0084]
对式(13)在平衡点δ
eq
处分析，得：
[0085][0086]
从式(14)可以看出，δ
eq,1
＝0为稳定平衡点，δ
eq,2
＝π为不稳定平衡点。因此，相角差会逐步减小为0，实现自发的预同步。
[0087]
为了不失一般性，定义δ由0.9π减小至0.1π的时间为t
sync
，对式(13)积分可得：
[0088][0089]
可根据式(15)来选取预同步参数κ。
[0090]
由式(15)可知，预同步参数κ的大小决定了预同步的时间长短，因此可根据调度中心对逆变器并网时间的要求来选取同步参数κ。
[0091]
步骤4：预同步参数确定之后，切换控制开关，使虚拟振荡控制器的输入变为逆变器的出口电压与网侧电压之间的相位差，等待相位同步。
[0092]
步骤5：当逆变器的出口电压与网侧电压之间的相位差小于某一阈值ε后，并网开关切换，逆变器切换至并网运行模式。同时，控制开关切换，虚拟振荡控制器输入重新变为
逆变器出口电流，保证逆变器并网运行模式下的有功出力跟随给定值。
[0093]
实施例一
[0094]
下面以单机逆变器并网测试算例来验证本发明提出的微电网运行方式平滑切换设计方法的有效性，其结构图仍然如附图1所示，用于验证控制算法有效性的结果来自于仿真软件plecs。
[0095]
系统仿真时间为1.5秒，逆变器的有功容量为20kw，无功容量为20kvar，有功输出给定值p
ref
＝10kw，无功输出给定值q
ref
＝0var。假设预同步时间为0.05s。
[0096]
系统的初始总负荷load＝15kw。t＝0时刻，逆变器并网启动；t＝0.5时，上级电网由于故障断开，t＝0.6s时，故障被清除。t＝0.65s时，预同步装置投入使用，做预同步准备，t＝0.69s时，预同步装置退出使用，t＝0.7s时并网开关动作，逆变器并网运行。
[0097]
预同步过程中逆变器出口电压与电网电压相角变化示意图如图2所示，可以看出，当预同步装置投入使用后，由于初始相角差小于0.9π，相角差在0.05s内减小到0。图3与图4分别为在不进行预同步与进行预同步操作下，逆变器并网后的电流波形图。可以看出，预同步装置的投入有效避免了并网时的过电流，并能在0.3s内迅速过渡至稳定状态。同时，从电流波形可以看出，当上级电网因故障断开连接后，在控制结构不发生任何改变的情况下，逆变器输出电流可以迅速增加，快速弥补由于上级电网断开造成的功率缺额，保障负荷的不间断供电，此特性从逆变器输出有功功率波形图同样可以看出。
[0098]
步骤一：根据逆变器容量大小、预同步时间、稳态电压/频率偏差范围，选取逆变器控制参数。
[0099]
步骤二：逆变器并网启动，并根据实际调度情况给定逆变器输出功率参考值。
[0100]
步骤三：根据预同步时间要求确定预同步控制参数。
[0101]
步骤四：在并网操作前切换控制开关，使虚拟振荡器工作在预同步模式。
[0102]
步骤五：在并网完成后快速切换控制开关回电流反馈输入模式，保障并网运行模式下功率输出的可调度性。
[0103]
图5是逆变器输出有功功率波形图(预同步)，表1是控制参数表，表2是电气参数表。
[0104]
表1控制参数表
[0105][0106][0107]
表2电气参数表
[0108][0109]
综上所述，本发明实施例提供了一种涉及极端事件发生后微电网运行模式的平滑切换方法，基于降阶hopf振荡电路实现虚拟振荡控制器，通过引入电网电压作为反馈输入量，构造相位同步状态空间方程，通过参数设计决定预同步时间，实现微电网运行模式的平滑切换。
[0110]
本发明实施例方法考虑电网稳态电压频率指标与预同步时间要求，实现微电网运行模式的平滑切换，保障电网内重要负荷的不间断供电。
[0111]
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0112]
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0113]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0114]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。