一種基於內模控制的微電網並離網平滑切換控制方法與流程
2023-05-09 04:40:29
本發明屬於微電網運行控制領域，具體來說，涉及一種基於內模控制的微電網並離網平滑切換控制方法。
背景技術：
隨著傳統能源供應短缺以及對用電可靠性的提高，以高效、清潔的分布式電源(distributedgeneration，DG)為基礎，結合儲能單元、負荷和相關控制裝置的微電網成為一種靈活、先進的新型供電方式，是近年來國內外研究的熱點。微網中的微源包括光伏、風電、蓄電池、微型燃氣輪機等，通常通過電力電子裝置(如變流器)並聯運行。對於光伏、風機等微源，其輸出功率大小受天氣影響較大，一般按最大功率或恆功率輸出，稱之為從電源；對於蓄電池、燃料電池等具有儲能特性的微源，控制相對靈活，既可採用恆功率控制，也可在孤島模式下作為電壓源應用，稱之為主電源。
微網既可以與大電網並聯運行，也可以在電網故障下孤島運行，獨立為本地負載供電，具有較高的供電安全性和可靠性。微網的主要控制方法可歸結為主從控制和下垂控制。由於主從控制可以方便地應用現有的商用逆變器，現階段微網示範工程及相應研究仍以主從結構為主。它是依託一臺功率穩定且容量較大的電源擔負組網電源(如儲能變流器)，在併網時採用PQ控制；在孤島時工作於v/f模式，靈活快速調整有功/無功功率的吞吐，為其他DG提供電壓頻率支撐。因此，當微網在併網/孤島模式間進行切換時，主逆變器的控制結構也需要進行相應調整，如何減少不同控制器的結構切換對系統動態性能的擾動，一直以來是主從結構下模式轉換的難點。此外相對於傳統電網，微電網慣性小，不論風、光等間歇性電源的輸出功率波動、負載消耗功率以及模型參數攝動等一系列擾動均將引起顯著的瞬時波動，如何保證DG快速、準確響應功率需求，保持負載電壓穩定，對微電網的控制方法提出了挑戰，尤其是實現併網/孤島模式的平滑切換，已成為微網控制的重要技術特徵。因此，微電網必須要有一套有效的控制系統，主動抑制微電網運行過程中供需功率擾動和控制結構擾動對系統動態性能的影響，使影響控制在合理範圍內，甚至消除擾動，提升微網穩定性、動態性能，提高電能質量。
技術實現要素：
技術問題：本發明所要解決的技術問題是：提供一種基於內模控制的微電網並離網平滑切換控制方法，該控制方法能夠避免微電網並離網運行模式切換時不同逆變器控制環路切換帶來的擾動，而且基於擾動觀測器的內模控制可主動抑制供需功率擾動，並具有理想的跟蹤性能和抗擾性能。
技術方案：為解決上述技術問題，本發明採取以下技術方案：
一種基於內模控制的微電網並離網平滑切換控制方法，該控制方法包括下述步驟：
步驟10)利用微電網能量管理器採集主電網運行信息，根據主電網的運行信息選擇微電網操作模式，並下發操作指令到微電網主逆變器；若主電網正常運行，微電網工作於併網模式；若主電網發生故障，微電網工作於離網模式；
步驟20)主逆變器功率環採用下垂控制方式，產生主逆變器參考電壓及參考頻率，如式(1)和式(2)所示：
winv＝wn-m(P-Pn) 式(2)
式中，表示主逆變器本地輸出電壓參考指令，單位：千伏；vn表示主逆變器輸出電壓的額定值，單位：千伏；n表示分布式電源的電壓下垂特性係數，單位：千伏/兆乏；Q表示分布式電源實際輸出無功功率，單位：兆乏；Qn表示在額定電壓下，分布式電源輸出無功功率，單位：兆乏；winv表示主逆變器本地角頻率參考指令，wn表示主逆變器角頻率額定值，單位：弧度/秒；m表示分布式電源的頻率下垂特性係數，單位：弧度/秒·兆瓦；P表示分布式電源實際輸出有功功率，單位：兆瓦；Pn表示在額定角頻率下，分布式電源輸出有功功率，單位：兆瓦；
步驟30)採集微電網運行數據，將基於擾動觀測器的內模控制應用於電壓電流雙環控制器，提高控制系統魯棒性和跟蹤性能；
步驟40)根據微電網運行模式，進行電壓和相位的控制：微電網由併網模式切換至離網模式時，保持上一時刻操作值，避免暫態擾動；微電網由離網模式切換至併網模式時，進行預同步操作，使偏差減小至允許範圍內。
作為優選例，所述的步驟30)包括：電壓外環採用比例積分控制器，如式(3)所示：
式中，表示在dq參考坐標系下，電流環參考設定值的d軸分量，單位：千安；kup表示電壓比例積分控制器中比例項係數，kui表示電壓比例積分控制器中積分項係數，1/s表示積分作用；表示在dq參考坐標系下，的d軸分量，vod表示在dq參考坐標系下，主逆變器輸出電壓vo的d軸分量，Cf表示逆變器終端所連接的LC濾波器中電容器數值，單位:法拉；表示在dq參考坐標系下，主逆變器輸出電壓vo的q軸分量，單位：千伏；表示在dq參考坐標系下，電流環參考設定值的q軸分量，單位：千安；表示在dq參考坐標系下，的q軸分量，單位：千伏；dq參考坐標系是指將abc交流坐標系經過派克變換得到的直流旋轉坐標系；
電流內環採用比例控制器，如式(4)所示：
式中，vid表示在dq參考坐標系下，主逆變器電流控制器輸出的調製波電壓的d軸分量，viq表示在dq參考坐標系下，主逆變器電流控制器輸出的調製波電壓的q軸分量，單位：千伏；kip表示電流比例控制器中比例項係數，iid表示在dq參考坐標系下，主逆變器輸出電流值的d軸分量，iiq表示在dq參考坐標系下，主逆變器輸出電流值的q軸分量，單位：千安；Lf表示逆變器終端所連接的LC濾波器中電感數值，單位：亨利；
根據式(3)和式(4)，建立電壓電流雙環模型作為廣義被控對象，如式(5)所示：
式中，G(s)表示廣義被控對象，kpwm表示主逆變器電壓增益，Rf表示濾波器中濾波電阻，s表示表示微分；
內模控制器前饋項如式(6)所示，擾動觀測器前饋項如式(7)所示：
式中，f(s)表示內模控制前饋項的低通濾波器，Gn(s)表示廣義被控對象的標稱模型；λ表示f(s)的濾波時間常數，單位：秒；表示Lf的標稱值；表示Cf的標稱值；表示Rf的標稱值；Q(s)表示擾動觀測器前饋項的低通濾波器，Tf表示Q(s)的濾波時間常數，單位:秒；
內模控制前饋項對應控制系統跟蹤性能，通過前饋補償將輸入輸出傳遞函數單位化，提高設定值跟蹤性能；擾動觀測器前饋項對應控制系統抗擾性能，實時估計微電網運行工況下等效功率擾動，並通過前饋補償於電流環設定值，提高系統魯棒性，將基於擾動觀測器的內模控制應用於電壓電流環，提高控制系統動態性能。
作為優選例，所述的步驟30)中，主逆變器本地輸出電壓參考指令與主逆變器輸出電壓v o的差值由電壓外環消除。
作為優選例，所述的步驟30)中，擾動觀測器前饋項實時估計微電網運行工況下等效功率擾動，所述擾動包括分布式電源功率輸出擾動、負載消耗功率擾動以及模型參數攝動。
作為優選例，所述的步驟40)具體包括：首先對電網電壓鎖相，採集電網側相角θg與主逆變器相角θinv進行比較，經過積分作用得到頻率補償量Δwc，將頻率補償量Δwc補償於主逆變器本地角頻率參考指令winv中；為保證微網側頻率及相角同時跟隨電網側額定值，需維持兩側相角重合狀態一定時間，當滿足設定時間時，頻率預同步完成；對於幅值預同步，採集主逆變器輸出電壓vo與電網側額定電壓vg進行比較，經過積分作用得到電壓補償量Δvc，將電壓補償量補償於主逆變器本地輸出電壓參考指令中；當微網側和電網側的相角偏差和電壓幅值偏差同時減小至允許範圍內，預同步過程完成，進行併網操作。
有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：在併網模式和離網模式下，主逆變器功率環都採用下垂控制產生電壓環參考值及頻率參考值，避免了常規算法中模式轉換過程引起的控制環路切換，為實現微網工作模式的平滑過渡奠定基礎；將基於擾動觀測器的內模控制應用於電壓電流雙環控制結構，不僅能夠有效抵消系統中供需功率不平衡的影響並提高對模型參數攝動的魯棒性，同時優化控制環路跟蹤性能，進一步改善模式切換過程的動態品質。該控制方法實現簡單，只是在傳統方案上增加線性控制結構，適用於採用數位訊號處理器DSP等實現的逆變器算法，具有較好的實際推廣價值。
附圖說明
圖1是本發明實施例的流程圖；
圖2(a)是本發明實施例中電壓下垂控制結構圖；
圖2(b)是本發明實施例中頻率下垂控制結構圖；
圖3是本發明實施例中基於內模控制的電壓電流雙環控制結構圖；
圖4(a)是本發明實施例中微電網過渡過程中相位預同步控制框圖；
圖4(b)是本發明實施例中微電網過渡過程中電壓預同步控制框圖；
圖5是本發明實施例中中採用的微電網仿真系統圖；
圖6(a)是本發明實施例中併網轉孤島模式主逆變器輸出電壓仿真結果；
圖6(b)是本發明實施例中併網轉孤島模式主逆變器輸出電流仿真結果；
圖7(a)是採用傳統無內模控制的併網轉孤島模式主逆變器輸出電壓仿真結果；
圖7(b)是採用傳統無內模控制的併網轉孤島模式主逆變器輸出電流仿真結果；
圖8(a)是本發明實施例中孤島模式主逆變器輸出電壓仿真結果；
圖8(b)是本發明實施例中孤島模式主逆變器輸出電流仿真結果；
圖8(c)是本發明實施例中孤島模式微電網角頻率仿真結果。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施案例對本發明進行深入地詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施案例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定發明。
如圖1所示，本發明實施例的一種基於內模控制的微電網並離網平滑切換控制方法，包括下述步驟：
步驟10)利用微電網能量管理器採集主電網運行信息，根據主電網的運行信息選擇微電網操作模式，並下發操作指令到微電網主逆變器。若主電網正常運行，微電網工作於併網模式；若主電網發生故障，微電網工作於離網模式。
步驟20)主逆變器功率環採用下垂控制方式，產生主逆變器參考電壓及參考頻率，如式(1)和式(2)所示：
winv＝wn-m(P-Pn) 式(2)
式中，表示主逆變器本地輸出電壓參考指令，單位：千伏；vn表示主逆變器輸出電壓的額定值，單位：千伏；n表示分布式電源的電壓下垂特性係數，單位：千伏/兆乏；Q表示分布式電源實際輸出無功功率，單位：兆乏；Qn表示在額定電壓下，分布式電源輸出無功功率，單位：兆乏；winv表示主逆變器本地角頻率參考指令，wn表示主逆變器角頻率額定值，單位：弧度/秒；m表示分布式電源的頻率下垂特性係數，單位：弧度/秒·兆瓦；P表示分布式電源實際輸出有功功率，單位：兆瓦；Pn表示在額定角頻率下，分布式電源輸出有功功率，單位：兆瓦。
實際中，vn和wn取為電網側額定值。微電網併網運行時，主逆變器本地輸出電壓參考指令和角頻率參考指令winv受大電網鉗制，輸出有功功率Pn、無功功率Qn。微電網離網運行時，主逆變器作為主電源承擔系統的電壓/頻率支撐，維持功率平衡。
步驟30)採集微電網運行數據，將基於擾動觀測器的內模控制應用於電壓電流雙環控制器，提高控制系統魯棒性和跟蹤性能。
具體來說，步驟30)包括：電壓外環採用比例積分控制器，如式(3)所示：
式中，表示在dq參考坐標系下，電流環參考設定值的d軸分量，單位：千安；kup表示電壓比例積分控制器中比例項係數，kui表示電壓比例積分控制器中積分項係數，1/s表示積分作用；表示在dq參考坐標系下，的d軸分量，vod表示在dq參考坐標系下，主逆變器輸出電壓vo的d軸分量，Cf表示逆變器終端所連接的LC濾波器中電容器數值，單位:法拉；表示在dq參考坐標系下，主逆變器輸出電壓vo的q軸分量，單位：千伏；表示在dq參考坐標系下，電流環參考設定值的q軸分量，單位：千安；表示在dq參考坐標系下，的q軸分量，單位：千伏；dq參考坐標系是指將abc交流坐標系經過派克變換得到的直流旋轉坐標系；
電流內環採用比例控制器，如式(4)所示：
式中，vid表示在dq參考坐標系下，主逆變器電流控制器輸出的調製波電壓的d軸分量，viq表示在dq參考坐標系下，主逆變器電流控制器輸出的調製波電壓的q軸分量，單位：千伏；kip表示電流比例控制器中比例項係數，iid表示在dq參考坐標系下，主逆變器輸出電流值的d軸分量，iiq表示在dq參考坐標系下，主逆變器輸出電流值的q軸分量，單位：千安；Lf表示逆變器終端所連接的LC濾波器中電感數值，單位：亨利；
根據式(3)和式(4)，建立電壓電流雙環模型作為廣義被控對象，如式(5)所示：
式中，G(s)表示廣義被控對象，kpwm表示主逆變器電壓增益，Rf表示濾波器中濾波電阻，s表示表示微分；
內模控制器前饋項如式(6)所示，擾動觀測器前饋項如式(7)所示：
式中，f(s)表示內模控制前饋項的低通濾波器，Gn(s)表示廣義被控對象的標稱模型；λ表示f(s)的濾波時間常數，單位：秒；表示Lf的標稱值；表示Cf的標稱值；表示Rf的標稱值；Q(s)表示擾動觀測器前饋項的低通濾波器，Tf表示Q(s)的濾波時間常數，單位:秒；
內模控制前饋項對應控制系統跟蹤性能，通過前饋補償將輸入輸出傳遞函數單位化，提高設定值跟蹤性能；擾動觀測器前饋項對應控制系統抗擾性能，實時估計微電網運行工況下等效功率擾動，並通過前饋補償於電流環設定值，提高系統魯棒性，將基於擾動觀測器的內模控制應用於電壓電流環，提高控制系統動態性能。
作為優選，所述的步驟30)中，為提高電流內環響應速度，電流內環採用比例控制器，主逆變器本地輸出電壓參考指令與主逆變器輸出電壓v o的差值由電壓外環消除。
步驟30)中，擾動觀測器前饋項實時估計微電網運行工況下等效功率擾動，所述擾動包括分布式電源功率輸出擾動、負載消耗功率擾動以及模型參數攝動。
步驟30)中，內模控制器前饋項及擾動觀測器前饋項的設計重點分別為濾波時間常數λ和Tf。在實際調試過程中，首先假設模型無差，調試λ使控制器跟蹤性能最優；再加入擾動觀測器前饋項，調試Tf提高系統抗擾性能。
步驟40)根據微電網運行模式，進行電壓和相位的控制：微電網由併網模式切換至離網模式時，保持上一時刻操作值，避免暫態擾動；微電網由離網模式切換至併網模式時，進行預同步操作，使偏差減小至允許範圍內。所述的步驟40)具體包括：首先對電網電壓鎖相。本實施例中優選使用二階廣義積分提取正序分量，可以避免不平衡負載等影響。採集電網側相角θg與主逆變器相角θinv進行比較，經過積分作用得到頻率補償量Δwc，將頻率補償量Δwc補償於主逆變器本地角頻率參考指令winv中；為保證微網側頻率及相角同時跟隨電網側額定值，需維持兩側相角重合狀態一定時間，當滿足設定時間時，頻率預同步完成；對於幅值預同步，採集主逆變器輸出電壓vo與電網側額定電壓vg進行比較，經過積分作用得到電壓補償量Δvc，將電壓補償量補償於主逆變器本地輸出電壓參考指令中；當微網側和電網側的相角偏差和電壓幅值偏差同時減小至允許範圍內，預同步過程完成，進行併網操作。
通過以上步驟，形成了基於內模控制的微電網平滑切換控制方法。在微電網離網/併網模式下，功率環採用下垂控制，避免不同運行模式切換引起的控制環路切換；將基於擾動觀測器的內模控制應用於電壓電流環，實現了微電網操作過程中功率擾動影響的主動抑制以及設定值跟蹤性能的改善，提升了系統穩定性和動態性能。相比於其他微電網平滑切換方法，本控制方法同時抑制了控制結構擾動和功率擾動。
本發明實施例中的微電網電壓下垂控制框圖如2(a)所示，頻率下垂控制框圖如圖2(b)所示。電壓下垂控制通過主逆變器輸出無功功率與輸出電壓之間的關係得到電壓參考值。頻率下垂控制通過主逆變器輸出有功功率與頻率之間的關係得到逆變器參考頻率，進而得到逆變器相角。
本發明實施例中的基於內模控制的電壓電流雙環控制框圖如3所示，該控制框圖主要包括三部分，一部分是基本的電壓電流雙環控制器，一部分是擾動觀測器前饋項，最後一部分是內模控制器前饋項。電壓電流雙環中電流內環採用比例控制器，環路誤差由電壓控制器消除。擾動觀測器通過比較電流環設定值與逆變器輸出電壓，實時估計出等效功率擾動，並前饋補償於電流設定值中。內模控制器前饋項通過設定值前饋補償將輸入輸出傳遞函數單位化，提高了跟蹤性能。通過上述作用，反饋通道與前饋通道相互補充，滿足二自由度設計準則，實現了微電網操作過程中跟蹤性能與抗擾性能的同步改善，提升了系統動態品質。
本發明實施例中的相角預同步控制框圖如4(a)所示，通過電網相位提取環節基於二階廣義積分提取電網側dq變換參考相位，為微電網併網運行或者預同步操作過程提供相角參考；當預同步指令觸發預同步模塊時，通過比例積分調整逆變器側角頻率使逆變器側相角同步跟隨電網側相角。本發明實施例中的電壓幅值預同步控制框圖如4(b)所示，通過比例積分調整逆變器輸出電壓跟隨電網側電壓幅值。當微電網側與電網側相角差、電壓幅值差都小於閥值時下發併網指令，有效實現了離網至併網模式的無縫切換。
下面例舉一個實施例。
仿真系統如圖5所示，由能量管理器、靜態開關STS、主逆變器(儲能單元)和若干從逆變器(光伏逆變器/風電逆變器)以及用電負荷等構成。能量管理器採集電網側信號，決定微電網運行模式。在不同運行模式下，風電逆變器、光伏逆變器處於PQ控制模式，因此微電網操作運行的重點是主逆變器控制方法。正常情況下，微電網併網運行，STS閉合。微電網側電壓、頻率決定於電網側，主逆變器根據設定的下垂控制輸出額定有功功率和無功功率。當主電網故障，系統進入離網模式，STS斷開，主逆變器根據下垂控制提供微網頻率、電壓支撐。基於MATLAB/Simulink平臺搭建仿真微電網模型，分別對微電網並離網模式切換及孤島微電網發生加載或減載等情況進行了仿真，比較本發明實施例的微電網控制方法與傳統的微電網控制方法的差異。傳統的並離網控制方法是在切換瞬間使當前的控制器控制量跟隨先前的控制器控制量，只包含基本的電壓電流雙環反饋通道，不含設定值內模控制前饋項和負載電流擾動觀測前饋通道。
圖6為微電網採用本發明控制方法的微電網併網轉孤島仿真結果。相對於計劃性孤島，非計劃孤島實現平滑切換難度更高，尤其是聯絡線處有較大的功率傳輸時。開始時主逆變器運行於併網模式，由於下垂控制中額定有功功率Pn和無功功率Qn為零，則逆變器零功率輸出，負載功率全部由電網供給；0.2s時，電網故障導致微網進入孤島模式，負載功率全部由微電網供給，電網側功率供給為零。圖6(a)給出了微電網由併網至孤島運行模式切換過程中主逆變器輸出電壓波形，橫坐標表示時間，單位：秒，縱坐標表示輸出電壓，單位：伏。如圖6(a)所示，最初輸出電壓與電網側額定值一致，進入孤島後降低，但瞬時過程很短，兩個周波調節穩定，三相電壓未出現振蕩。圖6(b)給出了微電網由併網至孤島運行模式切換過程中主逆變器輸出電流波形，橫坐標表示時間，單位：秒，縱坐標表示輸出電流，單位：安。如圖6(b)所示，由於主逆變器下垂額定功率設置為0，最初微網側主逆變器電流輸出為零，進入孤島模式後輸出電流快速增加，三相未沒有出現振蕩。由圖6(a)、圖6(b)可知，採用本控制方法能夠實現併網/孤島運行模式的無縫切換，過程平滑、切換時間短，這是由於切換過程整套控制環路保持一致，未發生控制器切換，而且新增加的內模控制器前饋項和擾動觀測前饋項分別能夠提前估計並補償擾動，提高系統跟蹤性能和抗擾性能，提高了系統動態特性。
為了顯示本發明實施例中微電網運行控制策略的優勢，圖7為採用常規控制策略的微電網仿真結果。開始時主逆變器運行於併網模式，由於下垂控制中額定有功功率Pn和無功功率Qn為零，則逆變器零功率輸出，負載功率全部由電網供給；0.2s時，電網故障導致微網進入孤島模式，負載功率全部由微電網供給，電網側功率供給為零。圖7(a)給出了微電網由併網至孤島運行模式切換過程中主逆變器輸出電壓波形，橫坐標表示時間，單位：秒，縱坐標表示輸出電壓，單位：伏。如圖7(a)所示，最初輸出電壓與電網側額定值一致，進入孤島後降低，需要八九個周波才能穩定。圖7(b)給出了微電網由併網至孤島運行模式切換過程中主逆變器輸出電流波形，橫坐標表示時間，單位：秒，縱坐標表示輸出電流，單位：安。如圖7(b)所示，由於主逆變器下垂額定功率設置為0，最初微網側主逆變器電流輸出為零，進入孤島模式後輸出電流增加，初期出現了一定的畸變並且過渡過程出現振蕩，這是由於雖然狀態跟隨能一定平緩運行過程，但在模式轉化過程中控制環路發生控制器切換，導致控制過程出現振蕩。而本發明實施例中由於採用跟蹤值前饋項和擾動前饋項的補償作用，如圖6(a)、6(b)所示可以實現運行過程平滑切換。
圖8所示為微電網孤島模式下採用本發明方法進行加減載操作的仿真結果。系統首先運行於孤島空載模式，0.2s時投入負載，0.4s時切除負載。圖8(a)給出了微電網主逆變器輸出電壓波形，橫坐標表示時間，單位：秒，縱坐標表示輸出電壓，單位：伏。圖8(b)給出了微電網主逆變器輸出電流波形，橫坐標表示時間，單位：秒，縱坐標表示輸出電流，單位：安。圖8(c)給出了微電網主逆變器角頻率波形，橫坐標表示時間，單位：秒，縱坐標表示輸出電流，單位：弧度/秒。由圖可知，在孤島模式下加載操作時，輸出電壓稍微降低、輸出電流增加為負載提供功率，僅出現非常微小的抖動，很快進入穩態值；此時根據設定的下垂係數系統頻率降低0.5Hz(即角頻率降低πrad，約為311rad)，符合下垂特性。隨後進行減載操作時，輸出電壓在一兩個周波內恢復至額定值，而電流恢復至零輸出，同時角頻率升回至100π。本控制方法對孤島模式下微電網具有良好的動態調節性能。
本發明實施例的控制方法是基於內模控制的微電網並離網平滑切換控制方法。針對微電網運行過程中存在的供需功率功率擾動，尤其是不同操作模式下不同控制器切換引起的結構擾動。本控制方法在功率環中採用下垂控制，避免不同控制器切換。此外，採用包含內模控制前饋項和擾動觀測前饋項的改進電壓電流雙環結構，提高控制系統抗擾性能和跟蹤性能，實現了並離網無縫切換，平滑了動態過程，有效提高微電網的動態性能和電能質量。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和優點。本領域的技術人員應該了解，本發明不受上述具體實施例的限制，上述具體實施例和說明書中的描述只是為了進一步說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護的範圍由權利要求書及其等效物界定。