CN109842137B - 一种单三相混联微网群的协调控制方法 - Google Patents

一种单三相混联微网群的协调控制方法 Download PDF

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Abstract

一种单三相混联微网群的协调控制方法，包括建立基于比例谐振控制的恒压控制数学模型；采用电压外环电流内环的双闭环控制方案；采集三相功率信息并进行三相不平衡度判断；二级控制协调三个单相微电网与三相微电网之间的传输功率。本发明一种单三相混联微网群的协调控制方法，初级控制结构简单，易于实现，不需多次旋转坐标，降低了控制算法实现难度；二级控制直接对微网群公共耦合点的功率进行调节，操作简单，能够较好的消除静态误差，且在处理微电网群电压不平衡问题时也能取得较好的控制效果。

Description

一种单三相混联微网群的协调控制方法
技术领域
本发明属于微电网控制技术领域，具体是一种单三相混联微网群的协调控制方法。
背景技术
随着微电网应用规模的扩大，为了满足用户更多的需求，现阶段逐渐开始出现三相微电网与多种相序的单微网串并联而成的单三相混联微网群。单三相混联微网群在已有的微电网的基础上，提高了区域范围用户用电的可靠性，经济性和重要负荷的稳定性。微网群在接入不平衡负载时会出现电压不平衡现象，且电压不平衡会影响微网群内各个设备的正常运行。为了保障微网群内设备的正常运行，有必要对电压不平衡问题展开深入研究。
现有技术文献中：
Derivation of zero-sequence circulating current and the compensationof delta-connected static var generators for unbalanced load(Ma Fujun，Luo An，Xiong Qiaopo，et al.Derivation of zero-sequence circulating current and thecompensation of delta-connected static var generators for unbalanced load[J].IET Power Electronics，2016，9(3)：576-588.)通过安装电能质量补偿装置来解决三相功率不平衡和电压波动问题，虽然效果明显，但投资运行成本较高。
Flexible Active Power Control of Distributed Power Generation SystemsDuring Grid Faults(Rodriguez P,Timbus A V,Teodorescu R,et al.Flexible ActivePower Control of Distributed Power Generation Systems During Grid Faults[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2007,54(5):2583-2592.)基于瞬时功率理论，提出了不平衡下有功功率、无功功率的灵活控制，针对特定的控制目标分别设计了几种控制方法，但各个方法之间的耦合性较差。
Grid-Fault Control Scheme for Three-Phase Photovoltaic Inverters WithAdjustable Power Quality Characteristics(Castilla M,Miret J,Sosa J L,etal.Grid-Fault Control Scheme for Three-Phase Photovoltaic Inverters WithAdjustable Power Quality Characteristics[J].IEEE Transactions on PowerElectronics,2010,25(12):2930-2940.)当电网电压发生不平衡时，在三相三线制并网逆变器中无中性线，使得并网电流不存在零序分量，传统电流参考表达式中仅含有控制自由度，最终体现在并网电流无畸变与瞬时并网功率无波动之间的矛盾。
A Cooperative Imbalance Compensation Method for Distributed-Generation Interface Converters(Po-Tai Cheng,Chien-An Chen,Tzung-Lin Lee,etal.A Cooperative Imbalance Compensation Method for Distributed-GenerationInterface Converters[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2007,45(2):805-815.)为达到不平衡控制，提出了一种加入负序无功功率-电导环的下垂控制策略，该策略对输出电压的调节效果有限，且控制效果会在不平衡补偿与电压精度之间折中，这将导致电压不平衡的补偿效果不能达到最优。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种单三相混联微网群的协调控制方法，初级控制结构简单，易于实现，不需多次旋转坐标，降低了控制算法实现难度；二级控制直接对微网群公共耦合点的功率进行调节，操作简单，能够较好的消除静态误差，且在处理微电网群电压不平衡问题时也能取得较好的控制效果。
本发明采取的技术方案为：
一种单三相混联微网群的协调控制方法，包括以下步骤：
步骤1、建立基于比例谐振控制的恒压控制数学模型，该模型传递函数为：
Figure BDA0001996675000000021
其中：s为复频域算子，kp为比例常数，ki为积分常数；ω0为谐振频率。
步骤2、在静止坐标系下，对比例谐振控制器进行控制，在αβ坐标系下跟踪正弦参考电流，比例谐振控制在基波频率处具有无穷大的增益，可以实现零稳态误差，避免了耦合和解耦合运算。
步骤3、采用电压外环、电流内环双闭环控制，所述双闭环控制均采用比例谐振控制方法，其中，电压外环用于对输出电压的幅值进行调整，保证输出电压有效值的精度；电压外环输出结果作为电流内环的电流参考输入指令。
步骤4、采集公共耦合点处的电压电流信息，并进行功率计算，然后对不平衡度进行判断。其中各相母线间的传输功率不平衡度约束方程为：
Figure BDA0001996675000000022
其中：
Figure BDA0001996675000000023
在上述方程中，
Figure BDA0001996675000000024
为三相微电网1中各相的输出功率，
Figure BDA0001996675000000025
为三相微电网的平均功率，
Figure BDA0001996675000000031
为三相微电网1中储能装置各相的输出功率，
Figure BDA0001996675000000032
为三相微电网1中光伏发电单元各相的输出功率。
当不平衡度≤5％时，不需要二级控制协调公共耦合点处的传输功率。
当不平衡度>5％时，则需要二级控制协调公共耦合点处的传输功率。
步骤5、二级控制协调三个单相微电网与三相微电网之间的传输功率，其中二级控制的目标优化函数为：
Figure BDA0001996675000000033
其中，εj为三相微电网储能输出功率函数的系数，αf为单相微电网储能输出功率函数的系数，μi为三相微电网光伏输出功率函数的系数，βg为单相微电网光伏输出功率函数的系数；
Figure BDA0001996675000000034
为单相微电网和三相微电网的储能输出功率；
Figure BDA0001996675000000035
为单相微电网和三相微电网的光伏输出功率。
二级控制首先是通过改变各个单相微电网中的光伏输出功率，来满足公共耦合点处传输功率的调节量，当光伏输出功率不能满足公共耦合点传输功率的调节量时，则联合储能装置，通过光伏发电单元和储能装置的共同作用，来满足公共耦合点的传输功率以解决公共耦合点的电压不平衡问题。
本发明一种单三相混联微网群的协调控制方法，初级控制采用比例谐振(PR)控制，比例谐振控制器能够在静止坐标系下对交流信号实现无静差控制，具有抗电网电压波动的能力。在充分利用可再生能源发电的条件下，二级控制作用于微电网群公共耦合点处的传输功率实现对不平衡电压的控制。该方法能够保持微电网群的电压稳定，且在处理微电网群电压不平衡时能够取得较好的控制效果。
附图说明
图1为单三相混联微网群控制结构图。
图2为初级控制结构框图。
图3为微电网群处于不同控制策略下的不平衡度对比图。
具体实施方式
一种单三相混联微网群的协调控制方法，包括以下步骤：
步骤1、建立基于比例谐振控制的恒压控制数学模型，该模型传递函数为：
Figure BDA0001996675000000036
其中：s为复频域算子，kp为比例常数，ki为积分常数；ω0为谐振频率。
步骤2、在静止坐标系下，对比例谐振控制器进行控制，PR控制避免了复杂的abc-dq坐标变换，在αβ坐标系下跟踪正弦参考电流，比例谐振控制在基波频率处具有无穷大的增益，可以实现零稳态误差，避免了耦合和解耦合运算。
步骤3、采用电压外环、电流内环双闭环控制，为实现恒压控制，所述双闭环控制均采用比例谐振控制方法，其中，电压外环用于对输出电压的幅值进行调整，保证输出电压有效值的精度；电压外环输出结果作为电流内环的电流参考输入指令。
步骤4、采集公共耦合点处的电压电流信息，并进行功率计算，然后对不平衡度进行判断。其中各相母线间的传输功率不平衡度约束方程为：
Figure BDA0001996675000000041
其中：
Figure BDA0001996675000000042
在上述方程中，
Figure BDA0001996675000000043
为三相微电网1中各相的输出功率，
Figure BDA0001996675000000044
为三相微电网的平均功率，
Figure BDA0001996675000000045
为三相微电网1中储能装置各相的输出功率，
Figure BDA0001996675000000046
为三相微电网1中光伏发电单元各相的输出功率。
当不平衡度≤5％时，不需要二级控制协调公共耦合点处的传输功率。
当不平衡度>5％时，则需要二级控制协调公共耦合点处的传输功率。
步骤5、二级控制协调三个单相微电网与三相微电网之间的传输功率，其中二级控制的目标优化函数为：
Figure BDA0001996675000000047
其中，εj为三相微电网储能输出功率函数的系数，αf为单相微电网储能输出功率函数的系数，μi为三相微电网光伏输出功率函数的系数，βg为单相微电网光伏输出功率函数的系数。
Figure BDA0001996675000000048
为单相微电网和三相微电网的储能输出功率；
Figure BDA0001996675000000049
为单相微电网和三相微电网的光伏输出功率。该目标优化函数是为了最大化的利用可再生能源发电，同时让储能的发电量最小化。
二级控制首先是通过改变各个单相微电网中的光伏输出功率，来满足公共耦合点处传输功率的调节量，当光伏输出功率不能满足公共耦合点传输功率的调节量时，则联合储能装置，通过光伏发电单元和储能装置的共同作用，来满足公共耦合点的传输功率以解决公共耦合点的电压不平衡问题。
所述二级控制的储能约束条件为：
Figure BDA0001996675000000051
Figure BDA0001996675000000052
Figure BDA0001996675000000053
Figure BDA0001996675000000054
其中，
Figure BDA0001996675000000055
为单相微电网储能输出功率最小值和最大值，
Figure BDA0001996675000000056
为单相微电网储能输出功率，
Figure BDA0001996675000000057
为三相微电网储能输出功率最小值和最大值，
Figure BDA0001996675000000058
为三相微电网储能输出功率，
Figure BDA0001996675000000059
单相微电网储能荷电状态最小值和最大值，
Figure BDA00019966750000000510
为单相微电网储能荷电状态，
Figure BDA00019966750000000511
为三相微电网储能荷电状态最小值和最大值，
Figure BDA00019966750000000512
为三相微电网储能荷电状态。
光伏约束条件为：
Figure BDA00019966750000000513
Figure BDA00019966750000000514
其中，
Figure BDA00019966750000000515
为单相微电网光伏输出功率的最小值、最大值和三相微电网光伏输出功率的最小值、最大值；
Figure BDA00019966750000000516
为单相微电网的光伏输出功率，
Figure BDA00019966750000000517
为三相微电网的光伏输出功率。
功率平衡约束条件为：
A相：
Figure BDA00019966750000000518
B相：
Figure BDA00019966750000000519
C相：
Figure BDA00019966750000000520
其中：
Figure BDA00019966750000000521
为A相单相微电网2、B相单相微电网3、C相单相微电网4的储能输出功率，
Figure BDA00019966750000000522
为A相单相微电网2、B相单相微电网3、C相单相微电网4的光伏输出功率，
Figure BDA00019966750000000523
为微网群各相负荷功率，
Figure BDA00019966750000000524
为三相微电网1各相的储能输出功率，
Figure BDA00019966750000000525
为三相微电网1各相的光伏输出功率。
图1为单三相混联微网群控制结构图。微网群由4个微电网组成，其中三相微电网1为三相微电网且在整个多微网中起主导作用，其包括储能装置、光伏发电单元和三相负载。A相单相微电网2、B相单相微电网3、C相单相微电网4是单相微电网且分别单独接在三相微电网1的A、B、C三相。整个微网群通过并离网开关L1与配电网相连。当并离网开关L1断开时，微网群处于孤岛运行模式，此时A相单相微电网2、B相单相微电网3、C相单相微电网4仍然接在三相微电网1中，并且由三相微电网1中的主电源储能为整个微网群提供电压和频率支撑。
初级控制利用比例谐振控制器和电压电流双闭环控制，来达到恒压控制的目的，二级控制则通过联合协调三相微电网与三个单相微电网公共耦合点的传输功率来控制不平衡电压。当传输功率不平衡度>5％时，先计算A相单相微电网2、B相单相微电网3、C相单相微电网4与三相微电网1公共耦合点处传输功率的调节量△P1、△P2、△P3，然后再比较单相微电网2、3、4的光伏输出功率的可调节量△PPV和传输功率的调节量△P。
当A相单相微电网2、B相单相微电网3、C相单相微电网4中的各个光伏输出功率的可调节量△PPV大于等于传输功率调节量△P时，则直接由各个单微网的光伏发电单元进行协调。当A相单相微电网2、B相单相微电网3、C相单相微电网4的各个光伏输出功率的可调节量△PPV小于△P时，则由三相微电网与各个单微网共同协调。
图2是初级控制结构框图。初级控制采用的是比例谐振控制器，且控制结构为电压外环电流内环的双闭环控制。首先将逆变器输出的三相电压进行坐标变换到静止坐标下,再经过PR控制器实现对受控信号的无静差调节。电压外环输出结果作为电流内环的电流参考输入指令。电流内环构成电流随动***能大大加快抵御扰动的动态过程。电压电流双闭环控制充分利用了***的状态信息,不仅动态性能好,而且稳态精度也高。比例谐振控制器的传递函数为:
Figure BDA0001996675000000061
Figure BDA0001996675000000062
其中，Kpv,Kiv为电压外环比例常数和积分常数，Kpi,Kii为电流内环比例常数和积分常数。在本发明中，其参数的设计为：Kpv＝0.4,Kiv＝20,Kii＝0.05,Kpi＝1。
该控制方法将三相交流控制问题转化为两项交流控制问题，避免了电流的正负序分量分解过程。比例谐振控制器在谐振频率ω0附近较窄的宽带内具有较高的增益，从而限制了控制信号和参考信号之间的稳态误差。
图3是微电网群采用传统控制策略与采用本发明提出控制策略的电压不平衡度对比图。正序和负序电压分量的比值为不平衡度。在t＝0.4s时，在微网群中接入单相不平衡负载(RB＝6Ω，LB＝4mH)，在图中分别用实线和虚线来表示基于传统控制策略和基于本专利提出控制策略的电压不平衡度。由图3可以看出，在t＝0.4s加入单相负载后，采用传统控制策略的电压不平衡度约为3.8％；采用本发明提出控制策略的电压不平衡度约为1.9％。上述的对比结果表明，本发明所提出的双层协调控制***及方法在处理电压不平衡时，能够取得较好的控制效果。

Claims (2)

1.一种单三相混联微网群的协调控制方法，其特征在于：
微网群由4个微电网组成，其中，三相微电网1为三相微电网且在整个多微网中起主导作用，其包括储能装置、光伏发电单元、三相负载；
A相单相微电网2、B相单相微电网3、C相单相微电网4是单相微电网、且分别单独接在三相微电网1的A、B、C三相；整个微网群通过并离网开关L1与配电网相连；当并离网开关L1断开时，微网群处于孤岛运行模式，此时A相单相微电网2、B相单相微电网3、C相单相微电网4仍然接在三相微电网1中，并且由三相微电网1中的主电源储能为整个微网群提供电压和频率支撑；
微网群的协调控制方法包括以下步骤：
步骤1、建立基于比例谐振控制的恒压控制数学模型，该模型传递函数为：
Figure FDA0003578550930000011
其中：s为复频域算子，kp为比例常数，ki为积分常数；ω0为谐振频率；
步骤2、在静止坐标系下，对比例谐振控制器进行控制，在αβ坐标系下跟踪正弦参考电流，比例谐振控制在基波频率处具有无穷大的增益，能够实现零稳态误差；
步骤3、采用电压外环、电流内环双闭环控制，所述双闭环控制均采用比例谐振控制方法，其中，电压外环用于对输出电压的幅值进行调整，保证输出电压有效值的精度；电压外环输出结果作为电流内环的电流参考输入指令；
步骤4、采集公共耦合点处的电压电流信息，并进行功率计算，然后对不平衡度进行判断；其中各相母线间的传输功率不平衡度约束方程为：
Figure FDA0003578550930000012
其中：
Figure FDA0003578550930000013
在上述方程中，
Figure FDA0003578550930000014
为三相微电网1中各相的输出功率，
Figure FDA0003578550930000015
为三相微电网的平均功率，
Figure FDA0003578550930000016
为三相微电网1中储能装置各相的输出功率，
Figure FDA0003578550930000017
为三相微电网1中光伏发电单元各相的输出功率；
当不平衡度≤5％时，不需要二级控制协调公共耦合点处的传输功率；
当不平衡度>5％时，则需要二级控制协调公共耦合点处的传输功率；
步骤5、二级控制协调三个单相微电网与三相微电网之间的传输功率，其中二级控制的目标优化函数为：
Figure FDA0003578550930000021
其中，εj为三相微电网储能输出功率函数的系数，αf为单相微电网储能输出功率函数的系数，μi为三相微电网光伏输出功率函数的系数，βg为单相微电网光伏输出功率函数的系数；
Figure FDA0003578550930000022
为单相微电网和三相微电网的储能输出功率；
Figure FDA0003578550930000023
为单相微电网和三相微电网的光伏输出功率；
二级控制首先是通过改变各个单相微电网中的光伏输出功率，来满足公共耦合点处传输功率的调节量，当光伏输出功率不能满足公共耦合点传输功率的调节量时，则联合储能装置，通过光伏发电单元和储能装置的共同作用，来满足公共耦合点的传输功率。
2.根据权利要求1所述一种单三相混联微网群的协调控制方法，其特征在于：
所述二级控制的储能约束条件为：
Figure FDA0003578550930000024
Figure FDA0003578550930000025
Figure FDA0003578550930000026
Figure FDA0003578550930000027
其中，
Figure FDA0003578550930000028
为单相微电网储能输出功率最小值和最大值，
Figure FDA0003578550930000029
为所有单相微电网储能输出功率，
Figure FDA00035785509300000210
为三相微电网储能输出功率最小值和最大值，
Figure FDA00035785509300000211
为三相微电网储能输出功率，
Figure FDA00035785509300000212
为单相微电网储能荷电状态最小值和最大值，
Figure FDA00035785509300000213
为单相微电网储能荷电状态，
Figure FDA00035785509300000214
为三相微电网储能荷电状态最小值和最大值，
Figure FDA00035785509300000215
为三相微电网储能荷电状态；
光伏约束条件为：
Figure FDA00035785509300000216
Figure FDA00035785509300000217
其中，
Figure FDA00035785509300000218
为单相微电网光伏输出功率的最小值、最大值和三相微电网光伏输出功率的最小值、最大值；
Figure FDA00035785509300000219
为单相微电网的光伏输出功率，
Figure FDA00035785509300000220
为三相微电网的光伏输出功率；
功率平衡约束条件为：
A相：
Figure FDA0003578550930000031
B相：
Figure FDA0003578550930000032
C相：
Figure FDA0003578550930000033
其中：
Figure FDA0003578550930000034
为A相单相微电网2、B相单相微电网3、C相单相微电网4的储能输出功率，
Figure FDA0003578550930000035
为A相单相微电网2、B相单相微电网3、C相单相微电网4的光伏输出功率，
Figure FDA0003578550930000036
为微网群各相负荷功率，
Figure FDA0003578550930000037
为三相微电网1各相的储能输出功率，
Figure FDA0003578550930000038
为三相微电网1各相的光伏输出功率。
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