本發明涉及智能電網控制領域，尤其是一種基于動態基準的低壓微電網改進下垂控制策略的設計方法及其控制系統。

背景技術：

隨著新能源和可再生能源發電的不斷滲透，為有效解決分布式發電大規模并網狀態下所引發的諸多問題，充分發揮其潛能，在分布式發電技術領域產生了微電網。微電網以微源的形式整合如光伏發電、風力發電等各種類型可再生能源，提高了資源的使用效率，并通過熱電聯產來更好地協調各式微源。下垂控制法作為廣泛適用于微網中逆變器的控制方法之一，可實現微源的即插即用功能及點對點控制，在協調微源工作時對微源間的通信并無太大依賴，所以在微源的功率平衡及電壓穩定等方面，下垂控制表現得更加高效和可靠。

下垂控制屬于有差調節，當微網系統的負荷變化時，不能保證微網的運行頻率穩定在額定值，頻率波動現象較為明顯，除此之外，微網中各微源系統線路阻抗的差異使各逆變器的輸出電壓偏離其額定值程度不一，彼此間存在差異，因此傳統的下垂控制也不能精準地實現有功功率均分。因此，負荷變化時的微電網的頻率及微源出力的安全穩定性控制仍然是關鍵性技術難題之一。目前針對上述問題通常采用以下幾種控制策略：(1)基于不同時間尺度的分層控制；(2)分層一致性控制方法。前者通過在較短時間尺度內增大下垂系數的一次控制來提高功率均分精度，并在較長時間尺度內利用二次控制調整頻率，盡管可一定程度上改善功率均分精度，但頻率偏差的解決效果并不理想，在時間上也有局限性；后者通過協調各微源出力，使微源在出力突變后的電壓、頻率趨于一直穩定，同樣頻率波動問題仍舊存在。正是出于上述原因，所以急需一種既能維持頻率穩定，又能改善有功功率均分的控制策略，來確保低壓微網出力及頻率的穩定。

技術實現要素：

本發明針對傳統P-U下垂控制中負荷變化引起的的頻率波動現象及受線路阻抗影響的功率均分問題，提供一種基于動態基準的低壓微電網改進下垂控制策略。

為實現上述目的，采用了以下技術方案：本發明所述策略為：根據無功負荷的實時變化來設計實時的頻率基準值，確保頻率隨負荷變化的波動相對較小；以根據各微源線路壓降隨有功負荷的實時變化來設計實時的電壓基準值為原理，改進有功下垂系數，并使有功均分能在各微源輸出電壓不同的情況下保持精準。

所述策略的具體內容如下：

步驟1，設計Q-f控制中動態頻率基準的實時取值；

步驟2，設計P-U控制中動態電壓基準的實時取值；

步驟3，設計P-U控制的下垂系數；

步驟4，設計下垂控制器。

進一步的，步驟1中，根據微源分派的無功變化來擬定動態頻率基準值，即頻率基準值大小因負荷而定，以此來補償頻率的偏離量，進而保證微網運行頻率穩定在額定值，具體如下：

(1.1)首先確定微源分派的無功變化量；

假設無功負荷在1,2,...,j,...,n(j≥2)時刻發生改變，以任意j時刻時的前一時刻j-1時刻時的微源無功為基礎，可得j時刻時微源分派的無功變化量：

ΔQ(j)＝Q(j)-Q(j-1)， (1)

令ΔQ(0)＝0，可得關于微源分派的無功變化序列，設為A，則

A＝(ΔQ(0),ΔQ(1),...,ΔQ(j),...,ΔQ(n))^T， (2)

(1.2)確定頻率基準的校正量；

根據微源Q-f下垂控制方程，可得j時刻時的微網頻率偏移量：

Δf(j)＝m·ΔQ(j)， (3)

其中，m是無功下垂系數，令j時刻時的頻率基準的校正量：

Δf^*(j)＝f^*(j)-f^*(j-1)＝-Δf(j)， (4)

則可得到關于微源頻率基準值校正序列，設為B，則

B＝-m·A， (5)

(1.3)確定各時刻微源的頻率基準值，設F為各時刻的微源基準頻率序列：

F＝(f^*(0),f^*(1),...,f^*(j),...,f^*(n))^T， (6)

令f^*(0)＝50Hz，根據式(4)，則有F＝MF+B，其中M是常數矩陣(rank(M)＝n+1)

則有

F＝(E-M)^-1B， (8)

則j時刻時的微源頻率基準值為

f^*(j)＝D·F＝mD(E-M)^-1A， (9)

其中，代表第j+1位數是1的n+1維單位行向量。

進一步的，步驟2中，考慮負荷變化時各微源的線路壓降來確定各P-U控制中的動態電壓基準值，得出符合微源實際運行時的P-U下垂特性，即為了使下垂特性適合微源實際運行時的輸出電壓控制，可在各微源輸出電壓不同情況下，使微源間的有功均分保持精準，具體如下：

(2.1)確定線路壓降的變化量；

假設有功負荷也在1,2,...,j,...,n(j≥2)時刻改變，以任意j時刻的前一時刻j-1時刻的線路壓降為基礎，可得j時刻時的微源線路壓降幅值變化量：

ΔU_L(j)＝U_L(j)-U_L(j-1)， (10)

令ΔU_L(0)＝0，可得微源線路壓降的變化序列，設為C，則

C＝(ΔU_L(0),ΔU_L(1),...,ΔU_L(j),...,ΔU_L(n))^T， (11)

(2.2)確定動態電壓基準值，即各時刻時的微源電壓基準值；

令j時刻時的電壓基準值為

U^*(j)＝U^*(j-1)+ΔU_L(j)， (12)

令U^*(0)＝U_S，其中U_S是公共耦合點電壓，設各時刻時的微源電壓基準值系列為U：

U＝(U^*(0),U^*(1),...,U^*(j),...,U^*(n))^T， (13)

令U＝MU+C，其中M如式(7)所示，則

U＝(E-M)^-1C， (14)

則j時刻時的微源電壓基準值為

U^*(j)＝D·U＝D(E-M)^-1C， (15)。

進一步的，步驟3中，以步驟2為原理，通過擬合每次負荷有功變化時的微源實際運行點，得出擬合直線方程，并能以改進傳統的有功下垂系數的方法來實現，具體如下：

對微源的各實際運行點進行擬合，其方程求解如下：

(3.1)確定微源最大有功運行點P坐標(P_max,U′_min)；

低壓微網中，線路阻抗以阻性為主，當微源最大有功輸出時，其線路壓降為：

式中，R_L是線路阻抗，則點P縱坐標：

式中，U_min為理論上微源的最小運行電壓幅值。

(3.2)確定直線l₅方程；

令所有微源的有功基準值相等且為0，則點O坐標為(0,U^*)，因此直線l₅方程為：

U＝U^*+n′(P-P^*)， (18)

其中，U^*為理論上微源的電壓基準值，n′為直線l₅的斜率：

式中，n為傳統的有功下垂系數，對于任意負荷變化時刻即j時刻時的微源，其線路壓降為：

此時，微源的實際輸出電壓為：

因此，負荷變化時的微源各運行點坐標均滿足直線l₅方程，可將其作為微源的實際P-U下垂特性發來控制其輸出電壓，可增加在實際控制中的簡便性。

進一步的，步驟4中，根據動態頻率基準取值的方法，設計Q-f下垂控制器；根據式(9)建立在線頻率基準值評估計算系統，通過檢測負荷變化前后的無功計算出無功變化量，得出正常的頻率偏移量，并在負荷變化前的頻率基準值的基礎上減去該偏移量得到負荷變化后的微源頻率基準值，并將其運用于控制負荷變化后的穩態運行的微源，直至下次負荷變化時減去新的頻率偏移量生成新的頻率基準值。

根據以動態電壓基準為原理的下垂系數取值的方法，設計P-U下垂控制器；其原理是通過計算負荷變化時的線路壓將的變化量，并在負荷變化前的微源電壓基準值的基礎上加上該變化量得出負荷變化后的微源電壓基準值，并將其運用于控制負荷變化后的穩態運行的微源；根據上述原理將其簡化為有功下垂系數的改進，通過檢測各微源系統自身的線路阻抗，取其與傳統電壓基準即公共耦合點電壓的比值為下垂系數的校正量，再加上傳統值生成改進的下垂系數，并將其用于控制各微源的有功輸出，即可獲得理想的有功均分精度。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

1、在幾乎不影響微源無功輸出的情況下適應不同負荷側無功需求時的頻率調節，實現頻率的誤差調節，進而提高頻率的穩定性。

2、使有功均分可在各微源輸出電壓不同的情況下仍保持精準。

附圖說明

圖1為動態基準的整體構建過程；

圖2為基于動態頻率基準的微源Q-f下垂特性；

圖3為基于動態電壓基準的微源P-U下垂特性；

圖4為基于動態電壓基準的微源有功均分；

圖5為基于動態頻率基準的微源Q-f下垂控制器設計；

圖6為基于動態電壓基準的微源P-U下垂控制器設計。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步說明：

本發明所述策略為：根據無功負荷的實時變化來設計實時的頻率基準值，確保頻率隨負荷變化的波動相對較小；以根據各微源線路壓降隨有功負荷的實時變化來設計實時的電壓基準值為原理，改進有功下垂系數，并使有功均分能在各微源輸出電壓不同的情況下保持精準。

具體內容如下：

步驟1，設計Q-f控制中動態頻率基準的實時取值；

如圖1所示，根據微源分派的無功變化來擬定動態頻率基準值，即頻率基準值大小因負荷而定，以此來補償頻率的偏離量，進而保證微網運行頻率穩定在額定值，具體如下：

(1.1)首先確定微源分派的無功變化量；

假設無功負荷在1,2,...,j,...,n(j≥2)時刻發生改變，以任意j時刻時的前一時刻j-1時刻時的微源無功為基礎，可得j時刻時微源分派的無功變化量：

ΔQ(j)＝Q(j)-Q(j-1)， (1)

令ΔQ(0)＝0，可得關于微源分派的無功變化序列，設為A，則

A＝(ΔQ(0),ΔQ(1),...,ΔQ(j),...,ΔQ(n))^T， (2)

(1.2)確定頻率基準的校正量；

根據微源Q-f下垂控制方程，可得j時刻時的微網頻率偏移量：

Δf(j)＝m·ΔQ(j)， (3)

其中，m是無功下垂系數，令j時刻時的頻率基準的校正量：

Δf^*(j)＝f^*(j)-f^*(j-1)＝-Δf(j)， (4)

則可得到關于微源頻率基準值校正序列，設為B，則

B＝-m·A， (5)

(1.3)確定各時刻微源的頻率基準值，設F為各時刻的微源基準頻率序列：

F＝(f^*(0),f^*(1),...,f^*(j),...,f^*(n))^T， (6)

令f^*(0)＝50Hz，根據式(4)，則有F＝MF+B，其中M是常數矩陣(rank(M)＝n+1)

則有

F＝(E-M)^-1B， (8)

則j時刻時的微源頻率基準值為

f^*(j)＝D·F＝mD(E-M)^-1A， (9)

其中，代表第j+1位數是1的n+1維單位行向量；由于負荷變化的不確定性，一般是為了得出當前微網運行時的頻率基準值，當負荷連續變化或變化頻繁時，此方法可快速地計算出每次負荷變化時的頻率基準值。如圖2所示，直線L₁,L₂分別表示j，j-1時刻時的微源Q-f下垂特性，當負荷在j時刻變化時，微源分派的無功由Q(j-1)變為Q(j)，可根據式(9)求得j時刻時的頻率基準值，采用直線L₂來控制j時刻至j+1時刻穩定運行區間的微源，可使頻率不會隨負荷的增加而降落，與j-1時刻至j時刻間的微網穩定頻率幾乎保持在同一值，即額定值。

步驟2，設計P-U控制中動態電壓基準的實時取值；

如圖1所示，考慮負荷變化時各微源的線路壓降來確定各P-U控制中的動態電壓基準值，得出符合微源實際運行時的P-U下垂特性，即為了使下垂特性適合微源實際運行時的輸出電壓控制，可在各微源輸出電壓不同情況下，使微源間的有功均分保持精準，具體如下：

(2.1)確定線路壓降的變化量；

假設有功負荷也在1,2,...,j,...,n(j≥2)時刻改變，以任意j時刻的前一時刻j-1時刻的線路壓降為基礎，可得j時刻時的微源線路壓降幅值變化量：

ΔU_L(j)＝U_L(j)-U_L(j-1)， (10)

令ΔU_L(0)＝0，可得微源線路壓降的變化序列，設為C，則

C＝(ΔU_L(0),ΔU_L(1),...,ΔU_L(j),...,ΔU_L(n))^T， (11)

(2.2)確定動態電壓基準值，即各時刻時的微源電壓基準值；

令j時刻時的電壓基準值為

U^*(j)＝U^*(j-1)+ΔU_L(j)， (12)

令U^*(0)＝U_S，其中U_S是公共耦合點電壓，設各時刻時的微源電壓基準值系列為U：

U＝(U^*(0),U^*(1),...,U^*(j),...,U^*(n))^T， (13)

令U＝MU+C，其中M如式(7)所示，則

U＝(E-M)^-1C， (14)

則j時刻時的微源電壓基準值為

U^*(j)＝D·U＝D(E-M)^-1C， (15)。

圖2給出了本發明的微源P-U下垂曲線，直線l₁表示傳統的P-U下垂曲線(即0時刻時不考慮線路壓降時的下垂曲線)，直線l₂,l₃分別表示j-1，j時刻負荷變化時所采用的改進微源下垂曲線。如果采用l₁來控制任意時刻運行的微源，微源的實際輸出電壓與其無功輸出并不匹配，會造成微源間有功均分偏差，而采用l₂,l₃控制j-1，j時刻穩態運行時的微源，能使微源的有功輸出較好地匹配其實際運行電壓。

步驟3，設計P-U控制的下垂系數；

以步驟2為原理，通過擬合每次負荷有功變化時的微源實際運行點，得出擬合直線方程，并能以改進傳統的有功下垂系數的方法來實現，具體如下：

圖3所示的直線l₄表示微源最大有功輸出時的改進下垂曲線，直線l₅并不是下垂曲線，而是擬合微源各實際運行點的直線。若采用直線l₂來控制微源，并不能覆蓋該微源的所有實際運行點，只針對該時刻即微源有功輸出為P(j-1)的運行點A有效，當負荷變化時，微源有功輸出變為P(j)，控制曲線將變為l₃，此時的微源實際運行點為點B，由此可見，負荷變化時的微源實際運行點不在同一電壓基準的改進下垂曲線上，因此本發明對微源的各實際運行點進行擬合，擬合曲線即直線l₅，其方程求解如下：

(3.1)確定微源最大有功運行點P坐標(P_max,U′_min)；

低壓微網中，線路阻抗以阻性為主，當微源最大有功輸出時，其線路壓降為：

式中，R_L是線路阻抗，則點P縱坐標：

式中，U_min為理論上微源的最小運行電壓幅值。

(3.2)確定直線l₅方程；

令所有微源的有功基準值相等且為0，則點O坐標為(0,U^*)，因此直線l₅方程為：

U＝U^*+n′(P-P^*)， (18)

其中，U^*為理論上微源的電壓基準值，其中，n′為直線l₅的斜率：

式中，n為傳統的有功下垂系數，對于任意負荷變化時刻即j時刻時的微源，其線路壓降為：

此時，微源的實際輸出電壓為：

因此，負荷變化時的微源各運行點坐標均滿足直線l₅方程，可將其作為微源的實際P-U下垂特性發來控制其輸出電壓，可增加在實際控制中的簡便性，相對于傳統下垂曲線l₁而言，直線l₅改進了有功下垂系數，即斜率。基于直線l₅的兩臺微源的有功均分情況如圖4所示，直線l′₁,l″₁分別表示基于直線l₁的DG₁,DG₂的P-U下垂曲線，若不考慮線路壓降，兩者的輸出電壓是相同的，有功輸出是P₁,P₂，負荷按容量比均分負荷功率，但實際上線路壓降的存在會導致兩個微源的輸出電壓不同，即圖4中的U₁,U₂，有功輸出變為P′₁,P′₂，偏離上述有功均分精度；直線l′₅,l″₅分別表示本發明改進的DG₁,DG₂的P-U下垂曲線，雖然沒有改變兩者的輸出電壓，但下垂系數的改進可使各自的有功輸出回調至P₁,P₂，進而符合上述的有功均分精度，所以本發明的優勢是無需考慮各微源的輸出電壓是否一致，其有功均分精度相對較好。

步驟4，設計下垂控制器；

根據動態頻率基準取值的方法，設計Q-f下垂控制器；圖5描繪了任一次負荷變化時的各微源系統的Q-f下垂控制器設計，根據式(9)

f^*(j)＝D·F＝mD(E-M)^-1A

建立在線頻率基準值評估計算系統，通過檢測負荷變化前后的無功計算出無功變化量，得出正常的頻率偏移量，并在負荷變化前的頻率基準值的基礎上減去該偏移量得到負荷變化后的微源頻率基準值，并將其運用于控制負荷變化后的穩態運行的微源，直至下次負荷變化時減去新的頻率偏移量生成新的頻率基準值。

根據以動態電壓基準為原理的下垂系數取值的方法，設計P-U下垂控制器；圖6描述了各微源系統的P-U下垂控制器設計，其原理是通過計算負荷變化時的線路壓將的變化量，并在負荷變化前的微源電壓基準值的基礎上加上該變化量得出負荷變化后的微源電壓基準值，并將其運用于控制負荷變化后的穩態運行的微源；根據上述原理將其簡化為有功下垂系數的改進，通過檢測各微源系統自身的線路阻抗，取其與傳統電壓基準即公共耦合點電壓的比值為下垂系數的校正量，再加上傳統值生成改進的下垂系數，并將其用于控制各微源的有功輸出，無需考慮負荷的變化，即可獲得理想的有功均分精度。

以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。