具有滯回特性的下垂-pq型微電網逆變器電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了具有滯回特性的下垂-PQ型微電網逆變器電源，包括分布式一次能源、檢測模塊、控制模塊、驅動模塊和逆變器換流橋；所述檢測模塊包括采樣單元和輸入信號處理單元，所述控制模塊根據檢測模塊傳送過來系統(tǒng)有功和無功功率的信息，與電源事先設置的功率極限值進行比較，從而產生作用于驅動模塊的控制信號，所述控制模塊的控制方法為下垂-PQ控制，且控制模塊設有四個門檻值，所述驅動模塊包括PWM生成電路和驅動放大電路，所述逆變器換流橋用于分布式一次能源和微電網的連接，及其之間的電能交換。本發(fā)明增大功率調節(jié)范圍，提供穩(wěn)定的電壓和頻率，可使系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的運行，并使其具有較好的抗擾動性能。
【專利說明】具有滯回特性的下垂-PQ型微電網逆變器電源

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子裝置及其控制領域，涉及一種具有滯回特性的下垂-PQ型微電網逆變器電源。

【背景技術】
[0002]隨著電力需求的不斷增長，常規(guī)電網在過去數十年里快速發(fā)展。然而由于其成本高、運行難度大，以及燃料短缺、環(huán)境污染的日益加重，促進了環(huán)保、靈活、以可再生能源為主的分布式發(fā)電技術的發(fā)展。為了充分發(fā)揮分布式發(fā)電的優(yōu)點并解決大電網與其之間的矛盾，一般將分布式發(fā)電系統(tǒng)互聯形成以微電網的形式運行。然而隨著微電網的接入，出現了一些新的問題，主要表現在微電網在孤島運行模式下采用何種控制方式才能維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。當微電網與大電網并網運行時，可由大電網提供運行參考頻率和電壓。而微電網在孤網狀態(tài)時，需要對網內各個微電源進行有效的控制協(xié)調，以維持整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，保證系統(tǒng)的電壓及頻率在合理的范圍內。
[0003]目前常用的一種孤網運行方式是以一個采用下垂控制的電源為主電源，提供頻率和電壓參考。其靜態(tài)輸出特性曲線如圖1所示，P、f、Q、V分別為有功功率、頻率、無功功率、電壓，P1^ f\、Qp V1分別為運行點A的有功功率、頻率、無功功率、電壓，P2> f2、Q2> V2分別為運行點B的有功功率、頻率、無功功率、電壓，f0> V0分別為空載時換流器輸出電壓頻率和幅值，m和η分別為頻率和電壓下垂系數，圖1(a)為現有下垂控制方法的電源有功-頻率靜態(tài)特性曲線圖，1(b)為現有下垂控制方法的電源無功-電壓靜態(tài)特性曲線，當系統(tǒng)的負荷有功功率和無功功率分別增加時，逆變器電源就會調整其控制器并使其運行點由A點向B點移動，直至達到系統(tǒng)的功率平衡。其它的電源都運行在PQ方式下，即保持輸出的有功和無功功率為恒定。其靜態(tài)輸出特性曲線如圖2所示，圖2(a)為現有PQ控制方法的電源有功-頻率靜態(tài)特性曲線，圖2(b)為現有PQ控制方法的電源無功-電壓靜態(tài)特性曲線，Ρη、Qn分別為PQ控制方式下電源輸出的恒定有功功率、無功功率。采用下垂控制方式的微電源雖然可以在其可調容量范圍內維持系統(tǒng)的電壓幅值及頻率不變，但是一旦系統(tǒng)內需要大量的功率交換，超出其可調容量范圍，該微電源就不能繼續(xù)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
[0004]一種可行的解決方法是采用下垂控制和PQ控制的交替方式，其靜態(tài)輸出特性如圖3所示，其中，圖3(a)為現有下垂-PQ控制方法的電源有功-頻率靜態(tài)特性曲線，3(b)現有下垂-PQ控制方法的電源為無功-電壓靜態(tài)特性曲線，Pmin、Pmax分別為電源輸出有功功率最小值、最大值，Qmin> Qmax分別為電源輸出無功功率最小值、最大值，fmin> fmax分別為下垂控制方式下電源輸出頻率最小值、最大值，Vmin、Vmax分別為下垂控制方式下電源輸出電壓最小值、最大值。當孤網運行時，微電網中有一個電源運行于下垂方式下，為系統(tǒng)提供電壓和頻率支持；而其它的電源運行于PQ方式下。當下垂控制的電源可調容量越限時轉為PQ方式，而由某一個其它的電源提供電壓和頻率支持。但是，這種切換會造成較大的頻率或電壓擾動，運行靈活性不足，控制器容易誤觸發(fā)。因此，可進一步引入滯回特性的控制方式及相應組網方式。


【發(fā)明內容】

[0005]為了克服現有的技術的不足，本發(fā)明提供一種具有滯回特性的下垂-PQ型微電網逆變器電源。
[0006]本發(fā)明技術方案如下所述:
[0007]具有滯回特性的下垂-PQ型微電網逆變器電源，其特征在于，包括分布式一次能源、檢測模塊、控制模塊、驅動模塊和逆變器換流橋；
[0008]所述檢測模塊包括采樣單元和輸入信號處理單元，采樣單元采集當前系統(tǒng)的電流、電壓，將其實時采樣信號傳輸到輸入信號處理單元，輸入信號處理單元進行實時計算，得出系統(tǒng)的有功和無功功率，將信息傳遞給控制模塊；
[0009]所述控制模塊根據檢測模塊傳送過來系統(tǒng)有功和無功功率的信息，與電源事先設置的功率極限值進行比較，從而產生作用于驅動模塊的控制信號；
[0010]所述驅動模塊包括PWM生成電路和驅動放大電路，PWM生成電路將控制信號調制成PWM控制脈沖，驅動放大電路將PWM控制脈沖放大后驅動逆變器換流橋；
[0011]所述逆變器換流橋用于分布式一次能源和微電網的連接，及其之間的電能交換；
[0012]所述控制模塊的控制方法為下垂-PQ控制，且所述控制模塊設有四個門檻值，從大到小分別為第一門檻值、第二門檻值、第三門檻值和第四門檻值，若電源工作在下垂控制方式下，只有當頻率或電壓小于第一門檻值時，或當輸入大于第四門檻值時，下垂控制方式才會切換為PQ控制方式；若電源工作在PQ控制方式下，只有當頻率或電壓小于第二門檻值時，或當輸入大于第三門檻值時，PQ控制方式才會切換為下垂控制方式。
[0013]根據上述結構的本發(fā)明，其有益效果在于，本發(fā)明不但可以增大功率調節(jié)范圍，每個電源可根據其設置的參考頻率及其可輸出的有功功率的范圍來投入或退出主控模式。另夕卜，由于引入了滯回輸出特性的下垂-PQ控制方法及其組網方式，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率，維持系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地運行，避免控制器頻繁切換，使系統(tǒng)具有較好的抗擾動性能。隨著我國微電網的快速發(fā)展，特別是對微電網運行的柔性和可靠性，微電源控制以及數量眾多的微電源間的協(xié)調配合要求高的區(qū)域，將具有重要的理論和工程價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為現有下垂控制方法的電源靜態(tài)輸出特性曲線；
[0015]圖2為現有PQ控制方法的電源靜態(tài)輸出特性曲線；
[0016]圖3為現有下垂-PQ控制方法的電源靜態(tài)輸出特性曲線；
[0017]圖4為本發(fā)明結構示意圖；
[0018]圖5為本發(fā)明組成系統(tǒng)的實施例一的結構示意圖；
[0019]圖6為本發(fā)明實施例一的有功-頻率靜態(tài)特性示意圖；
[0020]圖7為本發(fā)明實施例一的無功-電壓靜態(tài)特性示意圖。

【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖以及實施方式對本發(fā)明進行進一步的描述:
[0022]如圖4所示，本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)結構包括分布式一次能源、檢測模塊、控制模塊、驅動模塊和逆變器換流橋。檢測模塊獲得采樣信號并通過計算得到微電網系統(tǒng)的有功和無功功率；控制模塊對檢測模塊傳遞來的有功和無功功率以及設定的參考變量進行邏輯判斷，產生作用于驅動模塊的控制信號；驅動模塊將控制信號調制成PWM控制脈沖，將PWM控制脈沖放大后驅動逆變器換流橋；逆變器換流橋主要用于分布式電源和微電網的連接，及其之間的電能交換，分布式一次能源通過逆變器換流橋與微電網連接。
[0023]逆變器換流橋主要用于將分布式一次能源發(fā)出的不同形式的電能轉換為工頻的交流電，針對不同的要求有不同的拓撲結構，因此可根據具體的要求來設計，本發(fā)明不對其加以限制。
[0024]控制模塊引入了具有滯回特性的控制方法，通過設置合適的環(huán)寬，防止電源在某一個值的上下波動時反復動作。下垂控制可進行自發(fā)反向調節(jié)負荷功率需求變化引起的系統(tǒng)頻率的變化，選取合適的下垂增益，可以控制系統(tǒng)頻率在微電網運行允許范圍內；當逆變器輸出的有功或無功功率越限時，需轉為PQ控制方式，而由另外一個留有發(fā)電余量的逆變器微電源接替主控任務。由于引入了滯回輸出特性，通過對各個電源逆變器設置不同的門檻值，在負荷功率變化時，各個逆變器電源之間可以按照預先設定的閾值依次切換。
[0025]為實現微電網組網運行，至少需要一個微電網逆變器作為主控型電源，承擔微電網的功率和電壓平衡。圖5為本發(fā)明組成系統(tǒng)的實施例一的結構示意圖，由三個逆變器電源協(xié)調完成系統(tǒng)的控制，本實施案討論負荷功率變化時具有滯回輸出特性的微電源的工作原理。采用這種具有滯回特性的逆變器電源作為主控電源，可等效增大調節(jié)范圍。若采用多個這類電源，則每個電源可根據其設置的參考頻率及其相應輸出的有功功率范圍自動投入或退出主控模式，且不需要通訊支持。另外，由于引入了滯回輸出特性，通過對各個電源逆變器設置不同的門檻值，在負荷功率變化時，各個逆變器電源之間可以按照預先設定的閾值依次切換。
[0026]圖6為本發(fā)明電源的有功-頻率靜態(tài)特性示意圖，其中，三個電源分別為:電源DG1、電源DG2電源DG3，電源DGl頻率的四個門檻值設為flcl> flc2> flc3> flc4，電源DG2頻率的四個門檻值設為f2c;1、f2c2> f2c3> f2c4,電源DG3頻率的四個門檻值設為f3c;1、f3c2> f3c3>匕4。
[0027]微電網運行于孤島模式時，假設系統(tǒng)初始運行時，電源DG2作為主控電源，維持微電網系統(tǒng)的頻率為f2c;2，此時電源DG1、電源DG3分別運行于Al、BI點，采用PQ控制輸出有功功率分別為電源DGl最大輸出有功功率Plmax和電源DG3最小輸出有功功率P3min,隨著負荷需求有功功率的增加，主控電源DG2的輸出功率增大，頻率隨之減小，只要負荷需求的有功功率在其可調節(jié)的范圍內，電源DG2就仍運行于下方的下垂曲線上，而電源DGl、電源DG3仍采用PQ方式輸出Plmax、P3min恒定的功率。當電源DG2的輸出有功增大直至達到最大值P2max仍無法滿足負荷的需求時，電源DG2將被迫改變其控制方式，自動切換為恒功率控制并維持其輸出功率為P2max不變，此時系統(tǒng)的頻率將會下降，當頻率降低到電源DG3的閾值時，電源DG3將由PQ控制轉換為下垂控制方式，作為新的主控電源維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，并增加其輸出有功參與功率的調節(jié)，而電源DGl與電源DG2將采用PQ方式輸出Plmax、P2max恒定的功率，以使系統(tǒng)達到功率平衡。
[0028]若某一時刻，由于負荷需求的減小，此時的主控電源DG3，維持系統(tǒng)的頻率于f3cl、f3c2之間，輸出功率減小直到電源DG3的最小值P3min仍無法滿足負荷的需求時，電源DG3將被迫改變其控制方式，自動切換為恒功率控制并維持其輸出功率為P3min不變，此時系統(tǒng)的頻率將會上升，當頻率上升到電源DG2的閾值f2e3時，電源DG2將由PQ控制轉換為下垂控制方式，作為新的主控電源維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，并降低其輸出有功參與功率的調節(jié)，此時電源DGl與電源DG3將采用PQ方式輸出Plmax、P3min恒定的功率，以使系統(tǒng)達到功率平衡。
[0029]圖7為本發(fā)明電源的無功-電壓靜態(tài)特性示意圖，其中，三個電源分別為:電源DG1、電源DG2、電源DG3，電源DGl電壓的四個門檻值設為Vlcl, Vlc2, Vlc3、Vlc4,電源DG2電壓的四個門檻值設為WH，電源DG3電壓的四個門檻值設為V3c;1、V3c;2、V3c;3、V3c;4。
[0030]微電網運行于孤島模式時，假設系統(tǒng)初始運行時，電源DG2作為主控電源，電源DG2作為主控電源，維持微電網系統(tǒng)的電壓為V2e2，此時電源DGl、電源DG3分別運行于A2、B2點，采用PQ控制輸出無功功率分別為電源DGl最大輸出無功功率Qlmax和電源DG3最小輸出無功功率Q3min,隨著負荷需求無功功率的增加，主控電源DG2的輸出功率增大，電壓隨之減小，只要負荷需求的無功功率在其可調節(jié)的范圍內，電源DG2就仍運行于下方的下垂曲線上，而電源DGl、電源DG3仍采用PQ方式輸出Qlmax、Q3min恒定的功率。當電源DG2的輸出無功增大直至達到最大值Q2max仍無法滿足負荷的需求時，電源DG2將被迫改變其控制方式，自動切換為恒功率控制并維持其輸出功率為Q2max不變，此時系統(tǒng)的電壓將會下降，當頻率降低到電源DG3的閾值Vm時，電源DG3將由PQ控制轉換為下垂控制方式，作為新的主控電源維持系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，并增加其輸出無功參與功率的調節(jié)，而電源DGl與電源DG2將采用PQ方式輸出Qlmax、Q2max恒定的功率，以使系統(tǒng)達到功率平衡。
[0031]若某一時刻，由于負荷需求的減小，此時的主控電源DG3,維持系統(tǒng)的電壓于ν3ε1、V3c2之間，輸出功率減小直到電源DG3的最小值Q3min仍無法滿足負荷的需求時，電源DG3將被迫改變其控制方式，自動切換為恒功率控制并維持其輸出功率為Q3min不變，此時系統(tǒng)的電壓將會上升，當電壓上升到電源DG2的閾值V2e3時，電源DG2將由PQ控制轉換為下垂控制方式，作為新的主控電源維持系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，并降低其輸出無功參與功率的調節(jié)，此時電源DGl與電源DG3將采用PQ方式輸出Qlmax、Q3min恒定的功率，以使系統(tǒng)達到功率平衡。
[0032]根據本發(fā)明的技術方案，微電網與大電網并網運行時，其內部的微電源采用PQ控制方式輸出穩(wěn)定的功率；微電網切換為孤島模式時，具有滯回輸出特性的微電源在系統(tǒng)頻率或電壓達到其設置的參考頻率或電壓時就會由PQ方式切換為下垂控制方式，作為主控電源來提供電壓及頻率支撐，當其輸出的功率達到最大輸出功率時又自動切換為PQ控制方式，而由另外的微電源來穩(wěn)定電壓及頻率。由此可以看出，具有這種滯回輸出特性的微電源不但可以運行于微網的并網模式下，還可以運行于微網的孤島模式下，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓幅值及頻率，并且使系統(tǒng)具有多個平衡節(jié)點，其功率調節(jié)范圍增大，每個微電源可根據其設置的參考頻率或電壓及其可輸出的有功功率或無功功率的范圍來投入或退出主控模式，也就是說各微電源工作方式的切換不需要通訊。另外，這種微電源還使得系統(tǒng)具有較好的容錯性能，主要表現在負荷功率變化時，各微電源依次切換為主控電源調節(jié)自身輸出的功率，即使次序出現錯誤仍會有微電源作為主控電源給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行。
[0033]應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。
[0034]上面結合附圖對本發(fā)明專利進行了示例性的描述，顯然本發(fā)明專利的實現并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明專利的方法構思和技術方案進行的各種改進，或未經改進將本發(fā)明專利的構思和技術方案直接應用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護范圍內。
【權利要求】
1.具有滯回特性的下垂-PQ型微電網逆變器電源，其特征在于，包括分布式一次能源、檢測模塊、控制模塊、驅動模塊和逆變器換流橋； 所述檢測模塊包括采樣單元和輸入信號處理單元，采樣單元采集當前系統(tǒng)的電流、電壓，將其實時采樣信號傳輸到輸入信號處理單元，輸入信號處理單元進行實時計算，得出系統(tǒng)的有功和無功功率，將信息傳遞給控制模塊； 所述控制模塊根據檢測模塊傳送過來系統(tǒng)有功和無功功率的信息，與電源事先設置的功率極限值進行比較，從而產生作用于驅動模塊的控制信號； 所述驅動模塊包括PWM生成電路和驅動放大電路，PWM生成電路將控制信號調制成PWM控制脈沖，驅動放大電路將PWM控制脈沖放大后驅動逆變器換流橋； 所述逆變器換流橋用于分布式一次能源和微電網的連接，及其之間的電能交換； 所述控制模塊的控制方法為下垂-PQ控制，且所述控制模塊設有四個門檻值，從大到小分別為第一門檻值、第二門檻值、第三門檻值和第四門檻值，若電源工作在下垂控制方式下，只有當頻率或電壓小于第一門檻值時，或當輸入大于第四門檻值時，下垂控制方式才會切換為PQ控制方式；若電源工作在PQ控制方式下，只有當頻率或電壓小于第二門檻值時，或當輸入大于第三門檻值時，PQ控制方式才會切換為下垂控制方式。
【文檔編號】H02J3/38GK104167764SQ201410452168
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權日:2014年9月5日
【發(fā)明者】黃小耘, 申展, 黃紅遠, 雷金勇, 彭飛進, 郭曉斌, 李響, 許愛東 申請人:廣東電網公司佛山供電局, 南方電網科學研究院有限責任公司