本發(fā)明涉及化學(xué)催化劑技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種含分布式電源的微電網(wǎng)系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大與電壓等級(jí)的不斷提升，能源的過量使用開采以及環(huán)境問題的頻發(fā)，遠(yuǎn)距離大規(guī)模發(fā)輸變配電的電力系統(tǒng)運(yùn)行弊端性以及電網(wǎng)穩(wěn)定性問題越來越倍受關(guān)注，傳統(tǒng)電力建設(shè)維護(hù)成本要求高，運(yùn)行難度大，并且很難滿足用戶對用電多樣化的供電需求及可靠性與安全性的要求?；诖?，分布式電源發(fā)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，分布式電源優(yōu)勢很多，適應(yīng)了能源分布與分散電力的需求，它污染小、可靠性高、能源利用率高并且比較靈活，可以大大地改善大電網(wǎng)的供電穩(wěn)定性。

盡管分布式電源的優(yōu)點(diǎn)突出，但其缺點(diǎn)也是顯而易見的，首先分布式電源具有隨機(jī)波動(dòng)的特點(diǎn)，并且分布式電源的單機(jī)接入成本高、控制困難，分布式電源的接入電網(wǎng)會(huì)引起電壓和頻率的波動(dòng)，導(dǎo)致大電網(wǎng)的供電質(zhì)量下降；其次由于分布式電源的不可控性和隨機(jī)性，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障，分布式電源必須要立刻與大電網(wǎng)斷開，并且分布式電源接入與退出引起的分布式電源的輸出功率短時(shí)巨變都會(huì)帶來電壓的閃變問題等等。分布式電源不能得到充分的利用，新能源的發(fā)展受阻，基于此，微電網(wǎng)(Microgrid)可以形成一個(gè)將小的功率發(fā)電單元與儲(chǔ)能裝置以及負(fù)荷等連接起來的控制系統(tǒng)。

實(shí)踐研究證明，將分布式發(fā)電系統(tǒng)以微網(wǎng)的形式并網(wǎng)運(yùn)行，可以使微電網(wǎng)與大電網(wǎng)相互支撐互為備用，能增加供電系統(tǒng)的供電可靠性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性、能滿足當(dāng)今社會(huì)的供電需求。

分布式電源與微電網(wǎng)技術(shù)在當(dāng)前社會(huì)具有很重要的意義。研究含分布式電源的微電網(wǎng)功率控制作為研究微電網(wǎng)控制技術(shù)研究的重要一環(huán)對微電網(wǎng)的發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種含分布式電源的微電網(wǎng)系統(tǒng)及其控制方法，大大的改善了電流環(huán)和功率換的控制性能，有效的參與微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行調(diào)節(jié)，能夠滿足微電網(wǎng)的控制要求。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種含分布式電源的微電網(wǎng)系統(tǒng)，包括改進(jìn)的PQ控制模塊和Droop控制模；所述改進(jìn)的PQ控制模塊是由輸入輸出模塊、鎖相環(huán)模塊、dq變換模塊、電流內(nèi)環(huán)控制模塊以及功率外環(huán)控制模塊構(gòu)成；所述Droop控制模塊是由dq變換模塊、功率計(jì)算模塊、功率控制模塊、電壓電流雙環(huán)控制模塊構(gòu)成；所述dq變換模塊是利用坐標(biāo)變換，將三相對稱靜止坐標(biāo)系(a，b，c)轉(zhuǎn)換成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)；所述功率計(jì)算模塊其功能是實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦，將功率控制問題轉(zhuǎn)化為電壓或者電流的控制問題，功率計(jì)算環(huán)節(jié)利用測量模塊采集的負(fù)荷點(diǎn)電壓和電流，計(jì)算出微電源輸出的瞬時(shí)有功、無功功率；所述改進(jìn)的PQ控制模塊和Droop控制模是分別作用的，開關(guān)閉合時(shí)并網(wǎng)，此時(shí)完成PQ控制，斷開時(shí)是離網(wǎng)，此時(shí)屬于Droop控制，即當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)的各個(gè)微電源只需控制功率的輸出以保證微電網(wǎng)內(nèi)部功率的平衡，由于微電網(wǎng)的總體容量相對于主電網(wǎng)來說較小，因此電壓水平和額定頻率都由主電網(wǎng)來支持和和調(diào)節(jié)，Droop控制模塊針對離網(wǎng)時(shí)應(yīng)用，當(dāng)孤島運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)和主電網(wǎng)連接斷開，此時(shí)微電網(wǎng)內(nèi)部要保特電壓和頻率的額定值，就需要某個(gè)或幾個(gè)分布式電源擔(dān)當(dāng)主電網(wǎng)的角色來調(diào)節(jié)額定電壓和頻率。

進(jìn)一步地，所述PQ控制模塊是由DQ&PLL&Measure模塊和Power loop模塊封裝而成，DQ&PLL&Measure本模塊的輸出是Power loop的輸入。Power loop的輸出信號(hào)經(jīng)過z變換后，再通過Discrete 3-phase PWMGenerator得到一個(gè)逆變的反饋信號(hào)給輸入，進(jìn)而達(dá)到控制的目的。所述DQ&PLL&Measure模塊是由輸入信號(hào)模塊(Inputs)、PLL&DQTransform模塊、輸出信號(hào)模塊(Outputs)組成，Inputs的輸出信號(hào)為PLL&DQTransform模塊的輸入，Outputs模塊為輸出信號(hào)，它即是DQ&PLL&Measure的輸出信號(hào)。其它都是matlab中自帶的。

一種含分布式電源的微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制方法為，通過改進(jìn)的PQ控制法和Droop控制方法相結(jié)合，具體控制方法如下：

1)開關(guān)閉合，并網(wǎng)，此時(shí)完成PQ控制：

a.電流內(nèi)環(huán)控制模塊采用PI控制器使穩(wěn)態(tài)誤差為0，對電流或者電壓進(jìn)行控制，通過控制逆變器的相關(guān)參數(shù)以保證DG的輸出有功和無功功率保持為恒定值；

b.功率外環(huán)控制模塊使用電壓型逆變器，其輸出為電壓信號(hào)，用輸入的調(diào)制信號(hào)來控制輸出電壓，將電流控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓控制信號(hào)，經(jīng)過派克變化，將三相電壓變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，得到逆變器電壓方程，通過有功功率和無功功率的解耦，將功率控制問題轉(zhuǎn)化為電壓或者電流的控制問題；

c.再通過鎖相環(huán)模塊來采集逆變器的出口電流并且跟蹤其變化，然后Park變換；

d.通過dq變換模塊實(shí)現(xiàn)三相交流的電壓或者電流變換到dq坐標(biāo)系，令并網(wǎng)逆變器輸出三相基波電壓U，實(shí)現(xiàn)PQ控制；

2)開關(guān)斷開，離網(wǎng)，此時(shí)完成Droop控制：

a.dq變換模塊利用坐標(biāo)變換，為了便于對逆變器交流側(cè)時(shí)變交流量的控制，將三相對稱靜止坐標(biāo)系(a，b，c)轉(zhuǎn)換成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)，這樣原來三相靜止坐標(biāo)系中的基波正弦量轉(zhuǎn)化成了兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量；

b.功率計(jì)算模塊利用測量模塊采集的負(fù)荷點(diǎn)電壓和電流，計(jì)算出微電源輸出的瞬時(shí)有功、無功功率；

c.功率控制模塊的功率為微電源輸出的平均功率，逆變電源的額定輸出功率P_n，電網(wǎng)額定頻率f_n,幅值U₀，經(jīng)下垂控制得到其輸出的電壓U和頻率f；

d.用得到的f、U經(jīng)過相應(yīng)的控制環(huán)節(jié)得到逆變器出口的電壓，再經(jīng)park變換得到分量u_dref、u_qref,之后再通過電壓電流雙環(huán)控制環(huán)節(jié)和dq反變換得到逆變器的輸入信號(hào)。

進(jìn)一步地，在上述方案中，所述鎖相環(huán)模塊是利用反饋控制原理實(shí)現(xiàn)頻率及相位的同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，用來檢測電壓的相位和頻率的。

進(jìn)一步地，在上述方案中，所述dq變換模塊其功能是利用坐標(biāo)變換，為了便于對逆變器交流側(cè)時(shí)變交流量的控制，將三相對稱靜止坐標(biāo)系(a，b，c)轉(zhuǎn)換成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)，這樣原來三相靜止坐標(biāo)系中的基波正弦量轉(zhuǎn)化成了兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量。

式中，U_M為每一項(xiàng)電壓的幅值。u_a、u_b、u_c為三相電壓根據(jù)派克變換的轉(zhuǎn)變公式，可以得到轉(zhuǎn)變到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的公式為：

P_abc→dq為坐標(biāo)變換矩陣，由此可以得到：

dq變換模塊即利用dq變換原理利用matalb進(jìn)行搭建的模塊。

進(jìn)一步地，在上述方案中，所述電流內(nèi)環(huán)控制模塊在微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，采用前饋補(bǔ)償措施，獨(dú)立的控制d軸和q軸的電流變量，消除交叉耦合項(xiàng)的干擾；通過PI控制器的電流和參考電流值比較，然后來再對逆變器進(jìn)行控制。

進(jìn)一步地，在上述方案中，在功率外環(huán)控制模塊中通常使用電壓型逆變器，其輸出為電壓信號(hào)，用輸入的調(diào)制信號(hào)來控制輸出電壓，將電流控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓控制信號(hào)，經(jīng)過派克變化，將三相電壓變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，得到逆變器電壓方程，可以用一下式子來表示：

式中：ω反應(yīng)饋線中電壓的頻率，通過有功功率和無功功率的解耦，將功率控制問題轉(zhuǎn)化為電壓或者電流的控制問題。

進(jìn)一步地，在上述方案中，所述功率控制模塊中對平均功率P和Q的要求是：0≤P≤P_max和-Q_max≤Q≤Q_max。

進(jìn)一步地，在上述方案中，所述電壓電流雙環(huán)控制模塊的輸入為參考電壓的d軸和q軸的分量，輸出為逆變器驅(qū)動(dòng)開關(guān)的電壓控制信號(hào)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過研究分析，提出了基于PQ控制的含分布式電源微電網(wǎng)控制方法，并進(jìn)行了仿真分析，在離網(wǎng)情況下建立了基于Droop的微電網(wǎng)控制方法，分別應(yīng)用配電網(wǎng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)，利用坐標(biāo)變換法實(shí)現(xiàn)功率向電流的轉(zhuǎn)換；建立了PQ控制、Droop控制兩種控制方式，其中在PQ控制模塊中建立的鎖相環(huán)模塊具有良好的反饋和同步性能，內(nèi)環(huán)使用了PI控制環(huán)節(jié)，大大的改善了電流環(huán)和功率換的控制性能；Droop控制模型，滿足P-V、Q-f控制特性，參有效的參與微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行調(diào)節(jié)，能夠滿足微電網(wǎng)的控制要求。

附圖說明

圖1是dq變換原理圖；

圖2是是PQ控制模塊；

圖3是DQ&PLL&Measure模塊和Power loop模塊；

圖4是DQ&PLL&Measure內(nèi)部連接關(guān)系；

圖5是功率控制模塊；

圖6是Droop控制仿真模型；

圖7是微電源輸出有功功率圖；

圖8是微電源輸出無功功率圖。

其中，K為開關(guān)、V_abc為輸入電壓、I_abc為輸入電流、Q_ref②為無功功率參考值、P_ref①為有功功率參考值、Freq②為輸出頻率標(biāo)幺值、Ppu④為有功功率標(biāo)幺值、Qpu⑤為分無功功率標(biāo)幺值、Inputs為輸入信號(hào)模塊、PLL&DQTransform模塊、Outputs為輸出信號(hào)模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式來對本發(fā)明進(jìn)行更進(jìn)一步詳細(xì)的說明：

一種含分布式電源的微電網(wǎng)系統(tǒng)，包括改進(jìn)的PQ控制模塊和Droop控制模；如圖2所示，所述改進(jìn)的PQ控制模塊是由輸入輸出模塊、鎖相環(huán)模塊、dq變換模塊、電流內(nèi)環(huán)控制模塊以及功率外環(huán)控制模塊構(gòu)成；所述Droop控制模塊是由dq變換模塊、功率計(jì)算模塊、功率控制模塊、電壓電流雙環(huán)控制模塊構(gòu)成；所述dq變換模塊是利用坐標(biāo)變換，將三相對稱靜止坐標(biāo)系(a，b，c)轉(zhuǎn)換成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)；所述功率計(jì)算模塊其功能是實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦，將功率控制問題轉(zhuǎn)化為電壓或者電流的控制問題，功率計(jì)算環(huán)節(jié)利用測量模塊采集的負(fù)荷點(diǎn)電壓和電流，計(jì)算出微電源輸出的瞬時(shí)有功、無功功率；所述改進(jìn)的PQ控制模塊和Droop控制模是分別作用的，開關(guān)閉合時(shí)并網(wǎng)，此時(shí)完成PQ控制，斷開時(shí)是離網(wǎng)，此時(shí)屬于Droop控制，即當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)的各個(gè)微電源只需控制功率的輸出以保證微電網(wǎng)內(nèi)部功率的平衡，由于微電網(wǎng)的總體容量相對于主電網(wǎng)來說較小，因此電壓水平和額定頻率都由主電網(wǎng)來支持和和調(diào)節(jié)，Droop控制模塊針對離網(wǎng)時(shí)應(yīng)用，當(dāng)孤島運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)和主電網(wǎng)連接斷開，此時(shí)微電網(wǎng)內(nèi)部要保特電壓和頻率的額定值，就需要某個(gè)或幾個(gè)分布式電源擔(dān)當(dāng)主電網(wǎng)的角色來調(diào)節(jié)額定電壓和頻率。

所述PQ控制模塊是由DQ&PLL&Measure模塊和Power loop模塊封裝而成，如圖3所示，DQ&PLL&Measure模塊的輸出是Power loop模塊的輸入。Powerloop模塊的輸出信號(hào)經(jīng)過z變換后，再通過Discrete 3-phase PWMGenerator得到一個(gè)逆變的反饋信號(hào)給輸入，進(jìn)而達(dá)到控制的目的。

如圖4所示，所述DQ&PLL&Measure模塊是由輸入模塊(Inputs)、PLL&DQTransform模塊、輸出信號(hào)模塊(Outputs)組成，Inputs的輸出信號(hào)為PLL&DQTransform模塊的輸入，Outputs模塊為輸出信號(hào)，它即是DQ&PLL&Measure的輸出信號(hào)。其它都是matlab中自帶的。

一種含分布式電源的微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制方法為，通過改進(jìn)的PQ控制法和Droop控制方法相結(jié)合，具體控制方法如下：

1)開關(guān)閉合，并網(wǎng)，此時(shí)完成PQ控制：

a.電流內(nèi)環(huán)控制模塊采用PI控制器使穩(wěn)態(tài)誤差為0，對電流或者電壓進(jìn)行控制，通過控制逆變器的相關(guān)參數(shù)以保證DG的輸出有功和無功功率保持為恒定值；

b.功率外環(huán)控制模塊使用電壓型逆變器，其輸出為電壓信號(hào)，用輸入的調(diào)制信號(hào)來控制輸出電壓，將電流控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓控制信號(hào)，經(jīng)過派克變化，將三相電壓變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，得到逆變器電壓方程，通過有功功率和無功功率的解耦，將功率控制問題轉(zhuǎn)化為電壓或者電流的控制問題；

c.再通過鎖相環(huán)模塊來采集逆變器的出口電流并且跟蹤其變化，然后Park變換；

d.如圖1所示，通過dq變換模塊實(shí)現(xiàn)三相交流的電壓或者電流變換到dq坐標(biāo)系，令并網(wǎng)逆變器輸出三相基波電壓U，實(shí)現(xiàn)PQ控制；

2)開關(guān)斷開，離網(wǎng)，此時(shí)完成Droop控制，如圖2所示：

a.dq變換模塊利用坐標(biāo)變換，為了便于對逆變器交流側(cè)時(shí)變交流量的控制，將三相對稱靜止坐標(biāo)系(a，b，c)轉(zhuǎn)換成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)， 這樣原來三相靜止坐標(biāo)系中的基波正弦量轉(zhuǎn)化成了兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量；

b.功率計(jì)算模塊利用測量模塊采集的負(fù)荷點(diǎn)電壓和電流，計(jì)算出微電源輸出的瞬時(shí)有功、無功功率；

c.如圖5所示的功率控制模塊，其功率為微電源輸出的平均功率，逆變電源的額定輸出功率P_n，電網(wǎng)額定頻率f_n,幅值U₀，經(jīng)下垂控制得到其輸出的電壓U和頻率f；

d.用得到的f、U經(jīng)過相應(yīng)的控制環(huán)節(jié)得到逆變器出口的電壓，再經(jīng)park變換得到分量u_dref、u_qref,之后再通過電壓電流雙環(huán)控制環(huán)節(jié)和dq反變換得到逆變器的輸入信號(hào)。

所述鎖相環(huán)模塊是利用反饋控制原理實(shí)現(xiàn)頻率及相位的同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，用來檢測電壓的相位和頻率的。

所述dq變換模塊其功能是利用坐標(biāo)變換，為了便于對逆變器交流側(cè)時(shí)變交流量的控制，將三相對稱靜止坐標(biāo)系(a，b，c)轉(zhuǎn)換成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)，這樣原來三相靜止坐標(biāo)系中的基波正弦量轉(zhuǎn)化成了兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量。

式中，U_M為每一項(xiàng)電壓的幅值。u_a、u_b、u_c為三相電壓根據(jù)派克變換的轉(zhuǎn)變公式，可以得到轉(zhuǎn)變到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的公式為：

P_abc→dq為坐標(biāo)變換矩陣，由此可以得到：

dq變換模塊即利用dq變換原理利用matalb進(jìn)行搭建的模塊。

所述電流內(nèi)環(huán)控制模塊在微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，采用前饋補(bǔ)償措施，獨(dú)立的控制d軸和q軸的電流變量，消除交叉耦合項(xiàng)的干擾；通過PI控制器的電流和參考電流值比較，然后來再對逆變器進(jìn)行控制。

在功率外環(huán)控制模塊中通常使用電壓型逆變器，其輸出為電壓信號(hào)，用輸入的調(diào)制信號(hào)來控制輸出電壓，將電流控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓控制信號(hào)，經(jīng)過派克變化，將三相電壓變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，得到逆變器電壓方程，可以用一下式子來表示：

式中：ω反應(yīng)饋線中電壓的頻率，通過有功功率和無功功率的解耦，將功率控制問題轉(zhuǎn)化為電壓或者電流的控制問題。

所述功率控制模塊中對平均功率P和Q的要求是：0≤P≤P_max和-Q_max≤Q≤Q_max。

所述電壓電流雙環(huán)控制模塊的輸入為參考電壓的d軸和q軸的分量，輸出為逆變器驅(qū)動(dòng)開關(guān)的電壓控制信號(hào)。

如圖6所示的Droop控制仿真模型，結(jié)合原理圖，建立Droop控制的小系統(tǒng)，微電源用直流電源替代，負(fù)荷Load1和Load2都采用恒功率負(fù)荷，在0.5s時(shí)，切除負(fù)荷Load2，具體參數(shù)設(shè)置如下：

表1Droop控制參數(shù)設(shè)置

微電源在開始工作至穩(wěn)定工作短暫階段，由于微電源側(cè)接入的大負(fù)載以及電容、電感等儲(chǔ)能原件的存在，使得微電源的輸出有功功率和無功功率在初始時(shí)刻出現(xiàn)沖擊性波動(dòng)，短暫波動(dòng)后，微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。在0.5s時(shí)刻切除Load2,微電源發(fā)出的有功和無功從90kW和13kvar減少到75kW和11kvar，顯示其功率控制環(huán)節(jié)具有良好的功率檢測跟蹤特性。

從對功率波形的波動(dòng)分析，由Droop控制的設(shè)計(jì)原理，有功功率的波動(dòng)會(huì)引起電壓的短暫波動(dòng)，無功功率的沖擊波動(dòng)同樣會(huì)引起系統(tǒng)頻率的沖擊性波動(dòng)。

仿真結(jié)果分析：

從圖7和8看出0.5s時(shí)刻切除負(fù)載Load2,微電源發(fā)出的有功和無功從90kW和13kvar減少到75kW和11kvar，從圖7和8可以看出母線電壓略有下降，頻率由50.38Hz減少到50.32Hz，最大波動(dòng)為0.06Hz。由此可見Droop控制模型滿足P-V和Q-f控制原理，并且能保證電壓波動(dòng)較小，頻率變化不大于1％，以上仿真模型表明該Droop控制模型有效。