新型微网系统及其逆变器控制策略和小信号建模方法技术方案

本发明专利技术公开了一种新型微网系统及其逆变器控制策略和小信号建模方法，涉及微电网静态稳定性分析领域。微网系统包括逆变器、负荷、LC滤波器、微网路线和广义分布式电源；广义分布式电源可通过逆变器接入微网母线；逆变器和负荷并联接入微网母线。本发明专利技术对逆变器采取双环反下垂控制策略：功率外环控制器具备有功‑电压和无功‑频率两种反下垂控制模式，采用电压电流内环控制模块进行电压和电流的双环控制。本发明专利技术还针对微网系统和双环反下垂控制策略建立了小信号模型，通过小信号模型，分析了微网系统及其逆变器控制策略的稳定性，所采用的反下垂控制相比于传统下垂控制更有利于逆变器单元的有功精确分配与快速响应。

【技术实现步骤摘要】
新型微网系统及其逆变器控制策略和小信号建模方法
本专利技术涉及微电网静态稳定性分析领域，尤其涉及一种新型微网系统及其逆变器控制策略和小信号建模方法。
技术介绍
近年来，面对全球能源与环境问题的双重压力，电网清洁化、高效化、智能化已成为一种必然趋势。而微电网作为具有一定自治性的小型电力系统，可有效聚合风电、光伏及储能等广义分布式电源，将成为大电网的重要延伸。考虑到这些电气距离较近的广义分布式电源多通过逆变器等电力电子设备接入微电网，一同构成了低惯性的电力电子弱系统，加之高渗透率可再生能源随机性的影响，使其在孤岛模式下相比于传统电网更易发生振荡问题。因此，对微电网内各广义分布式电源逆变器的协调控制就显得尤为重要。基于对等控制思想的下垂控制策略能够在适应微网并网与孤岛两种运行模式的同时实现供用电单元的“即插即用”，从而获得了广泛应用。然而，由于微电网中的线路阻抗呈阻性，不满足传统有功-频率、无功-电压下垂控制的解耦条件，故可采用有功-电压、无功-频率反下垂控制方法。为了分析控制策略对系统静态稳定特性的影响，常采用小信号建模的方法，结合特征根分析法能有效判断系统的小信号稳定性。因此，本领域的技术人员致力于建立一种新型微网系统及其逆变器控制策略和小信号建模方法，该小信号建模方法可以用于完整微网的静态稳定性分析，所采用的反下垂控制相比于传统下垂控制更有利于逆变器单元的有功精确分配与快速响应。
技术实现思路
鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是电气距离较近的广义分布式电源在孤岛模式下相比于传统电网更易发生振荡问题，如何对微电网内各广义分布式电源逆变器进行协调控制。为实现上述目的，本专利技术提供了一种新型微网系统，包括多个逆变器模块、负荷、微网母线和广义分布式电源；所述广义分布式电源通过所述逆变器模块接入微网母线；多个所述逆变器模块和所述负荷并联接入所述微网母线；所述逆变器模块包括双环反下垂控制器、低通滤波器和逆变器；所述双环反下垂控制器包括功率外环控制器和电压电流内环控制器；所述功率外环控制器利用所述低通滤波器将所述广义分布式电源的瞬时输出功率转化为平均值；所述功率外环控制器具备有功-电压和无功-频率两种反下垂控制模式，通过调整有功、无功下垂系数得到所述逆变器的输出参考电压；所述电压电流内环控制器包括电压控制器和电流控制器。进一步地，所述广义分布式电源包括风电机组、光伏电池板、蓄电池储能。本专利技术还提供了一种新型微网系统的逆变器控制策略，包括d-q转换模块、功率外环控制模块和电压电流内环控制模块；所述d-q转换模块用于将所述逆变器的输出电压、输出电流转到d-q轴坐标系中和进行d-q反变换得到所述逆变器的电压调制信号；所述功率外环控制模块利用所述低通滤波器将所述广义分布式电源的瞬时输出功率转化为平均值，并采用有功-电压、无功-频率反下垂控制模式得到所述逆变器的输出参考电压。进一步地，所述电压电流内环控制模块包括电压控制环节和电流控制环节；所述电压控制环节采用电压闭环负反馈、电流前馈和电压环PI调节器；所述电流控制环节采用电流闭环负反馈和电流环PI调节器。本专利技术提供了一种新型微网系统小信号建模方法，包括以下步骤：S1、建立逆变器控制环节小信号模型；S2、建立单逆变器完整小信号模型；S3、建立多逆变器微网完整小信号模型。进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：S11、利用低通滤波器将广义分布式电源的瞬时输出功率转化为平均值，其计算公式如下所示：其中，为广义分布式电源的瞬时输出功率；uod和uoq、iod和ioq分别为逆变器单元瞬时输出电压与电流在d、q轴的分量；Po、Qo为经低通滤波器滤波后得到有功、无功功率的平均值；ωc为低通滤波器的截止频率；功率外环控制器采用有功-电压、无功-频率反下垂控制模式，即：其中，ω为逆变器输出角频率，即电压相角对时间的导数；ωN、UN分别为空载输出频率和电压幅值；mp、mq分别为有功、无功下垂系数；PN、QN为额定输出功率；S12、可建立电压电流控制环的小信号模型，计算公式如下所示：其中，所述所述和所述γd、所述γq分别为电压环PI调节器和电流环PI调节器积分环节输出；所述kpv、所述kiv与所述kpc、所述kic分别为电压环PI调节器和电流环PI调节器的比例、积分系数；所述G为电流前馈系数；所述所述为输入到电流环的参考值；所述所述为输入到PWM的电压信号参考值。进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：S21、将逆变器的d-q轴状态变量转换到全局坐标系上：选取逆变器中的第一台所述逆变器作为参考逆变器，所述参考逆变器的d-q轴作为所述全局坐标系；其余逆变器d-q轴与所述全局坐标系的相角差可定义为：δ＝∫(ω-ωcom)dt；其中，所述ωcom为所述全局坐标系的旋转角频率，相应小信号模型为：S22、将逆变器的输出电流与微网母线电压用所述全局坐标系进行表示：对应小信号模型分别为：S23、得到单逆变器的完整小信号模型为：其中，所述Ainv,1为12阶方阵，所述Ainv,i(i≠1)为13阶方阵。进一步地，所述参考逆变器状态变量包括经低通滤波器后的输出有功、经低通滤波器后的无功功率平均值、电压控制环PI调节器的积分环节输出的d轴分量和q轴分量、电流控制环PI调节器的积分环节输出的d轴分量和q轴分量、低通滤波器输入端电流的d轴分量和q轴分量、所述参考逆变器经所述LC滤波器后的输出端电压的d轴分量和q轴分量、所述参考逆变器经所述LC滤波器后的输出端电流的d轴分量和q轴分量；除所述参考逆变器之外的逆变器状态变量还包括相角差变量；除所述参考逆变器，其余逆变器的状态变量均为13个。进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：S31、s个所述逆变器并联的状态空间产生13s-1个状态变量；得到多逆变器并联模型：其中，S32、负荷小信号模型是RL型负荷，n个负荷产生2n个所述状态变量；可通过类比滤波器与输电支路环节的小信号模型得到：S33、用矩阵形式表示第j个负荷的小信号模型为：所有n个负荷的集聚模型可表示为：[ΔiloadDQ]＝[ΔiloadDQ,1,ΔiloadDQ,2,…,ΔiloadDQ,n]T；其中，所述ALOAD为2n×2n阶方阵；所述BLOAD、所述BLOADw分别为2n×2、2n×1阶系数矩阵；S34、基于双环反下垂控制的多逆变器微网小信号模型共包含13s+2n-1个状态变量；所述基于双环反下垂控制的多逆变器微网小信号模型的13s+2n-1阶模型表示如下：其中：A1＝AINV+BINVRMDINVCINVc；A2＝BINVRMDLOAD；A4＝ALOAD+BLOADRMDLOAD；A3＝BLOADRMDINVCINVc+BLOADwCINVw。进一步地，所述基于双环反下垂控制的多逆变器微网小信号模型是将所有动态非线性方程在所述逆变器初始稳态运行点线性化后得到的。与现有技术相比，通过本专利技术所提出的新型微网系统及其逆变器控制策略和小信号建模方法，达到了以下明显的技术效果：该新型微网系统及其逆变器控制策略和小信号建模方法可以用于完整微网的静态稳定性分析，所采用的反下垂控制相比于传统下垂控制更有利于逆变器单元的有功精确分配与快速响应。以下将对本专利技术的构思及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型微网系统，其特征在于，所述微网系统包括多个逆变器模块、负荷、微网母线和广义分布式电源；所述广义分布式电源通过所述逆变器模块接入微网母线；多个所述逆变器模块和所述负荷并联接入所述微网母线；所述逆变器模块包括双环反下垂控制器、低通滤波器和逆变器；所述双环反下垂控制器包括功率外环控制器和电压电流内环控制器；所述功率外环控制器利用所述低通滤波器将所述广义分布式电源的瞬时输出功率转化为平均值；所述功率外环控制器具备有功‑电压和无功‑频率两种反下垂控制模式，通过调整有功、无功下垂系数得到所述逆变器的输出参考电压；所述电压电流内环控制器包括电压控制器和电流控制器。

【技术特征摘要】
1.一种新型微网系统，其特征在于，所述微网系统包括多个逆变器模块、负荷、微网母线和广义分布式电源；所述广义分布式电源通过所述逆变器模块接入微网母线；多个所述逆变器模块和所述负荷并联接入所述微网母线；所述逆变器模块包括双环反下垂控制器、低通滤波器和逆变器；所述双环反下垂控制器包括功率外环控制器和电压电流内环控制器；所述功率外环控制器利用所述低通滤波器将所述广义分布式电源的瞬时输出功率转化为平均值；所述功率外环控制器具备有功-电压和无功-频率两种反下垂控制模式，通过调整有功、无功下垂系数得到所述逆变器的输出参考电压；所述电压电流内环控制器包括电压控制器和电流控制器。2.如权利要求1所述的新型微网系统，其特征在于，所述广义分布式电源包括风电机组、光伏电池板、蓄电池储能。3.一种如权利要求1所述的新型微网系统的逆变器控制策略，其特征在于，所述逆变器模块包括d-q转换模块、功率外环控制模块和电压电流内环控制模块；所述d-q转换模块用于将所述逆变器的输出电压、输出电流转到d-q轴坐标系中和进行d-q反变换得到所述逆变器的电压调制信号；所述功率外环控制模块利用所述低通滤波器将所述广义分布式电源的瞬时输出功率转化为平均值，并采用有功-电压、无功-频率反下垂控制模式得到所述逆变器的输出参考电压。4.如权利要求3所述的新型微网系统的逆变器控制策略，其特征在于，所述电压电流内环控制模块包括电压控制环节和电流控制环节；所述电压控制环节采用电压闭环负反馈、电流前馈和电压环PI调节器；所述电流控制环节采用电流闭环负反馈和电流环PI调节器。5.一种新型微网系统小信号建模方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立逆变器控制环节小信号模型；S2、建立单逆变器完整小信号模型；S3、建立多逆变器微网完整小信号模型。6.如权利要求5所述的新型微网系统小信号建模方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：S11、利用低通滤波器将广义分布式电源的瞬时输出功率转化为平均值，其计算公式如下所示：其中，为广义分布式电源的瞬时输出功率；uod和uoq、iod和ioq分别为逆变器单元瞬时输出电压与电流在d、q轴的分量；Po、Qo为经低通滤波器滤波后得到有功、无功功率的平均值；ωc为低通滤波器的截止频率；功率外环控制器采用有功-电压、无功-频率反下垂控制模式，即：其中，ω为逆变器输出角频率，即电压相角对时间的导数；ωN、UN分别为空载输出频率和电压幅值；mp、mq分别为有功、无功下垂系数；PN、QN为额定输出功率；S12、可建立电压电流控制环的小信号模型，计算公式如下所示：其中，所述所述和所述γd、所述γq分别为电压环PI调节器和电流环PI调节器积分环节输出；所述kpv、所述kiv与所述kpc、所述kic分别为电压环PI调节器和电流环PI调节器的比...

【专利技术属性】
技术研发人员：亓延峰，李波，亓占华，殷爽睿，艾芊，刘锦泉，葛华，李英，王立新，蔺凯，贾会永，许丹，
申请(专利权)人：国网山东省电力公司莱芜供电公司，上海交通大学，
类型：发明
国别省市：山东,37