一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法技术

一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法，对各类分布式电源自身的输出特性及分布式电源之间的信号传输特性进行分析，采用分解分层的方法按照微网内部能量的多路径潮流将微网系统整体分解为子系统的动态模型，基于小信号稳定性方法建立了逆变型微源的网络化控制模型及微网多种运行状态下的综合状态空间静、动态模型；基于切换系统理论研究微网系统在各状态和状态切换时的稳定性及保证各状态间平滑过渡的切换控制律，在微网系统运行模态发生切换时很好的保证了系统的稳定性，解决微网多态运行的稳定性控制问题、能量平衡和功率平衡的跟踪控制问题，最大限度实现了微网运行的稳定性以及模式间的无缝切换。

【技术实现步骤摘要】
一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法
本专利技术涉及属于电力电子、通信及控制领域，特别涉及一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法。
技术介绍
世界经济和工业的飞速发展使全球能源供应持续紧张，作为传统能源主体的石油、天然气、煤炭等不可再生能源逐步消耗正日趋枯竭，合理开发利用清洁高效的绿色能源和基于灵活经济的分布式发电DG(DistributedGeneration)的微网技术(Microgrid)成为解决未来世纪能源问题的主要出路，被各国提上了日程。基于分布式发电的微网技术不仅具有环保、效率高、安装地因地制宜等优点，而且可节省长距离输电线路的投资成本和损耗，保障在大电网发生意外停电时，能够提供基本的能源供应。我国在《能源发展“十三五”规划》和《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》都将注重低碳、高效、可持续的现代能源体系发展作为能源发展的主要目标。国家能源局在2017年的《规划》新闻发布会上明确指出清洁低碳能源将是“十三五”期间能源供应增量的主体，提出了实现2020年非化石能源消费占比15％和2030年非化石能源消费占比20％的战略目标，中国十三五期间微网的增量市场将达到200亿元-300亿元。因此，微网作为未来智能电网发展的重要一环，是我国进一步提高清洁能源渗透率和利用效率，改善能源结构转型的重要载体，对解决可再生能源的大规模接入问题和对负荷多种能源形式的高可靠持续供给问题，实现能源消费高效化、低碳化和清洁化目标有重要的社会和经济意义。对于逆变型微网系统而言，内部动态特性复杂、集成了多种能源的输入(光、风、氢、天然气等)，并在一定区域内分布部署，运行模态多，既可以与外部电网并网运行，也可以孤岛运行，可以看做是一类典型的网络控制系统。图1-2展现了微网系统的典型结构。虽然微网有得天独厚的发展前景，但是微网结构复杂，集成了多种能源的输入(光、风、氢、天然气等)，并在一定区域内分布部署，运行模态多，既可以与外部电网并网运行，也可以孤岛运行，图1展现了微网系统的典型结构。这就必然导致了微网在设计、控制、管理等方面都面临了诸多问题：(1)分布式能源容量小、功率不稳定，具有不可控性及随机性，易对电网造成波动；(2)微网并网时，会造成电网稳态电压波动、瞬态电压波动(电压跌落和凹陷)、电压闪变以及大量谐波污染的注入，严重影响电网电压和频率的稳定；(3)孤岛运行时，多样化的微电源难以保证快速跟踪微网内负荷的变化，微网内的电压、频率失去电网的支撑会发生较大的波动，电能质量下降，严重的会损坏配电设备和用户设备；(4)由于分布式电源具有即插即用的灵活性以及电网线路阻抗的不确定性，导致了电网中各种参数的不平衡，导致较大的感性电流环流出现在电源之间，因此必须对系统参数的变化做出迅速响应。因此，为了让微网最大限度的发挥其优势，提高电网对分布式新能源的接纳能力，最大限度利用可再生能源和清洁能源，实现微网多目标运行，保证微网多态的稳定性，必须解决模态切换时由过电流和暂态电压峰值突变造成的电能质量恶化问题，必须针对微网内部动态特性复杂，运行结构多变以及控制目标多样化的特性，基于逆变型微源的分布式控制实现多目标微网多态运行的无扰动切换。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法，针对微网内部特性(结构复杂，动态性能多变，输入输出接口多)和微网外部输出所需的一致性(电压稳定、频率稳定等)要求，通过对分布式电源的逆变型控制系统的输入输出特性及分布式电源之间的信号传输特性进行分析，基于小信号稳定性方法建立分布式电源的网络化控制模型及微网多种运行状态下的综合状态空间静、动态模型，研究微网系统在各状态和状态切换时的稳定性及保证各状态间平滑过渡的切换控制律，解决微网多态运行的稳定性控制问题、能量平衡和功率平衡的跟踪控制问题。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法，包括以下步骤：步骤一：为了得到微电网系统的综合状态空间方程，将微网系统分解为各个有独立动态响应的子系统，分别为逆变器控制模块、LCL电路模块、逆变器/母线接口模块、负载模块和传输线路模块；步骤二：根据各个模块的动态特性，基于小信号稳定性方法定义各个模块的状态向量、输入和输出向量；(1)逆变器控制模块输入输出该模块采用PQ功率计算、下垂控制及电流电压双闭环控制三个子模块对逆变型微电源进行频率和电压的控制，三个子模块的输入输出如下：(a)功率控制模块功率控制模块包含了两个部分，一个是功率计算模块；一个是LPF低通滤波模块。瞬时有功功率p和瞬时无功功率q由功率计算模块算出后送到低通滤波器LPF得到平均有功功率P和平均无功功率Q。功率计算模块输入：逆变器经过LCL滤波后的输出电流iod，ioq；逆变器经过LCL滤波后的输出电压vod，voq；输出：瞬时有功功率p；瞬时无功功率q；LPF低通滤波模块：输入：瞬时有功功率P；瞬时无功功率q；输出：平均有功功率P；平均无功功率Q；(b)下垂控制模块它利用分布式电源输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理而进行控制，一种是f-P和v-Q下垂控制方法，它利用测量系统的频率和分布式电源输出电压幅值产生分布式电源的参考有功和无功功率。另一种方法是P-f和Q-v下垂控制方法，利用测量分布式电源输出的有功和无功功率产生其输出的电压频率和幅值。这里采用第二种方法用分布式电源输出的有功功率产生电压参考频率，用输出的无功功率产生电压得参考幅值。输入：平均有功功率P；平均无功功率Q。输出：电压控制模块的参考电压频率ω*；电压控制模块的参考电压幅值为了简单起见，选取旋转坐标d轴为控制器设计的定向控制参考坐标，因此(c)电压电流控制模块功率控制模块输出的频率和电压幅值作为电压外环控制的参考频率和电压，由PI控制器的作用产生电流内环的参考值，接着再由电流内环的PI控制器作用产生逆变器电压的参考值。电压外环输入：电压控制模块的参考电压频率ω*；电压控制模块的参考电压幅值电压外环输出：电流控制模块的参考电流电流内环输入：电流控制模块的参考电流电流内环输出：逆变器的参考电压频率(2)LCL电路模块输入输出输入：逆变器的输出电流iid，iiq；逆变器的输出电压vid，viq。输出：LCL滤波后的输出电流iod，ioq；LCL滤波后的电容电压vod，voq；LCL滤波后的输出电压vibusd，vibusq；(3)逆变器/母线接口模块输入输出输入：逆变器侧输出电流和电压iod，ioq，vibusd，vibusq；输出：逆变器母线侧电流和电压ioD，ioQ，vibusD，vibusQ；(4)负载模块输入输出输入：逆变器母线侧电流和电压vibusD，vibusQ；输出：负载电流iloadD，iloadQ；(5)传输线路模块输入输出输入：逆变器母线侧电压vibusD，vibusQ；输出：公共母线侧电压vBUSD，vBUSQ；步骤三：基于小信号稳定性方法对微网系统各模块建立单一动态特性模型,其中包括逆变器控制系统子模型、LCL滤波电路子模型、负载小信号动态子模型和传输线路小信号动态子模型。(1)逆变器控制系统子模型建立(a)功率控制模块模型功率控制模块包含了两个部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：为了得到微电网系统的综合状态空间方程，将微网系统分解为各个有独立动态响应的子系统，分别为逆变器控制模块、LCL电路模块、逆变器/母线接口模块、负载模块和传输线路模块；步骤二：根据各个模块的动态特性，基于小信号稳定性方法定义各个模块的状态向量、输入和输出向量；步骤三：基于小信号稳定性方法对微网系统各模块建立单一动态特性模型,其中包括逆变器控制系统子模型、LCL滤波电路子模型、负载小信号动态子模型和传输线路小信号动态子模型；步骤四：针对上述对微网各个模块的动态分析及小信号状态方程模型的建立，以整个系统为研究对象，建立包含n个逆变型微电源，r条线路模型和s个负载模型的微电网模型；步骤五：建立微网系统多态运行系统模型，包括并网时微网系统的动态方程和孤岛运行时微网系统的动态方程；(a)并网型微网：

【技术特征摘要】
1.一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：为了得到微电网系统的综合状态空间方程，将微网系统分解为各个有独立动态响应的子系统，分别为逆变器控制模块、LCL电路模块、逆变器/母线接口模块、负载模块和传输线路模块；步骤二：根据各个模块的动态特性，基于小信号稳定性方法定义各个模块的状态向量、输入和输出向量；步骤三：基于小信号稳定性方法对微网系统各模块建立单一动态特性模型,其中包括逆变器控制系统子模型、LCL滤波电路子模型、负载小信号动态子模型和传输线路小信号动态子模型；步骤四：针对上述对微网各个模块的动态分析及小信号状态方程模型的建立，以整个系统为研究对象，建立包含n个逆变型微电源，r条线路模型和s个负载模型的微电网模型；步骤五：建立微网系统多态运行系统模型，包括并网时微网系统的动态方程和孤岛运行时微网系统的动态方程；(a)并网型微网：xSYS＝[ΔxINVΔilineDQΔiloadDQ]TuSYS＝[Δv1busDQΔv2busDQ…ΔvsbusDQΔωcomΔvBUSDQ]T(b)孤岛型微网：xIs_SYS＝[ΔxINVΔilineDQΔiloadDQ]TuIs_SYS＝[Δv1busDQΔv2busDQ…ΔvsbusDQΔω1]T步骤六：基于切换控制理论将之前建立的微网多态运行系统模型转化为切换控制系统模型；步骤七：基于Lyapunov稳定性理论，选取合适的Lyapunov函数，给出便于求解的闭环微网切换控制系统模型的模态依赖的镇定控制器存在的充分条件；步骤八：设计便于求解的闭环多态微网系统切换控制模型(36)的模态依赖的镇定控制器，实现微网多模态切换的镇定控制。2.根据权利要求1所述的一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：(1)逆变器控制模块输入输出该模块采用PQ功率计算、下垂控制及电流电压双闭环控制三个子模块对逆变型微电源进行频率和电压的控制，三个子模块的输入输出如下：(a)功率控制模块功率控制模块包含了两个部分，一个是功率计算模块；一个是LPF低通滤波模块；瞬时有功功率p和瞬时无功功率q由功率计算模块算出后送到低通滤波器LPF得到平均有功功率P和平均无功功率Q；功率计算模块输入：逆变器经过LCL滤波后的输出电流iod，ioq；逆变器经过LCL滤波后的输出电压vod，voq；输出：瞬时有功功率p；瞬时无功功率q；LPF低通滤波模块：输入：瞬时有功功率P；瞬时无功功率q；输出：平均有功功率P；平均无功功率Q；(b)下垂控制模块它利用分布式电源输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理而进行控制，一种是f-P和v-Q下垂控制方法，它利用测量系统的频率和分布式电源输出电压幅值产生分布式电源的参考有功和无功功率；另一种方法是P-f和Q-v下垂控制方法，利用测量分布式电源输出的有功和无功功率产生其输出的电压频率和幅值；这里采用第二种方法用分布式电源输出的有功功率产生电压参考频率，用输出的无功功率产生电压得参考幅值；输入：平均有功功率P；平均无功功率Q；输出：电压控制模块的参考电压频率ω*；电压控制模块的参考电压幅值为了简单起见，选取旋转坐标d轴为控制器设计的定向控制参考坐标，因此(c)电压电流控制模块功率控制模块输出的频率和电压幅值作为电压外环控制的参考频率和电压，由PI控制器的作用产生电流内环的参考值，接着再由电流内环的PI控制器作用产生逆变器电压的参考值；电压外环输入：电压控制模块的参考电压频率ω*；电压控制模块的参考电压幅值电压外环输出：电流控制模块的参考电流电流内环输入：电流控制模块的参考电流电流内环输出：逆变器的参考电压频率(2)LCL电路模块输入输出输入：逆变器的输出电流iid，iiq；逆变器的输出电压vid，viq；输出：LCL滤波后的输出电流iod，ioq；LCL滤波后的电容电压vod，voq；LCL滤波后的输出电压vibusd，vibusq；(3)逆变器/母线接口模块输入输出输入：逆变器侧输出电流和电压iod，ioq，vibusd，vibusq；输出：逆变器母线侧电流和电压ioD，ioQ，vibusD，vibusQ；(4)负载模块输入输出输入：逆变器母线侧电流和电压vibusD，vibusQ；输出：负载电流iloadD，iloadQ；(5)传输线路模块输入输出输入：逆变器母线侧电压vibusD，vibusQ；输出：公共母线侧电压vBUSD，vBUSQ。3.根据权利要求1所述的一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：(1)逆变器控制系统子模型建立(a)功率控制模块模型功率控制模块包含了两个部分，一个是功率计算模块；一个是LPF低通滤波模块；功率控制模块的状态方程为：其中(b)下垂控制模块模型由逆变器的下垂控制特性可得下垂控制模块的状态方程为其中(c)电压电流控制模块模型根据LCL滤波电路的电力电子特性关系得到其小信号模型为：进一步得到电压电流双闭环控制系统的小信号状态方程为：其中AVI＝0，(2)LCL电路模块模型建立采用LCL滤波电路，电路各物理量直接的数学关系如下：对上式进行小信号线性化得：其中：其中，Ild,Ilq,Iod,Ioq,Vod,Voq是系统平衡点的输入电压和电流；ω0是系统平衡点的频率；(3)负载模块模型建立以基本负荷RL建立负荷的小信号状态方程模型，根据其电力电子关系得到小信号线性化得：其中：(4)传输线路模块模型建立以基本负荷RL建立线路的小信号的状态方程模型，对于并网型微电网，逆变器经过线路mn后连接到系统公共母线，则该线路为从逆变器m到公共母线vBUS，则得到并网时的电路方程为：对上式进行小信号线性化得：其中对于孤岛型微电网，逆变器m经过线路mn后连接到逆变器n，则该线路为从逆变器m到逆变器n，则孤岛时的电路方程为：对上式进行小信号线性化得：其中4.根据权利要求1所述的一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：(1)n个逆变型微源及其接口模型基于上面建立的单一逆变型微源...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴莹，吴彦鹏，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61