基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架设计方法技术

本发明专利技术基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架设计方法。所提出的控制框架与设计方法从等效机理视角分析虚拟阻抗的内在控制律，研究虚拟阻抗对电压源实际输出节点的外特性，用功率反馈代替电流反馈，构造新的功率外环控制律来等效内环输出阻抗的影响，将输出总阻抗灵活调整为高感、高阻或复阻抗。进而，设计基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架，其中耦合矩阵采用比例

【技术实现步骤摘要】
基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架设计方法


[0001]本专利技术涉及微电网技术、电力控制领域，具体为基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架设计方法。

技术介绍

[0002]微电网已成为将风能、光伏等分布式可再生发电机组接入电网的有效手段，是未来电力系统的重要补充。微电网有效地减少对现有电力设备的投资，减少传输损耗，提高供电质量。微电网可用于多种场景，包括具有特殊要求的独立供电系统，如航空航天系统和数据中心，高渗透水平的分布式可再生能源集成系统，以及与主电网连接薄弱的偏远地区。微电网作为由高渗透分布式电源和负载组成的复杂孤岛供电系统，在离网模式下，各个分布式能源之间的功率均分控制和系统频率/电压稳定控制是值得研究的挑战问题。
[0003]基于下垂控制原理的分散控制策略已被证明能够在微电网中实现无通信的点对点控制，并获得了重要的研究兴趣。尽管有其优点，但下垂控制有几个固有的局限性：它严重依赖于线路阻抗特性，并要求传输线表现出感应行为；系统频率和电压受负载功率需求影响，导致电压频率和幅值出现偏差；线路阻抗不匹配会导致微源之间输出电压幅值不一致，无法实现无功功率均衡。为了解决基本下垂控制对线路阻抗特性的敏感性，虚拟阻抗法被广泛应用于对有功无功功率进行解耦，并补偿因线路阻抗不匹配而引起的各分布式能源之间的无功功率差异。然而，目前还没有统一的下垂控制策略，可以保证系统在任意线路特性下稳定运行，实现微源之间精确的有功功率共享，并实现令人满意的动态性能。
[0004]为了提高微电网系统可靠性，保证其在任意线路特性下稳定运行，本专利给出了不同线路阻抗特性下有功功率和无功功率的耦合关系，从新的类比角度揭示了虚拟阻抗法作为一种特殊的基于比例微分的下垂控制的内在控制机理。提出了一种基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架与设计方法，以保证在任意高电感、复阻抗、高阻线路特性下的通用适用性。通过稳定性敏感性和机理分析，给出了所提出的统一下垂控制机制在不同线路阻抗下的可行性。为所提出的统一下垂控制在工程实践中的应用提供了关键控制参数的设计指导。

技术实现思路

[0005]为了解决以上问题，本专利技术提出基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架设计方法，所提出的基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架与设计方法引入虚拟阻抗来重塑逆变器的整体输出阻抗特性。根据控制目标要求，将输出总阻抗灵活调整为高电感、高阻或复阻抗，具备功率动态解耦能力、功率振荡阻尼能力、潮流控制能力和系统故障限流能力。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0007]基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架设计方法，其特征在于，具体步骤如下：
[0008]1)在逆变器整体等效输出阻抗方面，设计如下：
[0009]等效输出阻抗包含了所构造的虚拟阻抗和实际物理线路阻抗，虚拟阻抗的数学表达式为：
[0010]v
o
＝v
r
‑
Z
v
i
o
；
[0011]Z
v
＝R
v
+jX
v
是所要塑造的虚拟阻抗；v
o
＝V
o
∠δ
o
是逆变型的实际输出电压；i
o
代表逆变型的实际输出电流；v
r
＝V
r
∠δ
r
是由下垂控制的功率外环给定的电压相量参考；
[0012]用功率反馈代替电流反馈，构造新的功率外环控制律来等效内环输出阻抗的影响，具体如下：
[0013]逆变器的输出功率与虚拟阻抗之间的数学关系为：
[0014][0015]将输出功率代替输出电流，推导可得输出有功和无功功率在虚拟阻抗上引发的电压差和相角差分别表示为：
[0016][0017][0018]由于输出电压幅值在额定电压附近，偏差在5％以内，将V
r
和V
o
稳态值用V
*
代替，因此，虚拟阻抗的核心控制律进一步表达为：
[0019]V
o
＝V
r
‑
n
r
P
‑
n
x
Q
[0020]δ
o
＝δ
r
‑
m
x
P+m
r
Q
[0021]其中：
[0022][0023]虚拟阻抗本质控制律是功角下垂和电压下垂控制，找到虚拟电感X
v
和虚拟电阻R
v
分别对调相角和调电压幅值的影响规律，设计m
x
、m
r
、n
x
、n
r
参数来代替虚拟阻抗的作用，在功角下垂控制中，增大δ
‑
P下垂系数m
x
等效增加了虚拟电感，在有功控制层面补偿了整体输出阻抗，在电压下垂控制中，增大V
‑
Q下垂系数n
x
本质上是等效增加了虚拟电感，进而在无功控制层面补偿了整体输出阻抗；
[0024]2)在系统稳定性分析方面，设计如下：
[0025]增大虚拟电感等效参数m
x
，提高系统动态响应和阻尼功率振荡能力，为避免下垂系数m
x
增大系统的传输阻抗；
[0026]在多并联逆变器网络中，采用虚拟电感主导的方法来满足传统下垂对线路阻抗呈主感性的条件，此处单独给出虚拟电感的控制律R
v
＝0如下：
[0027]δ
o
＝δ
r
‑
m
x
P
[0028]V
o
＝V
r
‑
n
x
Q
[0029]根据控制目标要求，将输出总阻抗灵活调整为相应具备功率动态解耦能力、功率振荡阻尼能力、潮流控制能力和系统故障限流能力阻抗；
[0030]3)在耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制控制框架方面，设计如下：
[0031]基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制表达式如下：
[0032][0033]式中，H
ij
(s)是比例
‑
积分
‑
微分算子，表示如下
[0034][0035]其中比例算子灵活调节稳态工作效果，积分算子适用于并离网双模式切换运行，微分算子灵活调节系统动态阻尼响应，采用反馈有功无功耦合矩阵形式，通过设计参数实现有功和无功的动态解耦；
[0036]4)对逆变器并网系统的功率外环控制动态进行小信号稳定性分析，设计如下：
[0037]系统的稳态运行点用大写字母表示为(V,V
g
,δ)，小信号干扰项表示为
[0038]首先，对功率传输特性进行线性化处理：
[0039][004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架设计方法，其特征在于，具体步骤如下：1)在逆变器整体等效输出阻抗方面，设计如下：等效输出阻抗包含了所构造的虚拟阻抗和实际物理线路阻抗，虚拟阻抗的数学表达式为：v
o
＝v
r
‑
Z
v
i
o
；Z
v
＝R
v
+jX
v
是所要塑造的虚拟阻抗；v
o
＝V
o
∠δ
o
是逆变型的实际输出电压；i
o
代表逆变型的实际输出电流；v
r
＝V
r
∠δ
r
是由下垂控制的功率外环给定的电压相量参考；用功率反馈代替电流反馈，构造新的功率外环控制律来等效内环输出阻抗的影响，具体如下：逆变器的输出功率与虚拟阻抗之间的数学关系为：将输出功率代替输出电流，推导可得输出有功和无功功率在虚拟阻抗上引发的电压差和相角差分别表示为：和相角差分别表示为：由于输出电压幅值在额定电压附近，偏差在5％以内，将V
r
和V
o
稳态值用V
*
代替，因此，虚拟阻抗的核心控制律进一步表达为：V
o
＝V
r
‑
n
r
P
‑
n
x
Qδ
o
＝δ
r
‑
m
x
P+m
r
Q其中：虚拟阻抗本质控制律是功角下垂和电压下垂控制，找到虚拟电感X
v
和虚拟电阻R
v
分别对调相角和调电压幅值的影响规律，设计m
x
、m
r
、n
x
、n
r
参数来代替虚拟阻抗的作用，在功角下垂控制中，增大δ
‑
P下垂系数m
x
等效增加了虚拟电感，在有功控制层面补偿了整体输出阻抗，在电压下垂控制中，增大V
‑
Q下垂系数n
x
本质上是等效增加了虚拟电感，进而在无功控制层面补偿了整体输出阻抗；2)在系统稳定性分析方面，设计如下：增大虚拟电感等效参数m
x
，提高系统动态响应和阻尼功率振荡能力，为避免下垂系数m
x
增大系统的传输阻抗；在多并联逆变器网络中，采用虚拟电感主导的方法来满足传统下垂对线路阻抗呈主感性的条件，此处单独给出虚拟电感的控制律R
v
＝0如下：δ
o
＝δ
r
‑
m
x
PV
o
＝V
r
‑
n

【专利技术属性】
技术研发人员：侯小超，付思琦，孙克辉，韩华，施光泽，孙尧，粟梅，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：