本發(fā)明屬于分布式發(fā)電主動配電網(wǎng)的電能質(zhì)量管理領(lǐng)域，具體涉及一種基于虛擬同步發(fā)電機型分布式電源的配電網(wǎng)電壓控制方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)通常依靠靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和較大的容量裕度來應(yīng)對負荷的不確定性，以保證電力系統(tǒng)的安全可靠，其運行控制方法相對簡單。近十幾年來，電力電子技術(shù)的快速發(fā)展解決了分布式電源(distributed generation,DG)在中低壓配電網(wǎng)的并網(wǎng)運行問題，促進了DG被廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)各層級上。但是，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)仍然存在可再生能源消納能力不足、一次網(wǎng)架薄弱、自動化水平不高、調(diào)度方式落后以及用電互動化水平較低等問題，嚴重制約了DG的高度滲透，不利于能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整。面對負荷增長緩慢、配電網(wǎng)發(fā)展空間資源有限、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較難擴展的現(xiàn)狀，主動配電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生，旨在解決電網(wǎng)兼容及應(yīng)用大規(guī)模間歇式可再生能源提升綠色能源利用率、優(yōu)化一次能源結(jié)構(gòu)等問題。

傳統(tǒng)的被動式配電網(wǎng)采用就地消納間歇式能源模式。當DG接入配電網(wǎng)后，由于DG具有間歇性、隨機性、非線性等特征，若間歇式能源所發(fā)電力過剩，配電網(wǎng)本身沒有調(diào)節(jié)能力無法上送配電網(wǎng)，只能降低其出力運行。而主動配電網(wǎng)具有消納間歇式能源的調(diào)節(jié)能力，若間歇式能源所發(fā)電力過剩，在滿足配電網(wǎng)運行約束的條件下通過柔性負荷以及多層次電網(wǎng)的分層消納能力消納過剩的能源。然而，這會導(dǎo)致配電網(wǎng)出現(xiàn)潮流反向，在主動配電網(wǎng)(AND)饋線的任何位置都有可能出現(xiàn)電壓調(diào)整問題，電壓質(zhì)量控制面臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)。

近年來，集成了同步發(fā)電機控制模型的虛擬同步發(fā)電機型分布式電源(VSG-DG)得到了普遍的關(guān)注。由于其實現(xiàn)了可再生能源并網(wǎng)單元與同步發(fā)電機在物理上和數(shù)學上的等效，可有效降低大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，引起了全球范圍內(nèi)的廣泛研究興趣。

圖1所示為接入了VSG-DG的主動配電網(wǎng)的一條饋線，包括三個公共母線PCC和三組負荷，每個公共母線PCC處均接入若干DG和VSG-DG。DG包括直流微源、三相全橋逆變器、LC濾波電路以及DG控制系統(tǒng)，VSG-DG包括直流側(cè)電容、三相全橋逆變器、LC濾波電路以及VSG-DG控制系統(tǒng)。VSG-DG是通過VSG-DG控制系統(tǒng)的控制使DG的輸出外特性與同步發(fā)電機外特性一致，其中VSG-DG控制系統(tǒng)主要包括有功-頻率控制模塊和無功-電壓控制模塊，VSG-DG控制方法是通過采集VSG-DG的出口電壓電流，經(jīng)過有功-頻率控制模塊和無功-電壓控制模塊，輸出脈沖寬度調(diào)制信號，脈沖寬度調(diào)制信號輸入到三相全橋逆變器，改變逆變器輸出功率，從而模擬同步發(fā)電機的運行機制。目前接入主動配電網(wǎng)的VSG-DG的功能主要是改善電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。當電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動問題時，VSG-DG無法快速響應(yīng)而提高主動配電網(wǎng)電壓控制水平。這一切都與主動配電網(wǎng)的要求不相符。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：現(xiàn)有的VSG-DG控制方法未能很好地模擬同步發(fā)電機外特性且無法抑制主動配電網(wǎng)ADN公共母線PCC電壓波動。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：一種基于虛擬同步發(fā)電機型分布式電源的配電網(wǎng)電壓控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、構(gòu)建虛擬同步發(fā)電機型分布式電源VSG-DG的控制系統(tǒng)，主要包括電壓電流采集模塊、功率計算模塊、有功-頻率控制模塊、無功-電壓控制模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、電壓補償控制模塊、直流電壓控制模塊和電流控制模塊，電壓電流采集模塊用于采集VSG-DG的內(nèi)環(huán)電流值、輸出電流值及VSG-DG并網(wǎng)的公共母線PCC處電壓值，電壓電流采集模塊的輸出端連接功率計算模塊的輸入端、無功-電壓控制模塊的輸入端和電流控制模塊的輸入端，功率計算模塊的輸出端連接有功-頻率控制模塊的輸入端、無功-電壓控制模塊的輸入端和電壓補償模塊的輸入端，有功-頻率控制模塊的輸出端和無功-電壓控制模塊的輸出端均連接電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接電壓補償控制模塊的輸入端，電壓補償控制模塊的輸出端和直流電壓控制模塊的輸出端均連接電流控制模塊的輸入端，電流控制模塊的輸出端連接VSG-DG的三相全橋逆變器；

S2、電壓電流采集模塊采集VSG-DG_i接入的PCC處電壓在三相靜止abc坐標系的值v_abc和VSG-DG_i的輸出電流在三相靜止abc坐標系的值i_abc,i，計算PCC處電壓v_abc的模值V，并將其轉(zhuǎn)換為在兩相靜止αβ坐標系中的實時電壓值v_αβ，其中VSG-DG_i為接入PCC的第i個VSG-DG；

S3、功率計算模塊計算VSG-DG_i的輸出無功Q_i和輸出有功P_i；

S4、無功-電壓控制模塊根據(jù)PCC電壓波動情況，自適應(yīng)設(shè)置PCC電壓補償參考值V_ref；

S5、設(shè)置VSG-DG_i的輸出無功參考值Q_ref,i和輸出有功參考值P_ref,i，無功-電壓控制模塊根據(jù)電壓補償參考值V_ref、輸出無功Q_i和輸出無功參考值Q_ref,i，輸出VSG-DG_i的虛擬定子內(nèi)電動勢其中，k_u和K分別是無功-電壓控制模塊的下垂系數(shù)與積分系數(shù)；有功-頻率控制模塊根據(jù)輸出有功P_i和輸出有功參考值P_ref,i，輸出VSG-DG_i的虛擬電角度其中，J為轉(zhuǎn)動慣量，D為阻尼系數(shù)，ω為VSG轉(zhuǎn)子角頻率；

S6、電壓轉(zhuǎn)換模塊通過虛擬定子內(nèi)電動勢E_i和虛擬電角度θ_1,i，計算控制參考電壓

其中

S7、電壓補償模塊根據(jù)控制參考電壓實時電壓v_αβ和輸出無功Q_i，計算VSG-DG_i的輸出電流參考過程量其中n_P,i為有功分配系數(shù)，k_e,p為電壓誤差比例系數(shù)，k_P,P、k_I,P分別為電壓補償模塊的比例系數(shù)和積分系數(shù)；

S8、設(shè)置VSG-DG_i的額定直流電壓采集VSG-DG_i的直流側(cè)電壓V_DC,i，直流電壓控制模塊計算為將實時直流電壓維持在額定直流電壓而VSG-DG_i需吸收的有功功率其中k_P,DC和k_I,DC分別為直流電壓控制模塊的比例系數(shù)和積分系數(shù)，并計算需吸收的有功電流

S9、電流控制模塊將輸出電流參考值與VSG-DG_i的額定電流I_N比較后，合成脈沖寬度調(diào)制輸入信號，經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制后輸出給VSG-DG_i的三相全橋逆變器。

進一步，S4的具體步驟為：若PCC處電壓模值V＞1.07V_N，電壓補償參考值若PCC處電壓模值V＜0.93V_N，電壓補償參考值若0.93V_N＜V＜1.07V_N，電壓補償參考值V_ref＝V_N；其中V_N是配電網(wǎng)額定電壓，H為采樣率，ΔV_s2為PCC電壓波動后第2個采樣周期的電壓變化量，t為從電壓波動開始計時的時刻，電壓補償參考值調(diào)節(jié)時間為

PCC電壓波動后，根據(jù)PCC電壓偏差程度確定自適應(yīng)反正切曲率控制的軌跡曲率，根據(jù)PCC電壓變化率確定電壓調(diào)節(jié)時間，提高了主動配電網(wǎng)電壓和頻率的魯棒性。

進一步，S9中電流控制模塊的具體執(zhí)行步驟為：

S9.1合成VSG-DG_i的輸出電流參考值若輸出電流參考值超過VSG-DG_i的額定電流I_N，則

S9.2輸出電流參考值和電壓電流采集模塊采集的輸出電流值i_αβ,i通過第一比例諧振控制器，得到VSG-DG_i的內(nèi)環(huán)電流參考值

S9.3內(nèi)環(huán)電流參考值減去內(nèi)環(huán)電流值i_L,αβ,i后經(jīng)過第二比例諧振控制器，得到兩相靜止αβ坐標系下的PWM控制輸入信號U_PWM,i,αβ；

S9.4經(jīng)過兩相靜止αβ坐標系到三相靜止abc坐標系的變換，得到三相靜止abc坐標系下的PWM控制輸入信號U_PWM,i,abc，輸入PWM生成單元進行脈沖寬度調(diào)制，脈沖調(diào)制后輸出給VSG-DG_i的三相全橋逆變器。

步驟S9.1中VSG-DG輸出電流參考值達到或超出極限時進行輸出電流參考值限幅，避免VSG-DG過載。

本發(fā)明的有益效果是：(1)本方法使用的VSG-DG控制系統(tǒng)通過電壓電流采集模塊采集VSG-DG的內(nèi)環(huán)電流、輸出電流和VSG-DG并網(wǎng)的PCC處電壓，經(jīng)過功率計算模塊、有功-頻率控制模塊和無功-電壓控制模塊，用以模擬同步發(fā)電機的有功調(diào)頻與無功調(diào)壓功能，再通過電壓轉(zhuǎn)換模塊、電壓補償控制模塊、直流電壓控制模塊和電流控制模塊，實現(xiàn)VSG-DG的輸出外特性與同步發(fā)電機外特性一致，其中無功-電壓控制模塊根據(jù)PCC電壓波動情況，自適應(yīng)設(shè)置PCC電壓補償參考值，有效抑制PCC處電壓波動；(2)PCC電壓波動后，根據(jù)PCC電壓偏差程度確定自適應(yīng)反正切曲率控制的軌跡曲率，根據(jù)PCC電壓變化率確定電壓調(diào)節(jié)時間，提高了主動配電網(wǎng)電壓和頻率的魯棒性；(3)采用該控制方法的VSG-DG不僅可以獨立運行，也能實現(xiàn)無互聯(lián)線并聯(lián)運行，具有很高的靈活性和可靠裕度，解決了不同容量VSG-DG并聯(lián)運行時的功率分配問題，更加契合智能電網(wǎng)對于電力電子設(shè)備即插即用的要求；(4)在VSG-DG輸出電流達到或超出極限時進行輸出電流參考值限幅，避免VSG-DG過載。該方法滿足了配電網(wǎng)DG滲透率不斷增高的現(xiàn)實需求，實現(xiàn)了PCC電能質(zhì)量的綜合控制，彌補了DG功率不確定性帶來的電壓質(zhì)量降低問題，提高來配電網(wǎng)局部和區(qū)域電壓質(zhì)量，實現(xiàn)了配電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運行。

附圖說明

圖1為含有多個DG和VSG-DG的主動配電網(wǎng)的一條饋線結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為一個VSG-DG的一次電路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)特性的電壓參考值變化示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行說明。

如圖2所示，本發(fā)明一個VSG-DG包括一次電路和VSG-DG控制系統(tǒng)，VSG-DG控制系統(tǒng)主要包括電壓電流采集模塊、功率計算模塊、有功-頻率控制模塊、無功-電壓控制模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、電壓補償控制模塊、直流電壓控制模塊和電流控制模塊，電壓電流采集模塊用于采集VSG-DG的內(nèi)環(huán)電流值、輸出電流值及該VSG-DG并網(wǎng)的PCC處電壓值，電壓電流采集模塊的輸出端連接功率計算模塊的輸入端、無功-電壓控制模塊的輸入端和電流控制模塊的輸入端，功率計算模塊的輸出端連接有功-頻率控制模塊的輸入端、無功-電壓控制模塊的輸入端和電壓補償模塊的輸入端，有功-頻率控制模塊的輸出端和無功-電壓控制模塊的輸出端均連接電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接電壓補償控制模塊的輸入端，電壓補償控制模塊的輸出端和直流電壓控制模塊的輸出端均連接電流控制模塊的輸入端，電流控制模塊的輸出端連接VSG-DG的三相全橋逆變器。

下面以接入PCC的第i個VSG-DG_i為例說明本發(fā)明控制方法。

一種基于虛擬同步發(fā)電機型分布式電源的配電網(wǎng)電壓控制方法，包括以下步驟：

步驟1、搭建如上所述VSG-DG_i的控制系統(tǒng)。

步驟2、電流電壓采集模塊采集PCC處電壓在三相靜止abc坐標系的值v_abc＝[v_a v_bv_c]^T和VSG-DG_i的輸出電流在三相靜止abc坐標系的值i_abc,i＝[i_a,i i_b,i i_c,i]^T，計算PCC處電壓v_abc的模值V，并將v_abc和i_abc,i通過式(1)轉(zhuǎn)換為兩相靜止αβ坐標系中的電壓值v_αβ和輸出電流值i_αβ,i，

其中

步驟3、功率計算模塊計算VSG-DG_i的輸出無功Q_i和輸出有功P_i：

步驟4、無功-電壓控制模塊自適應(yīng)設(shè)置PCC的電壓控制參考值V_ref，具體步驟為：

(1)在PCC電壓發(fā)生波動后，計算PCC電壓波動后第2個采樣周期電壓變化量ΔV_s2：

ΔV_s2＝V_s2-V_s1 (3)

其中V_s1、V_s2分別為第一個采樣點和第二個采樣點的電壓值。

(2)根據(jù)電力系統(tǒng)對于35kV以下配電網(wǎng)電壓的要求，正常情況下，PCC電壓的偏差應(yīng)在±7％以內(nèi)。考慮電壓波動分為暫升或暫降兩種情況，對V_ref的設(shè)置方法為三種：

(a)V＞1.07V_N時，

其中V_N是配電網(wǎng)額定電壓，H為采樣率(kHz)。如圖3中實線所示，電壓控制參考值V_ref的控制具有自適應(yīng)反正切曲率控制特性：在電壓控制起始階段，電壓控制參考值V_ref的變化率小，一方面躲避配電網(wǎng)電壓波動的暫態(tài)過程，另一方面等待配電網(wǎng)其他電壓調(diào)節(jié)設(shè)備共同參與電壓控制，減小VSG-DG_i的輸出功率壓力；在電壓控制最后階段，電壓控制參考值V_ref的變化率也很小，目的是精確平緩的恢復(fù)配電網(wǎng)PCC電壓至額定電壓值。其中t為從電壓波動開始計時的時刻，電壓補償參考值調(diào)節(jié)時間為V_ref的調(diào)節(jié)時間依據(jù)PCC電壓波動后第2個采樣周期電壓變化率進行自適應(yīng)調(diào)整，PCC電壓變化率越大，調(diào)節(jié)時間越久。

(b)V＜0.93V_N時，

如圖3中虛線所示，電壓控制參考值V_ref也具有自適應(yīng)反正切曲率控制特性：在電壓控制起始階段，電壓控制參考值V_ref的變化率小，一方面躲避配電網(wǎng)電壓波動的暫態(tài)過程，另一方面等待配電網(wǎng)其他電壓調(diào)節(jié)設(shè)備共同參與電壓控制，減小VSG-DG_i的輸出功率壓力；在電壓控制最后階段，電壓控制參考值V_ref的變化率也很小，目的是精確平緩的恢復(fù)配電網(wǎng)PCC電壓至額定電壓值。

(c)0.93V_N＜V＜1.07V_N時，此時配電網(wǎng)出現(xiàn)了輕微的電壓波動，可以按照正常運行狀態(tài)設(shè)定電壓參考值：

V_ref＝V_N (6)

步驟5、(1)設(shè)置VSG-DG_i的輸出無功參考值Q_ref,i和輸出有功參考值P_ref,i。

(2)將V_ref、Q_ref,i和Q_i輸入至無功-電壓控制模塊，得到VSG-DG_i的虛擬定子內(nèi)電動勢E_i，控制公式如下：

其中，k_u和K分別是無功-電壓控制器的下垂系數(shù)與積分系數(shù)。

(3)將P_ref,i和P_i輸入至VSG有功-頻率控制模塊，得到VSG-DG_i的虛擬電角度θ_1,i，控制公式如下：

其中，J為轉(zhuǎn)動慣量，D為阻尼系數(shù)，ω為VSG轉(zhuǎn)子角頻率。

步驟6、電壓轉(zhuǎn)換模塊將E_i和θ_1,i合成控制參考電壓和

其中

步驟7、電壓補償模塊分為α電壓補償模塊和β電壓補償模塊，分別根據(jù)輸入?yún)⒖贾岛偷玫絍SG-DG_i的輸出電流參考過程量可以表示為：

其中n_P,i為VSG-DG_i的有功分配系數(shù)，k_e,p為電壓誤差比例系數(shù)；電壓補償模塊設(shè)計成PI控制器，k_P,P、k_I,P分別為PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

當系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)時，由于k_e,P為固定常數(shù)，接入同一PCC處的和v_αβ均相同，因此接入同一PCC處的n_P,iQ_i均相等，按照VSC-DG_i的額定容量設(shè)置n_P,i，則并聯(lián)的VSC-DG將按照各自額定容量成比例輸出無功功率。

步驟8、設(shè)置VSG-DG_i直流母線電壓的額定值采集VSG-DG_i的直流側(cè)電壓V_DC,i，直流電壓控制模塊也設(shè)計成PI控制器，則VSG-DG_i需吸收有功功率其中k_P,DC和k_I,DC為比例積分控制參數(shù)。計算維持直流母線電壓穩(wěn)定的有功電流具體為：

步驟9、電流控制模塊采用了比例諧振控制器(PR)，具體步驟為：

(1)電流控制模塊先合成VSG-DG_i的輸出電流參考值在運行過程中，若輸出電流參考值超過VSG-DG_i的額定電流I_N，則

(2)輸出電流參考值和輸出電流值i_αβ,i通過第一比例諧振控制器，得到VSG-DG_i的內(nèi)環(huán)電流參考值

(3)內(nèi)環(huán)電流參考值減去內(nèi)環(huán)電流值i_L,αβ,i后經(jīng)過第二比例諧振控制器，得到兩相靜止αβ坐標系下的PWM控制輸入信號U_PWM,i,αβ；

(4)經(jīng)過兩相靜止αβ坐標系到三相靜止abc坐標系的變換，得到三相靜止abc坐標系下的PWM控制輸入信號U_PWM,i,abc，輸入PWM生成單元進行脈沖寬度調(diào)制，脈沖調(diào)制后輸出給VSG-DG_i的三相全橋逆變器。

其中比例諧振控制器的傳遞函數(shù)為：

其中，k_PRp和k_PRr分別是比例諧振控制器的比例系數(shù)和諧振增益，ω_c為截止頻率。