基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法及系统

1.本发明涉及微电网运行控制技术领域，具体涉及一种基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法及系统。


背景技术：

2.微电网(micro-grid，mg)，也称微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以独立运行(即孤岛运行)。微电网并网运行时的控制策略对于大电网及微电网的稳定运行来说十分重要。
3.现有的控制技术在微电网离网运行时，多采用有功相角下垂控制，通过将相角作为下垂量从而控制dg(distributed generation，dg)的功率输出。采取下垂控制是为了使逆变器模拟同步发电机的运行特性。与同步发电机并联运行或并网运行类似，下垂控制可用于多台逆变器的并联运行，实现逆变器之间合理的功率分配，或逆变器与电网之间的功率分配。
4.在微电网并网运行控制中，主流的控制方式是采取有功、无功可调的pq控制，此控制包括功率外环和电压电流内环。其目的是将有功和无功功率进行解耦控制，使输出的功率实时跟踪其参考信号，并且由大电网提供频率和电压支撑，各dg不参与电压和频率调整。但是微电网在离网转并网运行时，采用有功相角下垂的微电网需要将控制切换为pq控制，控制结构发生了大幅更改。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种保留有功相角下垂控制结构并使逆变器输出有功功率无差调节的基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法及系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
7.一方面，本发明提供一种基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法，保留有功相角下垂的控制结构并网运行；该方法包括：
8.采集dg机组的有功功率参考值和有功功率实际值；
9.将参考值与实际值做差得到差值；
10.利用坐标变换相角控制器，结合差值，得到坐标变换相角补偿值；
11.将坐标变换相角补偿值叠加至原有的相角值；
12.基于叠加后的相角，进行park反变换；
13.将park反变换得到的三相调制电压信号通过spwm调制策略控制dg机组的输出，进而调节输出的有功功率。
14.优选的，保留有功相角下垂的控制结构并网运行，包括：在离网运行时，微电网采用有功相角下垂控制策略；切换至并网运行时，微电网不改变控制结构，保留有功相角下垂
控制结构。
15.优选的，利用坐标变换相角控制器，结合差值，得到坐标变换相角补偿值，包括按下式计算坐标变换相角补偿值：
16.θ'＝∫(k
p
(p
refi-pi) ki∫(p
refi-pi)dt)dt；
17.其中，θ'为补偿的相角值，k
p
和ki分别是坐标变换相角控制器的比例增益系数和积分增益系数，p
refi
表示第i个dg机组的有功功率参考值，pi表示第i个dg机组输出的有功功率实际值，t表示时间。
18.优选的，坐标变换相角补偿值按下式叠加至原有的相角值：
[0019][0020]
其中，θ为park反变换的相角参考值，θ0为系统原有的相角值，f为标准频率50hz。
[0021]
优选的，使用相角参考值按下式进行park反变换：
[0022][0023]
其中，va、vb、vc分别为三相静止坐标系下的电压，vd、vq、v0分别为同步旋转坐标系下的电压。
[0024]
优选的，变换得到的三相调制电压信号通过spwm调制策略控制dg机组的输出，进而调节输出的有功功率，包括：在并网运行中，若dg的有功功率参考值与输出的实际值不相等，则差值经过坐标变换相角控制器后得到坐标变换相角补偿值，补偿至原有的坐标变换相角值。若差值为正数，则使得坐标变换相角参考值变大，经过park反变换后的三相电压调制信号，通过spwm调制策略控制dg的输出，从而使得输出的有功功率变大，反之，若差值为负数，坐标变换相角参考值变小，dg输出的有功功率变小，直至有功功率无差。
[0025]
第二方面，本发明提供一种基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制系统，保留有功相角下垂的控制结构并网运行；该系统包括：
[0026]
采集模块，用于采集dg机组的有功功率参考值和有功功率实际值；
[0027]
作差模块，用于将参考值与实际值做差得到差值；
[0028]
补偿模块，用于利用坐标变换相角控制器，结合差值，得到坐标变换相角补偿值；
[0029]
叠加模块，用于将坐标变换相角补偿值叠加至原有的相角值；
[0030]
变换模块，用于基于叠加后的相角，进行park反变换；
[0031]
控制模块，用于将park反变换得到的三相调制电压信号通过spwm调制策略控制dg机组的输出，进而调节输出的有功功率。
[0032]
第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如上所述基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法。
[0033]
第四方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序当
在一个或多个处理器上运行时，用于实现如上所述的基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法。
[0034]
第五方面，本发明提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如上所述的基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法的指令。
[0035]
本发明有益效果：通过加入坐标变换相角控制器，在保留有功相角下垂控制结构的同时，实现各个dg的有功功率无差调节。
[0036]
本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1为本发明实施例3所述的基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法流程图。
[0039]
图2为本发明实施例3所述的基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法的控制框图。
[0040]
图3为本发明实施例3所述的基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法的微电网示意图。
[0041]
图4为本发明实施例4所述的基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法的微电网示意图。
[0042]
图5为本发明实施例4所述的基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法的输出有功功率变化图。
具体实施方式
[0043]
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0044]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
[0045]
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0046]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加
一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
[0047]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0048]
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0049]
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
[0050]
实施例1
[0051]
本实施例1提供一种基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制系统，保留有功相角下垂的控制结构并网运行；该系统包括：
[0052]
采集模块，用于采集dg机组的有功功率参考值和有功功率实际值；
[0053]
作差模块，用于将参考值与实际值做差得到差值；
[0054]
补偿模块，用于利用坐标变换相角控制器，结合差值，得到坐标变换相角补偿值；
[0055]
叠加模块，用于将坐标变换相角补偿值叠加至原有的相角值；
[0056]
变换模块，用于基于叠加后的相角，进行park反变换；
[0057]
控制模块，用于将park反变换得到的三相调制电压信号通过spwm调制策略控制dg机组的输出，进而调节输出的有功功率。
[0058]
本实施例1中，利用上述的系统，实现了基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法，保留有功相角下垂的控制结构并网运行；包括：
[0059]
利用采集模块采集dg机组的有功功率参考值和有功功率实际值；
[0060]
利用作差模块将参考值与实际值做差得到差值；
[0061]
利用补偿模块利用坐标变换相角控制器，结合差值，得到坐标变换相角补偿值；
[0062]
利用叠加模块将坐标变换相角补偿值叠加至原有的相角值；
[0063]
利用变换模块基于叠加后的相角，进行park反变换；
[0064]
利用控制模块将park反变换得到的三相调制电压信号通过spwm调制策略控制dg机组的输出，进而调节输出的有功功率。
[0065]
其中，保留有功相角下垂的控制结构并网运行，包括：在离网运行时，微电网采用有功相角下垂控制策略；切换至并网运行时，微电网不改变控制结构，保留有功相角下垂控制结构。
[0066]
利用坐标变换相角控制器，结合差值，得到坐标变换相角补偿值，包括按下式计算坐标变换相角补偿值：
[0067]
θ'＝∫(k
p
(p
refi-pi) ki∫(p
refi-pi)dt)dt；
[0068]
其中，θ'为补偿的相角值，k
p
和ki分别是坐标变换相角控制器的比例增益系数和积分增益系数，p
refi
表示第i个dg机组的有功功率参考值，pi表示第i个dg机组输出的有功功率实际值，t表示时间。
[0069]
坐标变换相角补偿值按下式叠加至原有的相角值：
[0070][0071]
其中，θ为park反变换的相角参考值，θ0为系统原有的相角值，f为标准频率50hz。
[0072]
使用相角参考值按下式进行park反变换：
[0073][0074]
其中，va、vb、vc分别为三相静止坐标系下的电压，vd、vq、v0分别为同步旋转坐标系下的电压。
[0075]
变换得到的三相调制电压信号通过spwm调制策略控制dg机组的输出，进而调节输出的有功功率，包括：在并网运行中，若dg的有功功率参考值与输出的实际值不相等，则差值经过坐标变换相角控制器后得到坐标变换相角补偿值，补偿至原有的坐标变换相角值。若差值为正数，则使得坐标变换相角参考值变大，经过park反变换后的三相电压调制信号，通过spwm调制策略控制dg的输出，从而使得输出的有功功率变大，反之，若差值为负数，坐标变换相角参考值变小，dg输出的有功功率变小，直至有功功率无差。
[0076]
实施例2
[0077]
本实施例2中，提供一种基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法，包括如下步骤：
[0078]
保留有功相角下垂的控制结构并网运行；
[0079]
采集dg机组的有功功率参考值与输出的实际值做差得到差值；
[0080]
将所述差值输入至坐标变换相角控制器得到坐标变换相角补偿值；
[0081]
将坐标变换相角补偿值叠加至原有的相角值作为park反变换的相角输入；
[0082]
变换得到的三相调制电压信号通过spwm调制策略控制dg机组的输出，进而调节输出的有功功率。
[0083]
所述的保留有功相角下垂的控制结构并网运行，指的是在离网运行时，微电网采用有功相角下垂控制策略，切换至并网运行时，微电网不改变控制结构，保留有功相角下垂控制结构。
[0084]
所述的将差值输入至坐标变换相角控制器得到坐标变换相角补偿值，坐标变换相角控制器为比例积分控制器，包括按如下公式计算坐标变换相角补偿值：
[0085]
使用比例积分控制器按公式(1)得到坐标变换相角补偿值：
[0086]
θ'＝∫(k
p
(p
refi-pi) ki∫(p
refi-pi)dt)dt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0087]
其中，θ'为补偿的相角值，k
p
和ki分别是坐标变换相角控制器的比例增益系数和积分增益系数。
[0088]
所述的将坐标变换相角补偿值叠加至原有的相角值作为park反变换的相角输入，包括按如下公式计算：
[0089]
坐标变换相角补偿值按公式(2)叠加至原有的相角值：
[0090][0091]
使用相角参考值按公式(3)进行park反变换：
[0092][0093]
其中，θ为park反变换的相角参考值，θ0为系统原有的相角值，f为标准频率50hz，va、vb、vc分别为三相静止坐标系下的电压，vd、vq、v0分别为同步旋转坐标系下的电压。
[0094]
所述的变换得到的三相调制电压信号通过spwm调制策略控制dg机组的输出，进而调节输出的有功功率，包括：
[0095]
在并网运行中，若dg的有功功率参考值与输出的实际值不相等，则差值经过坐标变换相角控制器后得到坐标变换相角补偿值，补偿至原有的坐标变换相角值。若差值为正数，则使得坐标变换相角参考值变大，经过park反变换后的三相电压调制信号，通过spwm调制策略控制dg的输出，从而使得输出的有功功率变大，反之，若差值为负数，坐标变换相角参考值变小，dg输出的有功功率变小，直至有功功率无差。
[0096]
实施例3
[0097]
本实施例3中，提供基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法，旨在通过在每个dg的坐标变换控制部分加入一个坐标变换相角控制器，该调节器根据有功功率参考值与实际值的差，调节每个dg的坐标变换相角参考值，来控制有功功率的输出，从而可以使逆变器实现有功功率无差调节。
[0098]
参照图1、图2和图3所示，本实施例所述的方法包括如下步骤：
[0099]
步骤s1：保留有功相角下垂的控制结构并网运行，控制结构如图3所示，指的是在离网运行时，微电网采用有功相角下垂控制策略，切换至并网运行时，微电网不改变控制结构，有功相角下垂控制包括按如下公式计算：
[0100]
下垂公式按公式(4)计算有功相角参考值、无功电压参考值：
[0101][0102]
按公式(5)计算电压的d轴参考值和q轴参考值：
[0103][0104]
其中，δ
oi
、v
oi
分别为第i个dg空载时的相角参考值、电压参考值，δi、vi分别为第i个dg的相角参考值、电压参考值，mi、ni分别为第i个dg的有功下垂系数、无功下垂系数，pi、qi分别为第i个dg输出的有功功率实际值、无功功率实际值，v
drefi
为第i个dg的电压的d轴参考值，v
qrefi
为第i个dg的电压的q轴参考值。
[0105]
步骤s2：采集dg机组的有功功率参考值与输出的实际值做差得到差值
[0106]
步骤s3：将差值输入至坐标变换相角控制器得到坐标变换相角补偿值，坐标变换相角控制器还分为比例控制器和比例积分控制器，控制结构如图2所示，包括按如下公式计算坐标变换相角补偿值：
[0107]
使用比例积分控制器按公式(1)得到坐标变换相角补偿值：
[0108]
θ'＝∫(k
p
(p
refi-pi) ki∫(p
refi-pi)dt)dt
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0109]
其中，θ'为补偿的相角值，k
p
和ki分别是坐标变换相角控制器的比例增益系数和积分增益系数。
[0110]
步骤s4：将坐标变换相角补偿值叠加至原有的相角值，作为park反变换的相角输入，控制结构如图2所示，按如下公式计算：
[0111]
坐标变换相角补偿值按公式(3)叠加至原有的相角值：
[0112][0113]
使用相角参考值按公式(4)进行park反变换：
[0114][0115]
其中，θ为park反变换的相角参考值，θ0为系统原有的相角值，f为标准频率50hz，va、vb、vc分别为三相静止坐标系下的电压，vd、vq、v0分别为同步旋转坐标系下的电压。
[0116]
步骤s5：变换得到的三相调制电压信号通过spwm调制策略控制输出的有功功率，具体的，即：在并网运行中，若dg的有功功率参考值与输出的实际值不相等，则差值经过坐标变换相角控制器后得到坐标变换相角补偿值，补偿至原有的坐标变换相角值。若差值为正数，则使得坐标变换相角参考值变大，经过park反变换后的三相电压调制信号，通过spwm调制策略控制dg的输出，从而使得输出的有功功率变大，反之，若差值为负数，坐标变换相角参考值变小，dg输出的有功功率变小，直至有功功率无差。
[0117]
实施例4
[0118]
本实施例4中，以一个含有两台dg的微电网系统作为算例对基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法有效性进行验证，实施例4提供的基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法的微电网示意图如图4所示，本发明验证有效性的结果来自于simulink仿真软件。微电网设计参数如下：
[0119]
线路均为阻抗型线路，其电阻值为0.14ω，电抗值为0.4082ω；负荷1为10kw 10kvar，负荷2为10kw 10kvar，负荷3为20kw，负荷4为25kw 25kvar；dg设定输出有功功率分别为p
ref1
＝35kw，p
ref2
＝33kw。
[0120]
系统仿真时间共9秒。图5为本发明实施例2提供的基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法的输出有功功率变化图。
[0121]
参照图5，2秒时并网，切入比例积分控制方法，电网频率为50hz，两台dg输出的有
功功率为p1＝35kw，p2＝33kw，都准确跟踪参考值；在4秒时，电网频率突变为49.9hz，可以看到此时dg输出的有功功率跟踪调整后仍为p1＝35kw，p2＝33kw；在6秒时，电网频率突变为约50.1hz，此时dg输出的有功功率跟踪调整后仍为p1＝35kw，p2＝33kw。可以看出，比例积分控制可以实现有功功率的无差调节，即使电网频率有偏移也可无差调节。
[0122]
实施例5
[0123]
本发明实施例5提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法，该方法包括：
[0124]
采集dg机组的有功功率参考值和有功功率实际值；
[0125]
将参考值与实际值做差得到差值；
[0126]
利用坐标变换相角控制器，结合差值，得到坐标变换相角补偿值；
[0127]
将坐标变换相角补偿值叠加至原有的相角值；
[0128]
基于叠加后的相角，进行park反变换；
[0129]
将park反变换得到的三相调制电压信号通过spwm调制策略控制dg机组的输出，进而调节输出的有功功率。
[0130]
实施例6
[0131]
本发明实施例6提供一种计算机程序(产品)，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行时，用于实现基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法，该方法包括：
[0132]
采集dg机组的有功功率参考值和有功功率实际值；
[0133]
将参考值与实际值做差得到差值；
[0134]
利用坐标变换相角控制器，结合差值，得到坐标变换相角补偿值；
[0135]
将坐标变换相角补偿值叠加至原有的相角值；
[0136]
基于叠加后的相角，进行park反变换；
[0137]
将park反变换得到的三相调制电压信号通过spwm调制策略控制dg机组的输出，进而调节输出的有功功率。
[0138]
实施例7
[0139]
本发明实施例7提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方法的指令，该方法包括：
[0140]
采集dg机组的有功功率参考值和有功功率实际值；
[0141]
将参考值与实际值做差得到差值；
[0142]
利用坐标变换相角控制器，结合差值，得到坐标变换相角补偿值；
[0143]
将坐标变换相角补偿值叠加至原有的相角值；
[0144]
基于叠加后的相角，进行park反变换；
[0145]
将park反变换得到的三相调制电压信号通过spwm调制策略控制dg机组的输出，进而调节输出的有功功率。
[0146]
综上所述，本发明实施例所述的基于有功相角下垂控制的逆变器并网运行控制方
法，保留了相角下垂控制结构，通过有功相角下垂计算dq轴电压参考值，避免了离网转并网时控制结构的大幅改变；加入了一个坐标变换相角控制器，通过有功功率的参考值与实际值的差，得出坐标变换相角的补偿值，与原有相角值叠加后，经park反变换，三相电压调制信号通过spwm调制策略，控制dg输出，实现了在不同的运行频率下，dg机组的有功功率无差调节的功能。在含有2台dg和4个负载的微电网系统中验证了本方法的有效性。
[0147]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0148]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0149]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0150]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0151]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。