微电网下垂控制的稳定性、功率分配与分布式二级控制..
微电网下垂控制的稳定性、功率分配与分布式二级控制
摘 要
出于对智能电网技术最近的和不断增长的兴趣，我们研究了微电网中的下垂控制DC/AC逆变器运算。我们提供一个存在唯一的和局部指数稳定的同步解决方案的必要和充分条件。
我们提出了一个选择控制器在逆变器之间有理想的电源共享，并且指定该组的负载，它可以不违反给的的驱动约束下实现。此外，我们提出了一个分布式的基础上平均积分控制器算法，动态调节系统频率一个随时间变化的负载的存在。值得注意的是，这分布平均积分控制器有额外的性质保持功率共享特性的主要下垂调节器。最后，我们目前的实验结果验证我们的控制器设计。我们的研究结果在没有假设有相同的线性调节和电压幅值也成立。
引言
微电网是低压配电网络，不均匀组成的分布式发电，存储，负载，和从更大的主要网络中自主管理的网络。微电网是能够连接到广域电力系统通过一个共通点联轴器（PCC），但也“孤岛”自己和独立运作[1]。在微网能源发电可以是高度异质性，包括光伏发电，风能，地热能，微型涡轮机等许多这些来源产生或者可变频率的交流电源或直流电源，具有同步交流电网通过电力电子接口DC/ AC逆变器。它在孤岛的操作，是通过这些逆变器，必须采取措施以确保同步，安全性，动力平衡性和负载均衡在网络中[2]。
所谓的下垂控制器已成功地用于实现这些任务，请参见[2] - [7]。尽管形成的基础并联逆变器的操作（图2），下垂控制从未逆变器和负载网络受非线性分析[8]。小信号稳定性分析两个逆变器并联运行的下[9] - [12]和参考文献中的各种假设。所呈现的稳定性结果依赖于线性约已知的操作点，两个逆变器的特殊情况下，有时会打包带无关的假设[5]。
图1微电网的示意图，与四个逆变器（节点VI）提供负载（节点VL），通过非循环互连。 之间的逆变器的虚线代表的通信链路，这将是专门用于第六部分。
在这项工作中，我们调查我们最近的理论结果同步，共享，和次级控制的微电网[13]。经检讨后的下垂控制方法和次级控制（第二部分），我们提供必要的稳定的工作存在的充分条件
下垂控制的逆变器和负载的网络点（第III-IV），并严格地建立控制参数导致逆变器的负载的选择和范围满足给定的驱动约束（第五节）。在第六，我们提出了一种新的分布式二级控制器，基于拉普拉斯平均算法，快速调节网络频率标称值的。值得注意的是，这控制器来完成此任务，同时保持电源的主要下垂控制器的共享属性。在第七，我们提供了实验结果，验证我们的控制器设计，并终于在第VIII我们提供了一些结论和未来的发展方向。所有结果的详细证明可以[13]。
微型电网的分布式控制回顾
A.问题提出和电路理论的回顾 对我们而言，微电网是一个连通的，无向的并且复杂的加权图有节点集，边集，对称的边权重对没一个边。我们分隔节点集如，对应于负载和逆变器。对每一个节点，我们关联一个复功率，向量电压变量对应于幅度值和谐波电压的相角偏移在AC功率流等式。对于无耗损线路，功率流方程是
如果一个数和任意的方向分配给每一边，关联矩阵定义为元素如果节点是边的汇节点，如果节点是边的源节点，其他的元素为0。在无耗损的网络情形里，对于每个节点向量满足，存在一个边向量满足基尔霍夫电流定理。对于没有环的网络，是唯一的并且定义为。向量解释为节点注入，是关联的边流。我们表示为边向量中的元素，对于与边。和微电网文献中的标准一样，我们将逆变器建模为一个可控有电抗的电压源。
B.基本的下垂控制回顾
传统的下垂控制器是基础技术主控制（同步和功率平衡）岛状微网中，并是一个启发式基于
经典的有功/无功的解耦假设小功角和非混行情况，请参阅[1] - [3]，[5]，[6]，[8] - [12]，[16]。 对于无耗损线路，下垂方法指定在逆变器的频率和电压大小
其中是额定的网络频率，是额定电压集合点对于第个逆变器，（）是测得的有功（无功功率）功率的注入。控制器增益是作为下垂系数。从（2a），如果一个逆变器注入功率和预先决定的额定注入不同，频率将偏离。
图2逆变器并联运行的示意图
C.传统的二级控制回顾
去除产生的稳态频率偏差，由下垂控制器是通过所谓的“二级”积分控制器。如果主控制器 稳定网络，然后，每一个逆变器的频率具有会聚到一个恒定值，和较慢的额外控制环路然后，可以在本地使用在每个逆变器[16]。每一个局部二级控制器逐渐更改控制增益通过直到频率偏移为0。所测得的，此过程隐含假设局部频率是一个很好的近似稳态网络频率，并依赖于时间尺度的分离之间的快速，同步实施的主要下垂控制器和较慢的，二次积分控制器[7]，[16]，[17]。对于小下垂系数，这种方法可以特别慢，导致该方法不能以动态调节网络中出现的频率一个随时间变化的负载。此外，这些分散的（即，局部）上二级的控制器可能会功率共享属性成立由初级下垂控制器。
主控制器的稳定性结果 逆变器通过下垂方法（2a）控制，由（1a）给出，常数功率负载在功率节点必须满足功率平衡关系
和等式（2a）和（3）组成网络模型。一个自然的问题出现了：在什么条件下
的负载，额定功率注射，网络拓扑结构，导纳，和下垂系数的网络拥有一个稳定，同步的解决方案吗？下面的结果提供一般无环网络中确切的答案。这个类网络包括标准的“水货”微网的拓扑结构后（图2），和大多数的配电网络孤岛事件。 为了简化描述结果，定义负载向量和额定功率注入对角矩阵的逆下垂系数，令是n维向量，其中每个元素为1。
定理3.1：（同步时间的解决方案的存在性和稳定性）考虑的频率下垂控制系统（图2a）与负载（3）。定义不平衡功率范围为 令是唯一的有功功率流的边向量，满足KCL，即。下面的两个语句是等价的：
（i）同步：有一数使得闭环系统有一个局部指数稳定和唯一的同步结果使对于全部的边都成立；
（ii）流可行性：有功功率流是可行的，即 和相关联唯一的通过，网络同步频率同步角度差满足对于每个边。
证明参照[13]。 要了解上述结果，请考虑以下推理。如果一个稳定的状态存在对每一个节点，重排下垂控制器（2a）可得是稳定状态功率注入在逆变器。因此，稳定状态节点功率注入向量，满足。所以，满足KCL，是边之间的功率流关联向量。在物理上，因此，参数的条件（4）指出沿每个分支的有功功率流是可行的，即，小于物理上的最大值。此外，条件（4）下是不变的常数缩放的所有下垂系数，的整体比例和相反。
鲁棒的电压动态 目前的分析基于这样的假设，乘积是一定常和知道的系数对于全部的边。在一个现实的电力系统中，有效的行纳和电压幅值仅约已知的，并且动态地调整由额外的控制器，比如控制器（2b）。下面的结果指出，只要这些额外控制器可调节的有效纳和节点电压超过预先设定的下限，稳定的结果定理3.1经过稍加修改。
推论4.1：（鲁棒的稳定性条件）。考虑的频率下垂控制系统（2a）与负载（3）。假设节点电压幅值满足对于所有的节点，边电纳大小满足。下面的两个语句是等价的：
（i）鲁棒同步：对于全部可能的电压大小和线点纳，存在一个数使得闭环系统（2a）有负载（3）有一局部指数稳定和唯一的同步情况，对全部的边有；
（ii）最坏情况下流稳定性：有功功率流是可行的对最坏情况下电压的大小和线电纳，即
功率共享和功率注入限制 虽然定理3.1给出了充分必要条件的频率下垂控制系统的稳定性（2a）与负载（3），它没有提供直接的指导，就如何选择控制参数和满足逆变器驱动约束对于某一叫做逆变器等级。下面的定义给出了选择适当的标准。
定义1：（比例下垂系数）下垂系数选择成比例的，如果和对于全部的。
虽然定义1中的第一条件是标准微电网文献，第二个是一个泛化的选择。结果表明，这个比例选择理想的稳定状态功率注入。
定理5.1：（功率流约束和功率共享）考虑一个同步的情况中的频率下垂控制系统（2a）与负载（3），并让下垂系数的选择比例。定义全部的负载。下面的两个语句是等价的：
（i）注入约束：
（ii）负载约束：。 此外，逆变器共享的总负载比例根据其额定功率，即对于每个。特别的，定理5.1中表明如果逆变器的总负载是可行的，定理5.1保证每一个逆变器满足其驱动约束。并且，对于任何负载满足定理5.1（ii），将定理3.1中的表达和定理5.1（ii）中的边界结合起来即。通过，可得传统的下垂系数的选择为，其中是选择为。
一种新型分布式二级控制器使用平均
在定理3.1中的表达式可以看出，频率下垂方法总是导致偏差在稳定状态工作频率从额定值。和在[13]中解释的一样，修改额定的有功功率注入通过转换（对于）在控制器（2a）得到0稳定状态频率偏差和保持电源共享，由于当。不过，公式包括系数对全部的逆变器和负载，这些信息是不能在每一个逆变器局部得到的。
在下文中，我们追求的备选方案不隐式地依赖于频率恢复分离的时间尺度如[7]，[16]，[17]。假设一个稀疏的存在之间的通信网络逆变器，扩展于传统的频率下垂设计（2a）和提出的分布式平均比例积分（DAPI）控制器
其中是一辅助电源变量，是一比例系数，对每一矩阵是拉布拉斯矩阵对应于一个加权，无向连通的交互图在逆变器之间，见图1.控制结构在图3中描述。DIAP控制器有以下三个重要的性质。首先，控制器能够迅速调节网络频率下，快速的负载变化。其次，控制器完成此调控，同时保留的功率共享特性主要下垂控制器（2a）（见第五部分）。第三，交互网络在逆变器之间需要连通，不要求全部到全部的交互在逆变器之间（图1和3）。
定理6.1：（DIAP控制网络的稳定性）考虑一个无环的DIAP控制逆变器和负载网络，和（6a）-（6b）和（3）那样系数，对于，负载对于，连通的交互拉布拉斯。以下两个语句是等价的：
（i）下垂控制器的稳定性：下垂控制器的稳定相条件（4）成立；
（ii）DIAP控制器的稳定性：存在一个数使得系统（3），（6a）-（6b）有一局部指数稳定和唯一的平衡点其中对于全部。
唯一的平衡点在定理3.1中给出，和对于，网络同步额定频率一起。此外，如果下垂系数选择比例，然后DAPI控制器会保留比例主要下垂的功率共享控制器。
图3 DAPI控制器的原理结构图
实验结果
奥尔堡大学进行实验的DAPI控制器（6a） - （6b）中的性能进行评估。是在图4所示的实验装置的示意图，在其中两个逆变器工作在并行供给功率到非线性负载。
图4 实验装置的示意图
图5 标记实验装置图
图5显示实验装置，组成为：2个2.2kW逆变器工作在10kHz与LCL输出过滤器，1个控制板，电压和电流传感器。1个二极管整流器作为一个非线性负载，负载是一个电容和200电阻。电气安装和控制系统参数的详细表一。两个逆变器的控制参数是相同的，逆变器电压通过下垂方法（2b）其中，控制。
实验结果示于图6。图6（a）微网频率调节到其标称值由的DAPI控制器。在第一个两秒钟的操作下下垂控制器的（2a），稳态频率偏差的存在。当在t = 2s实施充分的DAPI控制器，系统频率为成功调节。在实验的后半期，负载迅速变化两倍：在t=9s（从200到400），在t=14s（从400到200）。正如所看到的，在控制器是能够快速地调节网络频率尽管负载快速变化。为了清楚起见，辅助增益已被调整，使得频率恢复可见。由瞬时频率偏差引起的负载的步骤可以进一步抑制，并且其持续时间减少，由减少。图6（b）显示相应的有功功率的注入在逆变器中。这说明初级的下垂方法是充分的在两个逆变器之间精确地的共享有功功率，该DAPI控制器会保留建立的功率共享特性由主控制器。是由于这样的事实：在t = 2s负载是不是一个真正的恒定功率负载，并且确实包含一个频率依赖分量有功功率的小增加。
(完整版)逆变器的下垂控制
下垂控制的原理是什么。？
下垂控制是并网逆变器的常用控制原理，但是具体下垂控制的深层原理和物理含义是什么啊？查到的几乎所有的文献对此都是基于下垂控制XXXX、仿照同步发电机下垂特性XXXX，却没有一个真正说清楚仿照哪了，电机书上对同步发电机的下垂特性也没讲清楚其物理原理。向各位知乎大神求教，我看网上也有很多问这个的却没有一个回答说清楚的。
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简单来说，所谓下垂控制就是选择与传统发电机相似的频率一次下垂特性曲线（Droop
Character）作为微源的控制方式，即分别通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制来获取稳定的频率和电压，这种控制方法对微源输出的有功功率和无功功率分别进行控制，无需机组间的通信协调，实现了微源即插即用和对等控制的目标，保证了孤岛下微电网内电力平衡和频率的统一，具有简单可靠的特点。
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补充说一说。
学过电机学都知道，发电机有个功角特性曲线，其中凸极同步发电机的
无功功率表达式是：
有功功率表达式：
我们可以看出，通过控制U和功角来控制有功功率P和无功功率Q。那么反过来，
可以通过控制有功功率P和无功功率Q来控制 U和功角
所以，
微电网中的常规下垂控制是通过模拟传统发电机的下垂特性，实现微电网中微电源的并联运行。其实质为：各逆变单元检测自身输出功率，通过下垂特性得到输出电压频率和幅值的指令值，然后各自反相微调其输出电压幅值和频率以达到系统有功和无功功率的合理分配。
逆变器输出电压频率和幅值的下垂特性为：
其中w0，U0分别为逆变器输出的额定角频率，额定电压。kp，kq为逆变器下垂系数。P,Q
分别为逆变器实际输出的有功功率和无功功率。P0，Q0分别为逆变器额定有功和无功功率。
由上式我们可以得到三相逆变器常规的P-f 和 Q-U 下垂控制框图。
注：常规下垂控制是在系统并联逆变器的输出端等效阻抗为大电感的条件下推导得到的。然而不同电压等级的连接线路对应不同的阻感比。
微网逆变器的下垂控制策略研究
微网逆变器的下垂控制策略研究
而微网逆变器是微网系统中的关键组件，它起着转换能源、控制能流和保护机械设备的重要作用。在微网逆变器中，下垂控制策略是非常关键的一部分，它通过监测微网内的电网电压和频率，控制逆变器的输出功率，以实现微网与电网的无缝切换和协同运行。
下垂控制策略是一种基于能量采集和传输的控制策略，其核心原理是通过降低微网逆变器的输出电压或频率，引导微网中的分布式电源向电网输出有限的电流或功率。具体而言，下垂控制用于维持微网与电网之间的电压和频率的协调，同时保证微网中的能量管理和供应质量。
下垂控制策略在微网逆变器中的实现主要包括两个步骤：目标功率计算和输出电压/频率控制。首先，通过监测微网内的电网电压和频率，计算出微网当前需要向电网输出的目标功率。然后，根据目标功率和当前的逆变器输出功率，实现对逆变器输出电压或频率的控制。当微网内的电压或频率与电网不一致时，下垂控制策略通过调整逆变器的输出电压或频率，使其与电网保持一致，从而实现微网与电网的协同运行。
在下垂控制策略的研究中，主要关注以下几个方面：一是电压和频率的协调控制。由于微网逆变器要与电网保持稳定的电压和频率，因此在控制过程中需要考虑电压和频率的变化情况，合理选择控制策略以实现协调控制。二是逆变器的响应速度和稳定性。对于下垂控制策略来说，逆变器响应速度的快慢和稳定性的高低直接影响到微网与电网之间是否能够实现无缝切换和电能的传输。因此，需要采用合适的控制算法和调节参数来提高逆变器的响应速度和稳定性。三是光伏和风力发电的逆变器控制。由于光伏和风力发电对网络的影响较大，其逆变器的控制也需要加以研究和优化。例如，可以采用MPPT技术来提高光伏逆变器的能量转换效率，同时采用矢量控制技术来提高风力发电逆变器的稳定性。
综上所述，是微网领域中的重要研究方向。通过优化下垂控制策略，可以实现微网与电网的无缝协同运行，提高微网的稳定性和可靠性，促进微网的发展和应用。在未来的研究中，需要进一步深入探究下垂控制策略的理论基础和实际应用，为微网系统的建设和运维提供更好的技术支持
下垂控制技术在直流微电网中的应用研究
龙源期刊网
下垂控制技术在直流微电网中的应用研究
作者：卞显新 赵洋
来源：《科技视界》2018年第26期
【摘 要】本文主要研究了下垂控制及改进下垂控制在直流微电网中的使用。首先分析微电网的组成结构及稳定运行时需要的面对的问题，分析下垂控制的原理，以及运用在微网控制中的主要作用。
【关键词】直流微电网；下垂控制；微电源
中图分类号： TM727 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）26-0041-002
DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2018.26.016
Application of droop control technology in DC microgrid
BIAN Xian-xin ZHAO Yang
（School of electrical and information engineering， Anhui University Of Science And
Technology， Huainan Anhui 232001， China）
【Abstract】In recent years， the research and application of microgrid are more and more. This
paper mainly studies the use of droop control and improved droop control in DC microgrid. Firstly，
the structure of micro-grid and the problems that need to be faced when it runs stably are analyzed，
基于改进下垂控制的微网环流抑制控制策略
基于改进下垂控制的微网环流抑制控制策略
发布时间：2021-09-07T15:08:26.970Z 来源：《中国电业》2021年第12期 作者： 周建勇,周豪奇,谢建江,黄泽飞,张迁
[导读] 经典的下垂控制策略对于低压微电网并不能直接应用。
周建勇,周豪奇,谢建江,黄泽飞,张迁
江苏科能电力工程咨询有限公司， 南京 210000
摘 要：经典的下垂控制策略对于低压微电网并不能直接应用。引入虚拟阻抗进行阻抗重塑，能够降低有功和无功功率控制的耦合度，对并联运行逆变器间的环流有一定的抑制作用；研究二次电压幅值和频率恢复控制策略，用来解决下垂控制电压和频率稳定性以及虚拟阻
抗控制引起的母线电压跌落的问题。采用改进有功功率控制环，使环流抑制效果达到最佳；最后，通过仿真分析验证该方法的正确性和可
靠性。
关键词：微网； 下垂控制； 虚拟阻抗； 环流引言
随着能源和环境问题日益突出，微网的提出有效地将分布式电源集中起来，接入交流母线。微网的多样性决定了其控制的复杂性。其中，下垂控制通过控制逆变器输出功率来调整逆变器输出电压和频率的值。这一控制方式的实现不需要通信线路作为信号载体，控制简单
方便，应而得到广泛的应用[1]。
本文通过引入虚拟阻抗，减少功率耦合度。虚拟阻抗对并联运行逆变器之间的环流和谐波有一定抑
制作用，环流仍然较大。因为虚拟阻抗控制策略在改变器件参数不一致造成的阻抗差异方面有一定优势，不能抑制线路长度差异而引起的
阻抗差异。此外，下垂控制的微源逆变器输出的电压幅值和频率受负荷变化影响较大，通过改进下垂控制稳定母线电压和提高环流抑制效
果。
1 经典的下垂控制原理
下垂控制在多个微源并联系统中应用较多[2]。以两台逆变器并联运行系统为例加以说明。图1为逆变器并联系统等效电路。
由(1)可知逆变器输出的有功功率和无功功率处于耦合状态。
在低压配电网中，线路的阻性远大于感性，近似有sinθi=θi，cosθi=1。上式可以简化为：
一种应用于直流微电网的改进型下垂控制策略
一种应用于直流微电网的改进型下垂控制策略
Xu Hongjian;Zhao Tao;Zhu Aihua;Ji Ningyi
【摘 要】在直流微电网中,下垂控制是解决多微源系统下负荷功率分配问题的基本控制方法之一.传统下垂控制策略是基于定下垂系数的U-I下垂控制方法.该方法虽然可靠性和经济性较好,但由于系统中各微源到负载端的线路阻抗不完全相同,导致各微源对负载的输出功率不能合理分配.为此,本文提出一种基于电压偏移补偿控制和电流分配补偿控制的改进下垂控制方法.该方法利用变换器输出电压、电流平均值来校正各变换器的输出电压与电流,从而达到减小母线电压降落和提高变换器电流分配精度的目的.本文对该控制方法分别在线路阻抗不一致和公共负载波动的工况下进行了仿真,其结果验证了该控制策略的有效性.
【期刊名称】《电气技术》
【年(卷),期】2019(020)007
【总页数】5页(P1-4,17)
【关键词】下垂控制;直流微电网;功率分配;线路阻抗;补偿控制
【作 者】Xu Hongjian;Zhao Tao;Zhu Aihua;Ji Ningyi
【作者单位】
【正文语种】中 文
近年来，随着不可再生能源的逐渐减少和环境污染问题的逐步加剧，以光伏、风电等清洁能源为代表的新能源发电方式因其具备可再生特性，有助于推进节能减排和实现能源可持续发展，使含可再生能源的微电网技术成为人们研究的热点。微电网按其母线电压性质可被分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。相比于交流微电网，直流微电网不存在谐波抑制、无功分布优化等问题[1-5]，而且直流微电网能够更加高效可靠地接纳分布式直流发电系统（光伏、燃料电池等）以及其他直流负载。
在直流微电网系统中，各分布式电源和负载必须通过DC-DC变换器接入各个电压等级的直流母线。对于直流微电网而言，能否实现各分布式电源之间负荷功率的合理分配以及稳定的直流母线电压是衡量整个系统供电质量的重要依据[6]。因此，能够准确分配负荷功率，同时稳定直流母线电压的并联变换器控制策略，对于直流微电网的稳定运行显得至关重要。
《2024年微电网逆变器PV-QF下垂控制技术的研究》范文
《微电网逆变器PV-QF下垂控制技术的研究》篇一
微电网逆变器PV-QF下垂控制技术的研究一、引言
随着可再生能源的快速发展和微电网技术的日益成熟，微电网逆变器作为微电网系统中的关键设备，其控制技术成为研究的热点。PV（Power-Voltage）下垂控制和QF（Quadrature-Frequency）下垂控制作为两种重要的逆变器控制策略，在微电网的运行中发挥着重要作用。本文将重点研究微电网逆变器中PV/QF下垂控制技术，分析其原理、性能及优化策略。
二、PV下垂控制技术研究
1. PV下垂控制原理
PV下垂控制是一种基于电压和频率的下垂控制策略，通过调整逆变器的输出电压和频率来实现在微电网中的功率分配。当微电网中的负荷发生变化时，PV下垂控制能够根据电压和频率的偏差自动调整输出功率，保持微电网的稳定运行。
2. PV下垂控制的性能分析
PV下垂控制具有响应速度快、鲁棒性强的特点，在微电网中能够有效地实现功率的快速分配。然而，该控制策略在面对非线性负荷和快速变化的负荷时，可能会出现电压和频率的波动，影响微电网的稳定性。
三、QF下垂控制技术研究
1. QF下垂控制原理 QF下垂控制是一种基于无功功率和频率的下垂控制策略。它通过调整逆变器的输出无功功率和频率来实现在微电网中的功率因数和电压的控制。QF下垂控制在微电网中能够实现无功功率的合理分配，提高系统的功率因数。
2. QF下垂控制的性能分析
QF下垂控制在面对非线性负荷和不平衡负荷时，能够保持较好的稳定性，对电压和频率的波动有较好的抑制作用。然而，该控制策略在面对快速变化的负荷时，可能存在响应速度不够快的问题。
四、PV/QF复合下垂控制技术研究
针对PV下垂控制和QF下垂控制的优点和不足，提出PV/QF复合下垂控制策略。该策略结合了PV下垂控制和QF下垂控制的优点，通过同时调整输出电压、频率、无功功率等参数，实现微电网的功率分配和稳定运行。
采用下垂控制的微电网稳定性研究说明书
目录
摘要 ...................................................................... III
关键词 .................................................................... III
ABSTRACT ................................................................ IV
KEY WORDS ............................................................... IV
第1章 绪论 ............................................................. - 1 -
1.1论文的研究背景与意义 ............................................... - 1 -
1.2 微电网的发展现状 ................................................... - 1 -
1.3论文的主要研究内容 ................................................. - 2 -
第2章 微电网的数学建模 ................................................. - 3 -
2.1三相逆变器的数学模型 ............................................... - 4 -
2.2 LC 滤波器和耦合电感数学模型 ........................................ - 4 -
2.3 功率环的数学模型 ................................................... - 5 -
《微电网逆变器PV-QF下垂控制技术的研究》范文
《微电网逆变器PV-QF下垂控制技术的研究》篇一
微电网逆变器PV-QF下垂控制技术的研究一、引言
随着可再生能源的日益普及和微电网技术的发展，微电网逆变器作为连接分布式电源与电网的关键设备，其控制策略的优劣直接影响到微电网的稳定性和效率。PV/QF下垂控制技术作为一种典型的控制方法，能够有效地协调逆变器之间的功率输出，保障微电网的稳定运行。本文将深入探讨微电网逆变器中PV/QF下垂控制技术的原理、实现方式及其在微电网中的应用。
二、PV/QF下垂控制技术概述
PV/QF下垂控制技术是一种基于逆变器输出电压和频率的下垂特性控制方法。它通过模拟传统电网中发电机的下垂特性，实现逆变器之间的功率分配和电压、频率的调节。PV代表光伏发电，QF则代表无功功率和频率。该技术能够根据微电网的运行状态，自动调整逆变器的输出功率，以实现微电网的功率平衡和稳定运行。
三、PV/QF下垂控制技术的原理与实现
1. PV下垂控制原理
PV下垂控制主要是通过调节逆变器的输出电压来控制有功功率的输出。当微电网中光伏发电的功率过剩时，逆变器通过降低输出电压来减少有功功率的输出；反之，当光伏发电的功率不足时，逆变器则通过提高输出电压来增加有功功率的输出。 2. QF下垂控制原理
QF下垂控制则是通过调节逆变器的输出频率和无功功率来实现的。在微电网中，无功功率的分配对于维持电压稳定具有重要意义。QF下垂控制可以根据微电网的需求，自动调整逆变器的无功功率输出，从而维持电压的稳定。
四、PV/QF下垂控制在微电网中的应用
PV/QF下垂控制在微电网中的应用，主要体现在以下几个方面：
1. 功率分配：通过PV/QF下垂控制，微电网中的逆变器能够根据自身的运行状态和微电网的需求，自动调整输出功率，实现功率的合理分配。
2. 电压频率控制：PV/QF下垂控制能够根据微电网的电压和频率变化，自动调整逆变器的输出电压和频率，从而维持微电网的稳定运行。
微电网的分层控制研究_黎金英
第３１卷第５期２０１４年１０月现 代 电 力Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３１ Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２０１４
现代电力，２０１４，３１（５） ｈｔｔｐ：∥ｘｄｄｌ．ｎｃｅｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｄｄｌ＠ｖｉｐ．１６３．ｃｏｍ文章编号：１００７－２３２２（２０１４）０５－０００１－０６文献标志码：Ａ中图分类号：ＴＭ７２７微电网的分层控制研究黎金英，艾 欣，邓玉辉（华北电力大学电气与电子工程学院，北京 １０２２０６）Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＭｉｃｒｏｇｒｉｄＬｅ Ｋｉｍ Ａｎｈ，ＡＩ Ｘｉｎ，Ｄａｎｇ Ｎｇｏｃ Ｈｕｙ（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２０６，Ｃｈｉｎａ）基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（９７３计划）（２００９ＣＢ ２１９７０６）摘 要：微电网技术具有许多优点，然而微电网中的分布式电源自身的不稳定性将导致微电网的运行控制困难。针对此问题，提出了分层控制方法。这种控制方法将分层控制分为三层，每一层独立完成自身的控制任务，通过通信通道向下层传达命令，且传达命令过程中不会影响系统的稳定性。基于下垂控制方法，微电网分层控制的第一层为分布式电源和负荷控制，第二层为在第一层控制信号基础上的频率和电压幅值控制，第三层为微电网功率和主网功率控制。利用Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ对微电网接入主电网进行建模仿真，结果表明分层控制方法能够较好地实现对微电网的控制。关键词：分布式电源；微电网；并网运行；下垂控制；分层控制Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｏｕｇｈ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａ－ｇｅｓ，ｔｈｅ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄｗｉｌｌ ｍａｋｅ ｉｔ ｈａｒｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｓｏ ａ ｈｉｅｒａｒ－ｃｈｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｒｅｅ ｌｅｖｅｌｓ．Ｅａｃｈ ｌｅｖｅｌ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｓ ｉｔｓ ｏｗｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔａｓｋｓ，ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｃｏｍｍａｎｄ ｉｓ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｌｅｖｅｌ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｍｕｎｉ－ｃａｔｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｍｍａｎｄ ｓｈｏｕｌｄ ｎｏｔ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｒｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｌｅｖｅｌｏｆ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｌｏａｄｓ，ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｇｎａｌｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｅｃ－ｏｎｄ ｌｅｖｅｌ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ．Ｉｎ ｔｈｅｔｈｉｒｄ ｌｅｖｅｌ，ｐｏｗｅｒ ｅｘｃｈａｎｇｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ ａｎｄ ｔｈｅｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕ－ｌｉｎｋ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ａ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｔｏ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｆｏｒ ｍｉｒｃｒｏｇｒｉｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏｇｉｒｄ；ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔ－ｅｄ；ｄｒｏｏｐ ｍｅｔｈｏｄ；ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ０ 引 言微电网是包括分布式电源（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｇｅｎｅｒａ－ｔｉｏｎ，ＤＧ）、储能装置、能量变换装置、负荷、保护装置集中而成的小型系统［１］。微电网主要有２种应用模式：直流微电网和交流微电网。这２种微电网运行模式的特有结构使其具有某些特有的功能，针对其结构和功能，世界上很多国家已经提出了很多不同的微电网管理架构［２］。微电网中的分布式电源通过电力电子设备接入配电系统，其主要设备为逆变器，其控制策略可分成ＰＱ控制和Ｖ／ｆ控制等［３］。微电网的运行方式包括孤岛运行方式和并网运行方式［４］。在孤岛运行方式中，微电网通常采用Ｖ／ｆ控制方法，这种控制方法要求微电网必须确保自身的电压和频率在规定范围，以及有功功率和无功功率的平衡。在并网运行方式中，微电网的稳定性主要取决于主网，微电网通常采用ＰＱ控制方法，所发出的有功功率和无功功率需满足微电网自身的要求；与此同时，微电网也能与主网相互传输功率。目前，微电网的控制策略研究可以分为：主从控制、集中控制、分散控制、分层控制和下垂控制等［５］。根据上面的论述，本文提出的分层控制主要包括三层，第一层为分布式电源和负荷控制，第二层为在第一层控制信号基础上的频率和电压幅值控制，第三层为微电网功率和主网功率控制。通过Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件，建立了分层控制结构，并基于电压型逆变器的ＰＱ－Ｖ／ｆ（有功无功－电压频率）控制策略以确保其稳定运行。通过仿真验证微电网的分层控制的有效性，并应用典型算例模拟了微电网运行的各种状态，为微电网的分层控制研究提供现代电力，２０１４，３１（５） ｈｔｔｐ：∥ｘｄｄｌ．ｎｃｅｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｄｄｌ＠ｖｉｐ．１６３．ｃｏｍ了仿真试验基础。１ 分层控制结构微电网的分层控制可分为３层［６］。每层控制的主要功能如下：第一层控制为最低的控制层，一般采用下垂控制方法，底层控制包括分布式电源和负荷控制，通过控制ＤＧ的逆变器来提供有功功率和无功功率，实现分配ＤＧ的功率与负荷均衡并达到功率分配最优化。第二层控制是通过第一层所发送出的控制信号来调控逆变器的输出频率和电压幅值，实现功率的平衡和主电网系统的稳定。与此同时，第二层控制能够确保微电网和主电网之间的同步，最大限度地减少影响微电网系统稳定性的因素。第三层控制的功能为调控微电网和主电网的功率流动方向，以确保微电网运行的稳定性和经济性。图１和图２分别是分层控制结构图和第一层控制结构图。图１ 分层控制结构图２ 第一层控制结构在图２中，微电网中分布式电源的接口方式目前可分为两类［７］：第一类为同步电机接口，如燃气轮机、小型柴油发电机，内燃机多用同步电机接口；第二类为通过逆变器接口并网的电源。其中，第二类微电源又分为两种：一种是直流电源，如光伏电池、燃料电池等；另一种为交流电源，如微型燃气轮机、风力发电机等，须先经过整流，所得直流电压再经逆变器转换成工频交流电压。本文假定所有分布式电源已经整流为直流电源，因此微电源并网须经过逆变器，逆变器的交流输出还须经ＬＣ滤波器以滤除其中的高次谐波分量。２ 分层控制模型２．１ 第一层控制２．１．１ ＰＱ下垂控制方法控制微电网的有功功率和无功功率，需采用下垂控制方法。下垂控制方法可分成两种类型［８］：一种是根据测量系统的频率和逆变器的输出电压幅值来提出频率和电压参考值；另一种是根据逆变器输出的有功功率和无功功率，提出频率参考值和电压幅值。本文采用根据逆变器输出的有功功率和无功功率，提出频率参考值和电压幅值的方法，得到的频率和电压可以表示为ｆ＝ｆ＊－ｍｐ．（Ｐ－Ｐ＊）Ｕ＝Ｕ＊－ｎｑ．（Ｑ－Ｑ＊烅烄烆）（１）式中：Ｕ＊、ｆ＊分别是电压和频率参考值；Ｐ＊、Ｑ＊分别是有功功率和无功功率参考值；ｍｐ、ｎｑ分别是下垂系数。逆变器输出功率通过旋转坐标系下电压和电流值计算得到，再通过低通滤波器可以得出平均功率，分别为［９］Ｐ＝ωｃｓ＋ωｃ（ｕｏｄｉｏｄ＋ｕｏｑｉｏｑ）Ｑ＝ωｃｓ＋ωｃ（ｕｏｑｉｏｄ－ｕｏｄｉｏｑ烅烄烆）（２）式中：ωｃ表示滤波器的转折频率；ｓ表示拉普拉斯变换因子；ｕｏｄ、ｕｏｑ分别为ｕｏｄｑ的ｄ轴和ｑ轴分量；ｉｏｄ、ｉｏｑ分别为ｉｏｄｑ的ｄ轴和ｑ轴分量。图３所示为频率下垂和电压下垂特性。从式（１）、式（２）可以看出，图４所示为功率下垂控制器模型。２．１．２ 电压和电流的控制在图２中，内部控制环由两部分组成，即电压外环和电流内环的双闭环控制［１０］。电压外环控制一般采用ＰＩ控制器，电压控制的数学模型可以表２现 代 电 力 ２０１４年现代电力，２０１４，３１（５） ｈｔｔｐ：∥ｘｄｄｌ．ｎｃｅｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｄｄｌ＠ｖｉｐ．１６３．ｃｏ
基于下垂控制的自治微电网建模与稳定性分析
第４６卷第１０期 ２０１２年１０月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４６，Ｎｏ．１０ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１２
基于下垂控制的自治微电网建模与稳定性分析
张纯江，阚志忠，孟晓脉，郭忠南
（燕山大学，电气工程学院，河北秦皇岛０６６００４）
摘要：微电网自治运行时各分布式电源（ＤＧ）地位相等，若系统负载功率发生变化，各ＤＧ将同时参与微电网系 统的频率和电压调节。各逆变器采用虚拟功率下垂控制并加入虚拟阻抗．建立了自治微电网系统的小信号模型 状态方程。考虑到自治微电网系统为复杂的非线性系统。利用李雅普诺夫第一方法对其进行分析。用其来判断 接口逆变器控制参数和线路参数对系统稳定运行的影响。最后使用Ｍａｔｌａｂ对所选控制器参数和线路参数进行 仿真验证，并在以ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２型ＤＳＰ为控制板的实验平台上进行了实验验证，结果表明，在输出线路阻抗不 等情况下可实现较好的功率均分并且系统运行稳定。 关键词：微电网；逆变器；下垂控制；稳定性分析 中图分类号：Ｖ２４２．３ １ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１２）１０—００２３—０４
Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ Ｃｏｍｐｏｓｅｄ
Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｄｒｏｏｐ Ｃｏｎｔｒｏｌ
ＺＨＡＮＧ Ｃｈｕｎ－ｊｉａｎｇ，ＫＡＮ Ｚｈｉ－ｚｈｏｎｇ，ＭＥＮＧ Ｘｉａｏ—ｍａｉ，ＧＵＯ Ｚｈｏｎｇ－ｎａｎ
（Ｙａｎｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｒｉｎｇ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ，ｅｖｅｒｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ（ＤＧ）ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ａｎｄ￣ｅｑｕｅｎｅｙ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｐｏｗｅｒ ＯＣＣＵ￣．Ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｐｏｗｅｒ ｄｒｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ａｎｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｉｓ ａｄｄｅｄ ｔｏ ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ｓｉｇｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａ ｃｏｍｐｌｅｘ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｄｏｐｔｓ Ｌｙａ－ ｐｕｎｏｖ’Ｓ ｆｉｒｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｂａｓｅｓ ｉｔ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｏｎｔｍｌ ａｎｄ ｌｉｎｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｕｓｉｎｇ Ｍａｔｌａｂ ｔｏ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｌｉｎｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｃｏｎ— ｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ＤＳＰ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｗｅｌｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｔａｂｌｅ