[發明專利]一種用于智能電網的柔性孤島?并網控制裝置及方法

有效

• 申請號: 201410367416.7
• 申請日: 2014-07-30
• 公開（公告）號: CN104135030B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 韓仁科;孫秋野;張藝繽;馬大中;黃博南
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司21109
• 代理人: 朱光林

1.一種用于智能電網的柔性孤島-并網控制裝置，其特征在于：包括柔性逆變單元、單相電力檢測單元、GPS相位檢測單元、孤島-并網檢測單元、通信單元和主控單元；

所述柔性逆變單元有多個，每個柔性逆變單元包括角型分壓拓撲電路和星連接型逆變電路；

角型分壓拓撲電路的輸入端連接微電網的直流輸入端，角型分壓拓撲電路的輸出端連接星連接型逆變電路的輸入端，星連接型逆變電路的輸出端連接PCC節點；

角型分壓拓撲電路包括第一可控開關管、第二可控開關管、第三可控開關管、第四可控開關管、第五可控開關管、第六可控開關管、第七可控開關管、第二十可控開關管、第一電容和第二電容，第二可控開關管、第三可控開關管、第四可控開關管形成角形連接結構，第五可控開關管、第六可控開關管、第七可控開關管形成角形連接結構，兩個角形連接結構串聯，第二可控開關管的輸入端連接第一可控開關管的輸出端，第一可控開關管的輸入端連接第一電容，第一電容與第二電容串聯，第二電容連接第二十可控開關管的輸出端，第二十可控開關管的輸入端連接第七可控開關管的輸出端；兩個角形連接結構串聯線路的中性點連接第一電容與第二電容串聯線路的中性點；

星連接型逆變電路包括第八可控開關管、第九可控開關管、第十可控開關管、第十一可控開關管、第十二可控開關管、第十三可控開關管、第十四可控開關管、第十五可控開關管、第十六可控開關管、第十七可控開關管、第十八可控開關管、第十九可控開關管，第八可控開關管、第九可控開關管、第十可控開關管形成第一星形連接結構，第十一可控開關管、第十二可控開關管、第十三可控開關管形成第二星形連接結構，第十四可控開關管、第十五可控開關管、第十六可控開關管形成第三星形連接結構，第十七可控開關管、第十八可控開關管、第十九可控開關管形成第四星形連接結構，第一星形連接結構、第二星形連接結構形成第一橋臂，第三星形連接結構、第四星形連接結構形成第二橋臂，第一星形連接結構的中性點、第二星形連接結構的中性點連接，第三星形連接結構的中性點、第四星形連接結構的中性點連接；第十四可控開關管的輸入端與第八可控開關管的輸入端連接后，再與第二可控開關管的輸入端連接，第十八可控開關管的輸出端與第十二可控開關管的輸出端連接后，再與第七可控開關管的輸出端連接，第九可控開關管的輸出端連接第十一可控開關管的輸入端，第十可控開關管的輸出端連接第十三可控開關管的輸出端，第十五可控開關管的輸出端連接第十七可控開關管的輸入端，第十六可控開關管的輸出端連接第十九可控開關管的輸出端；

單相電力檢測單元有多個，包括電壓互感器和電流互感器，各單相電力檢測單元分別連接在各星連接型逆變電路的輸出端和PCC節點處；

GPS相位檢測單元有多個，分別連接在各星連接型逆變電路的輸出端和PCC節點處；

孤島-并網檢測單元的輸入端連接PCC節點處的單相電力檢測單元的輸出端和PCC節點處的GPS相位檢測單元的輸出端；孤島-并網檢測單元的輸出端連接主控單元的輸入端；

連接在各星連接型逆變電路的輸出端的各單相電力檢測單元和GPS相位檢測單元分別連接至通信單元，主控單元、孤島-并網檢測單元分別與通信單元連接。

2.采用權利要求1所述的用于智能電網的柔性孤島-并網控制裝置進行智能電網的柔性孤島-并網控制的方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：各單相電力檢測單元、GPS相位檢測單元實時采集柔性逆變單元的輸出電壓、輸出電流和GPS相位，以及PCC節點處的輸出電壓、輸出電流和GPS相位；

步驟2：孤島-并網檢測單元對智能電網進行孤島-并網檢測；

步驟2.1：根據柔性逆變單元的輸出電壓的頻率，判斷柔性逆變單元輸出電壓是否過零點，是，則執行步驟2.2，否則，重復步驟2.1；

步驟2.2：計算前一周期的PCC節點處的輸出電壓的頻率f_pcc(n-1)和前一周期的每個柔性逆變單元的輸出電壓的頻率f_i(n-1)；

步驟2.3：分別計算前一周期的PCC節點處的輸出電壓的頻率f_pcc(n-1)與前一周期的每個柔性逆變單元的輸出電壓的頻率f_i(n-1)的差值，得到該差值的最大值Δf(n-1)＝max(|f_i(n-1)-f_pcc(n-1)|)；

步驟2.4：若Δf(n-1)＞κ_f則進入步驟3，否則，執行步驟2.5，其中κ_f為頻率變換判斷閾值；

步驟2.5：計算每個柔性逆變單元兩個周期之間的輸出電壓的頻率差Δf_s＝Δf(n-1)-Δf(n-2)；

步驟2.6：計算每個柔性逆變單元的輸出電壓與PCC節點處的輸出電壓的同步相位差：θ_i(n)＝θ_i(n-1)+Δθsgn(Δf_s)，式中，θ_i(n)表示每個柔性逆變單元的輸出電壓與PCC節點處的輸出電壓的同步相位差，θ_i(n-1)表示前一周期的每個柔性逆變單元的輸出電壓的附加相位，Δθ為固定的相位增量，對于存在θ_i(n)＝0，同時sgn(Δfs)=1,Δfs>00,Δfs=0-1,Δfs<0;]]>

步驟2.7：計算每個柔性逆變單元輸出電壓的相位θ_iAPS；

步驟2.8：判斷是否成立：若成立，則判斷當前微電網處于并網運行模式，執行步驟4；若不成立，則當前微電網處于孤島運行模式，進入步驟3；

步驟3：微電網處于孤島運行模式下，主控單元對微電網進行分級控制；

步驟3.1：對微電網進行孤島一級控制；

步驟3.1.1：設置微電網參考頻率ω_ref，柔性逆變單元的下垂參數n_p,i、m_q,i，每個柔性逆變單元對負載變化的敏感度參數k_n,i、k_m,i、a_n,i、a_m,i，柔性逆變單元的下垂參數的變化時間常數t_d，柔性逆變單元的有功功率變換判斷閾值κ_P，柔性逆變單元的無功功率變換判斷閾值κ_Q；

步驟3.1.2：計算微電網負載總有功功率P_total和微電網負載總無功功率Q_total，計算在兩個相鄰周期內每個柔性逆變單元的有功輸出功率P_out,i和無功輸出功率Q_out,i；

步驟3.1.3：對柔性逆變單元的有功輸出功率相對變化率和柔性逆變單元的無功輸出功率相對變化率進行判斷：如果或則執行步驟3.1.4，否則執行步驟3.1.9，t為周期；

步驟3.1.4：對柔性逆變單元的有功輸出功率絕對變化率和柔性逆變單元的無功輸出功率絕對變化率進行判斷：如果且則執行步驟3.1.5；如果且則執行步驟3.1.6；如果且則執行步驟3.1.7；如果且則執行步驟3.1.8；

步驟3.1.5：動態調整柔性逆變單元的下垂參數，然后執行步驟3.1.9，計算公式如下：

np,i(P)=min(np,i,(np,i-kn,idPout,idtean,i(t-td)))]]>

mq,i(Q)=min(mq,i,(mq,i-km,idQout,idteam,i(t-td)))]]>

步驟3.1.6：動態調整柔性逆變單元的下垂參數，然后執行步驟3.1.9，計算公式如下：

np,i(P)=min(np,i,(np,i-kn,idPout,idtean,i(t-td)))]]>

mq,i(Q)=max(mq,i,(mq,i-km,idQout,idteam,i(td-t)))]]>

步驟3.1.7：動態調整柔性逆變單元的下垂參數，然后執行步驟3.1.9，計算公式如下：

np,i(P)=max(np,i,(np,i-kn,idPout,idtean,i(td-t)))]]>

mq,i(Q)=min(mq,i,(mq,i-km,idQout,idteam,i(t-td)))]]>

步驟3.1.8：動態調整柔性逆變單元的下垂參數，然后執行步驟3.1.9，計算公式如下：

np,i(P)=max(np,i,(np,i-kn,idPout,idtean,i(td-t)))]]>

mq,i(Q)=max(mq,i,(mq,i-km,idQout,idteam,i(td-t)))]]>

步驟3.1.9：根據動態調整確定的柔性逆變單元的下垂參數，進行柔性逆變單元的輸出電壓幅值設定值E_i和GPS相位設定值δ_i計算：

δi=-np,i(P)1T2-T1ln(∫T1T2KP((Pout,i-Pout,i*)22))+δi*2π]]>

Ei=-mq,i(Q)1T2-T1log(∫T1T2KQ((Qout,i-Qout,i*)22))+Ei*]]>

式中，是第i個柔性逆變單元的初始電壓GPS相位設定值，第是i個柔性逆變單元的初始電壓幅值設定值，為第i個柔性逆變單元的額定輸出有功功率，是第i個柔性逆變單元的初始額定輸出無功功率，T₂-T₁為采樣周期，即當前時刻T₂與前一時刻T₁的時間差；

步驟3.1.10：根據確定的柔性逆變單元的輸出電壓幅值設定值和GPS相位設定值，計算柔性逆變單元的一級控制參考電壓設定值，作為孤島一級控制輸出；

步驟3.2：對微電網進行孤島二級控制；

步驟3.2.1：設定微電網內柔性逆變單元的通訊拓撲結構鄰接矩陣A和環流閾值

步驟3.2.2：計算每兩個柔性逆變單元的環流，并選擇出環流最大值ΔI_H；

步驟3.2.3：將ΔI_H與比較，若則執行步驟3.2.4，否則，執行步驟3.2.2；

步驟3.2.4：比較所有柔性逆變單元的額定輸出有功功率，選擇額定輸出有功功率最小的柔性逆變單元為微電網的基準柔性逆變單元，保證基準柔性逆變單元的額定輸出有功功率和基準柔性逆變單元的額定輸出無功功率恒定，即基準柔性逆變單元的輸出電壓幅值v_leader和GPS相位δ_leader恒定；

步驟3.2.5：采集所有柔性逆變單元的輸出電壓幅值和GPS相位；

步驟3.2.6：根據通信拓撲結構鄰接矩陣A判斷對應的柔性逆變單元是否與基準柔性逆變單元通訊相連；若是，則執行步驟3.2.7，否則執行步驟3.2.8；

步驟3.2.7：計算柔性逆變單元的輸出電壓幅值設定值的調整值Δe_i和GPS相位設定值的調整值Δδ_i，并執行步驟3.2.9；

Δei=Σj∈Niaij(vi-vj)+(vi-vleader)]]>

Δδi=Σj∈Niaij(δi-δj)+(δi-δleader)]]>

式中，a_ij表示通信拓撲結構鄰接矩陣A的元素，N_i表示與第i個柔性逆變單元的通訊相連接的其他柔性逆變單元的集合，v_i表示第i柔性逆變單元的輸出電壓幅值；

步驟3.2.8：計算柔性逆變單元的輸出電壓幅值設定值的調整值Δe_i和GPS相位設定值的調整值Δδ_i；

Δei=Σj∈Niaij(vi-vj)]]>

Δδi=Σj∈Niaij(δi-δj)]]>

步驟3.2.9：調整每個柔性逆變單元在一級控制中確定的輸出電壓幅值設定值和GPS相位設定值，得到柔性逆變單元的輸出電壓幅值的二級控制設定值和GPS相位的二級控制設定值

Ei*=Ei+Δei]]>

δi*=δi+Δδi]]>

步驟3.2.10：根據柔性逆變單元的輸出電壓幅值的二級控制設定值和GPS相位的二級控制設定值，計算柔性逆變單元的二級控制參考電壓設定值，作為孤島二級控制輸出，執行步驟5；

步驟4：微電網處于并網運行模式下，對微電網進行分級控制；

步驟4.1：對微電網進行并網一級控制；

步驟4.1.1：設置PCC節點輸入有功功率P_pcc和PCC節點輸入無功功率Q_pcc；

步驟4.1.2：計算微電網中柔性逆變單元的輸出總有功功率P_MG和輸出無功功率Q_MG；

步驟4.1.3：計算微電網并網一級控制輸出有功電流值參考值i_dref和并網一級控制輸出無功電流參考值i_qref，作為并網一級控制輸出；

idref=kpd|∫∫(Ppcc-PMG)dtlog2kid∫(Ppcc-PMG)dt|]]>

iqref=dkpqdt|∫∫(Qpcc-QMG)dtlog2kiq∫(Qpcc-QMG)dt|]]>

式中，k_pd、k_id為有功電流調節值，k_pq、k_iq為無功電流調節值；

步驟4.2：對微電網進行并網二級控制控制；

步驟4.2.1：設置微電網中柔性逆變單元與主電網的通信拓撲結構鄰接矩陣B、電壓幅值偏差閾值κ_V，相位偏差閾值κ_δ；

步驟4.2.2：人工設定是否并網，若是，則執行步驟4.2.3，否則繼續步驟4.2.2；

步驟4.2.3：采集主電網側的輸出電壓幅值V_main和主電網側的GPS相位δ_main作為并網二級控制基準值；

步驟4.2.4：分別對PCC節點的電壓幅值V_pcc與主電網側的輸出電壓幅值V_main、PCC節點的GPS相位δ_pcc與主電網側的GPS相位δ_main進行判斷，若|V_pcc-V_main|＞κ_V或|δ_pcc-δ_main|＞κ_δ，則執行步驟4.2.5，否則執行步驟4.2.4；

步驟4.2.5：采集所有柔性逆變單元的輸出電壓幅值和GPS相位；

步驟4.2.6：根據通信拓撲結構鄰接矩陣B判斷其對應的柔性逆變單元是否與主電網相連；若相連，則執行步驟4.2.7，否則執行步驟4.2.8；

步驟4.2.7：計算柔性逆變單元的輸出電壓幅值設定值的調整值Δe_i和GPS相位設定值的調整值Δδ_i，執行步驟4.2.9；

Δei=Σj∈Nibij(vi-vj)+(vi-Vpcc)]]>

Δδi=Σj∈Nibij(δi-δj)+(δi-δpcc)]]>

式中，b_ij表示通信拓撲結構鄰接矩陣B的元素，N_i表示與第i個柔性逆變單元通訊相連接的其他柔性逆變單元的集合；

步驟4.2.8：計算柔性逆變單元的輸出電壓幅值設定值的調整值Δe_i和GPS相位設定值的調整值Δδ_i；

Δei=Σj∈Nibij(vi-vj)]]>

Δδi=Σj∈Nibij(δi-δj)]]>

步驟4.2.9：分別計算每個柔性逆變單元的輸出電壓調整值ΔE_i、有功電流調整值ΔI_di和無功電流調整值ΔI_qi；

ΔE_i＝Δe_isin(ω_reft+Δδ_i)

ΔIdi=Ppcc-PMCΔEi2]]>

ΔIqi=Qpcc-QMGΔEi2]]>

步驟4.2.10：調整每個柔性逆變單元的微電網并網一級控制輸出有功電流值參考值i_dref和并網一級控制輸出無功電流參考值i_qref，作為并網二級控制輸出；

i_dref＝i_dref+ΔI_di

i_qref＝i_qref+ΔI_qi

步驟5：將孤島二級控制輸出或者并網二級控制輸出作為柔性逆變單元的輸入，對微電網實時控制。