本發(fā)明涉及微網(wǎng)中多微源并列運行的慣量匹配方法，通過慣量匹配可以使微網(wǎng)系統(tǒng)有序分配負荷功率，從而提高系統(tǒng)的頻率暫態(tài)穩(wěn)定性。

背景技術：

在全球變暖的碳減排壓力和化石能源不可持續(xù)的危機之下，世界各國以風能、太陽能為代表的可再生能源開發(fā)利用步伐日益加快。多能互補是一種能源策略，按照不同資源條件和用能對象，采取多種能源互相補充，以緩解能源供需矛盾，合理保護自然資源，促進生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)。世界石油危機使許多國家認識到依賴一、兩種主要能源非常危險，而且大量使用化石燃料所造成的生態(tài)環(huán)境問題也日益嚴重。所以多種能源并重，充分開發(fā)利用包括煤、石油、天然氣和核能等能源，特別是要不斷增長新能源和可再生能源的比重，如水電、太陽能、風能、海洋能、生物質能、地熱能和氫能等的開發(fā)利用。但是，新能源在給人類帶來巨大方便和利益的同時也產(chǎn)生了許多問題，其中之一就是穩(wěn)定性問題。

在多能互補微網(wǎng)中，風、光等分布式電源和水力同步發(fā)電機組等同時為微網(wǎng)提供電能，當負荷發(fā)生突然變化時，無慣量特性的分布式電源會爭搶功率，尤其是當此類無慣量發(fā)電單元分配出力比重較大時會出現(xiàn)分布式電源過負荷，引起保護動作導致分布式電源從系統(tǒng)中脫落，造成微電網(wǎng)更大的功率缺額及系統(tǒng)頻率出現(xiàn)大的波動，嚴重時會使系統(tǒng)崩潰。在逆變電源控制策略中加入了虛擬慣量環(huán)節(jié)，可以在一定程度上提高單個微源的頻率穩(wěn)定性，但對于多微源并列運行微網(wǎng)系統(tǒng)微源間慣量匹配問題有可能會帶來系統(tǒng)頻率抖動、振蕩甚至解列。多能互補微網(wǎng)拓撲結構如圖1所示，由于微源逆變器慣量環(huán)節(jié)均處在其控制策略中，為了便于說明問題，用恒壓源模擬風電、光伏等分布式電源直流側電源，濾波器采用LC型濾波器。

為了解決多能互補系統(tǒng)中由于慣量匹配原因造成的功率爭搶、頻率不穩(wěn)定問題，本發(fā)明旨在提出一種能夠準確虛擬慣量的微源控制策略，并用小信號建模仿真驗證所虛擬出的慣量特性與同步發(fā)電機具有一致的動態(tài)響應過程，從線性變換角度對轉子運動方程的標幺值形式進行線性等效，然后聯(lián)立調(diào)差特性方程分析得到慣性時間常數(shù)與響應過渡時間的直接關系，從而給出多微源并列運行時的慣量匹配方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對微網(wǎng)中多種微源并列運行的頻率穩(wěn)定性問題，提出一種用于提高微網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的多種微源并列運行慣量匹配方法，該方法給出了微網(wǎng)系統(tǒng)中同步發(fā)電機之間、同步發(fā)電機與微源逆變器之間、以及微源逆變器之間的慣量匹配原則。

微電網(wǎng)中的微源主要有風電、光伏電池、風力發(fā)電機、蓄電池、柴油發(fā)電機、微型燃氣輪機等。大多數(shù)微源都需要通過逆變器等電力電子變流器輸出電能與電網(wǎng)相連，這些電力電子設備大多采用數(shù)字電路進行控制，暫態(tài)響應速度較快，且?guī)缀鯖]有慣性，也不參與電網(wǎng)的調(diào)頻和調(diào)壓。與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機相比，含逆變器接口的微源響應迅速，但是由于沒有機械轉子結構，微源逆變器不具備同步發(fā)電機的慣量特性，因此在系統(tǒng)遭受負荷波動時頻率穩(wěn)定性較差。針對不同的情況，維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定的方法也不盡相同。當負荷或電網(wǎng)的擾動較小且持續(xù)時間較短時，可以借助同步發(fā)電機的轉子慣量維持電網(wǎng)穩(wěn)定；而當沒有慣性的微源容量比較小時，可依靠傳統(tǒng)電網(wǎng)提供穩(wěn)定的參考電壓和頻率，微源本身跟隨電網(wǎng)進行能量傳輸。但當微源的容量增長到占電網(wǎng)中的一定比例之后，DG無慣性的特征會給電網(wǎng)的穩(wěn)定造成威脅，在離網(wǎng)情況下這種電網(wǎng)穩(wěn)定性問題就會更為突出。目前，解決這一問題的有效措施是利用新能源側的儲能系統(tǒng)，在微網(wǎng)逆變器控制策略中加入虛擬慣性環(huán)節(jié)，通過該控制環(huán)節(jié)可以利用儲能系統(tǒng)的存儲或發(fā)出能量來虛擬慣量，從而使微源具備同步發(fā)電機一樣的慣量特性。但正是因為微源逆變器的慣量是虛擬出來的，并不受物理條件的限值，理論上是可以任意設置的，這就給多能互補微網(wǎng)中多微源并列運行帶來頻率穩(wěn)定性問題，合理配置微網(wǎng)系統(tǒng)中同步發(fā)電機之間、同步發(fā)電機與微源逆變器之間、以及微源逆變器之間的慣量將能夠有效抑制微網(wǎng)系統(tǒng)頻率抖動和振蕩。為了合理分配負荷和提高微源慣性，微網(wǎng)中微源逆變器大多采用下垂控制和虛擬慣量，但是多微源并列運行時如果各自慣性常數(shù)匹配不合理仍然會引起微網(wǎng)頻率波動甚至頻率振蕩，

本發(fā)明正是針對這一問題，提出一種微網(wǎng)中多微源并列運行的慣量匹配方法，通過分析轉子運動方程和微源逆變器下垂控制方程的內(nèi)在聯(lián)系，提出了微網(wǎng)系統(tǒng)中同步發(fā)電機之間、同步發(fā)電機與微源逆變器之間、以及微源逆變器之間的慣量匹配方法。通過該慣量匹配方法可以使得多能互補微網(wǎng)中各個發(fā)電單元之間頻率變化具有相同的過渡時間或過渡過程，微網(wǎng)系統(tǒng)中各發(fā)電單元功率得到了有序分配，頻率具有了更好的暫態(tài)穩(wěn)定性。

本發(fā)明的技術方案是：一種微網(wǎng)中多微源并列運行的慣量匹配方法，其特征在于，所述方法使各微源逆變器或同步發(fā)電機的慣性常數(shù)H按照各自的下垂系數(shù)m的反比配置，或令慣性常數(shù)H與下垂系數(shù)m的乘積為常數(shù)；

所述微源逆變器包含頻率-有功控制模塊、無功-電壓控制模塊、虛擬慣量控制模塊。

進一步，當同容量微源逆變器或同步發(fā)電機并列運行時，各微源逆變器或同步發(fā)電機必須配置相同的慣性常數(shù)H。

進一步，當不同容量微源逆變器或同步發(fā)電機并列運行時，各微源逆變器或同步發(fā)電機應將慣性常數(shù)H與有功容量S成正比配置。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術多能互補微網(wǎng)拓撲結構圖。

圖2為有功-頻率控制框圖。

圖3為無功-電壓控制框圖。

圖4為微源逆變器控制原理框圖。

圖5為多能互補微網(wǎng)的等效拓撲結構圖。

圖6為慣量按匹配原則匹配時頻率與功率波形圖，其中

6(a)為不按容量正比匹配取值時的頻率；

6(b)為不按容量正比匹配取值時的功率；

6(c)為不按容量正比匹配取值時公共節(jié)點頻率、功率。

圖7為慣量按匹配原則匹配時頻率與功率波形圖，其中

7(a)為按容量正比匹配取值時的頻率；

7(b)為按容量正比匹配取值時的功率；

7(c)為按容量正比匹配取值時公共節(jié)點頻率、功率。

圖8為容量比4：1按匹配方法取值時頻率、功率圖，其中

8(a)為容量比4：1時按匹配方法取值時頻率；

8(b)為容量比4：1時按匹配方法取值時功率；

8(c)為容量比4：1時按匹配方法取值時公共側頻率、功率。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

同步發(fā)電機組對傳統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)定起著重要作用。其主要原因在于大型同步發(fā)電機具有較大的轉子旋轉慣量，可存儲較多轉子動能。當電網(wǎng)頻率發(fā)生擾動時，同步發(fā)電機可通過釋放或增加轉子動能來保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。

在電力系統(tǒng)分析中，通常定義慣性常數(shù)H為發(fā)電機在同步角速度下機組轉子儲能與電機額定容量S_N之比，利用慣性常數(shù)H能夠衡量不同功率等級下的同步發(fā)電機慣性，慣性常數(shù)H與慣性時間常數(shù)T_J之間的關系為T_J＝2H，其數(shù)值表征了同步發(fā)電機在額定轉矩下空載時從靜止啟動到額定轉速所需的時間，慣性常數(shù)H的物理意義就是額定轉速。

轉子運動方程反映了同步發(fā)電機組的轉子慣性以及阻尼特征，其表達式如下：

$2H\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=P_m-P_e-k_d(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_s)---\left(1\right)$

其中H為慣性常數(shù)；P_m,P_e分別為原動機機械功率和發(fā)電機電磁功率；ω,ω_s分別為轉子電角速度和電網(wǎng)同步電角速度；k_d為阻尼系數(shù)；t為時間，單位s。

針對包含儲能系統(tǒng)的微源逆變器發(fā)電單元，在其控制策略中利用轉子運動方程模擬出同步發(fā)電機慣量，即虛擬慣量，從而克服微網(wǎng)中微源慣性弱，頻率抗擾動性能差的缺點，從而提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

微源逆變器的有功-頻率下垂控制環(huán)節(jié)表達式如下：

$P-P_{ref}=\frac{1}{m}({\mathrm{\ω}}_{ref}-\mathrm{\ω})---\left(2\right)$

其中P是微源逆變器輸出有功功率的指令值，相當于同步發(fā)電機組原動機的機械功率P_m；P_ref是微源逆變器的輸出有功功率參考值，一般為微源逆變器的額定功率或空載功率；ω_ref為微源逆變器的額定角頻率或空載角頻率；ω為微源逆變器輸出角頻率；m為有功功率的下垂系數(shù)(相當于同步發(fā)電機的調(diào)差系數(shù))。

聯(lián)立式(1)和式(2)可得微源逆變器的有功-頻率控制關系式，如式(3)所示：

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{2H}\[P_{ref}+\frac{1}{R_m}({\mathrm{\ω}}_{ref}-\mathrm{\ω})-P_m-k_d(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_s)\]---\left(3\right)$

表達式(3)對應的有功-頻率控制框圖如圖2所示。

微源逆變器無功-電壓控制方程為

E＝E_ref+n(Q_ref-Q) (4)

其中，Q_ref,Q分別為微源逆變器無功參考功率和輸出無功功率；n為無功功率的下垂系數(shù)；E_ref為微源逆變器電壓參考值；E為微源逆變器輸出端口電壓。

圖3為無功-電壓控制框圖。

圖4為典型的帶虛擬慣量控制環(huán)節(jié)的微源逆變器控制原理框圖。在調(diào)速器與電壓調(diào)節(jié)器之后增加了電壓電流雙閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，可以改善輸出電壓波形質量，增強系統(tǒng)動態(tài)性能。

采用微源逆變器下垂控制可以使得微源具備類似傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機的一次調(diào)頻特性，采用虛擬慣性控制可以使得微源具備類似傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機的轉子機械慣性。但是微網(wǎng)中多微源并列運行時，若沒有合理配置各個微源的慣性，勢必會引起各個微源在微網(wǎng)系統(tǒng)遭受功率波動的暫態(tài)過程中出現(xiàn)功率分配的問題，引起各個微源逆變器輸出功率不平衡甚至功率環(huán)流，從而嚴重威脅微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

等值發(fā)電機的慣性常數(shù)是各臺發(fā)電機歸算到統(tǒng)一基準功率的慣性時間常數(shù)之和，即：

$H_{J\mathrm{\Σ}}=H_{J1}\frac{S_1}{S_B}+H_{J2}\frac{S_2}{S_B}+...+H_{Jn}\frac{S_n}{S_B}---\left(5\right)$

式中，H_J1、H_J2...H_Jn分別為各臺發(fā)電機的慣性時間常數(shù)；S_B為功率基準值。

各臺同步發(fā)電機的調(diào)差系數(shù)可以等效為等值發(fā)電機的調(diào)差系數(shù)；

1/R_Σ＝1/R₁+1/R₂+............+1/R_n (6)

式中R_Σ等值發(fā)電機的調(diào)差系數(shù)，R₁、R₂...R_n分別為各臺同步發(fā)電機的調(diào)差系數(shù)。

利用等值同步發(fā)電機的思想，各個微源逆變器的下垂系數(shù)同樣可以等效為一臺微源逆變器的下垂系數(shù)：

1/m_Σ＝1/m₁+1/m₂+............+1/m_n (7)

式中，m₁、m₂...m_n分別為各個微源逆變器的下垂系數(shù)；m_Σ為等效下垂系數(shù)。

從而，由等值發(fā)電機概念可得出多能互補微網(wǎng)的等效拓撲結構如圖5所示。將同類發(fā)電單元等效成等值發(fā)電機后再進行慣量匹配，會使慣量匹配方法的復雜程度大幅度降低。

由于發(fā)電單元輸出功率的變化對應著頻率的變化，如果各發(fā)電單元的頻率或功率過渡時間存在著差異，必定影響微網(wǎng)中并列運行的各個微源的同期性和一致性；同時會造成響應快的發(fā)電單元在負荷突增時搶發(fā)功率，頻率出現(xiàn)瞬間跌落的現(xiàn)象。慣性時間常數(shù)是體現(xiàn)頻率響應速度的重要指標。以下重點分析慣性時間常數(shù)如何匹配才會使各發(fā)電單元頻率過渡過程一致，并列運行效果達到最優(yōu)。

在微源逆變器的控制策略中，角頻率是整個控制系統(tǒng)中的一個全局變量，微源逆變器輸出端角頻率ω和微網(wǎng)系統(tǒng)角頻率ω_s之差一般很小，由其引起的機械功率的變化量可以忽略不計，則式(1)將簡化為式(8)：

$2H\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=P_m-P_e---\left(8\right)$

其中P_m相當于微源逆變器功率外環(huán)指令值，P_e相當于微源逆變器輸出功率，假設擾動發(fā)生前微源逆變器工作在穩(wěn)態(tài)工作點1(對應表達式(9))，擾動發(fā)生后工作在穩(wěn)態(tài)工作點2(對應表達式(10))，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時P_m1＝P_e1；P_m2＝P_e2。

$2H\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=P_{m1}-P_{e1}---\left(9\right)$

$2H\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=P_{m2}-P_{e2}---\left(10\right)$

再由下垂控制可得

ω₂-ω₁＝-m(P_e2-P_e1) (11)

Δω＝-mΔP (12)

則：

P_m2＝P_e2＝P_e1+ΔP＝P_m1+ΔP (13)

當負荷擾動發(fā)生時，微源逆變器輸出功率由P_e1變?yōu)镻_e2，但此時微源逆變器輸出功率指令值并沒有立即響應，聯(lián)立式(9)和式(13)可得：

$2H\frac{d\mathrm{\ω}}{\mathrm{\ω}}\≈2H\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}{\mathrm{\Δ}t}=P_{m1}-P_{e2}=P_{m1}-(P_{m1}+\mathrm{\Δ}P)---\left(14\right)$

$2H\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}{\mathrm{\Δ}t}=-\mathrm{\Δ}P---\left(15\right)$

聯(lián)立式(12)和式(15)可得：

多微源逆變器并列運行時，當負荷擾動引起系統(tǒng)頻率波動時，若要使各微源逆變器獲得相同的過渡時間Δt，由式(16)可知，各微源逆變器慣性常數(shù)必須按照各自下垂系數(shù)的反比配置。

一般情況下，為了使并列運行的微源逆變器能夠按容量比例分擔負荷，第i個微源逆變器和第j個微源逆變器的系數(shù)和有功容量之間必須滿足：

根據(jù)微源逆變器容量是否相同，可以得到以下結論：

a.各微源逆變器有功容量相同

由式(16)和式(17)可知，在此情況下，若要在相同Δω情況下得到相同的過渡時間Δt，需要各微源逆變器慣性常數(shù)H也相同。

b.各微源逆變器有功容量不同

由式(16)和式(17)可知，在此情況下，若要在相同Δω情況下得到相同的過渡時間Δt，需要慣性常數(shù)H與有功容量成正比。

實施例

利用Matlab/simulink軟件對本發(fā)明所提出的微網(wǎng)中多微源并列運行的慣量匹配方法進行仿真。

首先，對容量2:1的情況進行驗證，其中等值同步發(fā)電機額定有功容量為20kW，無功容量為0Var，下垂系數(shù)R_Σa為0.05Hz/kW，慣性常數(shù)為H_Σa；等值VSG逆變電源的額定有功容量為10kW，無功容量為0Var，下垂系數(shù)R_Σb為0.1Hz/kW，慣性常數(shù)為H_Σb。負荷容量為30kW，取第10s時刻負荷突增15kW，分兩種情況進行仿真：

(1)慣性時間常數(shù)不按容量正比匹配取值。假設H_Σa取5s,H_Σb取1s，仿真如圖6所示。

(2)慣性時間常數(shù)按容量正比匹配取值。假設H_Σa取6s,H_Σb取3s。仿真結果如圖7所示。

對容量比4：1的情況仿真驗證，等值同步發(fā)電機額定有功容量為40kW，無功容量為0Var，下垂系數(shù)R_Σa為0.025Hz/kW，慣性常數(shù)為4s；等值VSG逆變電源的額定有功容量為10kW，無功容量為0Var，下垂系數(shù)R_Σb為0.1Hz/kW，慣性常數(shù)為1s。慣性時間常數(shù)按容量比匹配。負荷容量為50kW，取10s負荷增加25kW。圖8為容量比4：1按匹配方法取值時頻率、功率圖。

當圖6中慣性常數(shù)取值不按匹配原則時，頻率過渡出現(xiàn)不一致，輸出功率也發(fā)生了爭搶現(xiàn)象，公共節(jié)點頻率與功率都出現(xiàn)了不穩(wěn)定現(xiàn)象；反之圖7與圖8按匹配原則取值時，兩等值發(fā)電單元頻率過渡平滑，功率也進行了有序分配，未發(fā)生爭搶現(xiàn)象，公共節(jié)點頻率穩(wěn)定，因此驗證了慣量匹配方法的正確性。

如上所述，對本發(fā)明進行了詳細地說明，顯然，只要實質上沒有脫離本發(fā)明的發(fā)明點及效果、對本領域的技術人員來說是顯而易見的變形，也均包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。