功率耦合因子驱动的微电网相对增益稳定控制与分析方法

本发明涉及微电网技术、电力控制领域，特别是功率耦合因子驱动的微电网相对增益稳定控制与分析方法。

背景技术：

1、可再生能源发电逐渐取代了同步发电机发电。可再生能源通常通过变流器将能量传输到电网，变流器一般以跟随电网模式和形成电网模式运行。跟随电网模式的变流器无法在孤岛模式下工作，与弱电网连接时容易出现不稳定。构网型变流器可提供频率和电压支持，从而有效提高变流器在电网中的渗透率。但是设计不当的构网变流器可能会对系统稳定性造成损害。

2、分布式电源接口通常配置lc或lcl滤波器，有些电源还需要变压器来升压。滤波器和变压器的存在使得线路阻抗大多表现为电感。然而，当线路电感较大而电阻较小时，系统很容易受到中频(几十赫兹)功率振荡的影响。此外，农村低压交流微电网的主要线路特性是电阻性的。q-ω升压控制但与使用有功功率调节频率的电网不兼容。然而，p-ω下垂控制的下垂参数不匹配会导致动态性能不佳。中压输电后，线路阻抗一般是复杂阻感。传统的解耦控制有助于保证系统的稳定性，但无法完全实现解耦，参数设计也比较困难。现有控制方法在复杂线路阻抗下的适应机制不明确，没有分析控制参数对功率耦合度的影响。具体来说，它没有充分考虑给定构网逆变器在三种不同类型(高感性、高阻性和复阻感性)线路阻抗下的定量功率耦合。

3、为此，本专利提出了功率耦合因子驱动的微电网相对增益稳定控制与分析方法，提出了通用耦合矩阵反馈控制方法，通过适当的控制设计，有效地抑制系统中频振荡，使逆变器能够在任何类型的网络阻抗。基于相对增益矩阵分析方法，构建了广义功率耦合因子指数来表征功率耦合程度，对复杂线路阻抗下基于逆变器的微电网进行了以功率耦合因子指数为导向的稳定性分析和控制设计。

4、经检所，公开号为cn116244967a的中国发明专利提出了基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架设计方法，所提出的控制框架与设计方法从等效机理视角分析虚拟阻抗的内在控制律，研究虚拟阻抗对电压源实际输出节点的外特性，用功率反馈代替电流反馈，构造新的功率外环控制律来等效内环输出阻抗的影响，将输出总阻抗灵活调整为高感、高阻或复阻抗。进而，设计基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架，其中耦合矩阵采用比例-积分-微分算子，比例算子灵活调节稳态效果，积分算子适用模式切换控制，微分算子调节动态阻尼响应。根据控制目标要求，系统地考虑稳态性能、动态性能和复杂线路阻抗的普遍适用性，具备功率动态解耦能力、功率振荡阻尼能力、潮流控制能力和系统故障限流能力。

5、本专利与基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架设计方法的技术对比如下：

6、1、基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架设计方法中，所提出的广义同步控制框架中总共包含了四个pid控制器，控制参数过多，没有基于理论分析众多控制参数在不同线路阻抗下对系统功率耦合程度的影响规律，实际应用中不同场景下具体如何设计参数困难。相比之下，本发明基于相对增益矩阵分析方法构建了广义功率耦合因子，以表征不同功率耦合程度，从而有助于解释所提控制方法的通用适应性，且本发明基于粒子群优化算法对所提方法进行参数综合设计。

7、2、基于耦合矩阵反馈的微电网广义同步控制框架设计方法中，分析所提出的广义同步控制框架在不同线路阻抗下的稳定性时，忽略了线路电感的动态，无法分析出高感线路阻抗下系统出现严重中频振荡现象。相比之下，本发明在分析中考虑了线路电感动态，分析了关键控制参数对系统中频振荡的影响，并通过合理的参数设计可以有效地抑制中频振荡。

8、经检所，公开号为cn115800403a的中国发明专利提出了一种基于虚拟阻抗的微电网功率分配自适应控制方法，该方法在线路阻抗信息未知的情况下，利用给定的有功、无功功率和实测有功、无功功率之间的偏差值以及电压反馈值设计实时变化的虚拟阻抗，对系统的输出阻抗进行重塑，以适应线路阻抗的不断变化，进而实现分布式发电单元功率的合理分配；另外，考虑到输电线路的阻性特征会引起功率耦合，还对有功、无功功率耦合项进行了补偿，进一步提升了分布式发电单元功率分配的合理性和动态特性。

9、本专利与一种基于虚拟阻抗的微电网功率分配自适应控制方法的技术对比如下：

10、1、一种基于虚拟阻抗的微电网功率分配自适应控制方法中，所提控制方法根据反馈的无功和有功功率信息实时的修改虚拟阻抗值，通过自适应虚拟阻抗实现功率均分。相比之下，本发明所提的功率耦合因子驱动的微电网相对增益稳定控制与分析方法具有更多的控制自由度，且分析了不同线路阻抗下有功无功耦合程度，并通过合理参数设计帮助有功无功解耦，提高系统动态响应性能。

11、2、一种基于虚拟阻抗的微电网功率分配自适应控制方法中，所提出虚拟阻抗控制方案仅分析了其对功率分配的影响，而没有分析其对系统稳定性的影响。相比之下，本发明在分析中考虑了线路电感动态，分析了关键控制参数对系统中频振荡的影响，并通过合理的参数设计可以有效地抑制高感性线路阻抗下的系统中频振荡。

12、经检所，公开号为cn109861284a的中国发明专利提出了一种新能源微电网的线路阻抗矫正装置，所述装置采用串联补偿方式，将分布式电源逆变器交流侧串联该装置后经由低压配网线路接入母线，通过控制装置输出电压电流的相位和幅值，补偿线路的电抗。当微电网电压等级过低而导致线路阻性过大时，装置通过发出感性无功功率来增加线路阻抗角。当线路感性过大时，装置发出容性无功功率来减小线路阻抗角，从而保证线路阻抗角可以根据需求调节成任意值，从本质上解决分布式电源功率耦合以及功率分配不合理问题，提高了微网新能源发电的效率和电能质量，提高了系统稳定性。

13、本专利与一种新能源微电网的线路阻抗矫正装置的技术对比如下：

14、1、一种新能源微电网的线路阻抗矫正装置中，采用串联补偿方式，将分布式电源逆变器交流侧串联该线路阻抗矫正装置后经由低压配网线路接入母线，通过控制线路阻抗矫正装置输出电压电流的相位和幅值，补偿线路的电抗。相比之下，本发明不添加额外的装置，在逆变器基础下垂控制方案下进行控制改进，不需要额外的经济投入。

15、2、一种新能源微电网的线路阻抗矫正装置中，线路阻抗矫正装置引入后没有讨论其对系统稳定性及动态响应性能的影响。相比之下，本发明在分析中考虑了线路电感动态，分析了关键控制参数对系统中频振荡的影响，并通过合理的参数设计可以有效地抑制中频振荡。

16、经检所，公开号为cn116632805a的中国提出了一种基于叠加频率的电池电荷状态平衡自适应下垂控制方法，本发明在传统下垂控制的基础上，引入带有电池电荷状态信息的下垂调节分量、带有线路阻抗信息的交流功率自适应下垂项以及电压恢复项，提出一种基于叠加频率的电池电荷状态平衡自适应下垂控制方法。仿真结果表明，该方法能够消除线路阻抗带来的输出功率不平衡的影响，进而控制双电池电荷状态保持平衡。

17、本专利与一种基于叠加频率的电池电荷状态平衡自适应下垂控制方法的技术对比如下：

18、1、一种基于叠加频率的电池电荷状态平衡自适应下垂控制方法中，所提控制方法旨在解决直流微电网中由于线路阻抗存在导致的功率分配不均和电压调节能力差的问题。相比之下，本发明旨在解决交流微电网中复杂线路阻抗下功率耦合和中频振荡严重导致系统动态响应性能不佳的问题。

19、2、一种基于叠加频率的电池电荷状态平衡自适应下垂控制方法中，提出一种基于叠加频率的电池电荷状态平衡自适应下垂控制方法，实现电池电荷状态均衡。相比之下，本发明基于相对增益矩阵分析方法构建了广义功率耦合因子，以表征不同功率耦合程度，并分析了关键控制参数在不同线路阻抗下对功率耦合程度和系统稳定性的影响，且本发明基于粒子群优化算法对所提方法进行参数综合设计

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了功率耦合因子驱动的微电网相对增益稳定控制与分析方法，控制方法可以有效地抑制系统中频振荡，基于相对增益矩阵分析方法，分析方法构建了广义功率耦合因子指数来表征功率耦合程度，对复杂线路阻抗下基于逆变器的微电网进行了以功率耦合因子指数为导向的稳定性分析和控制设计。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、功率耦合因子驱动的微电网相对增益稳定控制方法，其特征在于：

4、所述控制方法表达式如下：

5、

6、其中，m、nd和nx分别代表p-ω、q-v和p-v下降系数，md和mx分别代表p-δ和q-δ反馈系数。

7、作为本发明的优选技术方案：参数md、nd、mx和nx为可以自由设置的自然数。

8、功率耦合因子驱动的微电网相对增益稳定分析方法，其特征在于：

9、搭建线路电感小信号模型，基于单机并网逆变器的线路电感小信号模型表示为：

10、

11、其中rg和lg表示线路电阻和线路电感、vgd＝vgcosδgn,vgq＝vgsinδgn,和vg表示电网电压幅值，

12、输出功率表示为：

13、

14、结合(2)和(3)计算输出功率可得

15、

16、其中

17、

18、结合(1)和(4)，以矩阵形式重写为

19、

20、

21、其中gt1(s)＝diag{m/s,nd},和

22、结合(6)和(7)，闭环系统方程为

23、

24、其中，w(s)＝[i+gf(s)g(s)]t2-1f g(s)gt1(s)，而i代表一个2×2单位矩阵。

25、作为本发明的优选技术方案：在多变量系统中，将ci定义为受控变量，mj定义为操作变量，通道mj与ci的相对增益zij，即第一放大系数wij与第二放大系数rij之比，可表示为

26、

27、其中，wij是mj-ci信道在所有其他信道断开时的静态信道放大系数，

28、wij是该信道在所有其他信道关闭时的静态信道放大系数，其他cr(r≠j)为常数，

29、ijw11(s)和w22(s)代表有功功率和无功功率基准波动时有功功率和无功功率的闭环动态响应，无功功率和有功功率之间的交叉耦合程度由w12(s)和w21(s)表示，

30、矩阵w(s)是频域矩阵，可以定量评估不同频段的功率耦合程度，

31、功率耦合度由w(s)的振幅决定，而相位则代表信道传输的时间，

32、利用第一放大系数矩阵w(s)，可得到rga矩阵为

33、

34、其中表示两个矩阵中相同位置元素的相乘。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

36、本技术提出的功率耦合因子驱动的微电网相对增益稳定控制与分析方法，通过设计的控制方法，使逆变器能在高感、高阻、复杂阻感线路阻抗下具有普遍适用性，通过设计的分析方法，构建了广义功率耦合因子，以表征不同功率耦合程度，从而有助于解释所提控制方法的通用适应性，且在分析中考虑了线路电感动态，分析了关键控制参数对系统中频振荡的影响，并通过合理的参数设计可以有效地抑制中频振荡。

37、本技术分析了不同线路x/r比下的广义功率耦合因子指数和系统稳定性，发现高电感线路阻抗和高电阻线路阻抗之下逆变器的控制参数设计规则是完全相反的，为逆变器在实际工程应用提供设计指导，并基于粒子群优化算法对通用耦合矩阵反馈控制方法进行参数综合设计。所公开控制方法在高阻、高感及阻感相当的线路阻抗下具有可行性，保证频率同步及有功功率精准均分，有效抑制系统功率中频振荡，提高动态响应性能。

技术特征：

1.功率耦合因子驱动的微电网相对增益稳定控制方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的功率耦合因子驱动的微电网相对增益稳定控制方法，其特征在于：参数md、nd、mx和nx为可以自由设置的自然数。

3.功率耦合因子驱动的微电网相对增益稳定分析方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的功率耦合因子驱动的微电网相对增益稳定分析方法，其特征在于：在多变量系统中，将ci定义为受控变量，mj定义为操作变量，通道mj与ci的相对增益zij，即第一放大系数wij与第二放大系数rij之比，可表示为

技术总结
本发明公开了功率耦合因子驱动的微电网相对增益稳定控制与分析方法，通过控制方法，使逆变器能在高感、高阻、复杂阻感线路阻抗下具有普遍适用性。其次，分析方法构建了广义功率耦合因子，以表征不同功率耦合程度，有助于解释所提控制方法的通用适应性。分析不同线路X/R比下的广义功率耦合因子指数和系统稳定性，发现高电感线路阻抗和高电阻线路阻抗之下逆变器的控制参数设计规则是完全相反的，为逆变器在实际工程应用提供设计指导，并基于粒子群优化算法对通用耦合矩阵反馈控制方法进行参数综合设计。控制方法在高阻、高感及阻感相当的线路阻抗下具有可行性，保证频率同步及有功功率精准均分，有效抑制系统功率中频振荡，提高动态响应性能。

技术研发人员：侯小超,和家彤,付思琦,孙尧,李长庚,杨小平,张衡
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23