CN103151794A - 微电网分布式电源逆变器的自适应功率解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微电网分布式电源逆变器的自适应功率解耦方法，其技术方案的要点是，提出的解耦矩阵自适应获取及其应用方法综合考虑线路阻抗的特性，负载特性，及逆变器输出阻抗特性，根据实际线路阻抗参数，并结合负载特性及逆变器自身输出阻抗自行确定变换矩阵中的参数，达到自适应PQ解耦控制的效果。适用于逆变器功率解耦矩阵的自适应获取及其应用方法，该方法通过对电压幅值施加扰动，检测有功功率和无功功率的变化，确定解耦的转换矩阵，此方法能够适应不同的传输线特性及电压特性，自行确定功率解耦矩阵的转换矩阵，对逆变器进行功率解耦控制。

Description

微电网分布式电源逆变器的自适应功率解耦方法

技术领域

本发明涉及一种微电网逆变器控制的新型控制方案，尤其是一种微电网分布式电源逆变器的自适应功率解耦方法，它能够适应微电网各种类型的传输线和常用的负载模型，可以提高微电网分布式电源逆变器运行的稳定性。 

背景技术

由于传统不可再生能源的日益减少，有效利用可再生能源日益重要。可在生能源发电通常是以分布式电源（DG）的形式出现，通过电力电子变换器与电网相连。多个分布式发电系统结合储能设备及本地负载等可组成微电网，微电网提高了系统运行的可靠性和分布式电源的可控性。微电网逆变器广泛采用下垂控制，比如：P-f下垂控制，P-V下垂控制等。在低压系统中，采用P-f下垂控制时，有功功率和无功功率存在着强耦合作用，从而导致系统稳定性差。采用P-V下垂控制虽能有效降低PQ耦合作用，使控制效果大为改观，但P-V下垂控制在低压系统中仍然存在PQ耦合作用。经过矩阵变换的PQ解耦下垂控制是基于已知线路阻抗参数来确定变换矩阵的。但是实际系统中线路阻抗参数往往不尽相同，且传统解耦控制不能适应其它线路阻抗参数的系统，并且没有考虑本地负载对解耦控制的影响。 

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明综合考虑微网中的负载特性，传输线特性以及逆变器输出阻抗特性，在线估测得到系统等效的阻抗特性，自行确定解耦控制参数，达到更为准确的功率解耦，且能够适应各种传输线特性及不同的电压等级，提高逆变器运行的稳定性。 

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的： 

一种微电网分布式电源逆变器的自适应功率解耦方法，它包括以下步骤： 

1、逆变器采用传统的下垂控制时，用有功功率调节逆变器输出电压的频率，无功功率调节逆变器输出电压的幅值；V,f分别为逆变器输出电压幅值和频率，P,Q分别为逆变器输出的有功功率和无功功率，f_ref,V_ref为给定的电压频率和幅值，P_ref，Q_ref为逆变器给定的有功功率和无功功率，k_q，k_P为下垂系数； 

f＝f_ref+k_p(p_ref-P) 

V＝V_ref+k_q(Q_ref-Q) 

微电网逆变器在运行时采用传统的下垂控制，然后给输出电压幅值施加一定的扰动，同时维持输出电压频率不变，此时的有功功率和无功功率的变化是系统综合负载特性，传输线特性，逆变器输出阻抗特性得到的结果，通过检测有功功率和无功功率的变化量，可推算出系统的等效阻抗，进而确定逆变器解耦控制参数； 

如果逆变器是采用P-U，Q-f的下垂控制时，则用有功功率调节逆变器输出电压幅值，无功功率调节输出电压频率，向逆变器输出电压幅值|V|增加一定的扰动

同时保持逆变器输出相位和频率不受扰动影响，可通过保持频率相角环节开环实现，检测逆变器输出有功功率和无功功率的变化； 

2、通过有功和无功的变化量可得到系统中等效的阻抗特性，ΔP为有功功率的变化，ΔQ为无功功率的变化，R、X为系统等效的阻抗和感抗； 

$\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ΔQ}}=\frac{R}{X}$

3、通过等效的阻抗特性，得到功率转换矩阵，将有功功率和无功功率进行组合，得到分别控制电压幅值和相位的虚拟功率，W_v为控制输出电压幅值的虚拟功率，W_f为控制逆变器输出频率的虚拟功率，Z＝R+jX为系统中的阻抗特性； 

$\left[\begin{array}{c}{W}_V\\ W_f\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{R}{Z}& \frac{X}{Z}\\ \frac{X}{Z}& -\frac{R}{Z}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}P\\ Q\end{array}\right]$

为给定的虚拟功率，通过给定的有功功率和无功功率计算得到： 

$f=f_{\mathrm{ref}}+k_q(W_f^{*}-W_f)$

$V=V_{\mathrm{ref}}+k_p(W_V^{*}-W_V)$

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种微电网分布式电源逆变器的自适应功率解耦方法，具有这样的有益效果： 

本发明根据实际线路阻抗参数，并结合负载特性及逆变器自身输出阻抗自行确定变换矩阵中的参数，达到自适应PQ解耦控制的效果。适用于逆变器功率解耦矩阵的自适应获取及其应用方法，该方法通过对电压幅值施加扰动，检测有功功率和无功功率的变化，确定解耦的转换矩阵，此方法能够适应不同的传输线特性及电压特性，自行确定功率解耦矩阵的转换矩阵，对逆变器进行功率解耦控制。 

附图说明：

图1微电网拓扑结构图； 

图2逆变器结构图； 

图3逆变器功率控制环节； 

图4电压幅值加入扰动时，逆变器输出有功和无功的波形； 

图5自适应解耦控制与传统解耦控制稳定性在阻性传输线下对比的仿真图形； 

图6自适应解耦控制与传统解耦控制在感性传输线下对比的实验波形。 

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。 

图1为两台逆变器并联运行状态，并通过静态开关控制逆变器并网或孤岛运行状态，当静态开关闭合时，逆变器并网运行；当静态开关断开时，逆变器孤岛运行。Z和Z2分别是DG1和DG2到PCC点的连线阻抗。 

并网模式下，微电网中的逆变器采用下垂控制策略，逆变器输出的有功功率和无功功率为： 

$P=\frac{V_s}{R^2+X^2}[R(V_s-E)+\mathrm{XE}\sin \mathrm{\δ}]$

$Q=\frac{V_s}{R^2+X^2}[R(V_s-E)-\mathrm{XE}\sin \mathrm{\δ}]$

然后对逆变器的给定电压施加一个小的扰动

并且维持相角环节不变。此时，逆变器输出的有功功率和无功功率都会发生变化，变化量分别为ΔP和ΔQ。变化后逆变器输出的有功功率和无功功率变为： 

$P+\mathrm{\ΔP}=\frac{(V_s+\widehat{V_S})}{R^2+X^2}[R(V_s+\widehat{V_S}-E)+\mathrm{XE}\sin \mathrm{\δ}]$

$Q+\mathrm{\ΔQ}=\frac{(V_s+\widehat{V_S})}{R^2+X^2}[R(V_s+\widehat{V_S}-E)-\mathrm{RE}\sin \mathrm{\δ}]$

那么可以得出： 

$\mathrm{\ΔP}=\frac{\widehat{V_S}[R_T({2V}_s+\widehat{V_S}-E)-X_{T}E\sin \mathrm{\δ}]}{R_T^2+X_T^2}$

$\mathrm{\ΔQ}=\frac{\widehat{V_S}[X_T({2V}_s+\widehat{V_S}-E)-R_T{V}_s\sin \mathrm{\δ}]}{R_T^2+X_T^2}$

其中相角差δ很小，可以得出： 

R(2V_s+ΔV_s-E)>>XEsinδ 

X(2V_s+ΔV_s-E)>>-REsinδ 

经简化，最终可以得出： 

$\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ΔQ}}=\frac{R}{X}$

对逆变器给定电压施加一个小的扰动，通过检测逆变器输出的有功功率和无功功率的变化量的比值，即可求出系统等效电阻与系统等效感抗的比值关系。与传统的解耦控制不同的是，这里所求出的阻抗比值，不仅考虑了线路阻抗的特性，还考虑了负载的特性，而传统的解耦控制只考虑线路阻抗的特性，忽略了负载特性的影响。解耦控制的表达式为： 

$\left[\begin{array}{c}{W}_V\\ W_f\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{R}{Z}& \frac{X}{Z}\\ \frac{X}{Z}& -\frac{R}{Z}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}P\\ Q\end{array}\right]$

为给定的虚拟功率，通过给定的有功功率和无功功率计算得到下垂控制方程： 

$f=f_{\mathrm{ref}}+k_q(W_f^{*}-W_f)$

$V=V_{\mathrm{ref}}+k_p(W_V^{*}-W_V)$

其中，k_p和k_q为下垂系数，f_ref为给定的参考频率，V_ref为给定的参考电压。 

图2为逆变器控制结构图。逆变器输出的电压和电流信号经运算，可得出逆变器输出的功率，在功率控制环节中，其经过解耦矩阵变换，可以得出 变换后的反馈功率W_f，W_v。P_ref,Q_ref分别为有功功率和无功功率的给定值，其同样经过解耦矩阵变换，可以得到变换后的给定功率

变换后的给定功率和反馈功率经过下垂控制，得到电压和电流环的给定电压值，再经过电压和电流环的调节作用，最终形成PWM信号，从而驱动逆变器主电路的开关管的开通和关断。图2中的功率控制环节可以具体展开为图3所示。逆变器的给定电压经过一小的扰动，可以得出有功功率的变化量与无功功率的变化量的比值，即系统电阻与阻抗的比值关系。根据该比值关系即可求出解耦矩阵，功率的给定量P_ref,Q_ref和反馈量P，Q经过解耦矩阵，可得出变换后的功率给定量

和反馈量W_f，W_v。变换后的给定量和反馈量经过传统的下垂控制环节可得出参考电压V和相角θ进行三相坐标合成，可得出Va,Vb,Vc,再经过abc-dq坐标变换得到Vd,Vq，其作为电压外环的给定值。 

对该控制策略进行仿真和实验验证。仿真中，采用PSCAD进行验证，实验中，采用基于TMS320F2812的DSP的三相逆变实验平台进行验证。图4为t=1s时，对电压施加扰动，扰动前后有功功率和无功功率的变化波形图。仿真中，传输线阻抗参数设置为X/R=0.13，负载阻抗特性为Xe/Re=1/3，通过图4根据功率变化计算出的系统等效阻抗为： 

$\frac{\mathrm{\ΔQ}}{\mathrm{\ΔP}}=\frac{X}{R}=0.2398$

从上式可以看出，通过对电压施加扰动的方法，则可以得出线路阻抗与负载阻抗的等效阻抗值，与只考虑传输线特性的传统解耦控制相比更接近与系统本质特性。 

图5为自适应解耦下垂控制与传统解耦下垂控制的仿真对比图，可以对比看出，自适应解耦下垂控制考虑了负载特性，从而提高了系统的稳定性。图6为自适应解耦下垂控制与传统解耦下垂控制的实验对比图，传统解耦下 垂控制中仅仅考虑线路阻抗的影响，自适应解耦下垂控制考虑了线路阻抗和负载的综合影响，其控制稳定性要高于传统解耦下垂控制。 

Claims (2)

1.一种微电网分布式电源逆变器的自适应功率解藕方法，其特征在于：它包括以下步骤：

a、逆变器采用传统的下垂控制时，用有功功率调节逆变器输出电压的频率，无功功率调节逆变器输出电压的幅值；V，f分别为逆变器输出电压幅值和频率，P，Q分别为逆变器输出的有功功率和无功功率，f_ref，V_ref为给定的电压频率和幅值，P_ref，Q_ref为逆变器给定的有功功率和无功功率，k_q，k_p为下垂系数，其控制表达式为：

f＝f_ref+k_p(P_ref-P)

V＝V_ref+k_q(Q_ref-Q)

微电网逆变器在运行时采用传统的下垂控制，然后给输出电压幅值施加一定的扰动，同时维持输出电压频率不变，此时的有功功率和无功功率的变化是系统综合负载特性，传输线特性，逆变器输出阻抗特性得到的结果，通过检测有功功率和无功功率的变化量，可推算出系统的等效阻抗，进而确定逆变器解藕控制参数；

b、通过有功和无功的变化量可得到系统中等效的阻抗特性，ΔP为有功功率的变化，ΔQ为无功功率的变化，R、X为系统等效的阻抗和感抗；

$\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ΔQ}}=\frac{R}{X}$

c、通过等效的阻抗特性，得到功率转换矩阵，将有功功率和无功功率进行组合，得到分别控制电压幅值和相位的虚拟功率，W_v为控制输出电压幅值的虚拟功率，W_f为控制逆变器输出频率的虚拟功率，Z＝R+jX为系统中的阻抗特性；

$\left[\begin{array}{c}{W}_V\\ W_f\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{R}{Z}& \frac{X}{Z}\\ \frac{X}{Z}& -\frac{R}{Z}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}P\\ Q\end{array}\right]$

为给定的虚拟功率，系统的功率控制算法为：

$f=f_{\mathrm{ref}}+k_q(w_f^{*}-W_f)$

$V=V_{\mathrm{ref}}+k_p(W_V^{*}-W_V)$

2.根据权利要求1所述的一种微电网分布式电源逆变器的自适应功率解藕方法，其特征在于：如逆变器是采用P-U，Q-f的下垂控制时，则用有功功率调节逆变器输出电压幅值，无功功率调节输出电压频率，向逆变器输出电压幅值|V|增加一定的扰动

同时保持逆变器输出相位和频率不受扰动

影响，检测有功变换量ΔP和无功的变化量ΔQ。

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