CN103236702B - 一种基于阻抗复合控制的微网无功均衡分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于阻抗复合控制的微网无功均衡分配方法，该技术方案首先由 Q-U下垂系数动态调整器根据VSI的输出有功和无功实时动态改变下垂系数；然后由基于虚拟阻抗补偿的Q-U下垂控制根据输出电流整定VSI的输出阻抗；接着由虚拟阻抗开环补偿器根据有功、无功补偿虚拟阻抗产生的电压降；再由阻抗闭环补偿器使用PI调节器闭环控制Q-U下垂特性。本发明的优点在于：采用开环和闭环补偿虚拟阻抗产生的电压降，在校正输出阻抗的同时避免了虚拟阻抗产生的电压跌落；采用动态变系数和暂态变系数的方法消除了线路阻抗的不匹配，改善了无功功率的动态和稳态均分特性。

Description

一种基于阻抗复合控制的微网无功均衡分配方法

技术领域

本发明涉及属于电力系统中的微网技术领域，尤其涉及一种微网的无功分配控制方法。

背景技术

微网是一种新型智能型的分布式电源接入方式，它是由多个负载、微源以及储能单元以及其电力电子接口共同组成的新型分布式电源系统，其典型拓扑结构如图1所示。在图1中，各种不同形式的微源经过AC-DC-AC变换器或者DC-AC电力电子接口接入交流母线。作为一种智能电源系统，微网可并网运行，也可离网运行，对外表现为单一受控源，克服了传统DG（Distributed Generation，分布式电源）的随机波动，可以解决高渗透率DG并网问题，减弱分布式发电对大电网的冲击和不利影响，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益。

在孤岛微网状态下，需要多电压源型逆变器(VSI)并列运行，共同支撑孤岛微网的电压和频率，共同分担系统的有功功率和无功功率。功率-频率下垂和无功-电压下垂是VSI的常用控制策略，其表达式如下：

ω=ω^*+m(P^*-P)

E=E^*+n(Q^*-Q)

其中，m为P-ω下垂系数；n为Q-U下垂系数；P,Q为VSI的输出有功和无功功率；P^*,Q^*为VSI的输出有功和无功功率指令；ω^*,E^*为VSI的频率和参考电压指令。

然而传统下垂控制策略对阻抗特性的匹配要求严格，多台VSI之间的输出阻抗以及线路阻抗的不匹配均会使得无功功率无法均分，可能导致逆变器过流、解列，甚至出现系统崩溃。

为了提高输出阻抗的匹配性，常常在下垂控制环后加入虚拟阻抗环节，图2给出了带有虚拟阻抗的下垂控制控制框图，其中虚框部分为虚拟阻抗Z_V。在图2的控制策略下，VSI可等效为具有输出阻抗Z_V（Z_V=R_V+j X_V）的受控电压源E，通过线路阻抗（Z_l=R_l+j X_l）连接到PCC点（公共耦合点），图3为VSI到PCC点的等效电路图。值得注意的是，由于测量原因，VSI无法测量受控电压源E输出的有功和无功(P_E Q_E)或者U_pcc接受的有功和无功(P，Q)，而常常使用VSI的输出有功和无功(P_u Q_u)进行下垂控制。假设微网中n台VSI并列运行，为了实现无功功率分配，线路阻抗和输出阻抗均必须各自满足下列匹配关系式，如下所示：

X_V1S_max1=X_V2S_max2=...=X_VnS_maxn；R_V1S_max1=R_V2S_max2=...=R_VnS_maxn

X_l1S_max1=X_l2S_max2=...=X_lnS_maxn；R_l1S_max1=R_l2S_max2=...=R_lnS_maxn

可以看出，上述阻抗匹配条件十分苛刻，多台VSI很难同时满足。加入虚拟阻抗后，VSI的输出阻抗可近似由虚拟阻抗决定，因此可提高输出阻抗特的匹配程度，但是虚拟阻抗的数值与控制器结构、参数、采样延迟均有关系，导致多台VSI的输出阻抗很难完全匹配；同时虚拟阻抗也进一步增加了电压跌落，恶化电能质量。另外虚拟阻抗并不能改善线路阻抗的匹配特性；为了补偿线路阻抗对无功分配的影响，需要获得线路阻抗的精确数据，这无疑需要通信联络线支持，增加了系统成本，且阻抗测量准确度严重影响无功分配。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于阻抗复合控制的微网无功均衡分配方法，在无通讯联络线的条件下，利用本地信息消除阻抗不匹配对无功功率均分的不利影响。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题的，一种基于阻抗复合控制的微网无功均衡分配方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据微网中第i台VSI的无功容量和端口电压跌落限制确定第i台VSI的Q-U下垂系数下限n_Umaxi：

$n_{U\max i}=\frac{{\mathrm{Udrop}}_{\max }}{Q_{\max i}}$

其中，Q_maxi为第i台VSI的无功容量；Udrop_max为微网电压最大跌落值；

步骤2：所提出的基于阻抗复合控制的微网无功均衡分配方法是一种基于虚拟阻抗下垂的微网控制方法，第i台VSI的电压输出表达式为：

$E_i=E^{*}+n_i(Q_i^{*}-Q_i)+{\mathrm{\ΔE}}_{1i}+{\mathrm{\ΔE}}_{2i}$

为了获取更好地动态特性，与之对应的第i台VSI的频率输出表达式为：

${\mathrm{\ω}}_i={\mathrm{\ω}}^{*}+m_{1i}(P_i^{*}-P_i)+m_{2i}\frac{d(P_i^{*}-P_i)}{\mathrm{dt}}$

其中，ω^*,E^*为系统的频率和参考电压指令；,为第i台VSI的输出有功和无功功率指令；P_i,Q_i为第i台VSI的输出有功和无功功率；E_i为未经过虚拟阻抗的电压幅值给定；ω_i为输出电压的频率值；m_1i为P-ω稳态下垂系数；m_2i为P-ω动态下垂系数；ΔE_1i为虚拟阻抗的开环电压补偿值；ΔE_2i为虚拟阻抗的闭环电压校正值；

步骤3：由步骤2得到的电压幅值E_i和电压频率值ω_i，可得端口电压给定值为：

$U_i^{*}{E}_i\sin {\mathrm{\ω}}_{i}t-i_{\mathrm{oi}}(R_{\mathrm{vi}}+{\mathrm{sL}}_{\mathrm{vi}})$

其中，i_oi为第i台VSI的输出电流，R_vi为第i台VSI的虚拟电阻值；L_vi为第i台VSI的虚拟电抗值，即可以对U^*进行闭环控制，获得U_PWM作用于VSI硬件电路，实现输出电压的闭环控制。

步骤4：根据步骤3，假设微网中n台VSI并列运行，则根据n台的VSI容量比确定第i台VSI的虚拟阻抗Z_vi=R_vi+sωL_vi的取值，选取公式为：

L_V1S_max1=L_V2S_max2=...=L_VnS_maxn

R_V1S_max1=R_V2S_max2=...=R_VnS_maxn

其中，L_Vi为第i台VSI的虚拟电抗值；R_Vi为第i台VSI的虚拟电阻值;S_maxi为第i台VSI的视在容量。

步骤5：根据步骤2，其中第i台VSI的下垂系数n_i由Q-U下垂系数动态调整器根据VSI的输出有功和无功功率实时动态确定，下垂系数n_i选取公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{n}_i=n_i^{*}+K_{p1i}\left|P_i\right|+K_{q1i}\left|Q_i\right|+K_{p2i}\frac{d\left|P_i\right|}{\mathrm{dt}}+K_{q2i}\frac{d\left|Q_i\right|}{\mathrm{dt}}\\ 0<n<n_{u\max }\end{array}\right.$

其中，为第i台VSI的静态Q-U下垂系数；考虑到VSI功率双向流动，使用有功功率和无功功率的绝对值|P_i|和|Q_i|，保证下垂系数为正，维持微网的稳定。K_p1i为有功功率的比例校正系数；K_q1i为无功功率的比例校正系数；K_p2i为有功功率的微分校正系数；K_q2i为无功功率的微分校正系数。K_p1i和K_q1i为稳态下垂项，用以校正稳态无功分配，K_p2i和K_q2i为动态下垂项，用来校正动态特性；

步骤6：根据步骤2，虚拟阻抗的开环电压补偿值ΔE_1i的表达式如下：

${\mathrm{\&Delta;E}}_{1i}=\frac{R_{\mathrm{vi}}}{E^{*}}{P}_i+\frac{X_{\mathrm{vi}}}{E^{*}}{Q}_i;$

步骤7：根据步骤2，虚拟阻抗的闭环电压校正值ΔE_2i由Q-U下垂特性PI调节器对Q-U下垂特性进行闭环控制获得，其表达式如下：

${\mathrm{\&Delta;E}}_{2i}=((E^{*}-U_{\mathrm{oi}})+n_i(Q_i^{*}-Q_i))(k_d+\frac{k_i}{s})$

其中，U_oi为第i台VSI的端口电压测量值；k_d为PI调节器的比例系数；k_i为PI调节器的积分系数。

其中步骤2中的P_i,Q_i是通过现有的计算方法计算得到的，计算方式为：采样第i台VSI的输出电压(U_oi)和输出电流(I_oi)，并通过PQ计算获得有功功率(P_i)和无功功率(Q_i)。

本发明的优点在于：与下垂控制相比，使用该方法采用闭环控制实现了虚拟阻抗，完全匹配了输出阻抗，在校正输出阻抗的同时还可避免虚拟阻抗产生的电压跌落；另外，利用本地信息消除了线路阻抗不匹配的不利影响，可在无联络线的条件下，提高下垂控制的无功均分精度，优化下垂控制的阻抗适应性。

附图说明

图1是现有微网的典型拓扑结构。

图2是带有虚拟阻抗的下垂控制框图。

图3是VSI到公共耦合点(PCC)等效电路图。

图4本发明提出的一种阻抗自校正的电压-无功调节方法原理图。

图5三台VSI并联组网的微网系统仿真拓扑图。

图6采用传统下垂控制的有功和无功功率波形图。

图7仅采用所提出的控制算法之动态下垂项的有功和无功功率波形图。

图8采用所提出的控制算法的有功和无功功率波形。

具体实施方式

该技术方案由Q-U下垂系数动态调整器和基于虚拟阻抗补偿的Q-U下垂控制两部分组成。其中，Q-U下垂系数动态调整器根据VSI的输出有功和无功实时动态改变Q-U下垂系数；基于虚拟阻抗补偿的Q-U下垂控制包含了虚拟阻抗器、虚拟阻抗开环补偿器和虚拟阻抗闭环补偿器三部分：虚拟阻抗器根据输出电流整定VSI的输出阻抗；虚拟阻抗开环补偿器根据有功、无功补偿虚拟阻抗产生的电压降；阻抗闭环补偿器则使用PI调节器闭环控制Q-U下垂特性。

本发明的技术方案是，一种基于阻抗复合控制的微网无功均衡分配策略，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：根据微网中第i台VSI的无功容量和端口电压跌落限制确定第i台VSI的Q-U下垂系数下限n_Umaxi：

$n_{U\max i}=\frac{U{\mathrm{drop}}_{\max }}{Q_{\max i}}$

其中，Q_maxi为第i台VSI的无功容量；Udrop_max为微网电压最大跌落值；

步骤2：所提出的基于阻抗复合控制的微网无功均衡分配方法是一种基于虚拟阻抗下垂的微网控制方法，第i台VSI的电压输出表达式为：

$E_i=E^{*}+n_i(Q_i^{*}-Q_i)+{\mathrm{\&Delta;E}}_{1i}+{\mathrm{\&Delta;E}}_{2i}$

为了获取更好地动态特性，与之对应的第i台VSI的频率输出表达式为：

${\mathrm{\&omega;}}_i={\mathrm{\&omega;}}^{*}+m_{1i}(P_i^{*}-P_i)+m_{2i}\frac{d(P_i^{*}-P_i)}{\mathrm{dt}}$

其中，ω^*,E^*为系统的频率和参考电压指令；,为第i台VSI的输出有功和无功功率指令；P_i,Q_i为第i台VSI的输出有功和无功功率；E_i为未经过虚拟阻抗的电压幅值给定；ω_i为输出电压的频率值；m_1i为P-ω稳态下垂系数；m_2i为P-ω动态下垂系数；ΔE_1i为虚拟阻抗的开环电压补偿值；ΔE_2i为虚拟阻抗的闭环电压校正值；

步骤3：由步骤2得到的电压幅值E_i和电压频率值ω_i，可得端口电压给定值为：

$U_i^{*}=E_i\sin {\mathrm{\&omega;}}_{i}t-i_{\mathrm{oi}}(R_{\mathrm{vi}}+{\mathrm{s\&omega;L}}_{\mathrm{vi}})$

其中，i_oi为第i台VSI的输出电流，R_vi为第i台VSI的虚拟电阻值；L_vi为第i台VSI的虚拟电感值。目前有多种控制方式可实现虚拟阻抗，该步骤仅提供了一种实现方式，实际应用中不仅仅局限于这一种方法。

步骤4：根据步骤3，假设微网中n台VSI并列运行，则根据n台的VSI容量比确定第i台VSI的虚拟阻抗Z_vi=R_vi+sωL_vi的取值，选取公式为：

L_V1S_max1=L_V2S_max2=...=L_VnS_maxn

R_V1S_max1=R_V2S_max2=...=R_VnS_maxn

其中，L_Vi为第i台VSI的虚拟电抗值；R_Vi为第i台VSI的虚拟电阻值;S_maxi为第i台VSI的视在容量；

步骤5：根据步骤2，其中第i台VSI的下垂系数n_i由Q-U下垂系数动态调整器根据VSI的输出有功和无功功率实时动态确定，下垂系数n_i选取公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{n}_i=n_i^{*}+K_{p1i}\left|P_i\right|+K_{q1i}\left|Q_i\right|+K_{p2i}\frac{d\left|P_i\right|}{\mathrm{dt}}+K_{q2i}\frac{d\left|Q_i\right|}{\mathrm{dt}}\\ 0<n<n_{u\max }\end{array}\right.$

其中，为第i台VSI的静态Q-U下垂系数；考虑到VSI功率双向流动，使用有功功率和无功功率的绝对值|P_i|和|Q_i|，保证下垂系数为正，维持微网的稳定。K_p1i为有功功率的比例校正系数；K_q1i为无功功率的比例校正系数；K_p2i为有功功率的微分校正系数；K_q2i为无功功率的微分校正系数。K_p1i和K_q1i为稳态下垂项，用以校正稳态无功分配，K_p2i和K_q2i为动态下垂项，用来校正动态特性。上述校正系数以及下垂项的大小值确定需要结合系统的参数根据自动控制原理的相关判据获得，现有多种方法可以获得其大小值，例如可由状态方程的稳定性、动态特性等约束条件获得，但不是唯一的获得方法。

步骤6：根据步骤2，虚拟阻抗的开环电压补偿值ΔE_1i的表达式如下：

${\mathrm{\&Delta;E}}_{1i}=\frac{R_{\mathrm{vi}}}{E^{*}}{P}_i+\frac{X_{\mathrm{vi}}}{E^{*}}{Q}_i$

步骤7：根据步骤2，虚拟阻抗的闭环电压校正值ΔE_2i由Q-U下垂特性PI调节器对Q-U下垂特性进行闭环控制获得，其表达式如下：

${\mathrm{\&Delta;E}}_{2i}=((E^{*}-U_{\mathrm{oi}})+n_i(Q_i^{*}-Q_i))(k_d+\frac{k_i}{s})$

其中，U_oi为第i台VSI的端口电压测量值；k_d为PI调节器的比例系数；k_i为PI调节器的积分系数。

为验证本发明所提出的正确性和可行性，建立三台VSI并联组网的微网系统如图5所示，其中VSI1和VSI2的容量为10kW，VSI3的容量为20kW。图5中，VSI1的虚拟阻抗为Z_v1=R_v1+jX_v1=0.2+j1.885,线路阻抗为Z_l1=R_l1+jX_l1=0.1+j0.628；VSI2的虚拟阻抗为Z_v2=R_v2+jX_v2=0.2+j1.570;线路阻抗为Z_l2=R_l2+jX_l2=0.15+j0.785；VSI3的虚拟阻抗为Z_v3=R_v3+jX_v3=0.2+j2.513;线路阻抗为Z_l3=R_l3+jX_l3=0.2+j0.314；初始时刻，负荷Z_load=R_load+jX_load=1.6+j0.628；在t=0.4s时刻，突加6.66+j2.095阻感性负荷。图6给出了使用传统下垂的有功功率和无功功率响应，可以看出系统功率响应出现大幅超调并且趋向不稳定；说明了阻抗不匹配对系统性能的影响。图7为所提出的控制器的动态下垂项进行控制的有功功率和无功功率输出波形。可以看出动态下垂改善了系统的动态特性，消除了阻抗不匹配引起的功率超调，使得系统趋于稳定。但是，图7也说明由于阻抗的不一致，无功功率不能按照功率等级进行均分，动态下垂项无法消除稳态的无功功率偏差。图8加入了所提出的控制器，可以看出其中的动态下垂项优化了动态特性，而稳态下垂项消除了阻抗不一致引起的无功功率不均衡，使得无功功率按照功率等级进行分配。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于阻抗复合控制的微网无功均衡分配方法，其特征是：该方法包括以下步骤：

步骤1：根据微网中第i台VSI的无功容量和端口电压跌落限制确定第i台VSI的Q-U下垂系数下限n_Umaxi：

$n_{U\max i}=\frac{{\mathrm{Udrop}}_{\max }}{Q_{\max i}}$

其中，Q_maxi为第i台VSI的无功容量；Udrop_max为微网电压最大跌落值；

步骤2：所提出的基于阻抗复合控制的微网无功均衡分配方法是一种基于虚拟阻抗下垂的微网控制方法，第i台VSI的电压输出表达式为：

$E_i=E^{*}+n_i(Q_i^{*}-Q_i)+{\mathrm{\&Delta;E}}_{1i}+{\mathrm{\&Delta;E}}_{2i}$

为了获取更好的动态特性，与之对应的第i台VSI的频率输出表达式为：

${\mathrm{\&omega;}}_i={\mathrm{\&omega;}}^{*}+m_{1i}(P_i^{*}-P_i)+m_{2i}\frac{d(P_i^{*}-P_i)}{\mathrm{dt}}$

其中，ω^*,E^*为系统的频率和参考电压指令；为第i台VSI的输出有功和无功功率指令；P_i,Q_i为第i台VSI的输出有功和无功功率；E_i为未经过虚拟阻抗的电压幅值给定；ω_i为输出电压的频率值；m_1i为P-ω稳态下垂系数；m_2i为P-ω动态下垂系数；ΔE_1i为虚拟阻抗的开环电压补偿值；ΔE_2i为虚拟阻抗的闭环电压校正值；

步骤3：由步骤2得到的电压幅值E_i和电压频率值ω_i，可得端口电压给定值为：

$U_i^{*}=E_i\sin {\mathrm{\&omega;}}_{i}t-t_{\mathrm{oi}}(R_{\mathrm{vi}}+\mathrm{s\&omega;}{L}_{\mathrm{vi}})$

其中，i_oi为第i台VSI的输出电流，R_vi为第i台VSI的虚拟电阻值；L_vi为第i台VSI的虚拟电感值；

步骤4：根据步骤3，假设微网中n台VSI并列运行，则根据n台的VSI容量比确定第i台VSI的虚拟阻抗Z_vi＝R_vi+sωL_vi的取值，选取公式为：

L_V1S_max1＝L_V2S_max2＝...＝L_VnS_maxn

R_V1S_max1＝R_V2S_max2＝...＝R_VnS_maxn

其中，L_Vi为第i台VSI的虚拟电抗值；R_Vi为第i台VSI的虚拟电阻值；S_maxi为第i台VSI的视在容量；

步骤5：根据步骤2，其中第i台VSI的下垂系数n_i由Q-U下垂系数动态调整器根据VSI的输出有功和无功功率实时动态确定，下垂系数n_i选取公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{n}_i=n_i^{*}+K_{p1i}\left|P_i\right|+K_{q1i}\left|Q_i\right|+K_{p2i}\frac{d\left|P_i\right|}{\mathrm{dt}}+K_{q2i}\frac{d\left|Q_i\right|}{\mathrm{dt}}\\ 0<n<n_{u\max }\end{array}\right.$

其中，为第i台VSI的静态Q-U下垂系数；考虑到VSI功率双向流动，使用有功功率和无功功率的绝对值|P_i|和|Q_i|，保证下垂系数为正，维持微网的稳定；K_p1i为有功功率的比例校正系数；K_q1i为无功功率的比例校正系数；K_p2i为有功功率的微分校正系数；K_q2i为无功功率的微分校正系数；K_p1i和K_q1i为稳态下垂项，用以校正稳态无功分配，K_p2i和K_q2i为动态下垂项，用来校正动态特性；

步骤6：根据步骤2，虚拟阻抗的开环电压补偿值ΔE_1i的表达式如下：

${\mathrm{\&Delta;E}}_{1i}=\frac{R_{\mathrm{vi}}}{E^{*}}{P}_i+\frac{X_{\mathrm{vi}}}{E^{*}}{Q}_i;$

步骤7：根据步骤2，虚拟阻抗的闭环电压校正值ΔE_2i由Q-U下垂特性PI调节器对Q-U下垂特性进行闭环控制获得，其表达式如下：

${\mathrm{\&Delta;E}}_{2i}=((E^{*}+U_{\mathrm{oi}})+n_i(Q_i^{*}-Q_i))(k_d+\frac{k_i}{s})$

其中，U_oi为第i台VSI的端口电压测量值；k_d为PI调节器的比例系数；k_i为PI调节器的积分系数。