CN103259268A - 一种微网无功-电压控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微网无功-电压控制装置及其控制方法。该微网无功-电压控制装置的无功功率Q-E控制器包括：Q-E下垂控制器，其用于获取内电势指令值E^*的开环补偿值ΔE₁，ΔE₁=n_E（Q^*—Q），n_E为该VSI硬件电路的Q-E下垂系数，Q*为无功功率的指令值；阻抗校正器，其用于获取内电势指令值E^*的闭环补偿值ΔE₂，

，n_u为所设定的Q-U下垂系数，G(S)为无功-电压闭环控制器的传递函数，为了保证端口电压-无功的下垂特性，G(S)含有积分环节；加法器，其用于获取该幅值E完成阻抗自校正功能，该幅值E满足表达式：E= E^*+ΔE₁+ΔE₂。本发明的优点在于：具有阻抗自校正功能。本发明还涉及该微网无功-电压控制装置的控制方法。

Description

一种微网无功-电压控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统中微网技术领域，尤其涉及一种微网无功-电压控制装置及其控制方法。

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、微源以及储能单元共同组成的新型分布式电源系统，其典型拓扑结构和控制策略如图1所示，作为一种智能电源系统，微网具有并网和离网运行两种模式，对外表现为单一受控源，克服了传统DG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，由于没有电网支持，多台VSI常常使用下垂控制共同支撑孤岛微网的电压和频率，同时分配系统中的有功功率和无功功率，下垂控制策略如图2所示。然而传统下垂控制策略对阻抗特性的匹配性要求严格，微网中储能单元的地理位置分散，功率等级不等，因此线路阻抗的不一致性会使得无功功率无法按照功率等级均分，如图3所示；虚拟电抗下垂控制可以减少下垂控制对阻抗特性的依赖性，但并不能完全消除阻抗对无功均分的影响，并且使得输出电压的跌落，恶化微网的电能质量。

发明内容

针对上述技术背景所提到的微网电压-无功控制策略不足，本发明提供一种具有阻抗自校正功能的微网无功-电压控制装置及其控制方法，特别适合于孤岛微网的无功功率均分和电压支持。本发明使用无功功率-端口电压(Q-U)下垂控制取代了传统的虚拟电抗下垂控制中的无功-内电势电压控制(Q-E droop)，先由改进斜率的Q-E下垂控制器确定开环内电势指令值，并用阻抗校正器闭环控制Q-U下垂特性，获得内电势的闭环修正值，保证Q-U droop特性的一致性，在平衡输出阻抗的同时避免了端口电压的跌落。

本发明是这样实现的，一种微网无功-电压控制方法，其用于采样逆变器（VSI）硬件电路的输出电压测量值U_o和输出电流测量值I_o，并经处理后获得该VSI硬件电路中IGBT的驱动电压信号U_PWM，而实现对该VSI硬件电路的输出电压的闭环控制，该微网无功-电压控制装置包括：

PQ计算器，其用于根据该输出电压测量值U_o和该输出电流测量值I_o计算获得该VSI硬件电路的有功功率测量值P和无功功率测量值Q；

功率控制器，其包括：

有功功率P-ω控制器，其用于根据该有功功率测量值P获得频率ω；以及

无功功率Q-E控制器，其用于根据该无功功率测量值Q和该输出电压测量值U_o获得幅值E；

乘法器，其用于根据该频率ω和该幅值E获得内电势E^*，该电势E^*满足表达式：E^*=E sinωt；

虚拟阻抗控制器，其用于根据该输出电流测量值I_o以及该电势E^*，获得输出电压给定值U^*，该输出电压给定值U^*满足表达式：U^*= E^*—I_o ω L_v，其中，L_v为设定的虚拟电感值；以及

电压控制器，其用于根据该输出电压给定值U^*获得VSI硬件电路中IGBT的驱动电压信号U_PWM，以作用于该VSI硬件电路实现输出电压的闭环控制；

其中，该无功功率Q-E控制器包括：

Q-E下垂控制器，其用于获取内电势指令值E^*的开环补偿值ΔE₁，ΔE₁满足表达式：ΔE₁=n_E（Q^*—Q），其中n_E为该VSI硬件电路的Q-E下垂系数，Q^*为无功功率的指令值；

阻抗校正器，其用于获取内电势指令值E^*的闭环补偿值ΔE₂，ΔE₂满足表达式：

，n_u为所设定的Q-U下垂系数，G(S)为无功-电压闭环控制器的传递函数，为了保证端口电压-无功的下垂特性，G(S)含有积分环节；以及

加法器，其用于获取该幅值E完成阻抗自校正功能，该幅值E满足表达式：E= E^*+ΔE₁+ΔE₂。

作为上述方案的进一步改进，该VSI硬件电路的Q-E下垂系数n_E满足表达式：

。

作为上述方案的进一步改进，微网中n台VSI联合供电，则n台VSI 的虚拟电感满足表达式：

L_V1S_max1=…=L_ViS_maxi=…=L_VnS_maxn=c，其中，L_Vi为第i台VSI的虚拟电抗值L_V；S_maxn为第i台VSI的视在容量S_max；i=1,2…,n。

本发明还提供一种微网无功-电压控制方法，其用于采样逆变器（VSI）硬件电路的输出电压测量值U_o和输出电流测量值I_o，并经处理后获得该VSI硬件电路中IGBT的驱动电压信号U_PWM，而实现对该VSI硬件电路的输出电压的闭环控制，该微网无功-电压控制方法包括以下步骤：

根据该输出电压测量值U_o和该输出电流测量值I_o计算获得该VSI硬件电路的有功功率测量值P和无功功率测量值Q；

根据该有功功率测量值P获得频率ω；

根据该无功功率测量值Q和该输出电压测量值U_o获得幅值E；

根据该频率ω和该幅值E获得内电势E^*，该电势E^*满足表达式：E^*=Esinωt；

根据该输出电流测量值I_o以及该电势E^*，获得输出电压给定值U^*，该输出电压给定值U^*满足表达式：U^*= E^*—I_o ω L_v，其中，L_v为设定的虚拟电感值；以及

根据该输出电压给定值U^*获得VSI硬件电路中IGBT的驱动电压信号U_PWM，以作用于该VSI硬件电路实现输出电压的闭环控制；

其中：在获得幅值E的步骤中还包括以下步骤：

获取内电势指令值E^*的开环补偿值ΔE₁，ΔE₁满足表达式：ΔE₁=n_E（Q^*—Q），其中n_E为该VSI硬件电路的Q-E下垂系数，Q^*为无功功率的指令值；

获取内电势指令值E^*的闭环补偿值ΔE₂，ΔE₂满足表达式：

，n_u为所设定的Q-U下垂系数，G(S)为无功-电压闭环控制器的传递函数，为了保证端口电压-无功的下垂特性，G(S)含有积分环节；

获取该幅值E完成阻抗自校正功能，该幅值E满足表达式：E= E^*+ΔE₂+ΔE₂。

作为上述方案的进一步改进，该VSI硬件电路的Q-E下垂系数n_E满足表达式：。

作为上述方案的进一步改进，微网中n台VSI联合供电，则n台VSI 的虚拟电感满足表达式：

L_V1S_max1=…=L_ViS_maxi=…=L_VnS_maxn=c，其中，L_Vi为第i台VSI的虚拟电抗值L_V；S_maxn为第i台VSI的视在容量S_max；i=1,2…,n。

本发明的优点在于针对常规的虚拟电抗Q-E下垂控制造成的端口电压跌落和无功功率分配不均衡，提出了一种具有阻抗自校正功能的微网电压-无功控制方法，使用无功功率-端口电压(Q-U)下垂控制取代了传统的虚拟电抗下垂控制中的无功功率-内电势电压(Q-E)下垂控制，在平衡输出阻抗的同时避免了端口电压的跌落，确保了微网的电能质量和无功功率的比例均分。

附图说明

图1为典型拓扑结构。

图2为图1中典型拓扑结构的有功-频率无功-电压下垂控制框图。

图3为图1中典型拓扑结构的电压-无功下垂特性示意图。

图4为本发明提出的微网无功-电压控制装置的阻抗自校正的电压-无功调节方法原理图。

图5为应用本发明提出的微网无功-电压控制装置的微网系统的改进斜率的虚拟电抗Q-E下垂控制器。

图6为应用本发明提出的微网无功-电压控制装置的微网系统的输出阻抗校正器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

分布式储能单元组成的微网系统为典型的多微源逆变器系统，如图1所示，包含了分布式电源、储能单元、逆变器、负荷，不同形式的微源经过AC-DC-AC变换器或者DC-AC逆变器接入交流母线。其中电压源逆变器（voltage source inverter, VSI）是组成微网的基本单元。在孤岛微网中，多VSI通过功率-频率下垂和无功-电压下垂来实现有功无功的比例均分以及孤岛微网的电压频率支持，其控制框图如图2所示。在图2中，由于引入了虚拟电抗X_V，功率-频率下垂和无功-电压下垂实际针对虚拟内电势E,然后通过虚拟阻抗获得端口电压的给定值U^*。因此功率-频率下垂和无功-电压下垂表达式如下：

$\begin{array}{c}\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}^{*}+m(P^{*}-P)\\ E=E^{*}+n(Q^{*}-Q)\end{array}$

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

由于传统下垂控制策略对阻抗特性的匹配性要求严格，因此线路阻抗的不一致性会使得无功功率无法按照功率等级均分；虚拟电抗下垂控制（见图2中虚框部分）可以减少下垂控制对阻抗特性的依赖性，但会产生输出电压的跌落，恶化微网的电能质量。图3说明了线路阻抗不匹配时，传统无功-电压下垂所产生的无功功率分配误差。为了简化分析，以两台容量相同的VSI为例。若X1>X2，根据电力线传输特性，在感性条件下电压的跌落近似与电感成反比，可得图2中线路传输特性如虚线A和B所示；而根据下垂表达式可知，如容量相同则n1=n2，两台逆变器的下垂特性相同，此时两台逆变器的输出无功功率显然不能均分。如采用虚拟电抗控制，可在一定程度上平衡输出阻抗，但由于逆变器的输出阻抗与控制器结构、参数、采样延迟均有关系，因此多台逆变器的虚拟电抗很难完全匹配，只能改善无功分配无法做到准确分配。另外虚拟电抗也带来了负面影响，由于虚拟阻抗相当于在逆变器输出侧加入电感，这将会进一步增加电压跌落，恶化电能质量。

针对上述问题，本发明提出了具有阻抗自校正的无功-电压控制方案。基于该方案的VSI控制策略包含了如图4所示的三个部分，1：功率控制器：由有功-频率(p-w)控制器和无功-电压控制器构成，其中无功-电压控制器包括改进斜率的虚拟电抗Q-E下垂控制器、输出阻抗校正器、加法器。2：虚拟电抗控制器，根据输出电流整定逆变器的输出阻抗。3：电容电压控制器，根据阻抗自校正功能的无功-电压控制器和虚拟电抗控制器所得的电压幅值所合成的电压瞬时值进行闭环控制。其中有功-频率部分的控制方案不加以限定，可自由选择，本发明主要侧重于微网无功-电压控制装置及其控制方法，其应用于微网系统中，其用于采样逆变器（VSI）硬件电路的输出电压测量值U_o和输出电流测量值I_o，并经处理后获得该VSI硬件电路中IGBT的驱动电压信号U_PWM，而实现对该VSI硬件电路的输出电压的闭环控制。

本发明提出的无功-电压控制方案是一种集成于VSI的无功-电压控制方案。由于VSI可等效为电压源（对该电压源的下垂控制称为Q-E下垂，其下垂系数简称为n_E）串联输出阻抗然后产生端口电压（对该端口的下垂控制称为Q-U下垂，其下垂系数简称为n_u）。在传统的虚拟电抗下垂控制中，VSI可等效为采用Q-E下垂控制，再加上虚拟电抗，然后产生端口电压。在所提出的无功-电压控制方案中包含了图4所示的两个部分；其中含有一个Q-E下垂控制，但是其下垂系数的取值和传统的虚拟电抗下垂控制取值方法不同；另外还含有Q-U下垂特性闭环控制，该环节采样输出电压和输出无功功率对VSI的Q-U下垂特性进行闭环控制，产生一个ΔE，作用在Q-E下垂的输出上。由于Q-U下垂闭环控制的作用是校正虚拟阻抗环节产生的误差，所以被称为输出阻抗校正器。

从图4可知，本发明的微网无功-电压控制装置包括：PQ计算器1、功率控制器2、乘法器3、虚拟阻抗控制器4、电压控制器5。功率控制器2包括有功功率P-ω控制器6以及无功功率Q-E控制器7（即阻抗自校正的无功-电压控制器）。该无功功率Q-E控制器7包括：Q-E下垂控制器8、阻抗校正器9、加法器10。

PQ计算器1用于根据该输出电压测量值U_o和该输出电流测量值I_o计算获得该VSI硬件电路的有功功率测量值P和无功功率测量值Q。有功功率P-ω控制器6用于根据该有功功率测量值P获得频率ω。无功功率Q-E控制器7用于根据该无功功率测量值Q和该输出电压测量值U_o获得幅值E。乘法器3用于根据该频率ω和该幅值E获得内电势E^*，该电势E^*满足表达式：E^*=E sinωt。虚拟阻抗控制器4用于根据该输出电流测量值I_o以及该电势E^*，获得输出电压给定值U^*，该输出电压给定值U^*满足表达式：U^*= E^*—I_o ω L_v，其中，L_v为设定的虚拟电感值。电压控制器5用于根据该输出电压给定值U^*获得VSI硬件电路中IGBT的驱动电压信号U_PWM，以作用于该VSI硬件电路11实现输出电压的闭环控制。

请结合图5，Q-E下垂控制器8用于获取内电势指令值E^*的开环补偿值ΔE₁，ΔE₁满足表达式：ΔE₁=n_E（Q^*—Q），其中n_E为该VSI硬件电路11的Q-E下垂系数，Q^*为无功功率的指令值。该VSI硬件电路的Q-E下垂系数n_E满足表达式：

。

请结合图6，阻抗校正器9用于获取内电势指令值E^*的闭环补偿值ΔE₂，ΔE₂满足表达式：

，n_u为所设定的Q-U下垂系数，G(S)为无功-电压闭环控制器的传递函数，为了保证端口电压-无功的下垂特性，G(S)含有积分环节。加法器10用于获取该幅值E完成阻抗自校正功能，该幅值E满足表达式：E= E^*+ΔE₁+ΔE₂。

也就是说，阻抗自校正功能的无功-电压控制器中包括了改进斜率的虚拟电抗Q-E下垂控制器8（如图5所示）和输出阻抗校正器9（如图6所示）。改进斜率的虚拟电抗Q-E下垂控制器8根据端口电压Q-U下垂斜率和虚拟电抗获得Q-E下垂斜率，补偿虚拟电抗引起的端口电压跌落；输出阻抗校正器9引入了一个Q-U闭环下垂特性矫正器，则负责补偿阻抗不匹配、参数漂移等引起的Q-U下垂特性偏差。该方法通过两个控制器的复合控制，实现了微网逆变器的端口Q-U特性直接控制。根据图4、5、6，各个环节的实现步骤如下：

步骤1：根据微网中分布式储能单元的无功容量和端口电压跌落限制确定VSI的Q-U下垂系数n_U。

步骤2：根据分布式储能单元的容量确定虚拟电抗值，其特征是虚拟电抗值选取公式为：

$X_{V1}{S}_{\max 1}=X_{V2}{S}_{\max 2}=...=V_{\mathrm{Vn}}{S}_{\max n}$

其中，X_Vi为第i台储能单元的虚拟电抗值；S_maxi为第i台储能单元的视在容量。

步骤3：根据步骤1和步骤2得到的Q-U下垂系数和虚拟电抗值，可得到图5所示的改进斜率的虚拟电抗 Q-E下垂控制器8中的Q-E下垂系数n_E。其特征是该方法中的改进斜率的虚拟电抗 Q-E下垂系数选取公式为：

$n_E=n_U-\frac{X_V}{E^{*}}$

其中，n_E为VSI的Q-E下垂系数；n_U为VSI的Q-U下垂系数；X_V为插入的虚拟电抗值；E*为VSI的内电势指令值。

由图2可知，引入的虚拟电抗值可引起端口电压跌落，如阻抗为感性且电压跌落不严重，可近似端口电压U等于指令电压E*，此时图5的改进斜率虚拟电抗 Q-E下垂控制器8可以补偿虚拟电抗产生的压降。但是随着虚拟电抗值的增加，端口电压跌落严重，此时Q-E下垂控制器8补偿效果出现偏差。另外，由于数据采样的滞后以及误差，所设定的虚拟电抗值和实际获得的虚拟电抗值也存在一定偏差。上述情况下，图5中的改进斜率虚拟电抗Q-E下垂控制器8为开环控制，无法自动补偿系统出现的电压偏差，出现端口电压Q-U下垂斜率的误差。

步骤4：为了弥补Q-E开环控制所引起的斜率偏差，本发明设计了图6所示的阻抗校正器9，采样输出电压和输出无功功率对VSI的Q-U下垂特性进行闭环控制，然后用闭环控制的结果修正步骤3中所示的改进斜率的虚拟电抗 Q-E下垂控制器8的内电势指令值。该方法中的阻抗自校正功能的无功-电压控制器为：

ΔE=((E*-U)/n_U+(Q*-Q))*G(s)

其中，ΔE为由阻抗校正器产生的内电势补偿值；Q^*为无功功率的指令值；Q为无功功率的测量值；U为端口电压测量值；G(s)为无功-电压闭环控制器的传递函数，为了保证端口电压-无功的下垂特性，G(s)含有积分环节或可实现无差跟踪的控制器环节。由于图6中的输入量U和Q均为直流量，如G(s)含有积分环节或可实现无差跟踪的控制器环节，就可保障端口电压Q-U的下垂特性。

步骤5：根据步骤3和步骤4，先改进斜率的虚拟电抗Q-E下垂控制器7确定开环内电势指令值，然后用阻抗校正器8闭环控制Q-U下垂特性，修正开环内电势指令值，得到最终内电势给定值，其表达式为：

$E=E^{*}+n_E(Q^{*}-Q)+\mathrm{\ΔE}$

其中， Q^*为无功功率的指令值；Q为无功功率的测量值； ΔE为步骤4获得的阻抗校正器的输出值，n_E 为步骤3获得的VSI的Q-E下垂系数。

与传统的基于虚拟电抗的Q-E下垂控制相比，使用该方法避免了下垂控制对阻抗匹配的依赖性，消除了虚拟电抗产生的电压跌落，提高了无功功率的分配精度以及微网的电能质量。

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

Claims (6)

1.一种微网无功-电压控制装置，其用于采样逆变器（VSI）硬件电路的输出电压测量值U_o和输出电流测量值I_o，并经处理后获得该VSI硬件电路中IGBT的驱动电压信号U_PWM，而实现对该VSI硬件电路的输出电压的闭环控制，该微网无功-电压控制装置包括：

PQ计算器，其用于根据该输出电压测量值U_o和该输出电流测量值I_o计算获得该VSI硬件电路的有功功率测量值P和无功功率测量值Q；

功率控制器，其包括：

有功功率P-ω控制器，其用于根据该有功功率测量值P获得频率ω；以及

无功功率Q-E控制器，其用于根据该无功功率测量值Q和该输出电压测量值U_o获得幅值E；

乘法器，其用于根据该频率ω和该幅值E获得内电势E^*，该电势E^*满足表达式：E^*=E sinωt；

虚拟阻抗控制器，其用于根据该输出电流测量值I_o以及该电势E^*，获得输出电压给定值U^*，该输出电压给定值U^*满足表达式：U^*= E^*—I_o ω L_v，其中，L_v为设定的虚拟电感值；以及

电压控制器，其用于根据该输出电压给定值U^*获得VSI硬件电路中IGBT的驱动电压信号U_PWM，以作用于该VSI硬件电路实现输出电压的闭环控制；

其特征在于：该无功功率Q-E控制器包括：

Q-E下垂控制器，其用于获取内电势指令值E^*的开环补偿值ΔE₁，ΔE₁满足表达式：ΔE₁=n_E（Q^*—Q），其中n_E为该VSI硬件电路的Q-E下垂系数，Q^*为无功功率的指令值；

阻抗校正器，其用于获取内电势指令值E^*的闭环补偿值ΔE₂，ΔE₂满足表达式：

，n_u为所设定的Q-U下垂系数，G(S)为无功-电压闭环控制器的传递函数，为了保证端口电压-无功的下垂特性，G(S)含有积分环节；以及

加法器，其用于获取该幅值E完成阻抗自校正功能，该幅值E满足表达式：E= E^*+ΔE₁+ΔE₂。

2.如权利要求1所述的微网无功-电压控制装置，其特征在于：该VSI硬件电路的Q-E下垂系数n_E满足表达式：

。

3.如权利要求1所述的微网无功-电压控制装置，其特征在于：微网中n台VSI联合供电，则n台VSI 的虚拟电感满足表达式：

L_V1S_max1=…=L_ViS_maxi=…=L_ViS_maxn=c，其中，L_Vi为第i台VSI的虚拟电抗值L_V；S_maxn为第i台VSI的视在容量S_max；i=1,2…,n。

4.一种微网无功-电压控制方法，其用于采样逆变器（VSI）硬件电路的输出电压测量值U_o和输出电流测量值I_o，并经处理后获得该VSI硬件电路中IGBT的驱动电压信号U_PWM，而实现对该VSI硬件电路的输出电压的闭环控制，该微网无功-电压控制方法包括以下步骤：

根据该输出电压测量值U_o和该输出电流测量值I_o计算获得该VSI硬件电路的有功功率测量值P和无功功率测量值Q；

根据该有功功率测量值P获得频率ω；

根据该无功功率测量值Q和该输出电压测量值U_o获得幅值E；

根据该频率ω和该幅值E获得内电势E^*，该电势E^*满足表达式：E^*=Esinωt；

根据该输出电流测量值I_o以及该电势E^*，获得输出电压给定值U^*，该输出电压给定值U^*满足表达式：U^*= E^*—I_o ω L_v，其中，L_v为设定的虚拟电感值；以及

根据该输出电压给定值U^*获得VSI硬件电路中IGBT的驱动电压信号U_PWM，以作用于该VSI硬件电路实现输出电压的闭环控制；

其特征在于：在获得幅值E的步骤中还包括以下步骤：

获取内电势指令值E^*的开环补偿值ΔE₁，ΔE₁满足表达式：ΔE₁=n_E（Q^*—Q），其中n_E为该VSI硬件电路的Q-E下垂系数，Q^*为无功功率的指令值；

获取内电势指令值E^*的闭环补偿值ΔE₂，ΔE₂满足表达式：

，n_u为所设定的Q-U下垂系数，G(S)为无功-电压闭环控制器的传递函数，为了保证端口电压-无功的下垂特性，G(S)含有积分环节；

获取该幅值E完成阻抗自校正功能，该幅值E满足表达式：E= E^*+ΔE₁+ΔE₂。

5.如权利要求4所述的微网无功-电压控制方法，其特征在于：该VSI硬件电路的Q-E下垂系数n_E满足表达式：

。

6.如权利要求4所述的微网无功-电压控制方法，其特征在于：微网中n台VSI联合供电，则n台VSI 的虚拟电感满足表达式：

L_V1S_max1=…=L_ViS_maxi=…=L_ViS_maxn=c，其中，L_Vi为第i台VSI的虚拟电抗值L_V；S_maxn为第i台VSI的视在容量S_max；i=1,2…,n。

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