CN104868500A - 一种适用于微电网逆变器并联运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于微电网逆变器并联运行控制方法，所述方法包括：步骤1：在传统下垂控制的电压电流环中添加虚拟阻抗；步骤2：通过测量微电源输出电压和电流值，得到平均有功功率和平均无功功率；步骤3：得到微电源的输出频率和电压；步骤4：将微电源输出电压、频率和无功功率分别与相应参考值进行比较，得到各自差值；步骤5：得到电压、频率、无功功率的所需补偿值；步骤6：得到补偿后频率和电压；步骤7：把补偿后频率和电压输入到电压电流双环控制器，最终使频率和电压维持在额定值，无功功率得到合理分配，实现了改善了电能质量，无功功率的分配精度较高，无功功率的合理分配的技术效果。

Description

一种适用于微电网逆变器并联运行控制方法

技术领域

本发明涉及微电网领域的控制方法，尤其涉及一种适用于微电网逆变器并联运行控制方法。

背景技术

为了解决能源危机和环境污染问题，可再生能源及分布式发电受到广泛应用，微电网由分布式电源(distributed generation，DG)、储能装置、能量转换装置、保护装置和负荷等设备组成，可运行于并网和孤岛两种模式，分布式电源如风力发电、光伏发电和燃料电池发电等通过逆变器接口连接到电网，微电网孤岛运行时，分布式电源要合理分配功率，维持微电网电压和频率稳定。

下垂控制无需通讯线，具有即插即用特性，得到广泛应用，传统下垂控制根据各DG单元输出的有功和无功来调节各自逆变器输出电压幅值和频率及实现功率分配，控制方程可以表达为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i={\mathrm{\ω}}_0-m_i{P}_i\\ U_i=U_0-n_i{Q}_i\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，ω₀、U₀分别为各DG单元电压角频率和幅值参考值；P_i、Q_i分别为第i台DG单元输出有功功率和无功功率；m_i、n_i分别为第i台DG单元有功下垂系数和无功下垂系数；ω_i、U_i分别为第i台DG单元DG单元输出的电压角频率和幅值。

功率分配原理：微电网孤岛运行时，为保证DG单元按照各自容量比例分配负荷，DG单元的下垂系数应满足式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1{P}_1=m_2{P}_2=...=m_i{P}_i\\ {n_{1}Q}_1={n_{2}Q}_2=...=n_i{Q}_i\end{array}\right.---\left(2\right)$

因为频率是全局变量，角频率和频率是比例关系，所以有功功率能够按下垂系数均分；但是电压是局部变量，DG单元的连线阻抗不匹配时DG端电压会产生差异，引起无功不能均分的问题，为了实现无功功率合理分配，忽略逆变器输出阻抗之间的微小差异，连接的线路阻抗要和逆变器容量成反比，即DG单元的连线阻抗必须满足式(3)：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1{P}_1=R_2{P}_2=...=R_i{P}_i\\ {X_{1}Q}_1={X_{2}Q}_2=...=X_i{Q}_i\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：R_i、X_i分别为第i台逆变器到PCC点的连线的电阻和电抗，实际中难以设置连线阻抗满足式(3)，因此设计一种控制策略使无功分配不受线路阻抗失配的影响是十分必要的。

传统下垂控制根据DG输出功率来调节输出电压和频率，是一种有差调节，负荷功率变化较大时，DG输出电压和频率与其额定值会有较大差别。

因此，寻找一种逆变器并联运行控制策略，用于合理分配功率以及维持系统电压和频率在额定值至关重要。

现有技术的缺点及本申请提案要解决的问题：

传统下垂控制策略是在逆变器输出阻抗和线路阻抗之和为感性的条件下提出的，微电网通常采用低压传输线路，低压微电网中线路阻抗主要呈阻性，有功和无功功率出现耦合，传统下垂控制不再适用，当DG单元的连接线路阻抗不一致时，DG输出端电压不同，传统下垂控制不能实现无功均分，引起无功环流；负荷功率波动较大时，传统下垂控制会使微电网电压和频率与额定值存在较大偏差，影响电网电能质量。

不少国内外学者尝试将传统下垂控制进行改进，为解决传统下垂控制在高阻抗比的低压微电网中无法应用的问题，提出P-V，Q-ω控制，达到功率解耦及功率均分目的，但是该方法与传统发电机下垂特性不兼容，微电源并网时容易引起系统运行不稳定问题，为维持微电网电压和频率稳定以及较高精度的功率分配，提出集中式下垂控制策略，但是该方法一个单元出现故障会影响到整个微电网系统的稳定运行，可靠性低。

综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的下垂控制方法存在不能实现无功均分，引起无功环流；负荷功率波动较大时，传统下垂控制会使微电网电压和频率与额定值存在较大偏差，影响电网电能质量，无功功率的分配精度较低，可靠性较低的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种适用于微电网逆变器并联运行控制方法，解决了现有的下垂控制方法存在不能实现无功均分，引起无功环流；负荷功率波动较大时，传统下垂控制会使微电网电压和频率与额定值存在较大偏差，影响电网电能质量，无功功率的分配精度较低的技术问题，实现了改善了电能质量，无功功率的分配精度较高，在负荷功率变化较大时，依然能够保证微电网电压和频率维持在额定值；DG单元与公共连接点点之间线路阻抗不同时，也能实现无功功率的合理分配的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种适用于微电网逆变器并联运行控制方法，在传统下垂控制中加入二次调节，对下垂控制引起的电压、频率的偏移进行二次调节，并对无功功率进行二次调节以实现无功均分，所述方法包括：

步骤1：在传统下垂控制的电压电流环中添加虚拟阻抗，使逆变器输出阻抗呈感性；

步骤2：通过测量微电源输出电压和电流值，计算得到输出瞬时有功功率和瞬时无功功率，将瞬时有功功率和瞬时无功功率进行低通滤波，得到平均有功功率和平均无功功率；

步骤3：将平均有功功率和平均无功功率通过下垂控制器，得到微电源的输出频率和电压；

步骤4：将微电源输出电压、频率和无功功率分别与相应参考值进行比较，得到各自差值；

步骤5：把相应差值输入比例积分调节控制器，得到电压、频率、无功功率的所需补偿值；

步骤6：把频率补偿值叠加到传统下垂控制输出的频率值，电压和无功功率补偿值叠加到传统下垂控制输出的电压值，得到补偿后频率和电压；

步骤7：把补偿后频率和电压输入到电压电流双环控制器，最终使频率和电压维持在额定值，无功功率得到合理分配。

进一步的，加入虚拟阻抗后的逆变器的控制结构包括：逆变器、LC滤波器、电压控制环、电流控制环和虚拟阻抗，逆变器采用电压电流双环控制，外环为电压控制环，内环是电流控制环。

进一步的，2次调节控制具体包括：步骤4：将微电源输出电压、频率和无功功率分别与相应参考值进行比较，得到各自差值；步骤5：把相应差值输入比例积分调节控制器，得到电压、频率、无功功率的所需补偿值；步骤6：把频率补偿值叠加到传统下垂控制输出的频率值，电压和无功功率补偿值叠加到传统下垂控制输出的电压值，得到补偿后频率和电压。

进一步的，所述方法在步骤7之后还包括步骤8：建立仿真模型，进行仿真验证与分析。

进一步的，逆变器输出电压参考值为：

U_iref＝U_i-I_iZ_v  (4)

式4中，Zv为虚拟阻抗；U_i为第i台DG单元输出的电压幅值；U_iref为第i台DG单元引入虚拟阻抗后电压环的输入参考值；

逆变器在加入虚拟阻抗后输出电压为：

$\begin{array}{c}{U}_c=\frac{G_V{G}_I{Z}_C}{Z_C+Z_L+G_I+G_V{G}_I{Z}_C}{U}_{\mathrm{ref}}\\ +\frac{Z_C(Z_L+G_I)}{Z_C+Z_L+G_I+G_V{G}_I{Z}_C}{i}_o\end{array}---\left(5\right)$

式5中，Z_L＝sL₁，Z_C＝1/sC，由式(5)获得逆变器输出阻抗Z_out为

$Z_{\mathrm{out}}=\frac{Z_C(Z_L+G_I)}{Z_C+Z_L+G_I+G_V{G}_I{Z}_C}---\left(6\right)$

加入虚拟阻抗后，电压电流双环控制的输入参考电压U_ref为：

U_ref＝U′_ref-Z_v(s)i_o  (7)

加入Z_v(s)后，逆变器等效输出阻抗为：

$Z_{\mathrm{out}}^{\′}=\frac{G_V{G}_I{Z}_C}{Z_C+Z_L+G_I+G_V{G}_I{Z}_C}{Z}_v\left(s\right)+Z_{\mathrm{out}}---\left(8\right)$

其中，G_v(s)为电压控制环PI调节器的传递函数，其输出为电流内环的参考输入，电流环的传递函数为G_i(s)；U_o为逆变器输出电压，U_ref为电压环输入参考值，U′_ref为引入虚拟阻抗后电压环的输入参考值；L和C分别为滤波电感和电容；I_L、I_c、I_o分别为滤波电感电流、滤波电容电流和输出电流。

进一步的，引入二次调节控制后，逆变器输出电压和频率参考值分别为ω_i和U_i，如式(9)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i={\mathrm{\ω}}_0-m_i{P}_i+\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_s\\ U_i=U_0-n_i{Q}_i+\mathrm{\δ}{U}_s+\mathrm{\δ}{Q}_s\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_s=(k_{\mathrm{pf}}+\frac{k_{\mathrm{if}}}{s})({\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_i)\\ \mathrm{\δ}{U}_s=(k_{\mathrm{pu}}+\frac{k_{\mathrm{iu}}}{s})(U_0-U_i)\\ \mathrm{\δ}{Q}_s=(k_{\mathrm{pq}}+\frac{k_{\mathrm{iq}}}{s})(Q_0-Q_i)\end{array}\right.$

式中：K_pf、K_if分别为角频率额定值调节的比例和积分系数；K_pu、K_iu电压额定值调节的比例和积分系数；K_pq、K_iq分别为无功均分调节的比例和积分系数；ω₀、U₀分别为逆变器角频率和电压额定参考值；Q₀为各逆变器输出功率之和的平均值；δω_s、δU_s、δQ_s分别为频率、电压和无功二次调节输出值。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了将适用于微电网逆变器并联运行控制方法设计为包括：步骤1：在传统下垂控制的电压电流环中添加虚拟阻抗，使逆变器输出阻抗呈感性；步骤2：通过测量微电源输出电压和电流值，计算得到输出瞬时有功功率和瞬时无功功率，将瞬时有功功率和瞬时无功功率进行低通滤波，得到平均有功功率和平均无功功率；步骤3：将平均有功功率和平均无功功率通过下垂控制器，得到微电源的输出频率和电压；步骤4：将微电源输出电压、频率和无功功率分别与相应参考值进行比较，得到各自差值；步骤5：把相应差值输入比例积分调节控制器，得到电压、频率、无功功率的所需补偿值；步骤6：把频率补偿值叠加到传统下垂控制输出的频率值，电压和无功功率补偿值叠加到传统下垂控制输出的电压值，得到补偿后频率和电压；步骤7：把补偿后频率和电压输入到电压电流双环控制器，最终使频率和电压维持在额定值，无功功率得到合理分配的技术方案，即，通过在传统下垂控制中加入虚拟阻抗使逆变器输出阻抗呈感性，消弱线路阻性成分引起功率耦合，将下垂控制方法扩展应用到低压微电网中；对电压/频率进行二次调节，使电压和频率在负荷变化大时仍能维持在额定值，改善电能质量；二次无功调节直接控制无功功率的分配，使无功分配不再受逆变器端电压的影响，实现无功的高精度分配，在负荷功率变化较大时，依然能够保证微电网电压和频率维持在额定值；DG单元与公共连接点之间线路阻抗不同时，也能实现无功功率的合理分配，所以，有效解决了现有的下垂控制方法存在不能实现无功均分，引起无功环流；负荷功率波动较大时，传统下垂控制会使微电网电压和频率与额定值存在较大偏差，影响电网电能质量，无功功率的分配精度较低的技术问题，进而实现了改善了电能质量，无功功率的分配精度较高，在负荷功率变化较大时，依然能够保证微电网电压和频率维持在额定值；DG单元与公共连接点点之间线路阻抗不同时，也能实现无功功率的合理分配的技术效果。

附图说明

图1是本申请实施例一中适用于微电网逆变器并联运行控制方法的流程示意图；

图2为加入虚拟阻抗的逆变器控制示意图；

图3为加入二次调节的控制原理示意图；

图4为两台DG单元并联运行仿真系统示意图；

图5为传统下垂控制方法DG输出有功功率仿真结果示意图；

图6为传统下垂控制方法DG输出无功功率仿真结果示意图；

图7为传统下垂控制方法DG输出频率仿真结果示意图；

图8为传统下垂控制方法DG端电压仿真结果示意图；

图9为采用本申请中的控制方法的DG输出有功功率仿真结果示意图；

图10为采用本申请中的控制方法的DG输出无功功率仿真结果示意图；

图11为采用本申请中的控制方法的DG输出频率仿真结果示意图；

图12为采用本申请中的控制方法的DG端电压仿真结果示意图；

图13为DG₂退出运行时DG输出有功功率仿真结果示意图；

图14为DG₂退出运行时DG输出无功功率仿真结果示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种适用于微电网逆变器并联运行控制方法，解决了现有的下垂控制方法存在不能实现无功均分，引起无功环流；负荷功率波动较大时，传统下垂控制会使微电网电压和频率与额定值存在较大偏差，影响电网电能质量，无功功率的分配精度较低的技术问题，实现了改善了电能质量，无功功率的分配精度较高，在负荷功率变化较大时，依然能够保证微电网电压和频率维持在额定值；DG单元与公共连接点点之间线路阻抗不同时，也能实现无功功率的合理分配的技术效果。

本申请实施中的技术方案为解决上述技术问题。总体思路如下：

采用了将适用于微电网逆变器并联运行控制方法设计为包括：步骤1：在传统下垂控制的电压电流环中添加虚拟阻抗，使逆变器输出阻抗呈感性；步骤2：通过测量微电源输出电压和电流值，计算得到输出瞬时有功功率和瞬时无功功率，将瞬时有功功率和瞬时无功功率进行低通滤波，得到平均有功功率和平均无功功率；步骤3：将平均有功功率和平均无功功率通过下垂控制器，得到微电源的输出频率和电压；步骤4：将微电源输出电压、频率和无功功率分别与相应参考值进行比较，得到各自差值；步骤5：把相应差值输入比例积分调节控制器，得到电压、频率、无功功率的所需补偿值；步骤6：把频率补偿值叠加到传统下垂控制输出的频率值，电压和无功功率补偿值叠加到传统下垂控制输出的电压值，得到补偿后频率和电压；步骤7：把补偿后频率和电压输入到电压电流双环控制器，最终使频率和电压维持在额定值，无功功率得到合理分配的技术方案，即，通过在传统下垂控制中加入虚拟阻抗使逆变器输出阻抗呈感性，消弱线路阻性成分引起功率耦合，将下垂控制方法扩展应用到低压微电网中；对电压/频率进行二次调节，使电压和频率在负荷变化大时仍能维持在额定值，改善电能质量；二次无功调节直接控制无功功率的分配，使无功分配不再受逆变器端电压的影响，实现无功的高精度分配，在负荷功率变化较大时，依然能够保证微电网电压和频率维持在额定值；DG单元与公共连接点之间线路阻抗不同时，也能实现无功功率的合理分配，所以，有效解决了现有的下垂控制方法存在不能实现无功均分，引起无功环流；负荷功率波动较大时，传统下垂控制会使微电网电压和频率与额定值存在较大偏差，影响电网电能质量，无功功率的分配精度较低的技术问题，进而实现了改善了电能质量，无功功率的分配精度较高，在负荷功率变化较大时，依然能够保证微电网电压和频率维持在额定值；DG单元与公共连接点点之间线路阻抗不同时，也能实现无功功率的合理分配的技术效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一：

在实施例一中，提供了一种适用于微电网逆变器并联运行控制方法，在传统下垂控制中加入二次调节，对下垂控制引起的电压、频率的偏移进行二次调节，并对无功功率进行二次调节以实现无功均分，请参考图1-图14，所述方法包括：

步骤1：在传统下垂控制的电压电流环中添加虚拟阻抗，使逆变器输出阻抗呈感性；

步骤2：通过测量微电源输出电压和电流值，计算得到输出瞬时有功功率和瞬时无功功率，将瞬时有功功率和瞬时无功功率进行低通滤波，得到平均有功功率和平均无功功率；

步骤3：将平均有功功率和平均无功功率通过下垂控制器，得到微电源的输出频率和电压；

步骤4：将微电源输出电压、频率和无功功率分别与相应参考值进行比较，得到各自差值；

步骤5：把相应差值输入比例积分调节控制器，得到电压、频率、无功功率的所需补偿值；

步骤6：把频率补偿值叠加到传统下垂控制输出的频率值，电压和无功功率补偿值叠加到传统下垂控制输出的电压值，得到补偿后频率和电压；

步骤7：把补偿后频率和电压输入到电压电流双环控制器，最终使频率和电压维持在额定值，无功功率得到合理分配。

其中，在本申请实施例中，下面结合附图对本发明详细说明：

虚拟阻抗设计：

加入虚拟阻抗后的逆变器的控制结构具体包括：逆变器、LC滤波器、电压控制环、电流控制环和虚拟阻抗，逆变器采用电压电流双环控制，外环为电压控制环，用以改善逆变器输出波形质量，并使其具有较高的输出精度；内环是电流控制环，用以提高系统动态性能；如图2，Uo为逆变器输出电压；U′ref为电压环输入参考值；Uref为引入虚拟阻抗后电压环的输入参考值；L和C分别为滤波电感和电容；IL、Ic、Io分别为滤波电感电流、滤波电容电流和逆变器输出电流；Gv(s)为电压控制环PI调节器的传递函数，其输入为Uref与Uo之差，其输出为电流内环的参考输入；电流环的传递函数为Gi(s)，其输出为滤波电感的输入，滤波电感的输出为滤波电容的输入；Zv(s)为虚拟阻抗，加在逆变器输出电流输出处，逆变器输出电流通过虚拟阻抗产生的电压降与U′ref之差得出Uref。

2次调节控制具体包括：步骤4：将微电源输出电压、频率和无功功率分别与相应参考值进行比较，得到各自差值；步骤5：把相应差值输入比例积分调节控制器，得到电压、频率、无功功率的所需补偿值；步骤6：把频率补偿值叠加到传统下垂控制输出的频率值，电压和无功功率补偿值叠加到传统下垂控制输出的电压值，得到补偿后频率和电压。

如图3，U′和ω′分别为传统下垂控制输出的电压值和角频率值。测量模块测量逆变器输出电压U、角频率ω和无功功率Q，分别输入到3个加法器与相应的参考值相减，得到的差值输入到相应的PI调节控制器；PI调节器得出的电压调节值和无功功率调节值都输入到同一个加法器作为电压补偿值与下垂控制输出的电压U求和；PI调节器得出的角频率补偿值输入另一个加法器作为角频率补偿值与下垂控制得出的角频率ω求和；求和结果作为逆变器电压电流双环控制的输入。

加入虚拟阻抗使逆变器输出阻抗呈感性，降低逆变器输出有功和无功功率的耦合，使传统下垂控制方法扩展应用到低压微电网中，加入虚拟阻抗后，逆变器输出电压参考值可表示为：

U_iref＝U_i-I_iZ_v  (4)

式中，Z_v为虚拟阻抗，加入虚拟阻抗后，逆变器控制结构图如图2所示，逆变器采用电压电流双环控制，外环为电压控制环，用以改善逆变器输出波形质量，并使其具有较高的输出精度；内环是电流控制环，用以提高系统动态性能。

图2中，G_v(s)为电压控制环PI调节器的传递函数，其输出为电流内环的参考输入，电流环的传递函数为G_i(s)；U_o为逆变器输出电压，U_ref为电压环输入参考值，U′_ref为引入虚拟阻抗后电压环的输入参考值；L和C分别为滤波电感和电容；I_L、I_c、I_o分别为滤波电感电流、滤波电容电流和输出电流。

U_i为第i台DG单元输出的电压幅值；U_iref为第i台DG单元引入虚拟阻抗后电压环的输入参考值；

由图1的控制框图可得，逆变器在加入虚拟阻抗后输出电压为：

$\begin{array}{c}{U}_c=\frac{G_V{G}_I{Z}_C}{Z_C+Z_L+G_I+G_V{G}_I{Z}_C}{U}_{\mathrm{ref}}\\ +\frac{Z_C(Z_L+G_I)}{Z_C+Z_L+G_I+G_V{G}_I{Z}_C}{i}_o\end{array}---\left(5\right)$

式中，Z_L＝sL₁，Z_C＝1/sC，由式(5)可知逆变器输出阻抗Z_out为：

$Z_{\mathrm{out}}=\frac{Z_C(Z_L+G_I)}{Z_C+Z_L+G_I+G_V{G}_I{Z}_C}---\left(6\right)$

加入虚拟阻抗后，电压电流双环控制的输入参考电压U_ref可表示为：

U_ref＝U′_ref-Z_v(s)i_o  (7)

加入Z_v(s)后，逆变器等效输出阻抗为：

$Z_{\mathrm{out}}^{\′}=\frac{G_V{G}_I{Z}_C}{Z_C+Z_L+G_I+G_V{G}_I{Z}_C}{Z}_v\left(s\right)+Z_{\mathrm{out}}---\left(8\right)$

由式(8)可知，加入虚拟阻抗可以改变逆变器输出阻抗的特性，逆变器的控制参数基本保持不变，因此逆变器输出阻抗主要由加入的虚拟阻抗决定，虚拟阻抗的加入可以使逆变器输出阻抗呈感性，减弱逆变器输出的有功和无功的耦合，将传统下垂控制方法扩展应用到低压微电网中。

二次调节控制方法：

为了保证电压的质量和高精度分配无功功率，引入电压、频率和无功功率二次调节，使电压和频率保持额定输出，无功功率合理分配，每个DG单元都包括传统下垂控制和二次调节，无需中央控制器，增强了系统稳定性。

当负荷无功增加(减小)导致电压幅值减小(增大)时，通过电压二次调节控制，上移(下移)电压下垂控制曲线使电压恢复到额定值；当负荷有功增加(减小)导致频率减小(增大)时，通过频率二次调节，上移(下移)频率下垂控制曲线使频率恢复到额定值，二次无功调节直接控制无功的分配，使无功分配不受DG端电压的影响，进而消除线路阻抗不一致引起的无功不能均分问题，实现高精度分配无功功率，引入二次调节控制后，逆变器输出电压和频率参考值分别为ω_i和U_i，如式(9)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i={\mathrm{\ω}}_0-m_i{P}_i+\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_s\\ U_i=U_0-n_i{Q}_i+\mathrm{\δ}{U}_s+\mathrm{\δ}{Q}_s\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_s=(k_{\mathrm{pf}}+\frac{k_{\mathrm{if}}}{s})({\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_i)\\ \mathrm{\δ}{U}_s=(k_{\mathrm{pu}}+\frac{k_{\mathrm{iu}}}{s})(U_0-U_i)\\ \mathrm{\δ}{Q}_s=(k_{\mathrm{pq}}+\frac{k_{\mathrm{iq}}}{s})(Q_0-Q_i)\end{array}\right.$

式中：K_pf、K_if分别为角频率额定值调节的比例和积分系数；K_pu、K_iu电压额定值调节的比例和积分系数；K_pq、K_iq分别为无功均分调节的比例和积分系数；ω₀、U₀分别为逆变器角频率和电压额定参考值；Q₀为各逆变器输出功率之和的平均值；δω_s、δU_s、δQ_s分别为频率、电压和无功二次调节输出值。

加入二次电压、频率和无功功率调节的逆变器控制框图如图3所示，通过测量微电源输出电压和电流值，计算得到输出瞬时有功功率和无功功率，将瞬时功率进行低通滤波，得到其平均功率，平均有功功率和无功功率通过下垂控制器，得到微电源的输出频率和电压，电压二次调节通过将逆变器输出电压与参考值相减，得到其差值；然后把差值经过比例积分调节控制器，得到所需补偿值；把电压补偿值叠加到传统下垂控制输出的电压值U′，得到补偿后电压U输入到电压电流双环控制，最终使电压恢复到额定值，同理，可对频率和无功进行二次调节，使频率保持额定值，无功高精度分配。

仿真验证与分析：

为了验证所提出的控制策略，利用MATLAB/Simulink建立了如图4所示仿真模型，由两台容量相同的DG和两个负载组成，用以验证所提方法的正确性，两台DG单元并联运行，幅值和频率参考值相同，分别为310V和50Hz，其他仿真参数如表1所示：

表1 仿真参数

Tab.1 Parameters of the simulation

二次调节控制参数

3.1工况1

1s前只投入负荷1，有功和无功分别为4kW和2kvar，1s时负荷2也投入运行，系统稳态运行后负荷有功和无功变为6.8kW和3.4kvar，仿真时间为2s，由于仿真模型中DG容量相同，要实现功率合理分配，即要求各DG分担的有功和无功相同。

图5、6、7和8分别为传统下垂控制下DG输出有功功率、无功功率、电压和频率的仿真波形，如图5所示，在传统下垂控制下，DG在负荷变化前后都能实现有功均分，但是由于线路阻抗不一致时，无法实现无功均分，如图6所示，DG₁和DG₂之间的无功相差较大，线路阻抗小的DG₁分配了较大的无功，相同的DG容量无法平均分配功率，如图7、8所示，由于没有加入频率和电压二次调节，DG输出的频率和电压在负荷容量变化时，与DG的频率和电压参考值有较大的偏差，DG有功和无功增大时，频率和电压较额定值偏小。

图9、10、11和12分别为改进下垂控制下DG输出有功功率、无功功率、电压和频率的仿真波形，通过图9、10、11和12与图5、6、7和8对比可知，DG能够均分负荷有功，并且负荷变化时，过渡过程比传统下垂控制下平滑。由图10可知，在DG间连线阻抗不一致时，仍能实现无功精确分配，DG₁与DG₂平均分配负荷无功。由图11可知DG在负荷容量变化较大时，能够保持DG输出频率维持在参考值50Hz。由图12可知DG在负荷容量变化较大时，DG输出频率维持在参考值310V。

3.2工况2

负荷1投入运行，1s前两台DG并联运行，2s时DG₂退出运行，仿真时间为2s。两台DG单元都采用加入二次调节控制方法。

图13和14分别为DG输出有功功率和无功功率仿真波形。由图13、14可知，DG在传统下垂控制基础上加入电压、频率和无功二次调节后，当微网中其中一台DG退出运行时，微网在短时间内过渡到稳定运行状态，继续为负荷稳定供电。即当一个DG出现故障或者退出运行时，微网能够继续正常运行。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

由于采用了将适用于微电网逆变器并联运行控制方法设计为包括：步骤1：在传统下垂控制的电压电流环中添加虚拟阻抗，使逆变器输出阻抗呈感性；步骤2：通过测量微电源输出电压和电流值，计算得到输出瞬时有功功率和瞬时无功功率，将瞬时有功功率和瞬时无功功率进行低通滤波，得到平均有功功率和平均无功功率；步骤3：将平均有功功率和平均无功功率通过下垂控制器，得到微电源的输出频率和电压；步骤4：将微电源输出电压、频率和无功功率分别与相应参考值进行比较，得到各自差值；步骤5：把相应差值输入比例积分调节控制器，得到电压、频率、无功功率的所需补偿值；步骤6：把频率补偿值叠加到传统下垂控制输出的频率值，电压和无功功率补偿值叠加到传统下垂控制输出的电压值，得到补偿后频率和电压；步骤7：把补偿后频率和电压输入到电压电流双环控制器，最终使频率和电压维持在额定值，无功功率得到合理分配的技术方案，即，通过在传统下垂控制中加入虚拟阻抗使逆变器输出阻抗呈感性，消弱线路阻性成分引起功率耦合，将下垂控制方法扩展应用到低压微电网中；对电压/频率进行二次调节，使电压和频率在负荷变化大时仍能维持在额定值，改善电能质量；二次无功调节直接控制无功功率的分配，使无功分配不再受逆变器端电压的影响，实现无功的高精度分配，在负荷功率变化较大时，依然能够保证微电网电压和频率维持在额定值；DG单元与公共连接点之间线路阻抗不同时，也能实现无功功率的合理分配，所以，有效解决了现有的下垂控制方法存在不能实现无功均分，引起无功环流；负荷功率波动较大时，传统下垂控制会使微电网电压和频率与额定值存在较大偏差，影响电网电能质量，无功功率的分配精度较低的技术问题，进而实现了改善了电能质量，无功功率的分配精度较高，在负荷功率变化较大时，依然能够保证微电网电压和频率维持在额定值；DG单元与公共连接点点之间线路阻抗不同时，也能实现无功功率的合理分配的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种适用于微电网逆变器并联运行控制方法，其特征在于，在传统下垂控制中加入二次调节，对下垂控制引起的电压、频率的偏移进行二次调节，并对无功功率进行二次调节以实现无功均分，所述方法具体包括：

步骤1：在传统下垂控制的电压电流环中添加虚拟阻抗，使逆变器输出阻抗呈感性；

步骤2：通过测量微电源输出电压和电流值，计算得到输出瞬时有功功率和瞬时无功功率，将瞬时有功功率和瞬时无功功率进行低通滤波，得到平均有功功率和平均无功功率；

步骤3：将平均有功功率和平均无功功率通过下垂控制器，得到微电源的输出频率和电压；

步骤4：将微电源输出电压、频率和无功功率分别与相应参考值进行比较，得到各自差值；

步骤5：把相应差值输入比例积分调节控制器，得到电压、频率、无功功率的所需补偿值；

步骤6：把频率补偿值叠加到传统下垂控制输出的频率值，电压和无功功率补偿值叠加到传统下垂控制输出的电压值，得到补偿后频率和电压；

步骤7：把补偿后频率和电压输入到电压电流双环控制器，最终使频率和电压维持在额定值，无功功率得到合理分配。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，加入虚拟阻抗后的逆变器的控制结构具体包括：逆变器、LC滤波器、电压控制环、电流控制环和虚拟阻抗，逆变器采用电压电流双环控制，外环为电压控制环，内环是电流控制环。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，2次调节控制具体包括：步骤4：将微电源输出电压、频率和无功功率分别与相应参考值进行比较，得到各自差值；步骤5：把相应差值输入比例积分调节控制器，得到电压、频率、无功功率的所需补偿值；步骤6：把频率补偿值叠加到传统下垂控制输出的频率值，电压和无功功率补偿值叠加到传统下垂控制输出的电压值，得到补偿后频率和电压。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在步骤7之后还包括步骤8：建立仿真模型，进行仿真验证与分析。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，逆变器输出电压参考值为：

U_iref＝U_i-I_iZ_v       (4)

式4中，Zv为虚拟阻抗；U_i为第i台DG单元输出的电压幅值；U_iref为第i台DG单元引入虚拟阻抗后电压环的输入参考值；

逆变器在加入虚拟阻抗后输出电压为：

$\begin{array}{c}{U}_c=\frac{G_V{G}_I{Z}_C}{Z_C+Z_L+G_I+G_V{G}_I{Z}_C}{U}_{\mathrm{ref}}\\ +\frac{Z_C(Z_L+G_I)}{Z_C+Z_L+G_I+G_V{G}_I{Z}_C}{i}_o\end{array}---\left(5\right)$

式5中，Z_L＝sL₁，Z_C＝1/sC，由式(5)获得逆变器输出阻抗Z_out为

$Z_{\mathrm{out}}=\frac{Z_C(Z_L+G_I)}{Z_C+Z_L+G_I+G_V{G}_I{Z}_C}---\left(6\right)$

加入虚拟阻抗后，电压电流双环控制的输入参考电压U_ref为：

U_ref＝U′_ref-Z_v(s)i_o        (7)

加入Z_v(s)后，逆变器等效输出阻抗为：

$Z_{\mathrm{out}}^{\′}=\frac{G_V{G}_I{Z}_C}{Z_C+Z_L+G_I+G_V{G}_I{Z}_C}{Z}_v\left(s\right)+Z_{\mathrm{out}}---\left(8\right)$

其中，G_v(s)为电压控制环PI调节器的传递函数，其输出为电流内环的参考输入，电流环的传递函数为G_i(s)；U_o为逆变器输出电压，U_ref为电压环输入参考值，U′_ref为引入虚拟阻抗后电压环的输入参考值；L和C分别为滤波电感和电容；I_L、I_c、I_o分别为滤波电感电流、滤波电容电流和输出电流。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，引入二次调节控制后，逆变器输出电压和频率参考值分别为ω_i和U_i，如式(9)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i={\mathrm{\ω}}_0-m_i{P}_i+\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_s\\ U_i=U_0-n_i{Q}_i+\mathrm{\δ}{U}_s+\mathrm{\δ}{Q}_s\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_s=(k_{\mathrm{pf}}+\frac{k_{\mathrm{if}}}{s})({\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_i)\\ \mathrm{\δ}{U}_s=(k_{\mathrm{pu}}+\frac{k_{\mathrm{iu}}}{s})(U_0-U_i)\\ \mathrm{\δ}{Q}_s=(k_{\mathrm{pq}}+\frac{k_{\mathrm{iq}}}{s})(Q_0-Q_i)\end{array}\right.$

式中：K_pf、K_if分别为角频率额定值调节的比例和积分系数；K_pu、K_iu电压额定值调节的比例和积分系数；K_pq、K_iq分别为无功均分调节的比例和积分系数；ω₀、U₀分别为逆变器角频率和电压额定参考值；Q₀为各逆变器输出功率之和的平均值；δω_s、δU_s、δQ_s分别为频率、电压和无功二次调节输出值。