CN105098798A - 一种并联分布式电源的无功功率均分的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并联分布式电源的无功功率均分的控制方法，计算分布式电源输电线路的电压压降，并加入到无功下垂控制中，用输电线路的电压补偿量来补偿输电线路的压降，提高各分布式电源对无功负荷的分配精度；测量分布式电源接入点的电压幅值，将各所述分布式电源接入点的电压幅值反馈到无功下垂控制中，有效跟踪分布式电源接入点电压变化；将所述输电线路的电压补偿量以及电压幅值反馈的补偿量，经过PI调节，得到无功下垂曲线初值的补偿量，平移下垂曲线，调节系统稳定运行点，使并联分布式电源输出的电压幅值相等。改善并联分布式电源的无功功率分配问题，减少并联分布式电源间的无功环流，使微电网更加高效、稳定的运行。

Description

一种并联分布式电源的无功功率均分的控制方法

技术领域

本发明涉及并联分布式电源控制技术，主要针对采用功率下垂控制的并联分布式电源输出的无功功率均分，具体是一种并联分布式电源的无功功率均分的控制方法。

背景技术

微电网作为分布式电源的有效载体，可以运行在孤岛、负荷突变、并网以及两种运行状态切换的四种运行状态下，适用于微网中的逆变器除需具备常规逆变器的功能以及能够并联运行外，还需根据微网系统的特殊需求具备一些控制功能，如有功-频率下垂控制功能和电压-无功下垂控制功能。微网中多个分布式电源(distributedgeneration，DG)并联运行，多采用对等控制策略。所谓对等控制策略，即各DG之间是“平等”的，不存在才从属关系，所有DG以预先设定的控制模式参与有功无功调节，从而维持系统电压频率的稳定。

对等控制是基于下垂控制法而成，目前微网中多采用传统的下垂控制，模拟电网中发电机的有功-频率特性曲线和无功-电压特性曲线，在输出功率发生变化时，多个并联的逆变电源同时参与系统频率电压的调节，各电源自动沿着各自的下垂曲线调整各自输出电压的频率和幅值，使各自达到新的稳定点，以实现功率分配，各DG之间无需借助于通信。

实现DG并联运行的关键在于各电源能共同分担负荷，以达到各逆变电源输出功率平衡，使系统达到最佳运行状态。当DG额定功率相同且系统线路系数相同时，并联运行的DG的可采用相同的下垂增益，但微网中存在多种不同的DG，其位置有一定的分散性，使接入微网的线路阻抗也不同，而且各DG的额定功率也不同。因此，在维持电压和频率稳定的基础上，实现平分负荷以及在运行模式切换过程中保证频率和电压在可接受的范围之内，是微电网运行控制关键问题的难点和重点。

当今，下垂控制已广泛应用于微电网中，特别是在对等控制的微电网中，但是传统的下垂控制由于线路阻抗的差异、输出电压幅值不等及微电网复杂结构等因素,使分布式电源输出的无功难以达到均分的效果，严重影响无功功率的合理分配，情况严重时，分布式电源之间可能会产生较大的无功环流。

发明内容

本发明的目的是提供一种并联分布式电源的无功功率均分的控制方法，所述的控制方法结合微电网中分布式电源的传统下垂控制策略，在传统下垂控制中加入输电线路压降和电压幅值反馈量，改善并联分布式电源的无功功率分配问题，减少并联分布式电源间的无功环流，使微电网更加高效、稳定的运行，用以解决传统的下垂控制方式使分布式电源输出的无功功率难以达到均分的效果，以及分布式电源之间可能会产生较大的无功环流的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种并联分布式电源的无功功率均分的控制方法，所述的控制方法为：计算分布式电源输电线路的电压压降，并将所述输电线路的电压压降加入到无功下垂控制中，用输电线路的电压补偿量来补偿输电线路的压降，提高各分布式电源对无功负荷的分配精度；

测量分布式电源接入点的电压幅值，将各所述分布式电源接入点的电压幅值反馈到无功下垂控制中，有效跟踪分布式电源接入点电压变化；

将所述输电线路的电压补偿量以及电压幅值反馈的补偿量，经过PI调节，得到无功下垂曲线初值的补偿量，应用到下垂控制中，根据所述无功下垂曲线初值的补偿量平移下垂曲线，调节系统稳定运行点，最终使并联分布式电源输出的电压幅值相等。

经过改进后的无功下垂控制，可改变分布式电源输出的无功功率，使微电网中各分布式电源输出电压的幅值相同，最终达到无功功率均分的效果。

根据本发明所述的并联分布式电源的无功功率均分的控制方法，所述输电线路的电压补偿量为：

$\frac{Q_i}{U}{x}_i$

其中，x_i为微电源输出侧电抗；

U为公共母线电压；

Q_i为第i个逆变电源输出的无功功率。

根据本发明所述的并联分布式电源的无功功率均分的控制方法，在瞬态过程中，由于PI控制器的存在，下垂曲线在每个采样周期都会向上或向下平移一次，在每个采样周期内沿下垂曲线变化，直到下一个采样周期的到来，下垂曲线在不断的平移中趋于稳定，实现并联分布式电源系统的稳态运行。

本发明达到的有益效果：本发明所述的控制方法结合微电网中分布式电源的传统下垂控制策略，在传统下垂控制中加入输电线路压降和电压幅值反馈量，改善并联分布式电源的无功功率分配问题，减少并联分布式电源间的无功环流，使微电网更加高效、稳定的运行，经过改进后的无功下垂控制，可改变分布式电源输出的无功功率，使微电网中各分布式电源输出电压的幅值相同。解决传统的下垂控制方式使分布式电源输出的无功功率难以达到均分的效果，以及分布式电源之间可能会产生较大的无功环流的问题。

附图说明

图1是逆变器的并联等效电路；

图2是改进的无功下垂控制结构；

图3是下垂曲线平移示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。

传统的下垂控制由于线路阻抗的差异、输出电压幅值不等及微电网复杂结构等因素,使分布式电源输出的无功难以达到均分的效果，严重影响无功功率的合理分配，情况严重时，分布式电源之间可能会产生较大的无功环流。

本申请提出对并联分布式电源下垂控制的改进策略，是为了改善因不同DG输出线路阻抗的不同，造成电源间功率的不合理分配的问题，本申请主要针对采用功率下垂控制的并联分布式电源输出的无功功率的均分，结合微电网中分布式电源的传统下垂控制策略，改善并联分布式电源的无功功率分配问题，减少并联分布式电源间的无功环流，使微电网更加高效、稳定的运行。

本申请采用的控制方法在传统下垂控制的基础上加入输电线路压降和微电源接入点电压幅值反馈量两部分作为无功下垂控制的补偿量，经过改进后的无功下垂控制，可改变分布式电源输出的无功功率，使微电网中各分布式电源输出电压的幅值相同，最终达到无功功率均分的效果：

(1)输电线路压降：由于分布式电源逆变器的输出LC滤波器的电感较大，而且在微电网中的输电线路较短，故将分布式电源的输出阻抗仍然看成感性对待，将计算得到的感性线路电压压降加入到无功下垂控制中，作为无功下垂曲线初值的补偿量，即平移下垂曲线，最终改善并联分布式电源输出电压幅值不等的问题。

(2)电压幅值反馈量：为弥补微电网中分布式电源接入点电压幅值的差异，将各分布式电源接入点电压幅值反馈到无功下垂控制，也作为无功下垂曲线初值补偿量，同样采用平移下垂曲线的原理，使并联分布式电源输出电压幅值相等，最终达到提高无功均分精度的效果。

本发明改进的控制策略具体为：计算分布式电源输电线路的电压压降，并将所述输电线路的电压压降加入到无功下垂控制中，用输电线路的电压补偿量来补偿输电线路的压降，提高各分布式电源对无功负荷的分配精度；

测量分布式电源接入点的电压幅值，将各所述分布式电源接入点的电压幅值反馈到无功下垂控制中，有效跟踪分布式电源接入点电压变化；

将所述输电线路的电压补偿量以及电压幅值反馈的补偿量，经过PI调节，得到无功下垂曲线初值的补偿量，应用到下垂控制中，根据所述无功下垂曲线初值的补偿量平移下垂曲线，调节系统稳定运行点，最终使并联分布式电源输出的电压幅值相等。

如图1所示，为两个逆变器并联的等效电路，其中逆变器等效为电压源，I₁、I₂分别为流过两个逆变器输电线路的电流，I₀为流过负载的电流。当逆变器的等效输出阻抗为感性时，且由于与负载阻抗相比，逆变器的等效输出阻抗以及线路阻抗均较小，而且在实际情况中相角偏差δ_i均较小，即可认为sinδ_i＝δ_i，cosδ_i＝1，则DG输出的有功功率和无功功率分别为：

$\{\begin{array}{c}{P}_i=\frac{E_{i}U}{x_i}{\mathrm{\δ}}_i\\ Q_i=\frac{E_{i}U-U^2}{x_i}=\frac{U(E_i-U)}{x_i}\end{array}---\left(1\right)$

其中，P_i为第i个逆变电源输出的有功功率；

Q_i为第i个逆变电源输出的无功功率；

E_i为第i个逆变电源相电压的电压幅值；

x_i为微电源输出侧电抗；

U为公共母线电压。

传统的逆变器下垂特性公式为：

$\left\{\begin{array}{c}f=f_0-k_{p}P\\ E=E_0-k_{q}Q\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，k_p、k_q分别为P/f和Q/V的下垂控制系数；

f₀、E₀分别是分布式电源在空载时的频率及电压幅值，也就是P/f、Q/V下垂曲线的初值；

f、E分别为分布式电源频率和电压幅值的控制量；

P、Q为分布式电源有功功率和无功功率的实际测量值。

将式(2)代入式(1)中可得到：

$Q_i=\frac{U(E_0-U)}{x_i+k_{qi}U}---\left(3\right)$

K_qi表示第i个逆变电源的Q/V下垂控制系数，由式(3)可知，由于实际分布式电源输出侧滤波电抗的配置和变压器电感参数的存在，可以忽略线路电阻。将滤波电抗和线路电抗统一称为分布式电源输出侧电抗。则，微电源输出的无功与输出侧电抗x_i、空载电压幅值E₀、公共母线电压U以及Q/V下垂控制系数k_q有关。

由式(3)可得：

$U=E_0-\frac{Q_i}{U}{x}_i-k_{qi}{Q}_i---\left(4\right)$

由于可看作输电线路的电压压降。因此，由式(4)可知，可通过在传统下垂控制中加入电压补偿量来补偿输电线路的压降，提高各分布式电源对无功负荷的分配精度。

另外，为弥补分布式电网中微电源接入点电压幅值的差异，在传统的无功下垂控制中加入分布式电源接入点电压幅值反馈控制，同样作为无功下垂控制的补偿量，有效跟踪接入点电压变化，改进后的无功下垂控制结构如图2所示。

图2中，Q_n、U_n为分布式电源输出功率和电压幅值的额定值，Q为分布式电源实际输出的无功功率，k_q为分布式电源无功下垂控制系数，U_m为分布式电源接入点电压幅值，Up为分布式电源无功下垂控制输出的参考电压，x为分布式电源输出等效感抗。输电线路的电压补偿量和电压幅值反馈的补偿量经过PI调节，得到无功下垂曲线初值的补偿量ΔU。

如图3所示，根据所述无功下垂曲线初值的补偿量平移下垂曲线，平移下垂曲线，调节系统稳定运行点，在瞬态过程中，由于PI控制器的存在，下垂曲线在每个采样周期都会向上或向下平移一次，在每个采样周期内沿下垂曲线变化，直到下一个采样周期的到来，下垂曲线在不断的平移中趋于稳定，实现并联分布式电源系统的稳态运行，最终使各分布式电源输出的电压幅值相同。

图3中，实线为改进前无功下垂曲线，U₁、U₂为分布式电源1、2的实际电压幅值，Uq为微电网电压幅值，E₀为分布式电源空载电压，Q₁、Q₂分别为下垂曲线改进前分布式电源1、2的输出功率；虚线为改进后的下垂曲线，E₁，E₂为加入微电网电压幅值反馈后的下垂曲线初值，Q₁、Q₂分别为下垂曲线改进后分布式电源1、2的输出功率。由此可看出，经过改进后的无功下垂控制，可改变分布式电源输出的无功功率，使微电网中各分布式电源输出电压的幅值相同。

本发明所述的控制方法结合微电网中分布式电源的传统下垂控制策略，在传统下垂控制中加入输电线路压降和电压幅值反馈量，改善并联分布式电源的无功功率分配问题，减少并联分布式电源间的无功环流，使微电网更加高效、稳定的运行，经过改进后的无功下垂控制，可改变分布式电源输出的无功功率，使微电网中各分布式电源输出电压的幅值相同。解决传统的下垂控制方式使分布式电源输出的无功功率难以达到均分的效果，以及分布式电源之间可能会产生较大的无功环流的问题。

Claims (3)

1.一种并联分布式电源的无功功率均分的控制方法，其特征在于所述的控制方法包括：

计算分布式电源输电线路的电压压降，并将所述输电线路的电压压降加入到无功下垂控制中，用输电线路的电压补偿量来补偿输电线路的压降，提高各分布式电源对无功负荷的分配精度；

测量分布式电源接入点的电压幅值，将各所述分布式电源接入点的电压幅值反馈到无功下垂控制中，有效跟踪分布式电源接入点电压变化；

将所述输电线路的电压补偿量以及电压幅值反馈的补偿量，经过PI调节，得到无功下垂曲线初值的补偿量，应用到下垂控制中，根据所述无功下垂曲线初值的补偿量平移下垂曲线，调节系统稳定运行点，最终使并联分布式电源输出的电压幅值相等。

2.根据权利要求1所述的并联分布式电源的无功功率均分的控制方法，其特征在于，所述输电线路的电压补偿量为：

$\frac{Q_i}{U}{x}_i$

其中，x_i为微电源输出侧电抗；

U为公共母线电压；

Q_i为第i个逆变电源输出的无功功率。

3.根据权利要求1所述的并联分布式电源的无功功率均分的控制方法，其特征在于，在对下垂曲线进行平移的瞬态过程中，由于PI控制器的存在，下垂曲线在每个采样周期都会向上或向下平移一次，在每个采样周期内沿下垂曲线变化，直到下一个采样周期的到来，下垂曲线在不断的平移中趋于稳定，实现并联分布式电源系统的稳态运行。