CN105119300A

CN105119300A - 一种基于虚拟电阻调节的网络微电网无功均衡控制方法

Info

Publication number: CN105119300A
Application number: CN201510579376.7A
Authority: CN
Inventors: 卓放; 朱一盺; 史书怀; 王丰
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2015-12-02

Abstract

本发明公开一种基于虚拟电阻调节的网络微电网无功均衡控制方法，包括：步骤1，采用虚拟阻抗恒定的控制方法，保持网络微电网中虚拟电阻上一次调节结果；步骤2，当微电网的负载发生变化时，网络微电网中的中央控制器检测负载变化；步骤3，当中央控制器检测到负载变化后，迅速更新控制器中的每个分布式发电单元的功率信息；并计算出每个分布式发电单元新的无功功率指令值；步骤4，将新的无功功率指令发送给各分布式发电单元，使能虚拟电阻调节；步骤5，虚拟电阻根据无功功率的调整进行同步调节，跟踪微网中中央控制器的无功功率指令；步骤6，逐步排除无功功率均分的误差。本发明能够免疫指令不匹配情况。当通讯不可用时，能够提供更好的性能。

Description

一种基于虚拟电阻调节的网络微电网无功均衡控制方法

【技术领域】

本发明属于微电网功率分配领域，特别涉及一种适用于复杂微电网的带通讯无功均衡控制方法。

【背景技术】

随着对环境问题和清洁能源的关注日趋增长，更多的可再生能源(RES)诸如太阳能电池，风力发电机和微型燃气轮机以分布式单元的形式通过电力电子变换器并入电网中。微网的出现即是有效管理、合理整合各类分布式发电单元，使这些单元能够通过公共连接点(PCC)连接入电网内。当微电网稳定运行时，其能够为负载提供高品质的电能。然而，微网也面临许多问题，如控制稳定性和功率均分问题。

微网分为孤岛与并网两种运行模式。孤岛运行时，负载需求必须被多个分布式发电单元合理均分。这就意味着每个分布式单元需要输出与其功率额定值相匹配的功率。现有系统通常使用频率和电压幅值的下垂控制来满足功率匹配。虽然下垂控制能够实现精确的有功功率均分，但馈线阻抗不匹配和本地负载不一致导致该方法难以实现无功功率。此外，当微网结构呈现网络化时，无功功率均分问题会进一步恶化。

通过文献检索发现，为了提升无功功率均分的精度，有研究人员提出了许多改良的方法，主要分为有通讯与无通讯两类方法。无通讯方法中，一种是通过注入小信号交流电压的方法减小了无功功率均分误差。但是这种方法可能会减小分布式发电的电压和线电流品质。一种是利用虚拟阻抗提升功率控制的稳定性和功率均分精度。但该方法的关注点多在于分布式发电单元中输出阻抗的不匹配，而物理馈线阻抗的不匹配并没有被考虑到。有通讯的方法中，一种是通过预先设计好的虚拟电感和使用通讯估计的物理馈线阻抗修正“Q-V”下垂斜率，从而补偿馈线中的不匹配压降。然而，在网络化的微网中，不匹配因素不仅仅体现在馈线中，还与本地负载和网络结构有关。如果不全面考虑这些因素，上述的方法是难以如预期般正确工作的。

为了提高网络化微网中的无功功率均分性能，采用通讯方法能够达到较好的效果。现有的通讯方法中，有以下几个方面的局限性：(1)互联通讯方式受分布式发电单元的数量限制；(2)单向通讯的方式对通讯同步性要求非常高，且控制效果易受影响；(3)二次调压控制的方式基于设定点调节，如果产生不准确的功率指令值时设置点的改变会导致微网不稳定。

【发明内容】

基于上述现有通讯方法的局限性，本发明的目的在于提出一种基于虚拟电阻调节的网络微电网无功均衡控制方法，该控制方法借助通讯和PI控制器，使分布式发电单元能够很好的跟踪无功指令。此外，该方法能够免疫指令值的不匹配，且通讯不可用时，它能够提供更好的性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于虚拟电阻调节的网络微电网无功均衡控制方法，包括以下步骤：

步骤1，采用虚拟阻抗恒定的控制方法，保持网络微电网中虚拟阻抗参数值不变，其值为上一次调节结果；同时，中央控制器正常采集分布式单元发电功率；

步骤2，当微电网的负载发生变化时，网络微电网中的中央控制器检测负载变化；

步骤3，当中央控制器检测到负载变化后，迅速更新控制器中的每个分布式发电单元的功率信息；并根据公式计算出每个分布式发电单元新的无功功率指令值；

其中，Q_{ref_i}是分布式发电单元的无功功率指令值，Q_{rated_i}是分布式发电单元i的额定无功功率，Q_{DC_i}为第i个DG单元的无功功率；

步骤4，将新的无功功率指令发送给各分布式发电单元，使能虚拟电阻调节；

步骤5，虚拟电阻根据无功功率的调整进行同步调节，跟踪微网中中央控制器的无功功率指令；

步骤6，逐步排除无功功率均分的误差，直到完成功率跟踪后，微网转回到步骤1所处的状态。

进一步的，步骤6通过多个步骤5的累加结果最终排除无功功率均分的误差。

进一步的，当DG单元的无功输出与无功指令相等时完成功率跟踪。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：与传统的有公共交流母线的微网不同，网络微电网由于自身内部复杂的结构导致其时常面临更严重的无功功率均分问题。在这种情况下，分布式发电单元之间的无功功率均分误差难以被有效的消除。为了有效解决这种无功均分难题，本发明首先分析了无功功率输出与虚拟阻抗调节之间的关系。其次，提出了可以解决无功均分问题的通讯机制，用来对每一个分布式发电单元各自的虚拟阻抗调节分配无功功率指令，并以此来补偿网络中的不匹配。这种方法能够避免调节阶段中产生的负载变化影响和通讯通道中的时间延迟。按照指定的指令值，分布式发电单元能够很好的输出想要的无功功率并且实现无功功率均分。与现有的方法相比，这个方法能够免疫指令不匹配情况。另一方面来说，当通讯不可用时，它能够提供更好的性能。

【附图说明】

图1为网络微电网结构示意图。

图2为应用于下垂控制中的虚拟阻抗理论示意图。

图3为虚拟电阻调节的网络微电网无功均衡控制策略示意图。

图4为基于传统控制策略的功率均分仿真图。其中图4(a)为有功功率输出示意图；图4(b)为无功功率输出示意图。

图5为基于虚拟电阻调节的网络微电网无功均衡控制策略的仿真图。其中图5(a)为有功功率输出；图5(b)为无功功率输出。

【具体实施方式】

本发明分为以下几个部分：

1.分析分布式发电单元无功功率输出与阻抗调节之间的关系；

2.在微电网中引入虚拟阻抗，选择并实时调整虚拟阻抗成分，用以追踪无功功率；

3.根据设定的指令值，使分布式发电单元能够很好地输出无功功率并准确实现无功功率均分。

为了实现带有通讯方式的基于虚拟电阻调节的网络微电网无功均衡控制方法，本发明首先分析线路中两节点之间功率关系，并根据得到的功率关系寻找控制量。基于得到的控制量，实现本发明提出的控制方法，具体如下：

(一)网络微电网节点间功率分析

随着即插即用的分布式发电单元越来越多的被用于微电网，微网逐渐形成网络化结构，如附图1所示。在网络化微网中，分布式发电单元能够与网络中任何一个节点相连。微电网中，两节点之间进行功率传输时有功与无功功率有如下关系：

有功功率：

P = \frac{U}{R^{2} + X^{2}} (U R - V R c o s δ + V X \sin δ),

无功功率：

Q = \frac{U}{R^{2} + X^{2}} (U X - V X c o s δ - V R s i n δ),

其中R，X为两节点间电阻和电抗，U、V为两节点电压幅值，δ是两个节点的相角差。对有功与无功两公式变形后可以得到分布式发电单元的输出电压公式：

U_{D G} = \frac{X (Q_{D G} - Q_{l o c a l}) + R (P_{D G} - P_{l o c a l})}{E_{0}} + V_{T}

其中U_DG和V_T是分布式发电单元的输出和馈线终端电压，E₀为DG单元电压的额定值。由此可见，DG输出电压主要由三个因素决定：馈线阻抗、馈线终端电压、本地负载功率。

在传统的微网中，所有的分布式发电单元都与公共交流母线相连。这意味着所有的反馈都有相同的终端电压。然而，对于网络化微网而言，由于此时内部没有先前可以用来当做基准的公共交流母线，本发明使用基于虚拟阻抗的通讯方法实现无功功率均分。

(二)虚拟阻抗选取

如图2所示可以得到分布式发电单元的有功与无功功率关系：

P_{D G} = \frac{E}{R_{v}^{2} + X_{v}^{2}} ({ER}_{v} - U_{D G} R_{v} \cos θ + U_{D G} X_{v} \sin θ); Q_{D G} = \frac{E}{R_{v}^{2} + X_{v}^{2}} ({EX}_{v} - U_{D G} X_{v} \cos θ + U_{D G} R_{v} \sin θ)

其中，R_v与X_v为分布式发电单元中的虚拟阻抗参数；E是下垂控制的电压幅值指令，是虚拟阻抗首端的电压；U_DG是DG单元端口电压，是虚拟阻抗末端电压；θ是E和U_DG的相角差。通过上述公式可以看出，虚拟阻抗可用于调节输出功率。将上述公式经过求取偏导可以得到公式：

k_{q x} = E \frac{(R_{v}^{2} - X_{v}^{2}) (E - U_{D G} \cos θ) + 2 R_{v} X_{v} U_{D G} \sin θ}{(R_{v}^{2} + X_{v}^{2})}, k_{q r} = E \frac{(R_{v}^{2} - X_{v}^{2}) U_{D G} \sin θ - 2 R_{v} X_{v} (E - U_{D G} \cos θ)}{(R_{v}^{2} + X_{v}^{2})},

进而得到虚拟电阻与虚拟电抗各自对功率的影响如下：(1)虚拟电阻和虚拟电抗对于分布式发电单元无功功率的输出调节有着不同的影响，所以应分别控制；(2)当虚拟电抗的值在X调节期间改变时，调节作用将产生反向变化；因此虚拟电抗不适于有效调节无功功率。所以在本发明提出的策略中，固定虚拟电抗值，将虚拟电阻选择作为调节无功功率输出的控制变量。

(三)控制器设计

根据以上分析，本发明选取虚拟电阻作为通讯方法下的控制量，设计控制器如图3所示。首先，DG单元对自身的输出电压和电流采样，计算本地输出的有功和无功功率；其次，将功率计算值代入有功下垂和无功下垂方程，计算得到下垂控制的电压频率和幅值参考；另一方面，虚拟电阻控制器通过虚拟电阻值和DG单元输出电流的到虚拟压降，将下垂控制电压参考减去虚拟压降得到最终的DG单元输出电压参考，借助电压电流双环控制实现电压闭环控制，使DG单元电压与参考值一致。虚拟电阻控制器中虚拟电阻参数调节如下：微网稳定运行时，虚拟电阻参数保持不变；在网内负载发生变化之后，DG单元根据MCC发送的无功参考对自身虚拟电阻进行调节，直至无功输出与无功参考相同，调节结束，保持虚拟电阻值不变，等待下一次负荷变化再进行调节。

与常规方法相比，这里的虚拟电阻是可变的，它能够由本地控制器调节。加入输入限幅模块来防止虚拟电阻的突变。控制方法分为两个阶段：一个是常规阶段，S1断开，此时虚拟电阻值不变化；一个是调节阶段，S1闭合，此时虚拟电阻值受PI控制器调节。调节完成后，也就是无功输出跟上指令后，S1再次断开回到常规阶段。

以图3为例，本发明一种基于虚拟电阻调节的网络微电网无功均衡控制方，在负载变换时能够迅速调整虚拟电阻值，实现网络微电网中无功功率均分。具体包括以下步骤：

步骤1，保持开关S1处于开通状态，采用现有的虚拟阻抗恒定的控制方法(常规虚拟阻抗方法)，保持微电网中虚拟阻抗值不变，其值为上一次调节结果。此时中央控制器可以正常采集分布式单元发电功率。

步骤2，当微电网的负载发生变化时，网络微电网中的中央控制器检测负载变化。

步骤3，当中央控制器检测到负载变化后，迅速更新控制器中的每个分布式发电单元的功率信息。并根据公式计算出新的无功功率指令值。

步骤4，将新的指令发送给各分布式发电单元。然后本地控制器中的开关S1闭合，使能虚拟电阻调节。

步骤5，虚拟电阻根据无功功率的调整进行同步调节，跟踪微网中中央控制器的无功功率指令。

步骤6，逐步排除无功功率均分的误差；即多个步骤5的累加结果最终排除无功功率均分的误差。保证无功功率均分后，控制方法完成。当完成功率跟踪,即当DG单元的无功输出与无功指令相等时，S1断开，微网转回到步骤1所处的状态。

本发明提出的基于虚拟电阻调节的网络微电网无功均衡控制方法，考虑了网络微电网复杂结构中难以实现无功功率均分的问题，提出以通讯方式实时调节虚拟电阻，进而调整微电网中无功功率的分配情况。仿真结果如附图4和图5所示，传统的控制方法能够在6s时负载发生波动的情况下，准确分配有功功率，但无法均分无功功率。本发明提出的控制方法，可以在负载6s时发生波动情况下，准确快速实现无功功率均分。

Claims

1.一种基于虚拟电阻调节的网络微电网无功均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

其中Q_{ref_i}是分布式发电单元的无功功率指令值，Q_{rated_i}是分布式发电单元i的额定无功功率，Q_{DC_i}为第i个DG单元的无功功率；

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟电阻调节的网络微电网无功均衡控制方法，其特征在于，步骤6通过多个步骤5的逐步累加结果最终排除无功功率均分的误差。

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟电阻调节的网络微电网无功均衡控制方法，其特征在于，当DG单元的无功输出与无功指令相等时完成功率跟踪。