CN105429170B - 一种基于可调虚拟阻抗的微网逆变器下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可调虚拟阻抗的微网逆变器下垂控制方法，检测逆变器输出电流i₀和公共点电压U_L，获得有功功率P和无功功率Q；利用传统的PQ下垂控制算法得到电压U_pq。设计基于隶属云模型的推理器，将无功功率的误差和误差变化量作为该推理器的输入信号，通过相应的推理规则，经过推理后获得可调虚拟阻抗ΔZ_V。将可调虚拟阻抗与初始虚拟阻抗相加，得到最终虚拟阻抗Z_V。将最终虚拟阻抗Z_V与逆变器输出电流相乘后与电压U_pq相减，得到的信号送入PWM，实现对逆变器中功率器件的通断控制。本发明根据下垂特性设计了微源的功率外环控制器，实现了微源的功率自动分配功能；利用隶属云模型实现了虚拟阻抗的实时调节，实现了微源之间的功率均分。

Description

一种基于可调虚拟阻抗的微网逆变器下垂控制方法

技术领域

本发明涉及分布式发电及电力电子技术领域，特别是一种基于可调虚拟阻抗的微网逆变器下垂控制方法。

背景技术

分布式发电系统(Distributed Generation System)是一种能与环境相兼容的独立电源系统，存在着风能、太阳能、燃料电池、微型燃气轮机和储能系统等多种能源的组台供电。也可以通过逆变器并联的形式接入微型公共电网，这对促进我国能源的高效利有重要意义。它具有灵活的变负荷性调峰性能，能满足电力系统和用户的特殊要求，可为边远用户或商业区提供较高的供电可靠性。节省输变电投资，尤其适合可真生能源利用，是缓解我国能源问题、解决我国环境污染和保障我国电力安全的重要途径之一。

下垂控制借鉴同步发电机的一次调频控制，采用功率和电压之间下垂关系控制逆变器的输出功率，实现并联逆变器的功率均分。相比其它控制方式而言，下垂控制可使得系统的结构简单、功能冗余，安装维修快捷，系统扩容方便，成本低，并联运行更加可靠。但实际操作中存在功率输出和电压偏差的天然矛盾。为提高微源对输出端电压的控制性能，在单环下垂控制方法的基础上，增加了电压和电流内环控制。该方法根据下垂特性设计了微源的功率外环控制器，实现了微源基于本地信息的功率自动分配功能；其次，利用电压闭环控制器提高了对微源输出端电压控制能力；并利用电流闭环控制器提高了系统的响应速度。但由于各电源输出阻抗特性和连线阻抗不同，控制方式和无功调节方法各异，系统各点电压分布各不相同，尤其在低压微网中，线路阻抗阻性成分不可忽略，使得电源输出有功和无功分量不能解耦，这将对上述“功率-电压-电流”三环下垂控制方法的控制性能产生不利影响。通过设计虚拟阻抗可使得并联系统中输出阻抗感性成分占绝对比重，从而满足下垂控制的应用条件以及改善耦合，并可降低实际阻抗差异影响，但这是以更大的电压跌落为代价的，且虚拟阻抗设计的好坏直接影响感性线路条件下并联运行逆变器型电源间无功功率分配的精度。

研究逆变器输出阻抗及线路阻抗的变化特点，提出结合智能控制方法的可调虚拟阻抗下垂控制方法，无疑将有利于提高微网的稳定性和运行性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于可调虚拟阻抗的微网逆变器下垂控制方法，使PQ下垂控制解耦，并能在线路阻抗不对称的情况下保持公共点电压稳定、均分无功功率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于可调虚拟阻抗的微网逆变器下垂控制方法，包括以下步骤：

1)检测逆变器的三相输出电流i₀和三相公共点电压u_L，获得有功功率P和无功功率Q；

2)设定无功功率的参考值Q_ref；

3)将无功功率Q和无功功率的参考值Q_ref作为给定信号，Q与Q_ref之间的偏差e和偏差变化率e_c作为隶属云推理器的输入信号，采用隶属云模型对虚拟阻抗Z_V进行在线调整，得到虚拟阻抗可调量ΔZ_V；

4)将ΔZ_V与虚拟阻抗初始值相加，得到最终的虚拟阻抗值；

5)将最终的虚拟阻抗值乘以逆变器输出电流得到电压U_v，然后与PQ下垂控制输出的电压U_pq相减，得到的信号送入PWM，实现逆变器功率器件的通断控制。

本发明虚拟阻抗的可调量ΔZ_V的计算过程包括以下步骤：

1)定义偏差、偏差变化率和虚拟阻抗可调量的云集分别为：

E＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

EC＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

ΔZ_V＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

其中，NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

2)利用上述云集构建下述二维云模型规则库：

3)对于输入信号E、EC，在取得上述二维云模型规则库中相应的语言值后，该语言值刺激各规则生成器的前件CG_Xi，每一CG_Xi随机地产生一组正态分布值μ_ij，所有的μ_ij组成一个激活强度矩阵，选取所述激活强度矩阵的最大值μ_max，以μ_max为输入值，得到Y条件一维正态云发生器为其中，E'_n＝R(Enq,Heq)；控制Y条件一维正态云发生器CG_Yi产生m滴云滴z_i；其中，i＝1，2，，n；j＝1，2，，m；Enq是无功功率的熵，Heq是无功功率的超熵；Ex是期望值；则

虚拟阻抗Z_V＝-R_L-ΔR-jωΔX；其中R_L表示逆变器线路的固定电阻值，X_L表示逆变器线路的固定电感值，ΔR表示由于外界影响使逆变器线路阻抗发生变化的电阻值，ΔX表示由于外界影响使逆变器线路阻抗发生变化的电感值。

所述虚拟阻抗初始值为(0.01+j0.001)Ω。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明设置的虚拟阻抗能使PQ下垂控制解耦，本发明方法能在线路阻抗不平衡的情况下均分功率，使公共连接点电压保持稳定，有利于提高微网的稳定性，改善微网的运行性能。

附图说明

图1是微网逆变器的等效电路图；

图2是本发明控制方法总体控制框图；

图3为规则生成器原理图；

图4(a)三相公共点电压；图4(b)三相公共点电压与理想电压之差；图4(c)无功功率与有功功率。

具体实施方式

图1为微网逆变器的等效电路图。系统主要参数如下：DG1和DG2是直流电压，模拟微源的输出，直流电压值为500V。控制每个逆变器输出电压的峰值为311V，频率为50Hz。负载为阻感负荷，电阻值为10Ω，电感值为1mH。线路阻抗为R_L＝0.5Ω，X_L＝1mH，由于外界环境的影响导致线阻变化，ΔR为0.3Ω，ΔX为1.5mH。

如图2所示，本发明控制步骤为：

步骤1：检测逆变器的输出电流i₀和输出电压u_L，获得有功功率P和无功功率Q。

步骤2：设定无功功率的参考值Q_ref。

步骤3：采用隶属云模型推理器对虚拟阻抗Z_V进行在线调整。将无功功率Q和Q_ref作为给定信号，Q与Q_ref之间的偏差e和偏差变化率e_c作为隶属云推理器的输入信号。输出信号是虚拟阻抗的可调量ΔZ_V。

首先产生一个期望值为En、标准差为He的正态随机熵：

E'_n＝R(En,He) (1)

然后产生一个期望值为Ex、标准差为E'_n的正态随机数：

x_i＝R(Ex,E'_n) (2)

最后得到满足具有正态分布形式的隶属度方程：

拥有隶属度μ_i的x_i是云滴，产生数滴云滴构成隶属云。利用式(1)、(2)、(3)分别获得输入信号和输出信号的隶属云模型。

设x,y是定量输入值，GA((Exx Exy),(Enx Eny),(Hex,Hey))是二维正态云模型，如果满足

E'_nx＝R(Enx,Hex) (4)

E'_ny＝R(Eny,Hey) (5)

得到带X条件的二维正态云发生器。

上述部分描述的是二维正态云发生器，是规则生成器中的前件CG_Xi，如图3所示。

分别定义偏差、偏差变化率和虚拟阻抗可调量的云集分别为：

E＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}

EC＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}

ΔZ_V＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}

NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。偏差、偏差变化率和虚拟阻抗可调量的控制规则构成二维云模型规则库，如表1所示。

表1 ΔZ_V的云推理规则

例如，如果无功功率的偏差e负大，偏差变化率e_c负大，那么虚拟阻抗可调量ΔZ_V正大。规则生成器如图3所示。

图3中，输入信号是e_c和e，输出是虚拟阻抗可调量ΔZ_V，CG_Xi是二维正态云发生器，隶属云模型规则生成器的前件。CG_Y是带Y条件的一维隶属云发生器，CG_C是一维逆向隶属云发生器，隶属云模型规则生成器的后件。

对于输入信号，在取得相应的语言值后，当特定的输入值刺激各规则生成器的前件CG_Xi(i＝1，2，，n)时，每一CG_Xi随机地产生一组μ_Xi＝μ_ij(j＝1，2，，m)值，所有这些μ_ij组成一个激活强度矩阵，从中选择最大的μ_max值，得到一个μ_max,j的向量，这些μ_max,j值表明该条定性规则被选中,控制对应的Y条件一维正态云发生器CG_Yi产生m滴云滴Z_i。设μ是已知定量值，CG(Exq,Enq,Heq)是一维正态云模型，如果满足

E'_n＝R(Enq,Heq) (7)

则称其为Y条件一维正态云发生器。一维逆向隶属云发生器中的输出期望值E_xu是：

输出熵E_nu是:

输出超熵H_eu是:

一维逆向隶属云发生器中的输出期望值E_xu是就是最后的数值输出，即

Δz_v＝E_xu (12)

步骤4：将输出ΔZ_V与虚拟阻抗初始值相加，得到最终的虚拟阻抗值Z_V。

步骤5：将虚拟阻抗Z_V乘以逆变器输出电流得到电压Uv，然后与PQ下垂控制输出的电压Upq相减，得到的信号送入PWM，实现对逆变器中功率器件的通断控制。算法结束。

云模型的数字特征用期望值E_x(Expected Value)、熵E_n(Entropy)、超熵H_e(HyperEntropy)三个数值来表征，偏差e的隶属云模型用数字特征表示为Ge(E_x，E_n，H_e)。本发明设置偏差e的7朵隶属云为：

E_-3＝“偏差负大”＝Ge1(-5 1.67 0.42)；E_-2＝“偏差负中”＝Ge2(-1.91 1.030.26)；E_-1＝“偏差负小”＝Ge3(-0.95 0.63 0.16)；E₀＝“偏差为零”＝Ge4(0 0.39 0.1)；E₊₁＝“偏差正小”＝Ge5(0.95 0.63 0.16)；E₊₂＝“偏差正中”＝Ge6(-1.91 1.03 0.26)；E₊₃＝“偏差正大”＝Ge7(5 1.67 0.42)。

对于图1的微网逆变器，本发明实施例实施过程如下：

步骤1：首先检测三相逆变器输出电流i₀和电压U_L。计算实时无功功率Q和有功功率P的值。无功功率的参考值为7000Var。

步骤2：将实时无功功率和无功功率参考值作为隶属云模型推理器的输入值，使其输出可调的虚拟阻抗值ΔZ_V。将可调虚拟阻抗ΔZ_V和初始虚拟阻抗值(0.01+j0.001)Ω相加，得到最终的虚拟阻抗值Z_V。

步骤3：将实时无功功率和有功功率作为PQ下垂控制器是输入，使其输出电压U_pq。PQ下垂控制器设计为

ω＝ω₀-mP (13)

U＝U₀-nQ (14)

其中ω₀是初始频率，设为50Hz。U₀是初始电压峰值，设为311V。有功功率下垂系数m设为0.0002，无功功率下垂系数n设为0.00012。则输出电压U_pq＝U sin ωt。将虚拟阻抗Z_V乘以逆变器输出电流得到电压U_V，然后与PQ下垂控制输出的电压U_pq相减，得到的信号送入PWM，实现对逆变器中功率器件的通断控制。

图4(a)是三相公共点电压波形，从波形图可以看出公共点电压波形平滑。图4(b)是公共点电压与参考电压之间的误差，可以看出误差很小，因此公共点电压能较好的保持稳定。图4(c)是实时无功功率及有功功率的波形图，两个微源发出的有功功率和无功功率都能达到均分。

Claims (4)

1.一种基于可调虚拟阻抗的微网逆变器下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)检测逆变器的三相输出电流i₀和三相公共点电压u_L，获得有功功率P和无功功率Q；

2)设定无功功率的参考值Q_ref；

3)将无功功率Q和无功功率的参考值Q_ref作为给定信号，Q与Q_ref之间的偏差e和偏差变化率e_c作为隶属云推理器的输入信号，采用隶属云模型对虚拟阻抗Z_V进行在线调整，得到虚拟阻抗可调量ΔZ_V；

4)将ΔZ_V与虚拟阻抗初始值相加，得到最终的虚拟阻抗值；

5)将最终的虚拟阻抗值乘以逆变器输出电流得到电压U_v，然后与PQ下垂控制输出的电压U_pq相减，得到的信号送入PWM，实现逆变器功率器件的通断控制；

所述虚拟阻抗的可调量ΔZ_V的计算过程包括以下步骤：

1)定义偏差、偏差变化率和虚拟阻抗可调量的云集分别为：

E＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

EC＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

ΔZ_V＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

其中，NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

2)利用上述云集构建下述二维云模型规则库：

3)对于输入信号E、EC，在取得上述二维云模型规则库中相应的语言值后，该语言值刺激各规则生成器的前件CG_Xi，每一CG_Xi随机地产生一组正态分布值μ_ij，所有的μ_ij组成一个激活强度矩阵，选取所述激活强度矩阵的最大值μ_max，以μ_max为输入值，得到Y条件一维正态云发生器为其中，E'_n＝R(Enq,Heq)；控制Y条件一维正态云发生器CG_Yi产生m滴云滴z_i；其中，i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，m；Enq是无功功率的熵，Heq是无功功率的超熵；Ex是期望值；则E_xu是一维逆向隶属云发生器中的输出期望值。

2.根据权利要求1所述的基于可调虚拟阻抗的微网逆变器下垂控制方法，其特征在于，虚拟阻抗Z_V＝-R_L-ΔR-jωΔX；其中R_L表示逆变器线路的固定电阻值，ΔR表示由于外界影响使逆变器线路阻抗发生变化的电阻值，ΔX表示由于外界影响使逆变器线路阻抗发生变化的电感值；ω为角频率。

3.根据权利要求1所述的基于可调虚拟阻抗的微网逆变器下垂控制方法，其特征在于，所述虚拟阻抗初始值为(0.01+j0.001)Ω。

4.根据权利要求2所述的基于可调虚拟阻抗的微网逆变器下垂控制方法，其特征在于，ω的值为314。