CN105576663A - 一种孤岛微电网自适应功率均分和电压恢复控制方法 - Google Patents

Abstract

一种孤岛微电网自适应功率均分和电压恢复控制方法，各个逆变器通过电压传感器和电流传感器获得自身的输出电压和输出电流，计算出该逆变器的输出有功功率和无功功率，在经过低通滤波器获得平均有功功率和平均无功功率；利用采样周期控制方法，逆变器采用无通讯的改进电压下垂控制和传统频率下垂控制实现无通讯的功率均分，各逆变器分配相同的电压下垂系数和频率下垂系数，合成电压闭环的电压给定；在改进电压下垂控制中加入电压恢复，利用本地脉冲实现功率均分和电压恢复的协调控制，同时实现功率均分和电压恢复。本发明具有可靠性高、控制方便等优点。

Description

一种孤岛微电网自适应功率均分和电压恢复控制方法

技术领域

本发明涉及微电网控制领域，尤其是一种孤岛微电网无通讯的自适应功率均分和电压恢复控制方法。

背景技术

近年来，微电网以其微型、清洁、友好、自治、即插即用等特点获得广泛的关注，它是分布式发电单元、负荷、储能装置等的有机结合，既可以与公共电网并网连接——并网运行模式，也可以脱网运行——孤岛运行模式，形成了环境友好型发电方式。

其中，孤岛微电网中各分布式发电单元的功率均分对于保证其可靠、安全、长期稳定运行十分重要，传统下垂控制以其无互联线的优势在微电网中获得广泛应用。但是，在孤岛微电网中，传统下垂控制逆变器输出功率根据线路阻抗大小分配，不能自适应调节有功功率的均衡；由于频率为全局变量，受频率控制的无功功率平均分配。因此，传统下垂控制虽然具有较好冗余性、无通讯、可扩展、即插即用等优势，但也存在功率不均分、电压偏移额定值等缺陷。

发明内容

本发明目的在于提供一种无通讯、控制简便的孤岛微电网自适应功率均分和电压恢复控制方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述微电网包括若干逆变器、负载、公共连接点，微电网母线与380V电网相连接，每个逆变器上设有电压传感器和电流传感器，所述控制方法的步骤如下：

步骤1，应用于分布式逆变器并联系统，各个逆变器通过电压传感器和电流传感器获得自身的输出电压和输出电流，计算出该逆变器的输出有功功率和无功功率，在经过低通滤波器获得平均有功功率和平均无功功率。

步骤2，利用采样周期控制方法，逆变器采用无通讯的改进电压下垂控制和传统频率下垂控制实现无通讯的功率均分： $\left\{\begin{array}{c}{E}_{n+1}=E_n+{\mathrm{\ΔE}}_n=E_n-K_P\·P_n\\ f=f_{ref}+K_Q\·Q\end{array}\right.$ (n＝0,1,2,……)，各逆变器分配相同的电压下垂系数K_P和频率下垂系数K_Q，E_n+1和f合成电压闭环的电压给定；

式中，E_n+1为第n+1采样周期参考电压的幅值；E_n表示第n个采样周期下垂控制电压幅值参考值；ΔE_n为因下垂控制第n个采样周期电压下垂量；K_P为电压下垂系数；P_n表示第n个采样周期逆变器输出有功功率；

f为第n+1采样周期参考电压的频率；f_ref为参考频率；K_Q表示频率下垂系数；Q表示第n+1采样周期的无功功率。

步骤3，在改进电压下垂控制中加入电压恢复，本地脉冲高电平时，各逆变器电压幅值参考根据输出无功功率进行相同程度的电压补偿，实现电压恢复；本地脉冲低电平时，下垂控制电压幅值参考根据输出有功功率进行不同程度的电压下垂，实现功率均分；利用本地脉冲实现功率均分和电压恢复的协调控制，同时实现功率均分和电压恢复。

利用本地脉冲对功率均分和电压恢复进行协调控制的方法为 $\left\{\begin{array}{c}H:E_{Kn}=E_{Kdconst}+E_{K(n-1)}+K_Q{Q}_{K(n-1)}\\ L:E_{Kn}={\mathrm{\ΔE}}_{(K-1)const}+E_{K(n-1)}-K_P{P}_{K(n-1)}\end{array}\right.,$

式中，H表示本地脉冲高电平；

L表示本地脉冲低电平；

K表示本地脉冲第K个脉冲序列；

E_Kconst为第K个本地脉冲低电平结束时电压下垂保持量；

ΔE_(K-1)const为第K-1个本地脉冲序列高电平结束时电压补偿保持量；

E_Kdconst为第K个本地脉冲序列的低电平结束时电压下垂保留值；

K_Q为改进下垂控制的电压补偿系数；

K_P为改进下垂控制的下垂系数；

E_Kn为第K个本地脉冲序列中第n个采样周期的参考电压的幅值；

E_K(n-1)为第K个本地脉冲序列中第(n-1)个采样周期的参考电压幅值；

Q_K(n-1)为第K个本地脉冲序列中第(n-1)个采样周期的无功功率；

P_K(n-1)为第K个本地脉冲序列中第(n-1)个采样周期的有功功率；

本发明的工作过程大致如下：

根据低压微电网中的功率传输特性，在每个采样周期中，逆变器根据自身输出功率调节输出电压，使得输出功率较大的分布式发电单元电压降落较大，从而在下个采样周期减小其输出功率大小，达到功率均分的效果；另外，利用频率这一全局变量进行电压补偿实现电压恢复，受频率控制的无功功率始终均分，电压给定根据无功功率进行相同程度的补偿，使输出电压维持在额定值附近；功率均分和电压恢复是在本地脉冲信号控制下协调进行。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：在实现多并联分布式发电单元功率均分和电压恢复时，不存在控制层面和逆变器之间的任何通讯，保证了微电网冗余性、拓展性和即插即用性，有效增强可靠性，适合于分布式特点的微电网结构。

附图说明

图1为本发明中单台分布式发电单元与母线连接等效电路图。

图2为本发明方法的功率均分调节过程时序图。

图3为本发明方法的功率均分下垂控制原理图。

图4为本发明方法的功率均分和电压恢复协调控制时序图。

图5为本发明方法的功率均分和电压恢复协调控制的结构框图。

图6为本发明方法的三台分布式发电单元并联运行仿真结果。

图中符号含义：

图1中——P、Q分别为逆变器注入到公共连接点PCC的有功功率、无功功率；E和V_PCC分别为逆变器输出电压幅值和PCC电压幅值；δ为输出电压和PCC电压相角差；Z_L为线路阻抗；R、X分别为线路阻抗的阻性成分和感性成分；j为复数表达中的虚数单位。

图2中——P_DG1、P_DG2(E_1PS、E_2PS)为两台分布式发电单元(DG₁和DG₂)输出的有功功率(输出电压幅值)；P₁₀、P₂₀(E₁₀、E₂₀)是在传统下垂控制下两台逆变器输出有功功率(输出电压幅值)；P_1n、P_2n(E_1n、E_2n)是在改进下垂控制下第n个采样周期两台逆变器输出有功功率(输出电压幅值)；P_1(n+1)、P_2(n+1)(E_1(n+1)、E_2(n+1))是在改进下垂控制下第n+1个采样周期两台逆变器输出有功功率(输出电压幅值)；nth和(n+1)th分别代表第n和第n+1个采样周期。

图3中——P_1(n-1)、P_2(n-1)(E_1(n-1)、E_2(n-1))是在改进下垂控制下DG₁和DG₂第n-1个采样周期两台逆变器输出有功功率(输出电压幅值)；P_1n、P_2n(E_1n、E_2n)是在改进下垂控制下DG₁和DG₂第n个采样周期两台逆变器输出有功功率(输出电压幅值)；E_1(n+1)、E_2(n+1)分别为第n+1采样周期时DG₁和DG₂参考电压幅值；V_PCCn、V_PCC(n+1)分别为第n、n+1采样周期PCC电压幅值；n、n+1分别为第n、n+1个采样周期；ΔP_n和ΔP_n+1分别为第n和第n+1个采样周期两台逆变器输出有功功率偏差；C、D分别表示第n和第n+1采样周期稳定状态；C₁、C₂分别表示第1和第2台逆变器C状态时运行稳定点；D₁、D₂分别表示第1和第2台逆变器D状态时运行稳定点；K_P为改进下垂控制的下垂系数；

图4中——E_1d、E_2d分别为仅受功率均分控制电压成分；E₁、E₂分别为功率均分和电压恢复综合控制的电压；P_DG1、P_DG2分别为两台逆变器输出有功功率；H、L为本地脉冲高、低电平；K为本地脉冲信号的第K个脉冲序列；K+1为本地脉冲信号的第K+1个脉冲序列；ΔE为受电压恢复控制的电压成分；ΔE_(K-1)const为K-1本地脉冲信号高电平结束时电压补偿的保留值；△E_Kconst为本地脉冲信号K高电平结束时电压补偿的保留值；E_Kdconst为第K个脉冲的低电平结束时电压下垂保留值；E_1Kdconst为逆变器1的第K个脉冲的低电平结束时电压下垂保留值；E_2Kdconst为逆变器2的第K个脉冲的低电平结束时电压下垂保留值；E_1(K+1)dconst为逆变器1的第K+1个脉冲的低电平结束时电压下垂保留值；E_2(K+1)dconst为逆变器2的第K+1个脉冲的低电平结束时电压下垂保留值；

图5中——V_DGi(i＝1,2)分别为第i台逆变器输出电压；p_i、q_i分别为第i台逆变器瞬时有功功率、无功功率；P_i、Q_i分别为第i台逆变器平均有功功率、无功功率；K_P、K_Q分别为改进下垂控制的下垂系数和电压补偿系数；δ_i为第i台逆变器输出电压和PCC电压相角差；E_i为第i台逆变器参考电压幅值；ω_i为第i台逆变器参考电压角频率；V_refi为第i台逆变器参考电压；E_ref为额定电压幅值；∫表示积分函数；S/H表示采样保持器；LPF表示低通滤波器；Esinδ表示正弦合成，用于将E_i和δ_i合成正弦量。

图6中——P₁、P₂、P₃分别表示第1、2、3台逆变器输出有功功率；kW表示有功功率的单位，千瓦；Q₁、Q₂、Q₃分别表示第1、2、3台逆变器输出无功功率；kvar表示有功功率的单位，千瓦；V_PCC表示PCC电压。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1是单台分布式发电单元与母线连接等效电路图，其中R>>X。忽略感性成分其功率传输特性表达式为： $\left\{\begin{array}{c}P=\frac{V_{PCC}(E-V_{PCC})}{R}\\ Q=-\frac{V_{PCC}E\mathrm{\δ}}{R}\end{array}\right.,$ E、V_PCC分别为逆变器输出电压幅值和PCC点电压幅值，

P、Q分别为逆变器注入到PCC的有功功率和无功功率，R为线路电阻。逆变器检测自身输出电压和输出电流计算有功功率P和无功功率Q，根据下垂控制 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_{ref}+D_Q\·Q\\ E=E_{ref}-D_P\·P\end{array}\right.$ 调节逆变器输出电压的频率和幅值，D_P和D_Q分别为P-V和Q-f下垂系数，ω_ref和E_ref分别为参考频率和参考电压幅值；结合功率传输特性和下垂控制，在传统下垂控制中逆变器注入到PCC的有功功率为传统下垂控制逆变器输出功率根据线路阻抗大小分配，不能自适应调节有功功率的均衡；由于频率为全局变量，受频率控制的无功功率平均分配。

本发明方法中，所述微电网包括若干逆变器、负载、公共连接点，微电网母线与380V电网相连接，每个逆变器上设有电压传感器和电流传感器，所述控制方法的步骤如下：

步骤1，应用于分布式逆变器并联系统，各个逆变器通过电压传感器和电流传感器获得自身的输出电压和输出电流，计算出该逆变器的输出有功功率和无功功率，在经过低通滤波器获得平均有功功率P和平均无功功率Q；

步骤2，利用采样周期控制方法，逆变器采用无通讯的改进电压下垂控制和传统频率下垂控制实现无通讯的功率均分： $\left\{\begin{array}{c}{E}_{n+1}=E_n+{\mathrm{\ΔE}}_n=E_n-K_P\·P_n\\ f=f_{ref}+K_Q\·Q\end{array}\right.$ (n＝0,1,2,……)，各逆变器分配相同的电压下垂系数K_P和频率下垂系数K_Q，E_n+1和f合成电压闭环的电压给定；

式中，E_n+1为第n+1采样周期参考电压的幅值；E_n表示第n个采样周期下垂控制电压幅值参考值；ΔE_n为因下垂控制第n个采样周期电压下垂量；K_P为电压下垂系数；P_n表示第n个采样周期逆变器输出有功功率；

f为第n+1采样周期参考电压的频率；f_ref为参考频率；K_Q表示频率下垂系数；Q表示第n+1个采样周期的无功功率。

图2为功率均分调节过程时序图，假设第n个采样周期时两台逆变器分别运行于稳态(E_1n，P_1n)和(E_2n，P_2n)，且P_1n>P_2n，根据下垂控制E_1n<E_2n，第i台分布式发电单元第n、n+1采样周期电压差为：ΔE_i(n+1)＝E_i(n+1)-E_in＝-K_PP_in(i＝1,2)，则ΔE_1(n+1)<ΔE_2(n+1)<0，即第1台逆变器电压降落大于第2台。功率传输特性得到该电压降落对应的功率降落为则ΔP_1(n+1)<ΔP_2(n+1)<0，即第n个采样周期输出功率大的逆变器在n+1个采样周期输出功率降落较输出功率小的逆变器大，减小了两者之间的功率偏差，每个采样周期进行相同的调节；按照第n个采样周期输出电压为第n+1个采样周期的空载电压原则，得改进的功率均分下垂控制原理图，如图3所示。第n和第n+1采样周期逆变器分别运行于状态C和D，由图3可以看出ΔP_n>ΔP_n+1，即第n+1个采样周期输出功率偏差小于第n个采样周期；

步骤3，在改进电压下垂控制中加入电压恢复，本地脉冲高电平时，各逆变器电压幅值参考根据输出无功功率进行相同程度的电压补偿，实现电压恢复；本地脉冲低电平时，下垂控制电压幅值参考根据输出有功功率进行不同程度的电压下垂，实现功率均分；利用本地脉冲实现功率均分和电压恢复的协调控制，同时实现功率均分和电压恢复。如图5所示的功率均分和电压恢复协调控制的结构框图。

利用本地脉冲对功率均分和电压恢复进行协调控制的方法为 $\left\{\begin{array}{c}H:E_{Kn}=E_{Kdconst}+E_{K(n-1)}+K_Q{Q}_{K(n-1)}\\ L:E_{Kn}={\mathrm{\&Delta;E}}_{(K-1)const}+E_{K(n-1)}-K_P{P}_{K(n-1)}\end{array}\right.,$ 如图4所示，

式中，H表示本地脉冲高电平；

L表示本地脉冲低电平；

K表示本地脉冲第K个脉冲序列；

E_Kconst为第K个本地脉冲低电平结束时电压下垂保持量；

ΔE_(K-1)const为第K-1个本地脉冲序列高电平结束时电压补偿保持量；

E_Kdconst为第K个本地脉冲的低电平结束时电压下垂保留值；

K_Q为改进下垂控制的电压补偿系数；

K_P为改进下垂控制的下垂系数；

E_Kn为第K个本地脉冲序列中第n个采样周期的参考电压的幅值；

E_K(n-1)为第K个本地脉冲序列中第(n-1)个采样周期的参考电压幅值；

Q_K(n-1)为第K个本地脉冲序列中第(n-1)个采样周期的无功功率；

P_K(n-1)为第K个本地脉冲序列中第(n-1)个采样周期的有功功率；

逆变器按照自身输出有功功率进行不同程度的电压下垂，在第K个序列脉冲的低电平，由于P₁>P₂，E_droop1降落程度大于E_droop2，减小下个采样周期功率偏差，此时ΔE_comp1和ΔE_comp2保留第K-1个脉冲序列的高电平结束时保留值ΔE_(K-1)const；在第K个序列脉冲的高电平，按照均分的无功功率进行相同程度的电压补偿，即ΔE_comp按照无功功率增大，此时E_droop1和E_droop2保留第K个脉冲序列低电平结束时保留值E_Kconst1和E_Kconst2；以此类推，经过多个序列脉冲实现功率均分和电压恢复。

对该控制策略进行仿真验证，如图6所示。仿真中0～0.25s采用传统下垂控制，0.25～1.5s为本发明功率均分的改进电压下垂控制，其中0.8s时负载由2kW突变至4kW，由图6(a)可得输出有功功率实现均分；由图6(b)可得无功功率平均分配，可以实现相同程度的电压恢复；1.5～2.0s采用本发明的功率均分和电压恢复协调控制方法，由图6(c)可得输出电压恢复至额定电压附近。

在上述步骤中，各个逆变器控制中传统下垂控制系数D_P和D_Q以及电压补偿系数K_Q、改进电压下垂系数K_P均相同，电压恢复和功率均分通过本地脉冲协调控制，本地脉冲的低电平和高电平分别进行不同程度的电压下垂和相同程度的电压补偿，减小了两者之间的相互影响，实现功率均分和电压恢复；且控制变量均为本地参数，不存在控制层面和逆变器之间的通讯，保证了微电网的冗余性、拓展性和即插即用性。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种孤岛微电网自适应功率均分和电压恢复控制方法，所述微电网包括若干逆变器、负载、公共连接点，微电网母线与380V电网相连接，每个逆变器上设有电压传感器和电流传感器，其特征在于，所述控制方法的步骤如下：

步骤1，应用于分布式逆变器并联系统，各个逆变器通过电压传感器和电流传感器获得自身的输出电压和输出电流，计算出该逆变器的输出有功功率和无功功率，再经过低通滤波器获得平均有功功率和平均无功功率；

步骤2，利用采样周期控制方法，逆变器采用无通讯的改进电压下垂控制和传统频率下垂控制实现无通讯的功率均分： $\left\{\begin{array}{c}{E}_{n+1}=E_n+{\mathrm{\&Delta;E}}_n=E_n-K_P\&CenterDot;P_n\\ f=f_{ref}+K_Q\&CenterDot;Q\end{array}\right.$ (n＝0,1,2,……)，各逆变器分配相同的电压下垂系数K_P和频率下垂系数K_Q，E_n+1和f合成电压闭环的电压给定；

式中，E_n+1为第n+1采样周期参考电压的幅值；E_n表示第n个采样周期下垂控制电压幅值参考值；ΔE_n为因下垂控制第n个采样周期电压下垂量；K_P为电压下垂系数；P_n表示第n个采样周期逆变器输出有功功率；

f为第n+1采样周期参考电压的频率；f_ref为参考频率；K_Q表示频率下垂系数；Q表示第n+1无功功率；

步骤3，在改进电压下垂控制中加入电压恢复，本地脉冲高电平时，各逆变器电压幅值参考根据输出无功功率进行相同程度的电压补偿，实现电压恢复；本地脉冲低电平时，下垂控制电压幅值参考根据输出有功功率进行不同程度的电压下垂，实现功率均分；利用本地脉冲实现功率均分和电压恢复的协调控制，同时实现功率均分和电压恢复。

2.根据权利要求1所述的一种孤岛微电网自适应功率均分和电压恢复控制方法，其特征在于：在步骤3中，利用本地脉冲对功率均分和电压恢复进行协调控制的方法为 $\left\{\begin{array}{c}H:E_{Kn}=E_{Kdconst}+E_{K(n-l)}+K_Q{Q}_{K(n-l)}\\ L:E_{Kn}={\mathrm{\&Delta;E}}_{(K-l)const}+E_{K(n-l)}-K_P{P}_{K(n-l)}\end{array}\right.,$

式中，H表示本地脉冲高电平；

L表示本地脉冲低电平；

K表示本地脉冲第K个脉冲序列；

E_Kconst为第K个本地脉冲低电平结束时电压下垂保持量；

ΔE_(K-1)const为第K-1个本地脉冲序列高电平结束时电压补偿保持量；

E_Kdconst为第K个本地脉冲的低电平结束时电压下垂保留值；

K_Q为改进下垂控制的电压补偿系数；

K_P为改进下垂控制的下垂系数；

E_Kn为第K个本地脉冲序列中第n个采样周期的参考电压的幅值；

E_K(n-1)为第K个本地脉冲序列中第(n-1)个采样周期的参考电压幅值；

Q_K(n-1)为第K个本地脉冲序列中第(n-1)个采样周期的无功功率；

P_K(n-1)为第K个本地脉冲序列中第(n-1)个采样周期的有功功率。