CN106684933B - 一种基于谐波注入的无互连线孤岛微源无功精确分配方法 - Google Patents

Abstract

一种基于谐波注入的无互连线孤岛微源无功精确分配方法，构建采用P‑f/Q‑v下垂控制算法控制的两台逆变器并联系统；按照传统P‑f/Q‑v下垂控制算法的下垂关系进行控制得到逆变器的输出电压幅值与频率；通过谐波注入模块向并联系统添加频率恒定但幅值与第一台逆变器输出无功功率相关的谐波电压；通过第二台逆变器的谐波提取模块提取的谐波电流的幅值反向计算出第一台逆变器输出的无功功率；在第二台逆变器中将反向计算出的无功功率值乘以系数K后与第二台逆变器自身输出的无功功率做差作为PI调节器的输入；将PI调节器的输出添加到第二台逆变器下垂关系中的电压额定值之上，通过电压调节达到无功功率精确分配。本发明方法具有简化系统、灵活性高、控制简单、动态响应快等优点。

Description

一种基于谐波注入的无互连线孤岛微源无功精确分配方法

技术领域

本发明涉及微电网领域，尤其是一种孤岛微源无功精确分配方法。

背景技术

随着近年来能源与环境问题日益严重，分布式微源得到了大规模的发展，为了实现微源的孤岛与并网双模式运行，分布式微源中逆变器多采用下垂控制，即P-f/Q-v控制。当采用下垂控制时，由于f为全局变量，因此各微源的有功功率可以实现精确分配；但是由于线路阻抗的影响，各线路阻抗上的压降各不相同，因此造成了无功功率难以精确分配的问题，这将造成无功不能按微源容量分配，严重时将导致逆变器烧毁。因此必须设计一种能够消除线路阻抗影响进而实现无功精确分配的方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种保留系统灵活性、不增添互连线的前提下实现了无功功率不受线路阻抗影响的基于谐波注入的无互连线孤岛微源无功精确分配方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述分配方法的步骤如下：

步骤1、构建采用P-f/Q-v下垂控制算法控制的两台逆变器并联系统，且两台逆变器的线路阻抗不相同，分别为(R₁+jωL₁)Ω与(R₂+jωL₂)Ω；

步骤2、按照传统P-f/Q-v下垂控制算法的下垂关系，即f＝f^*-m(P-P^*)，V＝V^*-n(Q-Q^*)进行控制得到逆变器的输出电压幅值V_ref与相角θ；

式中，f为输出电压频率，f^*为下垂控制额定频率，m为有功下垂系数，P为逆变器输出有功功率，P^*为下垂控制额定有功功率；V为输出电压幅值，V^*为下垂控制额定电压幅值，n为无功下垂系数，Q为逆变器输出无功功率，Q^*为下垂控制额定无功功率；

步骤3、在第一台逆变器的传统下垂控制的基础上添加谐波注入模块，向并联系统注入一个频率恒定且幅值与第一台逆变器输出无功功率线性相关的谐波电压；

步骤4、通过第二台逆变器的谐波提取模块提取的谐波电流的幅值反向计算出第一台逆变器输出的无功功率；

步骤5、在第二台逆变器中将反向计算出的无功功率值乘以系数K后与第二台逆变器自身输出的无功功率做差作为PI调节器的输入；系数K为功率分配系数，通过调节此系数便可调节功率分配的比例；

步骤6、将PI调节器的输出添加到第二台逆变器下垂关系中的电压额定值之上，通过电压调节达到无功功率精确分配。

进一步的，步骤3中，通过下垂控制本身具有的功率计算模块计算第一台逆变器输出的无功功率Q；添加到并联系统的谐波电压的幅值为：

U＝aQ (1)

式中，U为注入谐波电压的幅值，a为线性关系中的可调系数，根据PCC的电能质量要求以及不同的线路阻抗进行选取可使注入的谐波对PCC电能质量的影响降到最低；Q为第一台逆变器输出无功功率。

进一步的，步骤4中，对第二台逆变器的输出电流进行谐波提取，提取与注入频率相同的谐波部分，可通过复数滤波器或在不同频率的dq坐标系中进行提取；根据提取的谐波电流幅值反向计算第一台逆变器输出的无功功率，反向计算出的第一台逆变器输出的无功功率为：

Q_c＝I_h/aI_s (2)

式中，Q_c反向计算出的第一台逆变器输出的无功功率；I_h为提取出的谐波电流幅值；I_s为谐波电流的标准值，即在注入谐波电压幅值为1V时所提取的谐波电流的幅值；a为线性关系中的可调系数。

与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：

1、实现了孤岛微源无功功率的精确控制，在线路阻抗不匹配的情况下既能将无功负载平均分配给各微源模块，又能将无功负载按照人为设定的比例进行分配，消除了线路阻抗不匹配对无功分配造成的影响。

2、在无功功率实现精确分配的同时，有功功率仍然按照传统下垂控制的P-f关系进行分配，互相没有影响，保留了有功功率可以精确分配的优点。

3、本方法实现的功能均是在不需要增添互连线与通信环节的前提下实现的，在实现了所提控制目标的基础上并不影响系统的灵活性，并且减少了系统的复杂度，节省了成本。

附图说明

图1为本发明方法的控制框图。

图2为并联微源系统输出功率波形图。

图3为加入本发明方法后并联微源系统频率波形图。

图4为加入本发明方法后PCC电压幅值波形。

图5为加入本发明方法后负载实测功率波形。

图6为加入本发明方法后PCC电压谐波分析图。

图7为加入本发明方法后负载电流谐波分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法做进一步说明：

如图1所示，以两台逆变器并联构成的系统为例，本发明所述分配方法的步骤如下：

步骤1、构建采用P-f/Q-v下垂控制算法控制的两台逆变器并联系统，且两台逆变器的线路阻抗不相同，分别为(R₁+jωL₁)Ω与(R₂+jωL₂)Ω；；

步骤2、按照传统P-f/Q-v下垂控制算法的下垂关系，即f＝f^*-m(P-P^*)，V＝V^*-n(Q-Q^*)进行控制得到逆变器的输出电压幅值V_ref与相角θ；

式中，f为输出电压频率，f^*为下垂控制额定频率，m为有功下垂系数，P为逆变器输出有功功率，P^*为下垂控制额定有功功率；V为输出电压幅值，V^*为下垂控制额定电压幅值，n为无功下垂系数，Q为逆变器输出无功功率，Q^*为下垂控制额定无功功率；

步骤3、通过下垂控制本身具有的功率计算模块计算第一台逆变器输出的无功功率Q；添加到并联系统的谐波电压的幅值为：

U＝aQ (1)

式中，U为注入谐波电压的幅值，a为线性关系中的可调系数，根据PCC的电能质量要求以及不同的线路阻抗进行选取可使注入的谐波对PCC电能质量的影响降到最低；Q为第一台逆变器输出无功功率。

步骤4、对第二台逆变器的输出电流进行谐波提取，提取与注入频率相同的谐波部分，可通过复数滤波器或在不同频率的dq坐标系中进行提取；根据提取的谐波电流幅值反向计算第一台逆变器输出的无功功率，反向计算出的第一台逆变器输出的无功功率为：

Q_c＝I_h/aI_s (2)

式中，Q_c反向计算出的第一台逆变器输出的无功功率；I_h为提取出的谐波电流幅值；I_s为谐波电流的标准值，即在注入谐波电压幅值为1V时所提取的谐波电流的幅值；a为线性关系中的可调系数。

步骤5、在第二台逆变器中将反向计算出的无功功率值乘以系数K后与第二台逆变器自身输出的无功功率做差作为PI调节器的输入；系数K为功率分配系数，通过调节此系数便可调节功率分配的比例；

步骤6、将PI调节器的输出添加到第二台逆变器下垂关系中的电压额定值之上，通过电压调节达到无功功率精确分配。

以下通过两台并联逆变器的仿真对本发明进行有效性验证。

仿真参数如下：并网逆变器直流侧电压700V；电网相电压峰值为311V；下垂控制器额定有功功率为1kW，有功下垂系数为1e-4，额定无功功率为0，无功下垂系数为3e-4；线路阻抗分别为Z₁＝(0.1+j0.013)Ω，Z₂＝(0.3+j0.039)Ω；负载有功功率初始值为5kW并在1.5s时变为7kW，无功功率初始值为3kVar并在1.5s时变为4kVar；本发明提出的控制方法在0.2s时开始运行；0.2s-1.0s及2.0s-3.0s为无功功率平均分配模式(K＝1)，1.0s-2.0s为无功功率按照2:1比例分配模式(K＝0.5)。仿真结果如附图2～5所示。图2为加入本发明所提控制方法前后系统的输出功率波形图，据此图可知，加入本发明所提控制方法后，系统的无功功率分配可实现均分与按比例分配，且不受负载功率变化影响；有功仍保留下垂控制特点，可实现精确分配。图3为加入本发明所提控制方法后系统工作频率波形图，据此图可知系统频率仍符合传统下垂控制规律，且满足孤岛运行要求。图4证明加入本发明所提控制方法后输出电压仍与无功呈下垂关系。图5显示本发明中所提方法对负载的实测功率几乎没有影响。图6，图7则证明本发明所注入的用来通信的谐波对系统的电能质量影响极小。结合上文所述以及各波形图可以验证本发明所提出方法的有效性与可行性。

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 (3)

1.一种基于谐波注入的无互连线孤岛微源无功精确分配方法，其特征在于，所述分配方法的步骤如下：

步骤1、构建采用P-f/Q-v下垂控制算法控制的两台逆变器并联系统；

步骤2、按照传统P-f/Q-v下垂控制算法的下垂关系，即f＝f^*-m(P-P^*)，V＝V^*-n(Q-Q^*)进行控制得到逆变器的输出电压幅值与频率；

式中，f为输出电压频率，f^*为下垂控制额定频率，m为有功下垂系数，P为逆变器输出有功功率，P^*为下垂控制额定有功功率；V为输出电压幅值，V^*为下垂控制额定电压幅值，n为无功下垂系数，Q为逆变器输出无功功率，Q^*为下垂控制额定无功功率；

步骤3、在第一台逆变器的传统下垂控制的基础上添加谐波注入模块，向并联系统注入一个频率恒定且幅值与第一台逆变器输出无功功率线性相关的谐波电压；

步骤4、通过第二台逆变器的谐波提取模块提取的谐波电流的幅值反向计算出第一台逆变器输出的无功功率；

步骤5、在第二台逆变器中将反向计算出的无功功率值乘以系数K后与第二台逆变器自身输出的无功功率做差作为PI调节器的输入；系数K为功率分配系数，通过调节此系数便可调节功率分配的比例；

步骤6、将PI调节器的输出添加到第二台逆变器下垂关系中的电压额定值之上，通过电压调节达到无功功率精确分配。

2.根据权利要求1所述的一种基于谐波注入的无互连线孤岛微源无功精确分配方法，其特征在于，步骤3中，通过下垂控制本身具有的功率计算模块计算第一台逆变器输出的无功功率Q；添加到并联系统的谐波电压的幅值为：

U＝aQ (1)

式中，U为注入谐波电压的幅值，a为线性关系中的可调系数，根据PCC的电能质量要求以及不同的线路阻抗进行选取可使注入的谐波对PCC电能质量的影响降到最低；Q为第一台逆变器输出无功功率。

3.根据权利要求1所述的一种基于谐波注入的无互连线孤岛微源无功精确分配方法，其特征在于，步骤4中，对第二台逆变器的输出电流进行谐波提取，提取与注入频率相同的谐波部分，可通过复数滤波器或在不同频率的dq坐标系中进行提取；根据提取的谐波电流幅值反向计算第一台逆变器输出的无功功率，反向计算出的第一台逆变器输出的无功功率为：

Q_c＝I_h/aI_s (2)

式中，Q_c反向计算出的第一台逆变器输出的无功功率；I_h为提取出的谐波电流幅值；I_s为谐波电流的标准值，即在注入谐波电压幅值为1V时所提取的谐波电流的幅值；a为线性关系中的可调系数。