CN106877330B - 一种分布式微电网无功均分控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式微电网无功均分控制方法及控制装置，所述的控制方法包括：计算分布式微电网中的微电源无功功率Q_i与微电源的线路电抗X_i之间的关系式；计算分布式微电网中的任意两个微电源的无功功率Q_i和Q_j之间的无功相对偏差ΔQ_err，通过向每一个微电源中增加自适应虚拟电抗，并调整自适应系数K，使得无功相对偏差ΔQ_err处于预定范围内。本发明通过在分布式微电网的各个微电源中引入自适应的虚拟阻抗，使得分布式微电网中的任意两个微电源无功功率相对偏差保持在预设范围内，可改善无功分配精度。

Description

一种分布式微电网无功均分控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，更具体地，涉及一种分布式微电网无功均分控制方法及控制装置。

背景技术

微电网作为分布式电源的有效载体，是分布式能源合理利用的有效途径。对于含有公共非线性负荷的孤岛微电网，非线性负荷产生的谐波将影响微电网的电能质量，而各微电源输出的无功功率及线路参数的差异又将导致谐波环流，过大的谐波环流则会影响系统的同步和稳定。

目前，为减小各微电源输出的无功功率之间的差异，通常调节下垂增益的方式，而在交流微电网中，由于非线性负荷及物理线路阻抗不匹配等因素的影响，传统的下垂控制难以实现合理地分配无功功率。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的分布式微电网无功均分控制方法及控制装置，能够解决分布式微电网中无功均分问题。

根据本发明的一个方面，提供一种分布式微电网无功均分控制方法，包括：

S1，计算分布式微电网中第i个微电源的输出无功功率Q_i与该微电源的线路电抗X_i之间的关系式；

S2，计算分布式微电网中的第i个微电源的无功功率Q_i和第j个微电源的无功功率Q_j之间的无功相对偏差ΔQ_err；

S3，向第i个微电源的线路电抗X_i和第j个微电源的线路电抗X_j中分别增加自适应虚拟电抗X_vi＝X_vo+K·Q_i和X_vj＝X_vo+K·Q_j，其中，X_vo为初始虚拟电抗，K为自适应系数；

S4，通过调整自适应系数K，使得所述无功相对偏差ΔQ_err处于预定范围内。

另一方面，本发明还提供了一种分布式微电网无功均分控制装置，包括：

第一计算模块，用于计算分布式微电网中第i个微电源的输出无功功率Q_i与该微电源的线路电抗X_i之间的关系；

第二计算模块，用于计算分布式微电网中的第i个微电源的无功功率Q_i和第j个微电源的无功功率Q_j之间的无功相对偏差ΔQ_err；

自适应调整模块，用于向第i个微电源的线路电抗X_i和第j个微电源的线路电抗X_j中分别增加自适应虚拟电抗X_vi＝X_vo+K·Q_i和X_vj＝X_vo+K·Q_j，其中，X_vo为初始虚拟电抗，K为自适应系数；还用于通过调整自适应系数K，使得所述无功相对偏差ΔQ_err处于预定范围内。

本发明的有益效果为：建立每一个微电网中的无功功率与线路电抗之间的关系，并分别计算分布式微电网中的任意两个微电网的无功相对偏差，可以看出无功偏差与微电网的线路电抗有关，因此，通过向每一个微电网中增加自适应虚拟电抗来调节各微电网输出的无功功率，使得分布式微电网中的各个微电网的无功输出偏差处于一定范围内，从而增加整个分布式微电网的稳定性。

附图说明

图1为本发明一个实施例的分布式微电网无功均分控制方法流程图；

图2为分布式微电网系统等效电路图；

图3为分布式微电网中单个微电网的等效电路图；

图4为输出线路电抗不一致时各分布式微电网的无功出力情况示意图；

图5-a为未引入自适应虚拟电抗时PCC1点电压波形图；

图5-b为未引入自适应虚拟电抗时PCC2点电压波形图；

图5-c为未引入自适应虚拟电抗时PCC电压波形图；

图6为为引入自适应虚拟电抗时两个微电源DG_i和微电源DG_j承担的公共负载电流单相波形图；

图7-a为加入自适应虚拟电抗时PCC1点电压波形图；

图7-b为加入自适应虚拟电抗时PCC2点电压波形图；

图7-c为加入自适应虚拟电抗时PCC点电压波形图；

图8为引入自适应虚拟电抗后两个微电源DG_i和DG_j承担的公共负载电流单相波形图；

图9为引入自适应虚拟电抗后的两个微电源DG_i和DG_j输出无功功率示意图；

图10为引入自适应虚拟电抗后的三个微电源的输出无功功率示意图；

图11为本发明另一个实施例的分布式微电网无功均分控制装置示意图；

图12为分布式微电网无功均分控制装置中第一计算模块的内部连接框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1，为本发明一个实施例的一种分布式微电网无功均分控制方法，包括：S1，计算分布式微电网中第i个微电源的输出无功功率Q_i与该微电源的线路电抗X_i之间的关系；S2，计算分布式微电网中的第i个微电源的无功功率Q_i和第j个微电源的无功功率Q_j之间的无功相对偏差ΔQ_err；S3，向第i个微电源的线路电抗X_i和第j个微电源的线路电抗X_j中分别增加自适应虚拟电抗X_vi＝X_vo+K·Q_i和X_vj＝X_vo+K·Q_j，其中，X_vo为初始虚拟电抗，K为自适应系数；S4，通过调整自适应系数K，使得所述无功相对偏差ΔQ_err处于预定范围内。

微电网作为分布式电源的有效载体，是分布式能源合理利用的有效途径。对于含有公共非线性负荷的孤岛微电网，非线性负荷产生的谐波将影响微电网的电能质量，而各微电源及线路参数的差异又将导致谐波环流，多大的谐波环流会影响整个微电网系统的同步和稳定，因为，针对含非线性负荷的微电网的电能质量问题，研究微电网结构特点的谐波补偿策略是重要途径之一。大多数分布式微电网以电力电子中的逆变器作为接口，在参与功率均分的同时还可以进行一定的电能质量补偿。

本实施例中通过两个计算关系建立分布式微电网中的每一个微电源的无功功率与线路电抗之间的关系，并分别计算分布式微电网中的任意两个微电源的无功相对偏差，可以看出无功偏差与微电源的线路电抗有关，因此，通过向每一个微电源中增加自适应虚拟电抗来调节各微电源输出的无功功率，使得分布式微电网中的各个微电源的无功输出偏差处于一定范围内，从而增加整个分布式微电网的稳定性，以及减小整个分布式微电网的环流。

其中，在一个实施例中，所述S1进一步包括：

S11，根据每一个微电源的输出电压幅值E_i、交流母线处的电压V以及该微电源的线路电抗X_i，计算该微电源的无功功率Q_i；

S11，根据微电源的无功功率Q_i、无功下垂增益n_i以及微电源在空载负荷时的电压幅值E^*,计算微电源在实际工作时的输出电压幅值E_i；

S12，结合步骤S11和步骤S11，计算得到微电源无功功率Q_i与微电源的线路电抗X_i之间的关系式。

在本发明的一个实施例中，可参见图2，为传统具有恒定虚拟阻抗的微电网等效电路图，引入虚拟阻抗前，第i个微电源的输出线路阻抗为Z_outi为：

Z_outi＝R_i+jX_i； (1)

引入了恒定的虚拟阻抗后，第i个微电源的输出线路阻抗Z'_outi为：

Z′_outi＝Z_outi+Z_v＝(R_i+R_n)+j(X_i+X₁)； (2)

上述式(2)中，加入的恒定的虚拟阻抗Z_v＝R_n+jX₁,其中R_n为在n次谐波的虚拟电阻，X₁为基波的虚拟电抗。

参见图3，为单个微电源的等效电路图，上述步骤S11可根据单个微电源的等效电路计算得出第i个微电源的有功功率P_i和无功功率Q_i：

式中，E_i为微电网的输出电压，V为交流母线处的电压，φ_i为微电源的输出电压幅值E_i与交流母线处电压V之间的角度差，X_i表示微电源的线路电抗。

通常情况下，功角φ_i很小，根据数学等效可知，微电源的有功功率P_i可由功角φ_i控制，无功功率Q_i可由输出电压幅值E_i调节。传统的下垂控制正是基于这一原理，步骤S11中利用上述公式(3)中计算的有功功率和无功功率来调节微电源的输出电压频率和输出电压幅值：

式中，ω^*为微电源在空载负荷时的电压频率，m_i为第i个微电源的有功下垂增益，E^*为微电源在空载负荷时的电压幅值，n_i为第i个微电网的无功下垂增益，E_i为第i个微电网的实际输出电压，P_i、Q_i分别是第i个微电源在实际频率ω_i和电压E_i条件下输出的有功功率和无功功率值。

微电源处于稳态时，输出电压频率为全局变量，因此，各微电源的有功功率可以根据下垂增益精确分配，而输出电压幅值是局部变量，需要对无功功率分配问题进行分析，下面仅对无功功率的分配进行分析，步骤S12通过联立公式(3)和公式(4)，得到：

在又一个实施例中，为了分析分布式微电网中的各个微电源的无功功率偏差的大小，有必要分析分布式微电网中的两个微电源的无功功率的相对偏差。为了简化分析，可以假设两个分布式微电网DG_i和DG_j具有相等容量，其下垂增益也一致。功角φ_i很小，因此，所述S2可通过上述公式(5)计算得到的任意两个微电源的无功功率Q_i和Q_j之间的无功相对偏差ΔQ_err为：

式中，X_j为第j个微电网的线路电抗，n_j为第j个微电源的无功下垂增益。

从公式(6)中可以看出，减小各个微电源之间的线路电抗差异(X_j-X_i)、增大无功下垂增益n_j和增加线路电抗X_j可以减少无功偏差。增加线路电抗或者减少线路电抗差异可通过虚拟阻抗的方法调节，但在一定程度上会影响输出电压幅值。

可参见图4，为输出阻抗不一致时各分布式微电网的无功出力情况示意图，当输出线路阻抗越大时，增加其线路压降，从而输出无功越小。

现有研究大多是恒虚拟阻抗，而实施例提出含自适应虚拟电抗的下垂控制策略，即引入无功信息构造变虚拟阻抗，采用自适应方法重新构造微电源的输出线路电抗，从而进一步减少环流。

又一个实施例中，根据微电源的新线路电抗X_i ^new＝X_i+X_vi＝X_i+X_vo+K·Q_i和公式(6)计算得到新无功相对偏差：

调节自适应系数K值，使得在预定范围内。

其中，自适应K值的取值范围为：0<K<5*10^-4。

又一个实施例中，根据前述实施例引入自适应虚拟电抗后得到的微电源的新线路电抗X_i ^new＝X_i+X_vi＝X_i+X_vo+K·Q_i，X_vo、X_vi分别是微电源的虚拟初始电抗和虚拟总电抗；Q_i分别为微电源测量的无功功率；K为与无功相关的虚拟电抗系数，若无无功负荷，可置系数K为零。考虑到适当的虚拟电阻可改善系统的阻性特性，从而增强系统的稳定性，因此，本实施例提出的自适应虚拟阻抗可描述为：

Z_vir＝R_vir+j[X_vo+K·Q_i]； (8)

为便于分析，不妨假设两同等容量的微电源DG_i和DG_j并联运行，下垂增益n应设置一致；另外，本实施例中设置虚拟系数一致：

K_i＝K_j＝K＞0； (9)

则本实施例提出的自适应虚拟电抗可简化为：

X_vir＝X₀+K·Q； (10)

根据公式(6)和公式(7)，计算向微电源中引入自适应虚拟电抗前后的无功功率偏差比值：

对公式(11)进行简化处理可得：

又根据公式(5)可得：

联立公式(12)和公式(13)，可得：

由戴维南等效电路得：

E_i＝V+Z_eqi_i； (15)

式(15)中，Z_eq为微电源等效电压源内阻，包含了线路阻抗和虚拟阻抗，且呈阻感性，i_i为等效电压源输出电流，又由于E_i＝E^*-n_i·Q_i＜E^*，结合式(15)有：

E^*-V＞E_i-V＞0； (16)

结合式(13)和式(16)：

于是有：

由此，可看出，向分布式微电网中的各个微电源中引入自适应虚拟电抗后，可以改善整个微电网无功分配精度，适当选择自适应系数K值，可使得无功偏差保持在一定精度范围内。

本发明提供的分布式微电网无功功率均分的控制方法进行了仿真验证，下面主要介绍了两个仿真案例。

仿真案例1：采用本发明提出的控制策略，控制两个容量相同的微电源并联运行。在该案例中，本地线性负载Load1、Load2和公共非线性负载Load都接入分布式微电网系统。不引入自适应虚拟电抗时，PCC1、PCC2和PCC电压波形分别如图5-a、5-b和5-c所示。由FFT分析可知PCC1点电压基波幅值为39.5V，谐波失真THD为3.63％；PCC2点电压基波幅值为39.8V，THD为3.68％；PCC点电压基波幅值为308.6V，THD为3.86％电压幅值和THD值均在标准范围内。未引入自适应虚拟电抗时两个微电源DG1/DG2承担的公共负载电流单相波形如图6所示。

加入自适应虚拟电抗后，PCC1、PCC2、PCC点电压波形分别如图7-a、7-b和7-c所示。由FFT分析可知PCC1点电压基波幅值为306.2V，THD为4.35％；PCC2点电压基波幅值为306.4V，THD为4.9％；PCC点电压基波幅值为304.8V，THD为4.25％，电压幅值和THD值均在标准范围内。

图8为引入只适应虚拟阻抗后的两个微电源DG1/DG2承担的公共负载电流单相波形。对比加入虚拟阻抗前后的公共点电压波形及各微电源承担的公共负载电流单相波形可知，虽然加入虚拟阻抗后，电压谐波畸变率有一定的增大，但是仍能保证在标准范围内，所以不会影响对电压敏感的负载正常运行，但是加入虚拟阻抗后，各微电源对公共负载谐波电流的均分精度明显提高，减小了谐波环流，提高了系统的同步性和稳定性。

图9为两个微电源的无功出力分配情况。由于采用的两个微电源输出功率容量相同，因此由图可知两个微电源输出的有功功率实现了精确均分，而由于输出线路阻抗及本地负载的差异，无功功率均分精度不高。

仿真案例2

采用本发明提出的自适应虚拟电抗提高无功功率均分的精度，本算例采用三个微电源，且0-2s采用传统的下垂控制，2-4s采用含虚拟阻抗的下垂控制，4-6s采用本发明提出的自适应虚拟电抗下垂控制策略，图10为3个微电源的无功功率分配情况示意图。

参见图11，为本发明另一个实施例的分布式微电网无功均分控制装置，包括第一计算模块21、第二计算模块22和自适应调整模块23。

其中，第一计算模块21，用于计算分布式微电网中第i个微电源的输出无功功率Q_i与该微电源的线路电抗X_i之间的关系；

第二计算模块22，用于计算分布式微电网中的任意两个微电源的无功功率Q_i和Q_j之间的无功相对偏差ΔQ_err；

自适应调整模块23，用于向第i个微电源的线路电抗X_i和第j个微电源的线路电抗X_j中分别增加自适应虚拟电抗X_vi＝X_vo+K·Q_i和X_vj＝X_vo+K·Q_j，其中，X_vo为初始虚拟电抗，K为自适应系数；还用于通过调整自适应系数K，使得所述无功相对偏差ΔQ_err处于预定范围内。

参见图12，所述第一计算模块21进一步包括：

无功功率计算单211，用于根据每一个微电源的输出电压幅值E_i、交流母线处的电压V以及该微电源的线路电抗X_i，计算该微电源的无功功率Q_i；

电压幅值计算模块单元212，用于根据微电源的无功功率Q_i、无功下垂增益n_i以及微电源在空载负荷时的电压幅值E^*,计算微电源在实际工作时的输出电压幅值E_i；

关系式获得单元213，用于结合无功功率Q_i的计算公式和输出电压幅值E_i的计算公式，计算得到微电源无功功率Q_i与微电源的线路电抗X_i之间的关系式。

本发明提供的一种分布式微电网无功均分控制方法及控制装置，建立每一个微电源中的无功功率与线路电抗之间的关系，并分别计算分布式微电网中的任意两个微电源的无功相对偏差，可以看出无功偏差与微电源的线路电抗有关，因此，通过向每一个微电网中增加自适应虚拟电抗来调节各微电网输出的无功功率，使得分布式微电网中的各个微电网的无功输出偏差处于一定范围内，从而增加整个分布式微电网的稳定性。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种分布式微电网无功均分控制方法，其特征在于，包括：

S1，计算分布式微电网中第i个微电源的输出无功功率Q_i与该微电源的线路电抗X_i之间的关系式；所述S1进一步包括：

S11，根据每一个微电源的输出电压幅值E_i、交流母线处的电压V以及该微电源的线路电抗X_i，计算该微电源的无功功率Q_i；所述S11中根据如下公式计算微电源的无功功率Q_i：

式中，φ_i为微电源的输出电压幅值E_i与交流母线处电压V之间的角度差，X_i表示微电源的线路电抗；

S12，根据微电源的无功功率Q_i、无功下垂增益n_i以及微电源在空载负荷时的电压幅值E^*,计算微电源在实际工作时的输出电压幅值E_i；所述S12中根据如下公式计算微电源在实际工作时的输出电压幅值E_i：

E_i＝E^*-n_i·Q_i； (2)

式中，E^*为微电源在空载负荷时的电压幅值，n_i为无功下垂增益，E_i为微电源的输出电压幅值；

S13，结合步骤S11和步骤S12，通过联立公式(1)和公式(2)，计算得到微电源无功功率Q_i与微电源的线路电抗X_i之间的关系式，得到：

S2，计算分布式微电网中的第i个微电源的无功功率Q_i和第j个微电源的无功功率Q_j之间的无功相对偏差ΔQ_err；

所述S2中根据公式(3)计算得到的任意两个微电源的无功功率Q_i和Q_j之间的无功相对偏差ΔQ_err为：

式中，n_j为第j个微电源的无功下垂增益；

S3，向第i个微电源的线路电抗X_i和第j个微电源的线路电抗X_j中分别增加自适应虚拟电抗X_vi＝X_vo+K·Q_i和X_vj＝X_vo+K·Q_j，其中，X_vo为初始虚拟电抗，K为自适应系数；

S4，通过调整自适应系数K，使得新的无功相对偏差处于预定范围内。

2.如权利要求1所述的分布式微电网无功均分控制方法，其特征在于，根据第i个微电源的新线路电抗X_i ^new＝X_i+X_vi＝X_i+X_vo+K·Q_i、第j个微电源的新线路电抗和公式(4)计算得到新无功相对偏差：

调节自适应系数K值，使得保持在预定范围内。

3.如权利要求2所述的分布式微电网无功均分控制方法，其特征在于，所述自适应系数K的取值范围为：0<K<5*10^-4。

4.一种分布式微电网无功均分控制装置，其特征在于，包括：

第一计算模块，用于计算分布式微电网中第i个微电源的输出无功功率Q_i与该微电源的线路电抗X_i之间的关系式；进一步用于：

根据每一个微电源的输出电压幅值E_i、交流母线处的电压V以及该微电源的线路电抗X_i，计算该微电源的无功功率Q_i；根据如下公式计算微电源的无功功率Q_i：

式中，φ_i为微电源的输出电压幅值E_i与交流母线处电压V之间的角度差，X_i表示微电源的线路电抗；

根据微电源的无功功率Q_i、无功下垂增益n_i以及微电源在空载负荷时的电压幅值E^*,计算微电源在实际工作时的输出电压幅值E_i；根据如下公式计算微电源在实际工作时的输出电压幅值E_i：

E_i＝E^*-n_i·Q_i； (2)

式中，E^*为微电源在空载负荷时的电压幅值，n_i为无功下垂增益，E_i为微电源的输出电压幅值；

结合上述公式，计算得到微电源无功功率Q_i与微电源的线路电抗X_i之间的关系式：

第二计算模块，用于计算分布式微电网中的第i个微电源的无功功率Q_i和第j个微电源的无功功率Q_j之间的无功相对偏差ΔQ_err；

根据公式(3)计算得到的任意两个微电源的无功功率Q_i和Q_j之间的无功相对偏差ΔQ_err为：

式中，n_j为第j个微电源的无功下垂增益；

自适应调整模块，用于向第i个微电源的线路电抗X_i和第j个微电源的线路电抗X_j中分别增加自适应虚拟电抗X_vi＝X_vo+K·Q_i和X_vj＝X_vo+K·Q_j，其中，X_vo为初始虚拟电抗，K为自适应系数；通过调整自适应系数K，使得新的无功相对偏差处于预定范围内。

5.如权利要求4所述的分布式微电网无功均分控制装置，其特征在于，所述自适应系数K值的范围为：0<K<5*10^-4。