CN107508298B - 一种微电网不平衡电压分层优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微电网不平衡电压分层优化控制方法，其特征是采用分层控制结构，本地负序电压下垂控制实现不对称电压的一次补偿，二次协调优化控制实现不对称电压的二次补偿以及负序无功的精确分配，多代理结构的引入保证了系统协同优化控制。本发明方法实现了减小电压不对称度在要求范围内的同时保证每台逆变器承担的负序无功功率根据逆变器容量按比例精确分配，提高系统稳定性，减少系统不平衡电压补偿设备投资。

Description

一种微电网不平衡电压分层优化控制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电领域微电网技术，尤其涉及一种微电网不平衡电压分层优化控制方法。

背景技术

微电网是目前分布式发电领域的研究热点之一。在低压微电网中，PCC点电压与逆变器输出电压出现三相不对称的现象普遍存在，影响系统的稳定性。对于一些电压敏感型负荷，如感应电动机和功率转换器等，严重的电压不平衡会直接导致设备损坏。造成微电网电压不平衡的原因主要有：微电网三相负载不平衡、使用大容量单相负载和可能出现的不对称故障。因此，国际电工委员会明确规定电力系统中电压不对称度限制在2％以内。此外，微电网带三相不对称负载时，会产生一定容量的负序无功功率，为了避免单台逆变器承担较多负序无功功率，影响系统的稳定运行，如何实现微电网中负序无功功率按给定比例精确分配也是不对称条件下微电网系统亟待解决的问题。

目前配电网中常用有源电力滤波器来补偿不平衡负荷造成的不平衡电流，以实现对电压的补偿，可以通过串联有源电力滤波器向微电网中叠加负序电压来实现，也可以通过并联有源电力滤波器来注入不平衡电流实现电压的补偿。采用有源电力滤波器是一个简单有效的补偿方法，但是在实际的微电网系统中，因为负荷的分散性以及负荷接入时间的随机性，如何配置有源电力滤波器的容量以及如何确定其安装位置，是采用这种方法时需要面对的难题，同时大量有源电力滤波器的使用也会增加微电网系统的成本。如何能利用微电网中的逆变器来实现不平衡补偿，将有利于提高不对称电压补偿的灵活性和减小成本；已有文献[1]“A cooperative imbalance compensation method for distributed-generation interface converters,”公开了通过传统的下垂方法提出可自我调节的负序无功-电导下垂控制(Q^--G)的方法得到负序补偿电导；文献[2]“Negative-sequenceadmittance control scheme for distributed compensation of grid voltageunbalance”提出负序电压-电纳下垂控制(V^--Y)方法得到负序补偿电纳，所得到的负序补偿电导或负序补偿电纳进而与负序电压作用得到负序补偿电流作用于电流环实现不对称电压的补偿。这种通过负序补偿电导或负序补偿电纳实现不对称电压补偿方法的缺点是多逆变器间的负序无功功率的分配精确性受线路阻抗特性的影响。另有文献[3]“A newcontrol strategy for a Multi-Bus MV microgrid under unbalanced conditions”引入虚拟阻抗策略将逆变器的负序输出阻抗控制为阻性，可以得到较好的负序电流分配效果，但此方法仅适用于线路阻抗较小的运行环境，当逆变器采用LCL型滤波器时，网侧的滤波电感可能导致不同逆变器间的连线阻抗差异较大，由于需要引入较大阻值的虚拟阻抗来克服连线阻抗差异，将产生额外的负序电压分量，加剧微电网母线电压的不对称度。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种微电网不平衡电压分层优化控制方法，以实现减小电压不对称度在要求范围内的同时保证每台逆变器承担的负序无功功率根据逆变器容量按比例精确分配。

本发明为解决技术采用如下技术方案：

本发明微电网不平衡电压分层优化控制方法的特点是：

所述微电网是由多台分布式电源组成、控制器采用分层控制结构的小型孤岛微电网；所述控制器包含本地控制和二次控制，其中，本地控制由本地正序电压控制和本地负序电压下垂控制组成，二次控制为负序电压二次协调优化控制；所述微电网不平衡电压分层优化控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、正负序提取

利用控制器采集获得微电网中各逆变器的输出电压v_oabc、输出电流i_oabc和电感电流i_abc三个变量，将所述三个变量通过基于双同步坐标系的解耦软件锁相环进行正负序分量提取，分别得到各变量在正序dq旋转坐标系上的正序分量

和

以及在负序dq旋转坐标系上的负序分量

和

步骤2、功率计算

利用输出电压正负序分量

和输出电流的正负序分量

依据瞬时无功理论计算获得正序有功功率P⁺和正序无功功率Q⁺；

计算获得负序无功功率Q^-，

步骤3、获取电压电流双闭环给定值

在本地正序电压控制中由下垂控制器得到作用于电压控制环的正序输出电压幅值给定值E⁺和正序输出电压攻角给定值ω；在本地负序电压下垂补偿控制中得到各逆变器的负序虚拟电导G_i，设置作用于电流控制环的负序电流给定值

为：

步骤4、获取PWM信号

电压控制环采用PI控制器得到正序电流给定值

输出电流正序分量

流经虚拟阻抗，从而在电压控制环引入虚拟阻抗环用于提高多逆变器间的正序无功功率分配精确性；以负序电流给定值

和正序电流给定值

之和作为电流控制环的总给定，反馈电流为电感电流i_abc经abc坐标系向αβ变换后的电感电流变换值i_αβ，采用PR控制器得到调制信号，根据所述调制信号通过SPWM构造得到三组PWM信号以对分布式电源的储能逆变器进行控制。

本发明微电网不平衡电压分层优化控制方法的特点也在于：

在所述负序电压二次协调优化控制中采用多代理结构，所述多代理结构是指每台逆变器使用本地负序无功功率信息，同时和相邻近的逆变器负序电压二次协调优化控制通讯，使得微电网中每台逆变器都可以获取其他逆变器的负序无功功率信息，所有逆变器协同完成负序电压二次协调优化控制。

本发明微电网不平衡电压分层优化控制方法的特点也在于：

由式(1)计算获得各逆变器的负序虚拟电导G_i：

式(1)中，

和

分别是第i台逆变器负序虚拟电导参考值和负序无功功率参考值，μ_x为本地负序电压下垂控制系数，

为第i台逆变器的实际负序无功功率，

和

分别为第j台储能逆变器的实际负序无功功率和给定负序无功功率，φ_i为负序电压二次协调控制中的电导补偿分量，k_i为微分系数，β_i和

分别为第i台逆变器输出电压实际不对称度和给定不对称度，α_i和γ_ij为设定的权重系数，i,j＝1,2…n，i≠j，n为逆变器台数。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明由于在电流控制环引入负序电流给定值，充分利用了微电网中已有的分布式发电单元的负序无功调节能力，提高系统稳定性，减少系统不平衡电压补偿设备投资；

2、本发明由于采用了分层优化控制结构，综合利用了负序无功功率-电导下垂控制的快速性和负序电压二次协调优化控制的全局优化的特点。在逆变器控制器中，正序电压控制采用下垂控制和电压电流双闭环控制，能够实现快速调节DG输出端正序电压跟随系统负荷变化，维持各台逆变器输出电压水平在要求范围内，采用二次协调优化控制，抑制负序无功功率环流，实现负序无功功率按比例精确分配；

3、本发明由于在二次负序电压协调优化控制中采用多代理结构，引入权重系数实现了逆变器输出电压不对称度的进一步改善和提高负序无功按比例精确分配；

附图说明

图1为本发明方法所涉及的微电网结构框图；

图2本发明方法所涉及的微电网结构原理图；

图3二次控制的下垂特性变化图；

图4两台并联逆变器主电路图；

图5a为半实物实时仿真不对称度对比图；

图5b为半实物实时仿真负序无功对比图。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例中微电网是由多台分布式电源组成、控制器采用分层控制结构的小型孤岛微电网；控制器包含本地控制和二次控制，其中，本地控制由本地正序电压控制和本地负序电压下垂控制组成，二次控制为负序电压二次协调优化控制；

本实施例中微电网不平衡电压分层优化控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、正负序提取

利用控制器采集获得微电网中各逆变器的输出电压v_oabc、输出电流i_oabc和电感电流i_abc三个变量，将三个变量通过基于双同步坐标系的解耦软件锁相环DDSRF-SPLL进行正负序分量提取，分别得到输出电压v_oabc、输出电流i_oabc和电感电流i_abc在正序dq旋转坐标系上的正序分量一一对应为

和

以及输出电压v_oabc、输出电流i_oabc和电感电流i_abc在负序dq旋转坐标系上的负序分量一一对应为

和

步骤2、功率计算

利用输出电压正序分量

即

和

输出电压负序分量

即

和

输出电流正序分量

即

和

以及输出电流负序分量

即

和

依据瞬时无功理论计算获得正序有功功率P⁺和正序无功功率Q⁺；

计算获得负序无功功率Q^-，

步骤3、获取电压电流双闭环给定值

在本地正序电压控制中由下垂控制器得到作用于电压控制环的正序输出电压幅值给定值E⁺和正序输出电压攻角给定值ω；在本地负序电压下垂补偿控制中得到各逆变器的负序虚拟电导G_i，设置作用于电流控制环的负序电流给定值

为：

步骤4、获取PWM信号

电压控制环只包含正序分量控制，采用PI控制器得到正序电流给定值

输出电流正序分量

流经虚拟阻抗，从而在电压控制环引入虚拟阻抗环用于提高多逆变器间的正序无功功率分配精确性；以负序电流给定值

和正序电流给定值

之和作为电流控制环的总给定，反馈电流为电感电流i_abc经abc坐标系向αβ变换后的电感电流变换值i_αβ，采用PR控制器得到调制信号，根据调制信号通过SPWM构造得到三组PWM信号以对分布式电源的储能逆变器进行控制。

图1和图2所示R_f、C_f和L_f分别为滤波电阻，滤波电容和滤波电感，R_line和L_line分别为线路电阻和线路电感，u_a、u_b和u_c为PWM发生器调制信号。

本实施例中在负序电压二次协调优化控制中采用多代理结构，多代理结构是指每台逆变器使用本地负序无功功率信息，同时和相邻近的逆变器负序电压二次协调优化控制通讯，使得微电网中每台逆变器都可以获取其他逆变器的负序无功功率信息，所有逆变器协同完成负序电压二次协调优化控制。

由式(1)计算获得各逆变器的负序虚拟电导G_i：

式(1)中，

和

分别是第i台逆变器负序虚拟电导参考值和负序无功功率参考值，μ_x为本地负序电压下垂控制系数，

为第i台逆变器的实际负序无功功率，

和

分别为第j台储能逆变器的实际负序无功功率和给定负序无功功率，φ_i为负序电压二次协调控制中的电导补偿分量，k_i为微分系数，β_i和

分别为第i台逆变器输出电压实际不对称度和给定不对称度，α_i和γ_ij为设定的权重系数，i,j＝1,2…n，i≠j，n为逆变器台数。

本发明微电网结构如图1所示，包含本地控制和二次控制，本地控制由正序电压控制和负序电压下垂控制组成，完成了对正序电压的快速控制，和对不平衡电压的一次快速调整，图1中的二次控制指负序电压二次协调优化控制，该控制部分中，利用不对称度和负序无功分配为约束条件引入权重系数，用于均衡逆变器输出电压的不对称度和负序无功按给定比例精确分配间的矛盾,使得对不平衡电压进一步补偿，同时提升负序无功分配的精确性，不对称度调整部分通过给定不对称度与实际不对称度做差的微分实现实际不对称向给定不对称度的靠近，在负序无功分配调整部分中采用多代理结构，使得微电网中每台逆变器通过与邻近逆变器间的通信获取所有逆变器的负序无功分配信息，然后将该台逆变器实际无功与给定无功的比值和所有逆变器实际无功与给定无功比值的均值做差的微分实现负序无功的精确分配。

图3是负序电压协调优化控制的下垂特性变化图。图3中直线1a和直线1b分别为负序电压下垂控制，直线2a和直线2b分别为负序电压二次协调优化控制，由图3可见，本发明方法是通过调整等效负序虚拟电导给定值实现负序电流的精确分配。

图4为实验算例等值电路图，是在MATLAB/Simulink平台上搭建仿真，以实验的方式对本发明方法进行验证。

实验目标：验证本发明方法的有效性

实验条件：两台并联逆变器带三相不对称负载，平衡负载阻抗值为1Ω电阻加20mH电感，不平衡负载为在ac相间接100Ω电阻。两台逆变器负序无功给定比例为1:2，数值分别为1500Var和3000Var，对应的负序无功-电导下垂系数分别为2.8×10^-4s/Var和1.4×10^{- 4}s/Var。如图5a所示和图5b所示，如果单加本地负序下垂控制，两台逆变器输出电压不对称度及PCC点不对称度均在1.7％左右，负序无功在两台逆变器间的分配情况为521Var和600Var，它们间的比例为0.87。当二次协调控制加入后，两台逆变器输出电压不对称度及PCC点不对称度均在0.3％左右，负序无功在两台逆变器间的分配情况为410Var和780Var，比例为0.52，由此可知，经过加入二次协调补偿控制，可提高负序无功分配精确性，同时很好的减小了输出电压不对称度。

Claims (3)

1.一种微电网不平衡电压分层优化控制方法，其特征是：

所述微电网是由多台分布式电源组成、控制器采用分层控制结构的小型孤岛微电网；所述控制器包含本地控制和二次控制，其中，本地控制由本地正序电压控制和本地负序电压下垂控制组成，二次控制为负序电压二次协调优化控制；所述微电网不平衡电压分层优化控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、正负序提取

利用控制器采集获得微电网中各逆变器的输出电压v_oabc、输出电流i_oabc和电感电流i_abc三个变量，将所述三个变量通过基于双同步坐标系的解耦软件锁相环进行正负序分量提取，分别得到各变量在正序dq旋转坐标系上的正序分量

和

以及在负序dq旋转坐标系上的负序分量

和

步骤2、功率计算

利用输出电压正负序分量

和输出电流的正负序分量

依据瞬时无功理论计算获得正序有功功率P⁺和正序无功功率Q⁺；

计算获得负序无功功率Q^-，

步骤3、获取电压电流双闭环给定值

在本地正序电压控制中由下垂控制器得到作用于电压控制环的正序输出电压幅值给定值E⁺和正序输出电压功角给定值ω；在本地负序电压下垂补偿控制中得到各逆变器的负序虚拟电导G_i，设置作用于电流控制环的负序电流给定值

为：

步骤4、获取PWM信号

电压控制环采用PI控制器得到正序电流给定值

输出电流正序分量

流经虚拟阻抗，从而在电压控制环引入虚拟阻抗环用于提高多逆变器间的正序无功功率分配精确性；以负序电流给定值

和正序电流给定值

之和作为电流控制环的总给定，反馈电流为电感电流i_abc经abc坐标系向αβ变换后的电感电流变换值i_αβ，采用PR控制器得到调制信号，根据所述调制信号通过SPWM构造得到三组PWM信号以对分布式电源的储能逆变器进行控制。

2.根据权利要求1所述的微电网不平衡电压分层优化控制方法，其特征是：

在所述负序电压二次协调优化控制中采用多代理结构，所述多代理结构是指每台逆变器使用本地负序无功功率信息，同时和相邻近的逆变器负序电压二次协调优化控制通讯，使得微电网中每台逆变器都可以获取其他逆变器的负序无功功率信息，所有逆变器协同完成负序电压二次协调优化控制。

3.根据权利要求1或2所述的微电网不平衡电压分层优化控制方法，其特征是：

由式(1)计算获得各逆变器的负序虚拟电导G_i：

式(1)中，

和

分别是第i台逆变器负序虚拟电导参考值和负序无功功率参考值，μ_x为本地负序电压下垂控制系数，

为第i台逆变器的实际负序无功功率，

和

分别为第j台储能逆变器的实际负序无功功率和给定负序无功功率，φ_i为负序电压二次协调控制中的电导补偿分量，k_i为微分系数，β_i和

分别为第i台逆变器输出电压实际不对称度和给定不对称度，α_i和γ_ij为设定的权重系数，i,j＝1,2…n，i≠j，n为逆变器台数。

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