CN108233432A - 基于同步补偿的微电网无功均分改进下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于同步补偿的微电网无功均分改进下垂控制方法，微网中各个分布式电源通过电压源型逆变器VSI，再经过LC滤波器滤波后为母线提供的有功和无功功率，系统中各个DG在传统下垂控制下工作，无功功率无法实现精确均分时，采用同步补偿的改进下垂控制策略，该方法采用简单的同步信号，DG均工作在无功均分环节，同步补偿无功功率，修改下垂特性的电压偏置。然后当其中一个DG输出电压降至限定最小值时，该本地控制器发出同步信号，各个DG工作在电压恢复环节。最终实现无功功率均分和补偿由无功功率均分引起的电压降低。所提出的控制策略在系统正常运行、负荷投切、线路参数发生改变情况下均能使有功功率保持均分。

Description

基于同步补偿的微电网无功均分改进下垂控制方法

技术领域

本发明涉及一种微网下垂控制优化技术，特别涉及一种基于同步补偿的微电网无功均分改进下垂控制方法。

背景技术

随着全球范围内的能源问题和环境问题的日益加剧，微电网受到了各国学者广泛的关注。微电网是由分布式电源、负荷、储能装置、电力电子变换器、监控和保护装置等构成的中小型发配电(文献[1-2])，实现了DG的灵活控制(文献[3-6])。微电网与传统大电网系统不同的是，缺少惯性环节，所以DG的电力电子装置接口是其控制的关键。

传统下垂控制模拟电力系统发电机的行为，通过DG的频率和电压调整自身输出功率。由于频率是系统的全局量，所以有功功率可以实现均分(文献[7])；但由于线路阻抗的不匹配使得各逆变器输出电压产生差异，从而无功功率无法实现精确均分，导致系统内产生无功环流，影响电能输送效率，严重时甚至引起系统稳定性问题(文献[8-9])。因此实现逆变器无功功率的精确均分，抑制无功环流是微电网研究的热点问题之一。

文献[10-11]根据不同线路等效阻抗产生的压降，对逆变器实际输出电压进行不同程度的补偿，使得最终的输出电压幅值相同从而达到无功功率精确分配的目标，但线路阻抗值数据难以精确获知。文献[12-13]构造虚拟电抗，等效为同时增加各DG的输出阻抗，从而减少环流，但是增加DG的输出阻抗，势必引起更大的电压偏差。文献[14-15]引入母线电压公共变量和积分环节，稳态时可精确均分负载，然而远距离的母线电压测量困难。文献[16-17]提出了一种主动线路观测器，可基于本地信号较精确地辨识出线路阻抗的实际值，基于该线路辨识结果，可有效对DG等效连接线路的不匹配电压降得到补偿，实现无功功率精确均分。但是该方法较为复杂，对微网结构要求很高，不适用于网状等复杂结构。文献[18]提出了一种自适应调节下垂系数的方法，将基准逆变器的输出功率与各DG的输出功率相比较，并自适应地调节各逆变器的下垂系数，该方法有效减小或消除了由线路阻抗和本地负荷不一致引起的系统环流，实现了功率均分，但是该方法在计算下垂系数时需要利用DG之间的信息，对于通信带宽要求较高，不利于系统的设计。文献[19]将无功偏差作用于有功/频率下垂控制，产生有功扰动，再通过低宽带通信发出同步信号，将该扰动作用到每个微源无功/电压下垂控制，以此消除无功偏差。但该方案将产生频率的波动，会影响微电网系统的稳定性。

文献：

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发明内容

本发明是针对不匹配线路阻抗对无功功率分配精度影响的问题，提出了一种基于同步补偿的微电网无功均分改进下垂控制方法，使得DG输出无功功率均分，消除系统内无功环流，提高电能质量和系统稳定性。

本发明的技术方案为：一种基于同步补偿的微电网无功均分改进下垂控制方法，微网中各个分布式电源通过电压源型逆变器VSI，再经过LC滤波器滤波后为母线提供的有功和无功功率，VSI的输出就是DG的输出，改进下垂控制包括两环节，分别为无功均分环节和电压恢复环节，两环节均只利用DG的本地信号，具体如下所示：

式中f_n为n次采样周期DG输出电压频率，f^*为DG在空载输出下输出电压的频率；P_n-1，Q_n-1表示DG在n-1次采样周期输出的有功功率和无功功率；U_n-1、U_n表示DG在n-1和n次采样周期输出的电压幅值；S₁，S₂表示无功均分环节与电压恢复环节的控制信号；ΔE_n表示DG在n次采样周期恢复的电压值，k_p为传统下垂控制下频率比有功功率的下垂系数，k_q为传统下垂控制下电压比无功功率的下垂系数；

系统中各个DG在传统下垂控制下工作，当无功功率无法实现精确均分时，各个DG的本地控制器首先给予同步信号S₁＝1，S₂＝0，使得各个DG均工作在无功均分环节；

当系统处于改进的无功均分环节控制下，本地控制器检测到某个DG输出电压降至电压限定最小值U_min时，给所有系统中的DG本地控制器发出同步控制信号，保持S₁＝1的同时，将S₂由0置1，即对每个DG同步叠加相同的补偿值ΔE_in，此时系统在改进的无功继续均分的同时，执行电压恢复环节；直到其中任意一个DG电压前后相邻两次采集电压均恢复至额定参考电压，系统回到传统下垂控制模式。

本发明的有益效果在于：本发明基于同步补偿的微电网无功均分改进下垂控制方法，采用同步补偿的改进下垂控制策略。该方法采用简单的同步信号，DG均工作在无功均分环节，同步补偿无功功率，修改下垂特性的电压偏置。然后当其中一个DG输出电压降至限定最小值时，该本地控制器发出同步信号，各个DG工作在电压恢复环节。最终实现无功功率均分和补偿由无功功率均分引起的电压降低。所提出的控制策略在系统正常运行、负荷投切、线路参数发生改变情况下均能使有功功率保持均分。

附图说明

图1为微电网的结构图；

图2为分布式电源与微电网连接图；

图3为线路阻抗不匹配时两台VSI的有功功率分配关系图；

图4为本发明改进下垂控制系统结构控制框图；

图5为本发明无功均分一次调整示意图；

图6为本发明电压恢复示意图；

图7为本发明协调运行流程图；

图8a为本发明两台DG单元运行无功功率分配情况图；

图8b为本发明两台DG单元运行有功功率分配情况图；

图8c为本发明两台DG单元运行输出电压变化情况图；

图9a为本发明系统负荷发生改变无功功率分配情况图；

图9b为本发明系统负荷发生改变有功功率分配情况图；

图10a为本发明系统线路参数发生改变无功功率分配情况图；

图10b为本发明系统线路参数发生改变无功功率分配情况图。

具体实施方式

一、微电网结构与传统下垂控制原理

图1为微电网的结构图，微网中各个分布式电源通过电压源型逆变器(VSI)为母线提供的有功和无功功率为：

其中，P为DG的有功输出功率，Q为DG的无功输出功率，U为DG的输出电压幅值，V_PCC为母线电压幅值，R为传输电阻值包括线路和LC滤波器线圈电阻值，X为传输电抗值包括线路和LC滤波器电感值，δ_DG为DG输出电压相角与母线电压相角差值(δ-δ_L)，VSI的输出就是DG的输出。

VSI的输出侧接LC滤波器，输出电控L的接入后线路参数可近似为感性。因此，本文忽略线路电阻，逆变器到公共母线的线路等效阻抗用ωL表示，由此可得到如下下垂方程：

f＝f^*-k_pP

U＝U^*-k_qQ

其中，f为DG输出电压频率，f^*为下垂控制频率额定值，k_p为频率比有功功率的下垂系数，U^*为下垂控制电压给定值，k_q为电压比无功功率的下垂系数。

二、DG输出无功功率不均分分析

以两台并联DG为例，在传统P-f下垂控制中，在下垂系数相同的情况下，频率作为全局量，并联DG的有功功率可得到很好的均分，但是无功功率却难以得到均分。

线路阻抗上的压降可近似为：

由此可以根据上式和图2分布式电源与微电网连接图的电路关系得出如下两式：

从上两式可看出有功功率均分误差主要受线路阻抗影响。在微电网系统中，X>>R，由此可简化为：

式中k₁代表DG1侧线路阻抗系数，k₂代表DG2侧线路阻抗系数。

如图3所示线路阻抗不匹配时两台DG的有功功率分配关系图，由于X₁≠X₂，使得k₁≠k₂，此时Q₁不等于Q₂，两台VSI间无功功率无法均分。

三、改进下垂控制策略设计

如图4所示改进下垂控制系统结构控制框图，提出的改进下垂控制策略主要分为两环节，分别是无功均分环节和电压恢复环节，两环节均只利用DG的本地信号，具体改进下垂控制策略如下所示：

式中f_n为n次采样周期DG输出电压频率，f^*为DG在空载输出下输出电压的频率；P_n-1，Q_n-1表示DG在n-1次采样周期输出的有功功率和无功功率；U_n-1、U_n表示DG在n-1和n次采样周期输出的电压幅值；S₁，S₂表示无功均分环节与电压恢复环节的控制信号；ΔE_n表示DG在n次采样周期恢复的电压值。图4中S/H为采样保持器，可保持上一个采样周期的值。

1.无功均分环节

当S₁置1时，DG工作在无功均分环节。无功均分环节的下垂控制如下两式所示，即第n+1个采样周期的空载电压幅值为第n个采样周期的输出电压幅值。图4中S/H为采样保持器，可保持上一个采样周期的值。根据图4设计的控制，可实现下一个采样周期的额定参考电压为上一个采样周期的输出电压，从而有一个电压的叠加。

U_n+1＝U_n-k_qQ_n n＝0,1,2,……

式中n为第n个采样周期，U₀为传统下垂控制时DG输出电压幅值，Q₀为传统下垂控制时DG输出无功功率。

以含有K台DG的微电网为例，任取两台DG，分别是DG_i，DG_j。两台DG的线路阻抗分别是X_i，X_j，且X_i＜X_j；无功功率Q_i，Q_j；输出电压U_i,U_j。具体过程是0～t时刻时，两逆变器工作在传统下垂控制，其稳态无功功率分别是Q_i0,Q_j0，输出电压U_i0,U_j0。由于X_i＜X_j，所以，Q_i0＞Q_j0，U_i0＜U_j0。t时刻时，各本地控制器给予一个同步采样信号，S₁由0置1，使DG均运行在无功功率均分环节。在第1个采样周期时，根据式无功均分环节的下垂控制式可知：

则ΔQ_i1＜ΔQ_j1＜0。即在第一个采样周期中，DG_i的无功功率降落大于DG_j。

t时刻时两DG无功功率偏差为：

ΔQ_ij0＝Q_io-Q_jo

经过了1个采样周期后，其无功功率偏差为：

ΔQ_ij1＝Q_i1-Q_j1

由于X_i＜X_j，ΔU_i1<ΔU_j1<0，则ΔQ_ij0-ΔQ_ij1＞0。

由此得到Q_i1>Q_j1，即在第一个采样周期中，DG_i的无功功率降大于DG_j，减小了DG间的无功功率偏差，以此类推，最终实现了DG_i和DG_j的无功功率均分。图5为无功均分一次调整示意图。

2.电压恢复环节

本文所提出来的无功电压下垂是以牺牲电压精度来实现无功功率均分的。为了克服这一缺点，采用同步补偿机制抬高电压水平，即通过同步通信协调各个DG的输出电压。当本地控制器检测到某一个DG输出电压降至电压限定最小值U_min时，本地控制器发出同步控制信号，保持S₁＝1的同时，将S₂由0置1，即对每个DG同步叠加相同的补偿值ΔE_in，此时系统无功继续均分的同时，执行电压恢复环节。

k_f为无功补偿系数。

式中Q_max为DG的最大无功输出量，f_min为系统电压频率的最小值。

由于频率是全局量，DG_i和DG_j的频率相同。所以每一个扫描周期微源都会增加一个相同的电压补偿量。

图6为电压恢复示意图，由图可知，每个微源增加相同的电压偏置时，并不影响无功功率均分的精度。

3.无功均分环节和电压恢复环节协调运行

无功均分环节和电压恢复环节协调运行的流程图图7所示。

当微网中各个DG工作在传统下垂控制时，无功功率无法实现精确均分，切入本文所提出的控制策略后，各个本地控制器首先给予同步信号S₁＝1，S₂＝0，使得各个DG均工作在无功均分环节。当某个DG输出电压跌落至下限U_min时，各个本地控制器立即发出同步信号S₁＝1，S₂＝1，DG工作在电压恢复环节，在该环节内，DG保持无功均分的同时恢复输出电压的幅值,直到其中一个DG电压率先恢复至U*，记录此时该DG输出的无功功率值Q_p，k取1,2,3,4…….，由于整个均分过程线路阻抗特性未变，所以Q_p为同一DG的无功功率值。当相邻两次记录下的无功功率相等时，即Q_p＝Q_p-1，此时Q_in＝Q_i(n-1)，Q_jn＝Q_j(n-1)，系统已达到稳态，此时无功功率实现精确均分。

无功均分环节和电压恢复环节按上述策略交替运行。当无功功率Q_p＝Q_p-1时，系统已处于稳态，表明无功功率已实现了精确均分。此时本地控制器发出同步信号S₁＝0，S₂＝0，各DG稳定运行，无功功率实现精确均分且输出电压在额定值附近。

四、算例分析

为了验证本文所提出的控制策略在各个工况下的有效性，在Matlab/Simulink搭建仿真模型进行分析，系统结构图如图4所示。本文采用DG容量相等，且最大允许输出功率均为±20kw。仿真分别对以下三个算例进行仿真分析。

算例1：两台DG正常运行

系统仿真过程为：0～1s系统工作在传统下垂控制，图8a显示此时无功功率不能完全均分而出现无功偏差，DG1输出无功为1800var，DG2输出无功为1700var；1s开始采用改进下垂控制策略。系统首先工作在无功均分环节，利用采样保持器，两DG的无功偏差逐渐减小。当某个DG输出电压跌落至下限U_min时，本地控制器立即发出同步信号S₁＝1，S₂＝1，DG均工作在电压恢复环节，直到某个DG电压率先恢复至U^*，记录此时无功功率的值Q。无功均分环节和电压恢复环节交替运行。图8a中t₁时的无功功率等于t₂时的无功功率，此时DG1和DG2输出无功均为1750var，DG间无功功率已实现精确均分，且输出电压在额定值附近。

图8b、8c分别为两DG输出有功功率分配情况和DG输出电压幅值的变化情况。由于系统分别工作在无功均分环节和电压恢复环节，DG的输出电压会有如下图变化，同时电压的变化也会引起输出的有功功率变化。但是，由于频率是全局量，所以有功功率保持均分，本方法提出的改进下垂控制策略并不影响有功功率的均分。

算例2：系统负荷发生变化。

系统仿真过程为：0～1s系统工作在传统下垂控制，图9a显示此时无功功率不能完全均分而出现无功偏差。1s开始采用改进下垂控制策略，两DG输出无功偏差逐渐减小，t₁时的无功功率等于t₂时的无功功率，DG间无功功率已实现精确均分，且输出电压在额定值附近。7s时，负荷无功功率由3500var增加至4000var，两DG无功再次出现偏差。8s时再次采用改进下垂控制策略，t₃时的无功功率等于t₄时的无功功率，DG间无功功率再次实现精确均分，且输出电压在额定值附近。

图9b为两个DG单元有功功率分配的仿真结果。由图可知，有功功率能保持均分，本方法提出的改进下垂控制策略并不影响有功功率的均分。

算例3：系统线路参数发生变化。

系统仿真过程为：0～1s系统工作在传统下垂控制，此时无功功率不能完全均分而出现无功偏差。1s开始采用改进下垂控制策略，两DG输出无功偏差逐渐减小，t₁时的无功功率等于t₂时的无功功率，DG间无功功率已实现精确均分，且输出电压在额定值附近。7s时，DG₁、DG₂的线路电感由2mH、3mH变至3mH、2mH，两DG无功功率再次出现偏差。8s时再次采用改进下垂控制策略，t₃时的无功功率等于t₄时的无功功率，DG间无功功率再次实现精确均分，且输出电压在额定值附近。

图10a、10b为两个DG无功功率和有功功率分配的仿真结果。由图可知，系统线路参数发生改变时，DG间产生无功偏差，改进下垂控制策略能时DG单元重新合理分配无功功率，且不影响有功功率的合理分配。

Claims (1)

1.一种基于同步补偿的微电网无功均分改进下垂控制方法，微网中各个分布式电源通过电压源型逆变器VSI，再经过LC滤波器滤波后为母线提供的有功和无功功率，VSI的输出就是DG的输出，其特征在于，改进下垂控制包括两环节，分别为无功均分环节和电压恢复环节，两环节均只利用DG的本地信号，具体如下所示：

式中f_n为n次采样周期DG输出电压频率，f^*为DG在空载输出下输出电压的频率；P_n-1，Q_n-1表示DG在n-1次采样周期输出的有功功率和无功功率；U_n-1、U_n表示DG在n-1和n次采样周期输出的电压幅值；S₁，S₂表示无功均分环节与电压恢复环节的控制信号；ΔE_n表示DG在n次采样周期恢复的电压值，k_p为传统下垂控制下频率比有功功率的下垂系数，k_q为传统下垂控制下电压比无功功率的下垂系数；

系统中各个DG在传统下垂控制下工作，当无功功率无法实现精确均分时，各个DG的本地控制器首先给予同步信号S₁＝1，S₂＝0，使得各个DG均工作在无功均分环节；

当系统处于改进的无功均分环节控制下，本地控制器检测到某个DG输出电压降至电压限定最小值U_min时，给所有系统中的DG本地控制器发出同步控制信号，保持S₁＝1的同时，将S₂由0置1，即对每个DG同步叠加相同的补偿值ΔE_in，此时系统在改进的无功继续均分的同时，执行电压恢复环节；直到其中任意一个DG电压前后相邻两次采集电压均恢复至额定参考电压，系统回到传统下垂控制模式。