CN108493952B - 一种基于模糊自适应补偿的交流微电网无功均分控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模糊自适应补偿的交流微电网无功均分控制方法，用以使DG输出的无功功率均分，消除系统内无功环流，包括以下步骤：1)各DG单元在下垂控制方式下工作，本地控制器获取平均有功功率P_{av_i}和总有功功率P_{total_i}；2)本地控制器根据频率下垂特性求解无功平均值Q_{av_i}；3)设置模糊控制器的输入量，构建模糊控制器在参考电压范围内自适应确定电压补偿值，进行电压补偿。与现有技术相比，本发明具有提高电能质量和系统稳定性、消除负荷波动的影响、即插即用等优点。

Description

一种基于模糊自适应补偿的交流微电网无功均分控制方法

技术领域

本发明涉及微网下垂控制优化方法设计技术领域，尤其是涉及一种基于模糊自适应补偿的交流微电网无功均分控制方法。

背景技术

近年来，微电网的发展受到国内外学者的广泛关注。微电网是一种将分布式电源、储能装置、可控负荷等单元结合在一起的新型电网形式，实现了分布式发电 (DistributedGeneration,DG)的灵活控制。

微电网的运行模式包括孤岛模式和并网模式，并可在两种模式间进行无缝切换。在孤岛运行模式时，并联运行的DG单元通常采用下垂控制来实现功率的合理分配。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变量，所以受控于系统频率的有功功率可以实现均分；由于各DG单元的本地负荷和线路阻抗不一致，使得各逆变器输出电压产生差异，从而无功功率无法实现合理分配，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。因此实现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。

为解决上述问题，众多学者提出各种改进方法来抑制本地负荷和线路阻抗差异对功率分配所带来的影响。文献《基于线路阻抗辨识的微电网无功均分改进下垂控制方法，陈晓祺，贾宏杰，陈硕翼，等》以及《基于线路观测器的孤岛运行微电网改进下垂控制方法，陈晓祺，贾宏杰，陈硕翼，等》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，可有效补偿DG线路的不匹配电压降，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《AnAccurate Power Control Strategy for Power Electronics Interfaced DistributedGeneration Units Operating in a Low-Voltage Multibus Microgrid》和《孤岛模式微电网变流器的复合式虚拟阻抗控制方法》通过构造虚拟电抗，等效为同时增加各DG的输出阻抗，提高了无功功率分配精度，但是增加DG的输出阻抗，势必引起更大的电压偏差。文献《基于虚拟电容的微网逆变器无功均分控制方法》和《A Reactive Power SharingStrategy of VSG Based on Virtual Capacitor Algorithm》通过算法模拟逆变器输出端的并联电容特性，并根据线路阻抗差异自适应补偿线路阻抗压降。但该算法中对输出电压进行两次微分，微分运算使得高频噪声放大，输出电压畸变，降低系统稳定性。文献《基于自调节下垂系数的DG逆变器控制》提出了一种自适应调节下垂系数的方法，自适应地调节各逆变器的下垂系数，该方法有效减小了由线路阻抗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。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于模糊自适应补偿的交流微电网无功均分控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于模糊自适应补偿的交流微电网无功均分控制方法，用以使DG输出的无功功率均分，消除系统内无功环流，包括以下步骤：

1)各DG单元在下垂控制方式下工作，本地控制器获取平均有功功率P_{av_i}和总有功功率P_{total_i}；

2)本地控制器根据频率下垂特性求解无功平均值Q_{av_i}；

3)设置模糊控制器的输入量，构建模糊控制器在参考电压范围内自适应确定电压补偿值，进行电压补偿。

所述的步骤1)中，平均有功功率P_{av_i}和总有功功率P_{total_i}的计算式为：

P_{av_i}＝P_i

P_{total_i}＝nP_{av_i}

其中，P_i为第i个DG的输出有功功率，n为并联的DG单元的总数。

所述的步骤2)中，无功平均值Q_{av_i}的计算式为：

其中，k_p为电压下垂系数，P_{total_i}为总有功功率，Q_{total_i}为总有功功率，k_h为常系数，Q_i为第i个DG的输出无功功率。

所述的模糊控制器的输入量a_i、b_i的计算式为：

a_i＝∫Q_{av_i}dt-∫Q_idt

b_i＝Q_{av_i}-Q_i。

所述的糊控制器的模糊规则为：

其中，EN、EP和EZ分别为小于零、大于零和等于零，ΔU_i为电压补偿值。

本方法还包括以下步骤：

当本地控制器检测到电网中出现大负荷波动时，中央控制器发出同步信号至各个本地控制器，使得各DG单元重新工作，并重新重复步骤1)-3)进行无功功率均分；

当本地控制器检测到电网中出现小负荷波动时，为避免本地控制器频繁工作，本地控制器不给予动作。

所述的大负荷波动和小负荷波动的定义为：

其中，P_wave、Q_wave分别为有功、无功功率波动值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明目的是消除不匹配本地负荷和线路阻抗对无功功率分配精度的影响，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。所提出的方法分为三个步骤，步骤一、步骤二分别得到有功功率与无功功率的平均值，步骤三利用模糊控制器实时补偿电压，修改电压参考值，实现无功功率的合理分配。同时，将负荷波动大小分类，设计协调运行方法，消除负荷波动对本发明的影响，并且无需利用实时通信系统交换DG之间的信息，仅利用中央控制器发出的低带宽同步信号触发，仍保持了微电网各DG单元的“即插即用”的特点。

附图说明

图1为微电网的结构图。

图2为简化DG单元结构图。

图3为本地负荷和线路阻抗均不匹配时两台DG的无功功率分配关系。

图4为改变电压参考值两台DG的无功功率分配关系。

图5为电压补偿值范围。

图6为模糊推理系统输出特性曲面。

图7为控制结构框图。

图8为协调运行流程图。

图9为三台DG单元正常运行功率分配情况，其中，图(9a)为三台DG单元正常运行有功功率分配情况，图(9b)三台DG单元正常运行无功功率分配情况。

图10为系统发生大负荷波动功率分配情况，其中，图(10a)为系统发生大负荷波动有功功率分配情况，图(10b)为系统发生大负荷波动无功功率分配情况。

图11为系统发生小负荷波动功率分配情况，其中，图(11a)为系统发生小负荷波动有功功率分配情况，图(11b)为系统发生小负荷波动无功功率分配情况，图(11c)为系统发生小负荷波动PCC点电压变化情况。

图12为DG单元故障切除功率分配情况图，其中，图(12a)为DG单元故障切除有功功率分配情况，图(12b)为DG单元故障切除无功功率分配情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

下面从传统下垂控制原理，DG输出无功功率不均分分析，改进下垂控制方法设计，协调运行方法设计，算例验证等几个方面对本发明做进一步说明。

(1)传统下垂控制原理

微源逆变器的输出侧接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，微网中各个分布式电源为母线提供的有功和无功功率为：

其中，P_i、P_{i_load}分别为DG_i的输出有功功率和本地负荷有功功率，Q_i、Q_{i_load}分别为DG_i的输出无功功率和本地负荷无功功率，U_i为DG_i的输出电压幅值，V_PCC为母线电压幅值，X_i为DG_i至公共母线的等效电抗值，δ_i为DG_i输出电压相角与母线电压相角差值。

因此采用如下下垂方程：

f＝f^*-kpP

U＝U^*-kqQ

其中，f_i为DG_i输出电压频率，f^*为下垂控制频率额定值，U^*为下垂控制电压给定值，k_p为频率下垂系数，k_q为电压下垂系数。

(2)DG输出无功功率不均分分析

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 VSI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。

根据图2的电路关系可得：

U_i＝V_PCC+ΔU_i

为简单起见，本文以两个额定功率相同的DG并联运行共同承担公共负荷的情况为例，来分析线路阻抗对功率分配的影响。由此可以根据上式和图2的电路关系得出如下两式：

式中k₁代表DG₁侧线路阻抗系数，k₂代表DG₂侧线路阻抗系数。

由图3本地负荷和线路阻抗均不匹配时两台DG的无功功率分配关系图可知，由于X₁≠X₂、Q_{1_load}≠Q_{2_load}，此时k₁≠k₂，Q₁不等于Q₂，两台VSI间无功功率无法均分。

(3)改进下垂控制方法设计

在已有的针对微电网无功功率分配的改进下垂中，可分为加入通信系统及不加入通信系统。加入通信系统交换DG之间的信息通常可获得较好的控制效果，但同时会增加系统的硬件成本和通讯维护成本。本文提出的改进下垂控制方法在不依靠外界实时通信，仅需同步信号触发阶段切换，实现无功功率合理分配，消除无功环流。以n台并联DG单元为例，具体方法分三个阶段连续进行，其讨论如下：

阶段一-初始负荷分配

各DG单元工作在传统下垂控制方法，按上式给出的传统下垂特性自动分配有功、无功功率。稳态时，频率作为全局变量，因此各DG单元的有功出力可以实现精确均分。平均有功功率和总有功功率均可在本地求得：

P_{av_i}＝P_i

P_{total_i}＝nP_{av_i}

阶段二-根据频率下垂特性求解无功平均值

该阶段中，电压下垂特性保持不变；将无功功率信息添加至频率下垂特性，如式：

f_i＝f^*-k_pP_i+k_hQ_i

式中k_h为一常系数。

由于频率作为全局变量，由此可得：

k_pP₁-k_hQ₁＝k_pP₂-k_hQ₂＝...＝k_pP_i-k_hQ_i

解得：

式中Q_{av_i}、Q_{total_i}分别为DG_i的本地控制器计算的平均无功功率和总无功功率；P_i、Q_i分别为DG_i的输出有功、无功功率，均可在本地采集。

阶段三-模糊自适应补偿电压参考值

根据图4与上述的分析可知，由于本地负荷和线路阻抗的不匹配导致DG单元各线路阻抗上的压降不一致，从而导致无功功率难以均分。通过改变电压参考值，可使得线路压降的不平衡度被抵消，然而补偿值ΔU_i难以精确给定。

a_i＝Δ∫Q_idt＝∫Q_{av_i}dt-∫Q_idt

b_i＝ΔQ_i＝Q_{av_i}-Q_i

将DG_i输出的无功功率和阶段二中求得的平均无功功率按上两式分别得到模糊输入a_i、b_i。模糊控制器根据输入量a_i、b_i的大小自动调整电压补偿值，具体的制定了如表1所示的模糊规则。其中EN、EP和EZ分别为小于零、大于零和等于零。

表1 模糊控制器的规则制定

在初始状态，若模糊输入b_i大于0，模糊输出应由0逐渐变小，到达稳态时，模糊输入a_i稳定为一正值，b_i等于0，模糊输出稳定在一正值；同理模糊输入b_i小于0时，模糊输出应由0逐渐变大，到达稳态时，模糊输入a_i稳定为一负值， b_i等于0，模糊输出稳定在一负值。模糊推理输出特性曲面如图6所示，电压补偿值可据此规则进行自适应调节。

图7为改进下垂控制框图。图中中央控制器发出同步信号至本地控制器，触发阶段切换，而本地控制器之间没有通信，保持了微电网各DG单元的“即插即用”特性。

(4)改进下垂控制方法协调运行

根据上文分析可知，本方法三个阶段互相联系，阶段二需要阶段一的信息量，阶段三需要阶段二的信息量，即本方法需有功、无功功率保持恒定。然而微电网的负荷时时刻刻都在发生波动，势必会造成无功功率均分精度下降。由于阶段一和阶段二持续时间较短，故假设负荷只在阶段三中波动。根据下式将负荷波动、分为大、小负荷波动。

上式中P_wave、Q_wave分别为有功、无功功率波动值，其若Q_wave为正，则为正向波动；反之，为反向波动。

在实际电网中，小负荷波动较为频繁，大负荷波动相比较少，故为使得各DG 单元无功合理均分，需要通过如图8的流程进行协调运行。

当本地控制器检测发生大负荷波动时，中央控制器立即发出同步信号至各本地控制器，使得各DG单元重新工作与阶段一、二、三，重新计算平均有功、无功功率，实现无功功率精确均分。

当本地控制器检测发生小负荷波动时，本地控制器不给予动作，避免本地控制器频繁工作。由于模糊控制器的强鲁棒性，各DG单元输出无功功率强行收敛至阶段二求得的平均无功功率，但会造成PCC点电压的变化，若Q_wave大于0，则PCC 点电压下降；Q_wave小于0，则PCC点电压上升。由于负荷波动较小，故PCC点电压仍处于合理范围。

具体算例如下：

为了验证本文所提出的控制方法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2所示。本文采用3台容量相等，且最大允许输出有功、无功功率为20kw、15kvar的DG单元并联运行。仿真分别对以下四个算例进行仿真分析。系统参数如表2所示。

表2 下垂控制参数

算例1：三台DG正常运行

采用本文所提出的控制方法，三台相同容量的DG单元并联运行时的仿真结果如图10所示。具体仿真过程：初始时各DG单元工作在阶段一，图(10a)显示待系统稳定后各DG有功功率精确均分，DG_i的本地控制器计算P_{total_i}为30kW等于初始有功功率，利用采样保持器保持计算结果。1s时中央控制器发出同步信号至各DG单元本地控制器，各DG单元开始工作在阶段二，系统稳定时本地控制器测量有功、无功功率，根据式(14)和阶段一记录的P_{total_i}计算平均无功功率Q_{av_i}，计算结果为6.6kvar等于初始无功功率的平均值，利用采样保持器保持计算结果。 2s时中央控制器发出同步信号至各DG单元本地控制器，各DG单元工作状态由阶段二切换至阶段三，根据阶段二保持的Q_{av_i}和实时无功功率偏差和其积分作为模糊输入，利用模糊控制器自适应补偿，修改参考电压。图(10b)显示系统稳定时在不影响负荷有功均分的条件下，极大地提高了无功功率的均分精度。

算例2：系统发生大负荷波动

测试系统发生大负荷波动对改进下垂控制方法的影响，其仿真结果如图11所示。具体仿真过程为：初始时各DG单元工作在阶段一，图(11a)显示待系统稳定后各DG有功功率精确均分，DG_i的本地控制器计算P_{total_i}。1s时中央控制器发出同步信号至各DG单元本地控制器，各DG单元开始工作在阶段二，本地控制器计算平均无功功率Q_{av_i}，阶段三时根据阶段二保持的Q_{av_i}和实时无功功率偏差和其积分作为模糊输入，利用模糊控制器自适应补偿，修改参考电压，实现无功功率均分。在t＝4s时刻。负荷增加7500W有功功率和4000var无功功率，由于实际无功功率平均值与阶段二计算得到的平均无功功率误差较大，无法实现无功功率均分，且由于模糊控制器的作用，电压下降过大，故需再次采用改进下垂控制方法，重新计算平均无功功率，使得无功功率均分误差为零。

由图11可知，本文提出的改进下垂控制方法能够在不影响负荷有功均分的条件下，极大地提高了无功功率的均分精度，且大负荷波动对改进下垂控制方法没有影响。

算例3：系统发生小负荷波动。

测试系统发生小负荷波动对改进下垂控制方法的影响，其仿真结果如图12所示。具体仿真过程为：0～4s系统依次工作在阶段一、二、三。在t＝4s时刻，负荷增加2000W有功功率和1000var无功功率，由于实际无功功率平均值与阶段二计算得到的平均无功功率误差较小，本地控制器不给予动作，避免本地控制器频繁工作。同时模糊控制器的强鲁棒性，各DG单元输出无功功率强行收敛至阶段二求得的平均无功功率，造成PCC点电压的下降。由于负荷波动较小，PCC点电压仍满足要求。

由图(12a)、(12b)可知，本文提出的改进下垂控制方法能够在不影响负荷有功均分的条件下，极大地提高了无功功率的均分精度，且小负荷波动对改进下垂控制方法影响很小。

Claims (5)

1.一种基于模糊自适应补偿的交流微电网无功均分控制方法，用以使DG输出的无功功率均分，消除系统内无功环流，其特征在于，包括以下步骤：

1)各DG单元在下垂控制方式下工作，本地控制器获取平均有功功率P_{av_i}和总有功功率P_{total_i}，平均有功功率P_{av_i}和总有功功率P_{total_i}的计算式为：

P_{av_i}＝P_i

P_{total_i}＝nP_{av_i}

其中，P_i为第i个DG的输出有功功率，n为并联的DG单元的总数；

2)本地控制器根据频率下垂特性求解无功平均值Q_{av_i}，无功平均值Q_{av_i}的计算式为：

其中，k_p为电压下垂系数，P_{total_i}为总有功功率，Q_{total_i}为总有功功率，k_h为常系数，Q_i为第i个DG的输出无功功率；

3)设置模糊控制器的输入量，构建模糊控制器在参考电压范围内自适应确定电压补偿值，进行电压补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊自适应补偿的交流微电网无功均分控制方法，其特征在于，所述的模糊控制器的输入量a_i、b_i的计算式为：

a_i＝∫Q_{av_i}dt-∫Q_idt

b_i＝Q_{av_i}-Q_i。

3.根据权利要求2所述的一种基于模糊自适应补偿的交流微电网无功均分控制方法，其特征在于，所述的糊控制器的模糊规则为：

其中，EN、EP和EZ分别为小于零、大于零和等于零，ΔU_i为电压补偿值。

4.根据权利要求2所述的一种基于模糊自适应补偿的交流微电网无功均分控制方法，其特征在于，本方法还包括以下步骤：

当本地控制器检测到电网中出现大负荷波动时，中央控制器发出同步信号至各个本地控制器，使得各DG单元重新工作，并重新重复步骤1)-3)进行无功功率均分；

当本地控制器检测到电网中出现小负荷波动时，为避免本地控制器频繁工作，本地控制器不给予动作。

5.根据权利要求4所述的一种基于模糊自适应补偿的交流微电网无功均分控制方法，其特征在于，所述的大负荷波动和小负荷波动的定义为：

其中，P_wave、Q_wave分别为有功、无功功率波动值。

Images