CN108493966A - 一种基于虚拟同步技术的微电网不平衡负荷控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于虚拟同步技术的微电网不平衡负荷控制方法和装置，属于微电网运行与技术控制领域。在三相低压微电网带不平衡负荷工作时，实现对三相功率波动进行每相线路的独立暂态调节，转化传统的三相整体控制策略为各相线路逆变单元独立调控的模式。在控制中，对第四桥臂线路采用独立调制方法，解耦各相逆变器之间的联系。同时，利用交流信号发生器计算每相线路的功率变动并将作用于三相发电设备的虚拟同步调控原理改进为能应用在单相逆变单元的控制方式。最后，考虑解耦后每相线路多个并联单相逆变器的协同出力需求，设计了一种自适应补偿系数调节器。本发明加快系统的调控速度，抑制环流和输出阻抗差异的影响，总体起到良好的控制效果。

Description

一种基于虚拟同步技术的微电网不平衡负荷控制方法和装置

技术领域

本发明属于微电网运行与技术控制领域，提出了一种解决当三相低压微电网带不平衡负荷工作时，系统的暂态调控问题以及在此形势下每相线路多逆变单元协同出力的控制问题，一种基于虚拟同步技术的微电网不平衡负荷控制方法和装置。

背景技术

随着化石能源供需矛盾的日益尖锐以及环境污染问题的逐渐严重，以供电灵活可靠、新能源渗透率高、环境友善为主要特征的微电网供电体系正逐步取代现有的集中型、远距离输电结构。相比传统大容量电网，低压微电网具有多源低惯性、需要储能缓冲调节和多模式互补支撑等独特的运行特点。尤其是在低压微电网不断扩容的建设中，因单相负荷比重增加和多样化不平衡负荷的接入引起的系统运行三相线路负荷不平衡现象正日渐凸显，由不平衡负荷运载造成的线路电压失衡，会引起低压微电网运行的不稳定，并且不平衡电压中的负序电压分量会影响线路其他用电设备的正常工作或电路继电开关的状态误判，出现逆变器控制策略的失效以及输出倍频功率的现象，严重时会造成设备的损毁。因此微电网控制器急需设计在不平衡负荷工作下，对逆变器暂态供能进行的有效调控方法，以维护三相线路电压和功率的平衡，提高系统的暂态调节能力，使系统恢复到稳定运行状态。

系统运行在不平衡负荷暂态时，逆变器输出电流将出现波动，造成三相逆变器输出功率呈现二倍频振荡状态，严重影响电能的供电质量，造成稳态控制策略的失效。现阶段对于低压微电网不平衡负荷状态的改进控制设计主要有两种途径。一种是通过对称分量法分解，将不平衡电压量解耦为正序、负序以及零序分量，之后对引起电压失衡的负序分量进行独立补偿调节。多篇文献和仿真结果论证基于此设计思路的方法能够保证线路中三相电压的对称输出，降低三相电压的畸变率和不平衡度。但是利用对称分量法进行各序分量独立补偿的控制方式存在着所需计算量大、控制步骤复杂、存在功率倍频波动和响应不及时等问题；另一方法是利用三相四桥臂逆变器在处理不平衡负荷问题上的结构优势，控制器通过矢量调节和前馈补偿环节的控制实现各相线路电压的平衡，该方法调控原理简单、直流电压利用率高，但是需要精确的滤波电容器容值、系统抗干扰性差，并且需要进行繁琐的坐标变换，对硬件要求性高，难以适应实际工程应用的需要。近些年来，出现了以第四桥臂独立调节的控制方式，该设计简化了三维空间矢量调制的复杂度，但逆变器的主体控制结构仍是在对称分量法的分析基础上，对电压分量采用坐标变换和分序闭环补偿的整体性调控方式。

综上所述，在处理低压微电网带不平衡负荷运行问题时，现有的控制方法存在着数据计算量多、控制结构复杂、对硬件抗干扰性要求高、线路功率与电压不能得到及时有效调控等多个问题。

发明内容

本发明为一种基于虚拟同步技术的微电网不平衡负荷控制方法和装置。针对微电网带不平衡负荷运行时，三相电压、电流失衡、逆变器输出功率出现倍频波动、供电电能质量下降等问题，提出了一种系统暂态调控方法和装置。该装置利用三相四桥臂逆变器在处理不平衡负荷问题上的结构优势，不同于以往将三相线路整体进行调节的控制思想，而是将控制目标着眼于对每一相负荷情况独立进行功率调控，转化复杂的三相控制分析为每相逆变单元对各相线路不同的负荷运载情况进行独立供能调节的方式。从而避免了以对称分量法对不平衡电压进行分序处理时繁冗的坐标变换和复杂的分序补偿控制，降低了对所需硬件精度的要求，提升了实际应用的价值。

为了提高低压微电网系统整体运行的鲁棒性和可靠性，构建弹性电力系统，使微电网具有负荷波动自恢复能力。在本发明中引入了虚拟同步的控制原理，将应用于三相发电设备的调控概念改进为能作用于单相逆变单元的控制方式，从而形成本发明中的单相虚拟同步调控方式。在这种控制体系下，每相线路的单相逆变器能够根据电压输出相角与稳态平衡点的偏差情况自行调节逆变器的有功出力，同时根据线路无功的波动调节输出电压幅值的大小，调整负荷端三相电压的平衡。逆变器的主控单元应用以上控制原理建立起有功-相角、无功-幅值的调控联系，构建了逆变器输出电压与功率的实时调控，扩展了单相逆变器的应用功能。

当多台本装置并联运行在不平衡负荷状态时，由于解耦控制后的每台单相逆变器都在基于虚拟同步调控体系下运行，所以保证了每台设备能够在无互联线模式下，不需要数据通讯，即可根据线路的信号变化自行调节功率的输出情况。但是考虑到实际工程的需要，该种控制方式使得各并联逆变器存在响应时间过长、容量出力不均衡、各支点之间由于线路阻抗的差异易受到环流影响等问题。因此在本发明中针对并联运行控制问题提出了一种实时调整补偿系数的控制策略，通过建立自适应补偿系数调节器，将线路功率变化作为调节信号，实时调整每相线路并联单相逆变器的功率补偿调节系数，协同各逆变器的功率输出，提高装置的负荷波动自恢复速度，有效抑制了环流影响和功率分配的不均衡。

一种基于虚拟同步技术的微电网不平衡负荷控制装置，该装置包括第四桥臂独立控制模块、三相线路信号采集模块、功率计算模块、虚拟同步及电压幅值调制模块和自适应补偿系数调节器；

功率计算模块包括三相整体功率计算模块和单相功率独立计算模块；单相功率独立计算模块包括3个单相逆变器；

三相线路信号采集模块用于在控制器的控制过程中，实时采集三相线路电气信号，从而确定低压微电网的负荷平衡状态并为控制器的调控提供参考信号。在本发明中，每相独立调控的控制模式需要信号采集模块实时测定三相线路各相的电压、电流情况，并计算出对应的电压相角和功率值，以作为后续控制器的调节信号。

第四桥臂独立控制模块分别与三相线路信号采集模块、三相整体功率计算模块、单相功率独立计算模块相连；当系统带三相平衡负荷运行时，第四桥臂独立控制模块控制三相整体功率计算模块进行三相整体功率模块计算功率，当系统带三相不平衡负荷运行时，第四桥臂独立控制模块将三相整体控制型逆变模式解耦，并以第四桥臂独立调制的方式调控单相逆变器对每相线路的有功和无功进行计算；以第四桥臂独立调制的方式保证每相线路能够根据自身的运载负荷情况进行独立调节，维持各相负荷的功率供需平衡，化简传统三相整体调节处理的繁冗。

虚拟同步及电压幅值调控模块与功率计算模块相连，利用虚拟同步技术对每相的逆变进行控制，使单相逆变器通过有功-相角、无功-幅值的控制方式，维持线路功率和电压的稳定，保证微电网各相根据负荷的情况进行独立功率补偿，使每相功率供需达到平衡状态；

自适应补偿系数调节器与虚拟同步与电压幅值调控模块相连，用于在多个装置并联运行的情况下，协同每相线路并联的单相逆变器功率出力，通过功率变化调整补偿系数数值。提高调控的调节速度，维护各单相逆变器功率的均衡和抑制环流的影响。加快系统暂态的响应速度，保证在大负荷载入时能够长时间稳定地供应电能并抑制环流和容量差异的影响。

一种基于虚拟同步技术的微电网不平衡负荷控制方法，步骤如下：

步骤1：通过三相线路信号采集模块实时采集系统中每相线路的电压信号和电流信号。

步骤2：在低压微电网带平衡负荷运行时，每相线路的电压、电流平衡对称，三相电流矢量和为零矢量，每相负荷所需的有功和无功功率相等；则第四桥臂独立控制模块将功率计算过程切换为三相整体功率计算模式。

步骤3：在三相整体功率计算模式下，三相整体功率计算模块将三相线路信号采集模块采集的电压信号和电流信号通过派克坐标变换得到信号对应的旋转坐标系下分量。

步骤4：三相整体功率计算模块应用三相瞬时功率方程，计算出低压微电网每相的有功和无功功率瞬时值。

步骤5：在三相负荷状态不再平衡时，每相线路的电流不对称，三相电流矢量和不等于零矢量，三相整体功率计算策略失效，则第四桥臂独立控制模块将功率计算路径切换为单相功率独立计算模式。

步骤6：单相功率独立计算模块对每相功率进行计算时，采用交流信号积分器的方式，构建每相电压和电流的正交分量，对应的交流信号积分器传递函数为：

式中，k为比例系数；ω为电压角速度；u_α和u_β为输入信号u_i对应的正交分量，s为拉普拉斯变换变量；

步骤7：通过交流信号积分器后，将得到的两相静止坐标系下的每相电压、电流正交分量映射到旋转坐标系下。

步骤8：单相功率独立计算模块根据瞬时功率计算理论，计算每相线路的有功和无功功率的瞬时值。

步骤9：三相线路信号采集模块采集三相电流信号，并计算出三相电流和。

步骤10：单相功率独立计算模块对第四桥臂线路采取独立调制方式，控制第四桥臂输出电压来近似全补偿电感压降，确保整体线路电压为零，实现三相桥臂间的解耦，确保独立进行供能调控；其中，第四桥臂输出电压满足如下关系：

式中，u_n为第四桥臂输出电压；L_n为线路滤波电感值；i_n为第四桥臂线路电流，即三相电流之和；

所述独立调制方式中调制电压通过计算三相电流和在第四桥臂滤波电感上产生的电压求得；

步骤11：根据虚拟同步控制原理，建立单相逆变器的基于平衡运行状态的线性化方程

式中，P_input为虚拟机械输入功率；P_com为控制器的补偿功率；P_e为对应的逆变器输出电磁功率，通过功率计算环节得到；Δθ为偏离平衡点的相角差；J为虚拟的惯性系数；D_p为表征阻尼特性的虚拟相角阻尼系数；K_p为虚拟同步系数。

步骤12：根据电压角速度与参考角速度的偏差调节有功补偿，设定有功补偿功率的计算公式为：

P_com＝K_pcom(ω_n-ω)

式中，K_pcom为有功补偿系数，ω_n为参考电压角速度。

步骤13：模拟传统三相发电设备的调控原理，在每相的逆变独立调控中，设定无功-幅值的调控方程为：

式中，Q_set为无功功率设定值；Q_com为控制器无功补偿功率；Q_e为每相逆变器实际输出的无功瞬时值，通过功率计算环节得出；ΔE为输出电压幅值与平衡点的差值；D_q为电压幅值虚拟阻尼系数。

步骤14：设定控制器的无功功率补偿方程：

Q_com＝K_qcom(E_n-E)

式中，K_qcom为无功补偿系数；E_n为电压参考幅值，E为负荷侧实际电压幅值。

步骤15：以每相线路电压角速度偏离平衡点的变化情况作为调节的参考信号，构建调节函数，实时改变补偿系数，根据补偿功率计算公式，有功功率补偿系数为K_pcom，设有功补偿调节系数为则设定调节函数为：

式中，K_a为有功补调节比例系数，K_a的确定影响系统动态调节的速度；K_b为有功补偿调节积分积分，K_a决定逆变器的稳态作用效果；

每个单相逆变器自适应有功补偿系数为：

式中，K_pin表示初始有功调节系数。

步骤16：在调节函数中加入逆变器输出有功的变化情况，构建有功变化的微分项，表征每相有功的实时调整需求，有功功率补偿表示为：

M为有功功率微分项系数；

进一步地，当在多个装置并联运行的情况下，运用自适应补偿系数调节器进行以下操作：

步骤a：建立电压幅值偏移稳定运行点的变化与无功补偿系数之间的调节函数：

式中，K_c为无功补偿调节比例系数；K_d为有功补偿调节积分系数；

步骤b：在无功补偿系数调节中，引入无功功率微分项，表征逆变器无功输出的变化情况，构成控制器的实时无功功率补偿为：

K_qin为无功初始补偿系数，N为无功功率微分项系数。

本发明的有益效果：首先建立了第四桥臂独立调节的模式，将三相四桥臂整体解耦为每相线路能够独立调控的单相逆变单元，各单相逆变单元只用负责本相线路的负荷波动调控。其次在调控方法上，改进了原有的三相虚拟同步控制原理，使其能够应用在单相线路逆变控制上，有效构建了有功-相角、无功-幅值的调控联系。从而在总体的控制策略上，将三相整体控制方式转化为各单相线路上的独立自行负荷调节形式，简化了复杂的坐标变换和分序补偿步骤，使线路电压得到有效补偿，同时扩展了单相逆变器的功能，提高了低压微电网暂态调控能力，维护了系统的稳定运行。此外，为了保证长时间有效的电能调控，加快系统的调节速度，在本发明中设计了有多个三相四桥臂逆变单元并联运行时的控制模式，通过构建自适应补偿系数调节器，针对不同线路阻抗、不同逆变器调节容量差异进行协同控制，实时调整补偿系数数值，保证微电网主电网在运载不平衡负荷时，各逆变器能够协同出力，特别是在各相解耦的控制情况下，与各相线路并联运行的单相逆变器能够同步进行功率补偿，有效抑制并联逆变器容量出力和线路阻抗差异造成的功率分配不均衡影响，加快系统的调节速度，及时维持线路电压的稳定。

附图说明

图1为本发明一种实施例的功率计算结构图。

图2为本发明一种实施例的交流信号积分器原理图。

图3为本发明一种实施例的三相四桥臂解耦调控示意图。

图4为本发明一种实施例的虚拟同步控制原理图。

图5为本发明一种实施例的电压幅值调节原理图。

图6为本发明一种实施例的低压微电网多并联逆变器运行示意图。

图7为本发明一种实施例的解耦后各线路单相逆变器并联运行示意图。

图8为本发明一种实施例的自适应补偿系数调节器结构图。

图9为本发明一种实施例的微电网系统总体控制框图。

图10为本发明一种实施例的系统流程框图。

图11为本发明一种实施例的三相线路切入不平衡负荷时的电压仿真波形。

图12为本发明一种实施例的三相线路切入不平衡负荷时的电流仿真波形。

图13为本发明一种实施例的切入不平衡负荷时每相逆变器有功输出波形。

图14为本发明一种实施例的第四桥臂线路电流仿真波形。

图15为本发明一种实施例的加入自适应补偿系数调节器后单相电流调节情况。

具体实施方式

基于虚拟同步技术的微电网不平衡负荷控制方法，结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。设定标准相电压有效值为220V，额定频率为50Hz。

一种基于虚拟同步技术的微电网不平衡负荷控制装置，该装置包括第四桥臂独立控制模块、三相线路信号采集模块、功率计算模块、虚拟同步及电压幅值调制模块和自适应补偿系数调节器；

功率计算模块包括三相整体功率计算模块和单相功率独立计算模块；单相功率独立计算模块包括3个单相逆变器；

三相线路信号采集模块用于实时采集三相线路电气信号，第四桥臂独立控制模块分别与三相线路信号采集模块、三相整体功率计算模块、单相功率独立计算模块相连，当系统带三相平衡负荷运行时，第四桥臂独立控制模块控制三相整体功率计算模块进行三相整体功率模块计算功率，当系统带三相不平衡负荷运行时，第四桥臂独立控制模块将三相整体控制型逆变模式解耦，并以第四桥臂独立调制的方式调控单相逆变器对每相线路的有功和无功进行计算；

虚拟同步及电压幅值调控模块与功率计算模块相连，利用虚拟同步技术对每相的逆变进行控制，使单相逆变器通过有功-相角、无功-幅值的控制方式，维持线路功率和电压的稳定，保证微电网各相根据负荷的情况进行独立功率补偿，使每相功率供需达到平衡状态；

自适应补偿系数调节器与虚拟同步与电压幅值调控模块相连，用于在多个装置并联运行的情况下，协同每相线路并联的单相逆变器功率出力，通过功率变化调整补偿系数数值。

第四桥臂独立控制模块：用于在系统带三相不平衡负荷运行时，将三相整体控制型逆变模式解耦为各个独立运行的单相逆变器模块，以第四桥臂独立调制的方式保证每相线路能够根据自身的运载负荷情况进行独立调节，维持各相负荷的功率供需平衡，化简传统三相整体调节处理的繁冗。

三相线路信号采集模块：在控制器的控制过程中，需要对三相线路电气信号进行实时测量，从而确定低压微电网的负荷平衡状态并为控制器的调控提供参考信号。在本发明中，每相独立调控的控制模式需要信号采集模块实时测定三相线路各相的电压、电流情况，并计算出对应的电压相角和功率值，以作为后续控制器的调节信号。

功率计算模块：该环节包括三相整体功率计算模块和单相功率独立计算模块，在平衡负荷时应用三相整体功率模块计算功率。而在不平衡负荷时，切换为单相功率独立计算模块对每相线路的有功和无功进行计算。不同于三相瞬时功率计算理论，在单相线路中，需要扩展计算空间自由度，在本发明中每相功率计算都采用交流信号积分法构造虚拟电压、电流正交量，从而计算得出每相对应的功率调节参数。

虚拟同步及电压幅值调控模块：在三相四桥臂解耦为各单相独立逆变单元之后，对每一相的逆变控制应用虚拟同步技术，对单相逆变器来说，在运行方式上模拟三相同步调控原理，通过有功-相角、无功-幅值的控制方式，维持线路功率和电压的稳定，保证微电网各相根据负荷的情况进行独立功率补偿，使每相功率供需达到新的平衡状态。

自适应补偿系数调节器：用于在多个装置并联运行的情况下，协同每相线路并联的单相逆变单元功率出力，及时通过功率变化调整补偿系数数值，加快系统暂态的响应速度，保证在大负荷载入时能够长时间稳定地供应电能并抑制环流和容量差异的影响。

如图1所示，为本发明的功率计算环节，功率计算包括两种方式，具体方式的选择根据电流矢量的判别进行选择，一种基于虚拟同步技术的微电网不平衡负荷控制方法，具体来说有以下几个步骤：

步骤1：通过三相线路信号采集模块，对三相线路电压、电流信号进行实时检测。

步骤2：在低压微电网带平衡负荷时，系统运行在稳定状态，三相线路电压平衡对称，此时每相负荷所需的有功和无功功率相等，此时开关ST1闭合、ST2断开，三相逆变器做整体性调控分析。

步骤3：功率计算环节将检测到的三相电压、电流信号通过派克变换得到对应的旋转坐标系分量。

步骤4：对于功率的计算采用三相瞬时功率计算方程：

在本例中设定初始三相负荷平衡时，每相所需功率为：有功为1518W,无功为310Var。

步骤5：当某类单相负荷或者非线性负荷接入系统时，三相负荷状态不再平衡，逆变器输出的三相电流不再对称，每相的负荷需求情况出现差异，此时三相电流矢量和为：

在这种情况下，负荷状态判别模块将ST1断开、ST2闭合。功率计算需要将三相整体控制模式转化为各单相逆变器对每相线路负荷波动独立进行调节的方式上来。

步骤6：在功率计算方面，需要分别计算出每相的功率瞬时情况。在这一过程中，因为单相逆变单元只存在一维自由度，瞬时功率计算理论无法得到应用，所以需要将单相线路的电压、电流信号进行维度扩展，建立两相正交分量。在本发明中采用交流信号积分器的方式，构建电压和电流的正交分量。交流信号积分器的原理框图如图2所示。以构建单相电压正交分量为例，对应的两相正交电压传递函数为：

在本实例中，K为比例系数，取值1.3；ω为检测到的电压角速度；u_α和u_β为输入电压u_i对应的正交分量。

步骤7：将得到的两相静止坐标系下的正交分量转换到旋转坐标下。

步骤8：根据瞬时功率计算理论，计算每相线路有功和无功的瞬时值。

综上所述，本发明的功率计算环节根据微电网三相负荷的运行情况分为两种模式：三相功率整体计算模式和单相功率独立计算模式。两种模式的切换能够使控制器及时响应系统负荷的变化。

在三相负荷不平衡时，逆变器输出电压出现负序分量，系统整体控制策略在负序电压的影响下，难以实现功率和电压的有效调节。为此需要通过第四桥臂的独立控制，将三相四桥臂的每相桥臂之间的联系进行解耦，使各相逆变单元能够对每相负荷的情况进行独立调节。从而转化三相总体调控结构为单相逆变器独立补偿体系，简化控制的繁琐步骤，增强系统的快速调节能力。

步骤9：三相线路信号采集模块采集三相电流信号，并计算出三相电流和。

步骤10：三相四桥臂逆变器解耦调控的示意图如图3所示，为了分析三相四桥臂之间的耦合关系，首先根据基尔霍夫电压定律，建立三相回路之间的电压方程为：

式中，U_a、U_b、U_c为每相桥臂的输出电压；i_a、i_b、i_c为每相的线路电流；U_A、U_B、U_C为每相的负荷电压；L为三相的线路电感，实例中L＝5mH；L_n为第四桥臂的线路电感，这里同样取值5mH。同时，根据基尔霍夫电流定律，在三相负荷不平衡时，三相线路电流也不平衡，此时流过负荷中性点的电流矢量和不为零，则流经第四桥臂的电流为：

i_n＝i_a+i_b+i_c

由三相四桥臂的数学模型可知，由于第四桥臂工作在高频开关状态，产生的高频谐波分量会影响输出电压的质量，因此需要在桥臂的输出侧接入滤波电感，使桥臂输出电压畸变率降低。但与此同时，增加的线路电感会造成三相电路与第四桥臂电路之间的完全耦合，无法实现各相逆变的独立调控。在经过理论推导后可知，如果使得第四桥臂线路电压整体保持在零伏状态，即第四桥臂线路电压回路满足：

此时可以得到第四桥臂独立调制的电压信号为：

当第四桥臂调制电压确定时，可得对应的三相回路电压方程为：

从电压方程中可以看出，各相之间得到了解耦，从而实现了三相总体调节模式到单相独立调控方式的转变。为之后虚拟同步技术的应用和电压幅值的调节提供了技术支撑，简化了分序补偿控制方法的繁琐。

三相四桥臂逆变器在不平衡负荷运载情况下解耦为三个独立调控的逆变器，在每相负荷的动态调控过程中，逆变器控制方法的选择是整个控制系统结构的核心部分。在三相负荷不平衡时，需要对逆变器的输出电压进行调控，保证输送到负荷端的电压为标准正弦电压。线路电压的主要特征为频率和幅值，而对电压的调控在本质上是对线路传送功率的调节，保证功率的供需平衡。因此需要建立功率与电压的控制联系。虚拟同步技术模拟三相发电设备的工作特性，能够增强微电网运行的鲁棒性和可靠性。在本发明中将应用在三相设备的虚拟同步控制方式改进为单相逆变器的调控方法，在拓展单相逆变器功能的同时，能够使电压的调节具有惯性特征、阻尼特征等模拟实际发电设备的特性。其具体实现步骤包括：

步骤11：虚拟同步控制原理如图4所示，根据虚拟同步原理，模拟三相发电设备转子转动特性来构建的基于平衡运行状态的线性化方程为：

式中，P_input为虚拟机械输入功率；初始设定为1500W；P_com为控制器的补偿功率；P_e为对应的逆变器输出电磁功率，可通过功率计算环节得到。在相角调控中，Δθ为偏离平衡点的相角差；J代表虚拟的惯性系数，取值0.013kg.m2；D_p为表征阻尼特性的虚拟相角阻尼系数，这里设定为0.037N.m.s；K_p表示虚拟同步系数，取值0.14。该方程表征了逆变器有功功率和输出电压相角的关系。

步骤12：调节逆变器有功功率的输出，模拟了三相同步发电机的物理转动惯性和阻尼特性，对线路电压相角进行了实时跟踪，调节逆变器输出相角即是对输出电压频率进行调节。逆变器输出电压相角与角速度的关系可以表示为：

根据电压角速度与参考角速度的偏差调节有功补偿，可设定补偿功率的计算公式为：

P_com＝K_pcom(ω_n-ω)

K_pcom表示有功补偿系数，根据线性转动方程，控制单元通过检测到的有功功率变化调控输出的电压相角，以此达到电压跟踪和功率补偿的目的。

线路中无功功率的改变会造成供电电压幅值的波动，影响电能质量，同时幅值的波动也会影响解耦的控制效果。因此要保证单相线路在负荷变化时，逆变单元对线路无功变化造成的电压幅值影响进行及时地补偿。在本发明中通过单相线路功率计算环节可以得到线路的无功功率瞬时值，设计的无功-幅值调控方程，可对逆变器输出的电压幅值进行调控。

步骤13：设定无功-幅值的调控方程为：

式中，Q_set为无功功率设定值，初始设定为500Var；Q_com为控制器无功补偿值；Q_e为逆变器实际输出的无功大小，可有功率计算环节得出；ΔE为输出电压幅值与平衡点的差值；D_q为电压幅值虚拟阻尼系数，取值为0.031N.m.s。

步骤14：设定控制器的无功功率补偿方程为：

Q_com＝K_qcom(E_n-E)

K_qcom表示无功补偿系数。构建的电压幅值调节原理如图5所示，图中E_VSC为逆变器输出的电压幅值大小。无功调控方程维护了线路功率和电压幅值的稳定，使得逆变器可以根据线路电压的反馈情况，及时进行无功的调整。

电压虚拟同步和幅值补偿控制，建立了功率与电压调节的关系。使解耦后的单相逆变器能够以同步发电设备的特性参与线路负荷的调节，使系统的暂态调节能力增强，提高了应对负荷变动时的鲁棒性，同时使得电压频率和幅值在小范围内波动，及时维护了三相四桥臂的解耦控制条件和功率的供需平衡。

应用虚拟同步控制原理的逆变单元能够根据线路相角和电压幅值的变化自主进行功率调节，在多个并联逆变器协同运行的情况下，如图6所示，各逆变单元能够自行调节，直到系统重新进入稳态运行。但这种调节方式调控速度缓慢，尤其是在调控参数设计不恰当的时候，各逆变单元极易在负荷出现波动时候，造成输出电压调节振荡。各逆变单元也容易受地理阻抗的不同，造成功率出力的不均衡。因此，设计的自适应功率补偿系数控制器，能够在三相四桥臂解耦后，各相线路并联运行的单相逆变器如图7所示，根据线路测量的有功、无功变化自行调节补偿系数，协同各个并联单相逆变器的功率调控情况，使暂态调控时间加快，抑制环流和供能出力的不均衡。

步骤15：根据补偿功率计算公式，有功功率补偿系数为K_pcom，设有功补偿调节系数为则设定调节函数为：

式中，K_a的确定影响系统动态调节的速度，本实例设为2.73；K_b决定逆变器的稳态作用效果，取值为0.47。通过分析该参数调节方程可知，补偿调节系数随逆变单元输出功率的瞬时值而变化，影响逆变器的暂态调节效果。因此，单个逆变器自适应有功补偿系数为：

其中，K_pin表示有功初始补偿系数，初始设定值为2.45。

步骤16：为了表征逆变器输出有功的变化对控制器补偿的影响，在补偿调节中引入功率微分项，则控制器的实时有功功率补偿可以表示为：

M为有功功率微分项系数，设定数值为0.75。

步骤17：设定无功功率补偿系数的自适应调节函数为：

步骤18：在无功补偿系数调节中引入无功微分项，构成控制器的实时无功功率补偿为：

K_qin为无功初始补偿系数，初始值设定为1.82；为无功补偿调节系数；N为无功功率微分项系数，这里为0.32；同时调节参数K_c等于1.14；K_d等于0.11。

从而建立起的自适应补偿系数调节器控制框图如图8所示。

有功自适应补偿调控和无功自适应补偿调控共同组成了本发明中的自适应补偿系数调节模块，通过补偿系数的实时调整，保证了三相四桥臂逆变器在解耦后，每相线路并联运行的单相逆变单元协同均衡出力的效果，自适应调控的应用能有效提高系统线路暂态的恢复时间，规避各供电支路因阻抗差异引起的环流对功率均分的影响，总体起到了良好的控制效果。

本发明实施例的整体系统控制框架如图9所示，控制流程如图10所示。通过仿真分析可知，图11为微电网三相线路在切入不平衡负荷时,系统三相电压的仿真波形，这其中A相负荷不变，B相负荷增加为有功1680W，无功433Var；C相有功改变为1528W，无功变为324Var。从中可以看出本控制方法能够使三相电压及时恢复稳态，调控不平衡负荷的影响；图12为三相线路的各相电流的变化过程；结合图13的三相线路有功输出仿真波形来看，该方法提高了低压微电网的鲁棒性和可靠性，避免了功率的二倍频波动。图14为对应的第四桥臂电流仿真波形。在引入自适应补偿系数调节器后，以B相电流调节情况为例，对比可得到加入自适应补偿控制器后，电流达到稳态的速度加快，所需时间减少，同时电流的波动幅度也明显降低。

Claims (3)

1.一种基于虚拟同步技术的微电网不平衡负荷控制装置，其特征在于，该装置包括第四桥臂独立控制模块、三相线路信号采集模块、功率计算模块、虚拟同步及电压幅值调控模块和自适应补偿系数调节器；

功率计算模块包括三相整体功率计算模块和单相功率独立计算模块；单相功率独立计算模块包括3个单相逆变器；

三相线路信号采集模块用于实时采集三相线路电气信号，第四桥臂独立控制模块分别与三相线路信号采集模块、三相整体功率计算模块、单相功率独立计算模块相连，当系统带三相平衡负荷运行时，第四桥臂独立控制模块控制三相整体功率计算模块进行三相整体功率模块计算功率；当系统带三相不平衡负荷运行时，第四桥臂独立控制模块将三相整体控制型逆变模式解耦，并以第四桥臂独立调制的方式调控单相逆变器对每相线路的有功和无功进行计算；

虚拟同步及电压幅值调控模块与功率计算模块相连，利用虚拟同步技术对每相的逆变进行控制，使单相逆变器通过有功-相角、无功-幅值的控制方式，维持线路功率和电压的稳定，保证微电网各相根据负荷的情况进行独立功率补偿，使每相功率供需达到平衡状态；

自适应补偿系数调节器与虚拟同步与电压幅值调控模块相连，用于在多个装置并联运行的情况下，协同每相线路并联的单相逆变器功率出力，通过功率变化调整补偿系数数值。

2.利用权利要求1所述的一种基于虚拟同步技术的微电网不平衡负荷控制装置的控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：通过三相线路信号采集模块实时采集系统中每相线路的电压信号和电流信号；

步骤2：在低压微电网带平衡负荷运行时，每相线路的电压、电流平衡对称，三相电流矢量和为零矢量，每相负荷所需的有功和无功功率相等；则第四桥臂独立控制模块将功率计算过程切换为三相整体功率计算模式；

步骤3：在三相整体功率计算模式下，三相整体功率计算模块将三相线路信号采集模块采集的电压信号和电流信号通过派克坐标变换得到信号对应的旋转坐标系下分量；

步骤4：三相整体功率计算模块应用三相瞬时功率方程，计算出低压微电网每相的有功和无功功率瞬时值；

步骤5：在三相负荷状态不平衡时，每相线路的电流不对称，三相电流矢量和不等于零矢量，三相整体功率计算策略失效；则第四桥臂独立控制模块将功率计算路径切换为单相功率独立计算模式；

步骤6：单相功率独立计算模块对每相功率进行计算时，采用交流信号积分器的方式，构建每相电压和电流的正交分量，对应的交流信号积分器传递函数为：

式中，k为比例系数；ω为电压角速度；u_α和u_β为输入信号u_i对应的正交分量，s为拉普拉斯变换变量；

步骤7：通过交流信号积分器后，将得到的两相静止坐标系下的每相电压、电流正交分量映射到旋转坐标系下；

步骤8：单相功率独立计算模块根据瞬时功率计算理论，计算每相线路的有功和无功功率的瞬时值；

步骤9：三相线路信号采集模块采集三相电流信号，并计算出三相电流和；

步骤10：单相功率独立计算模块对第四桥臂线路采取独立调制方式，控制第四桥臂输出电压来近似全补偿电感压降，确保整体线路电压为零，实现三相桥臂间的解耦，确保独立进行供能调控；其中，第四桥臂输出电压满足如下关系：

式中，u_n为第四桥臂输出电压；L_n为线路滤波电感值；i_n为第四桥臂线路电流，即三相电流之和；

所述独立调制方式中调制电压通过计算三相电流和在第四桥臂滤波电感上产生的电压求得；

步骤11：根据虚拟同步控制原理，建立单相逆变器基于平衡运行状态的线性化方程：

式中，P_input为虚拟机械输入功率；P_com为控制器的补偿功率；P_e为对应的逆变器输出电磁功率，通过功率计算环节得到；Δθ为偏离平衡点的相角差；J为虚拟的惯性系数；D_p为表征阻尼特性的虚拟相角阻尼系数；K_p为虚拟同步系数；

步骤12：根据电压角速度与参考角速度的偏差调节有功补偿，设定有功补偿功率的计算公式为：

P_com＝K_pcom(ω_n-ω)

式中，K_pcom为有功补偿系数，ω_n为参考电压角速度；

步骤13：模拟传统三相发电设备的调控原理，在每相的逆变独立调控中，设定无功-幅值的调控方程为：

式中，Q_set为无功功率设定值；Q_com为控制器无功补偿功率；Q_e为每相逆变器实际输出的无功瞬时值，通过功率计算环节得出；ΔE为输出电压幅值与平衡点的差值；D_q为电压幅值虚拟阻尼系数；

步骤14：设定控制器的无功功率补偿方程为：

Q_com＝K_qcom(E_n-E)

式中，K_qcom为无功补偿系数；E_n为电压参考幅值，E为负荷侧实际电压幅值；

步骤15：以每相线路电压角速度偏离平衡点的变化情况作为调节的参考信号，构建调节函数，实时改变补偿系数，根据补偿功率计算公式，有功功率补偿系数为K_pcom，设有功补偿调节系数为则设定调节函数为：

式中，K_a为有功补偿调节比例系数，其值的选取决定系统调节的快慢；K_b为有功补偿调节积分系数，其值的确定影响系统的稳态运行效果；

每个单相逆变器自适应有功补偿系数为：

式中，K_pin表示初始有功调节系数；

步骤16：在调节函数中加入逆变器输出有功的变化情况，构建有功变化的微分项，表征每相有功的实时调整需求，有功功率补偿表示为：

M为有功功率微分项系数。

3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟同步技术的微电网不平衡负荷控制装置的控制方法，其特征在于，当在多个装置并联运行的情况下，运用自适应补偿系数调节器进行以下操作：

步骤a：建立电压幅值偏移稳定运行点的变化与无功补偿系数之间的调节函数：

式中，K_c为无功补偿调节比例系数；K_d为有功补偿调节积分系数；

步骤b：在无功补偿系数调节中，引入无功功率微分项，表征逆变器无功输出的变化情况，构成控制器的实时无功功率补偿为：

K_qin为无功初始补偿系数，N为无功功率微分项系数。