CN109728604A - 基于自适应虚拟阻抗的孤岛交流微电网功率均分控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛交流微电网功率均分控制方法，所述的孤岛交流微电网包括多个分别通过逆变器并联至公共母线的DG，所述的方法采用下垂控制实现功率分配，其特征在于，所述的方法引入自适应虚拟阻抗，自适应调整系统的无功分配，减少无功环流。与现有技术相比，本发明基于自适应虚拟阻抗，采用改进型下垂控制策略，首先实现系统功率的完全解耦，其次消除线路阻抗差异，实现无功功率均分，从而抑制无功环流。同时加入频率恢复和电压补偿环节，使系统频率和电压始终稳定在额定值周围，实现了无差调节。

Description

基于自适应虚拟阻抗的孤岛交流微电网功率均分控制方法

技术领域

本发明涉及一种孤岛交流微电网功率均分控制方法，尤其是涉及一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛交流微电网功率均分控制方法。

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、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统，微电网能够实现系统的自我控制、保护和管理，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。

将分布式电源(Distributed Generation，DG)组成微电网的形式运行，具有多方面的优点。在孤岛运行模式下，并联运行的DG通常采用下垂控制来实现功率的合理分配。传统下垂控制不依赖于中央控制器的通信技术便可实现并联DG按照各自容量来承担公共负荷，但其分配精度受物理参数的影响。当并联DG的等效线路阻抗不同时，传统下垂控制不能实现系统功率的合理分配，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，本发明研究目的首先是抑制无功环流，其次是解决下垂控制的有差调节。

“考虑无功功率协调的微网二级电压控制[J].中国电机工程学报,2018,38(4)”提出了协调无功功率分配的二级电压控制策略，结合直接电压控制和间接无功控制的优点，以无功-电压混合控制为目标，建立微网二级调压模型，同时实现无功功率的合理分配和提高电压控制精度。但该算法需要中央控制器通信技术，并且引入多个可调系数，其参数选取较为复杂。“基于线路阻抗辨识的微电网无功均分改进下垂控制策略[J].高电压技术,2017,43(4)”提出主动线路观测器可基于本地信号较精确地辨识出等效线路阻抗的实际值，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进行补偿，从而实现无功功率的合理分配。但该测量方法较为复杂，实用性不高，对微电网结构要求很高，不适用于网状等复杂结构。“基于同步补偿的孤岛微电网无功均分研究.电工技术学报”提出了一种基于同步补偿的改进下垂控制策略，根据DG输出电压生成同步信号，使DG分别工作在无功均分模式和电压恢复模式，同时实现无功均分和电压恢复，但对通信的同步性要求较高，出现高延迟时策略可能会失效。“微网改进下垂控制策略研究[J].中国电机工程学报,2017,37”提出带电压补偿的虚拟阻抗法，实现功率按容量分配的同时，电压不出现大幅跌落，并提出以曲代直的反S下垂控制策略解决频率越限问题。但反S型函数选取较为复杂，需要进行一一验证，且很难找到最佳函数项。“Distributed Adaptive Virtual ImpedanceControl for Accurate Reactive Power Sharing Based on Consensus Control inMicrogrids[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2017,8(4)”采用一致性算法寻找无功不匹配值，并将不匹配值馈送到积分控制器以产生虚拟阻抗校正，控制策略不需要知道物理参数，同时基于动态一致性控制实现电压恢复，但一致性算法建模较为复杂。

基于以上分析，微电网内环流不可能完全消除，并在一定范围内允许存在，通过合理匹配DG间等效线路阻抗以实现DG按容量比例分配负荷和功率波动，是抑制环流的重要手段。

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自适应虚拟阻抗的孤岛交流微电网功率均分控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛交流微电网功率均分控制方法，所述的孤岛交流微电网包括多个分别通过逆变器并联至公共母线的DG，所述的方法采用下垂控制实现功率分配，所述的方法引入自适应虚拟阻抗，自适应调整系统的无功分配，减少无功环流，虚拟阻抗值X_vi＝|K_i||Q_i|，其中K_i为自适应调节的虚拟阻抗系数，K_i为设定值，虚拟阻抗值X_vi主要是通过无功功率Q_i的变化自适应调节，虚拟阻抗值X_vi通过线路阻抗值Z_i设定，X_vi需要远大于线路阻抗Z_i，Q_i为逆变器输出的无功功率，脚标i为DG的序号。

对于引入虚拟阻抗导致的输出电压跌落，在下垂控制中加入电压补偿环节，对逆变器输出电压进行补偿。

加入电压补偿环节后，逆变器输出电压V_i'为：

其中，V_n为电压参考值，n_i为无功下垂系数，V_i为未加入电压补偿环节的逆变器输出电压。

对逆变器输出电压频率的下垂控制加入频率恢复环节，具体如下：

其中，f_i为输出电压频率，f_n为频率参考值，m_i为有功功率下垂系数，P_i为输出有功功率，k_f为频率一次补偿系数，k_c为频率二次补偿系数，c_i为第i个DG单元容量比值，n为参与功率均分的DG数目，m_j为第j个DG下垂系数。

无功功率下垂系数n_i满足以下条件：

其中，Q_max为最大无功负荷。

所述的有功功率下垂系数m_i满足以下条件：

其中，P_max为最大有功负荷。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)于自适应虚拟阻抗，采用改进型下垂控制策略，实现系统功率的完全解耦，消除线路阻抗差异，实现无功功率均分，从而抑制无功环流。

(2)加入频率恢复和电压补偿环节，使系统频率和电压始终稳定在额定值周围，实现了无差调节。

(3)本技术不需要全局通信，仅仅需要局部通信技术，大大降低了对于通信的依赖性，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为本实施例的微电网结构示意图；

图2为本实施例并联DG单元结构图；

图3为本实施例路阻抗不匹配时两台DG的无功功率分配关系；

图4为本实施例耦合分析结果，其中图4(a)为输出电压比、线路阻抗比和下垂系数的3-D图，图4(b)为无功功率分配、线路阻抗比和下垂系数3-D图；

图5为本实施例结构控制框图；

图6为本实施例虚拟阻抗调节无功功率原理，其中图6(a)为加入虚拟阻抗后的斜率变化，图6(b)为电压恢复平移过程；

图7为本实施例负荷突变时无功分配情况，其中图7(a)为传统下垂控制无功分配情况，图7(b)为本实施例控制方法无功分配情况；

图8为本实施例负荷突变时电压变化情况，其中图8(a)为传统下垂控制逆变器输出电压变化情况，图8(b)为本实施例控制方法逆变器输出电压变化情况；

图9为本实施例负荷突变时有功频率变化情况；

图10为本实施例频率恢复与有功分配关系仿真结果图，其中图10(a)为频率恢复情况，图10(b)为有功功率分配情况；

图11为传统下垂控制切换至改进型控制仿真结果图其中，图11(a)为无功功率分配变化情况，图11(b)为有功功率分配变化情况，图11(c)为逆变器输出电压恢复情况，图11(d)为频率波动情况。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

以下从传统下垂控制原理、改进型功率控制策略、参数优化选取、算例验证等几个方面对本发明的基于自适应虚拟阻抗的孤岛交流微电网功率均分控制方法做说明。

(1)传统下垂控制原理

考虑线路参数，而为了获得良好的滤波效果，采用LC滤波器以减少谐波注入电网，通常LC滤波器的电感值取得较大，逆变器输出端与负荷间的连接阻抗则以感性为主。因此，本发明忽略线路阻性成分，此时逆变器输出功率可简化表示为：

由此可知，有功功率同相角成线性关系，无功功率同电压成线性关系，传统下垂控制策略可表示为：

f_i＝f_n-m_iP_i

V_i＝V_n-n_iQ_i

其中，f_i为DG_i输出电压频率，f_n为频率参考值，V_n为电压参考值，m_i为有功下垂系数，n_i为无功下垂系数。

等效线路阻抗上的电压降为：

联立上式可得：

式中C为一常数。

可知，两台逆变器并联时，有如下关系式：

由上式可得，当无功下垂系数n₁＝n₂时，若要实现无功功率均分，即Q₁＝Q₂，则必须有等效线路阻抗X₁＝X₂。而在实际系统中，不同分布式单元的等效线路阻抗存在差异，故采用传统下垂控制策略时，无功功率不能实现均分。

两台DG单元的无功分配关系图如图3所示，其中A、B点为稳态运行点。图3中，假设两台DG单元的下垂增益相等，X₁≠X₂，Q₁≠Q₂，无功功率不能实现均分。

改变下垂系数也可改变无功功率分配误差，当下垂系数n<n’时，无功功率分配误差有ΔQ>ΔQ’,即增大下垂系数可以在一定程度上减小功率分配误差，但同时也会增大电压降落。

下垂系数和线路阻抗比对无功功率分配误差和电压幅值偏差的耦合效应可以通过控制变量法进行分析，如图4所示。为方便起见，在此分析中假设两台DG单元采用相同的下垂系数n₁＝n₂＝n。图4(a)所示为线路阻抗比和无功下垂系数对无功功率分配误差的影响。结果表明，不管线路阻抗比如何，都可以通过增加下垂系数来有效地降低无功功率分配误差。同时，随着线路阻抗比的增加，无功功率分配误差增大，而较大的无功下垂系数可以减小该误差。

从另一个角度来看，图4(b)所示为无功下垂增益和线路阻抗比对DG单元输出电压幅值的相对偏差的影响。较小和较大的下垂系数都有助于减小电压幅值的相对偏差。需指出，由于传统下垂控制的特征，电压幅值总是偏离额定值。因此，通过与图4(a)结果结合分析可得，相对较大的下垂系数可以同时减小无功功率分配误差和电压幅值相对偏差。但基于单个DG单元的无功下垂控制原理，较大的下垂系数可能会使该单元电压跌落超过规定限值，导致系统稳定性降低。然而，将电压幅值调节到额定值附近会导致无功功率分配存在较大偏差。

基于上述讨论，合理的运行策略是选取合适的下垂系数确保准确的无功功率均分，而弱化对各单元之间相对电压偏差的考虑，但必须将电压幅值限制在标准规定的合理范围内，以保证稳定性和电能质量。

稳态时，频率是全局变量，有功功率可以按照各自的下垂系数实现均分，但传统下垂属于有差调节，频率会在一定程度上偏离额定值。

(2)改进型功率控制策略

虚拟阻抗可以优化传统下垂控制，实现有功无功的解耦，同时成比例地调整虚拟阻抗，使各台逆变器出口电压一致，即可实现无功功率在各个逆变器间的均分。但虚拟阻抗也会加大电压降落，当选值不当时可能引起系统电压崩溃，故在此基础上引入电压恢复环节。同时，传统有功频率下垂属于有差调节，系统频率也会出现一定的偏差，故此引入频率恢复环节。其结构图如图5所示。

现有文献大多采用固定虚拟阻抗，或者固定虚拟阻抗与可调阻抗的组合，本发明针对等效线路阻抗不匹配引起的无功环流问题，在现有虚拟阻抗控制策略基础之上，提出一种改进型自适应虚拟阻抗控制策略。构造与无功信息有关的虚拟阻抗值，仅采用一个可调参数，自适应调整系统的无功分配，从而减少无功环流。其虚拟阻抗值可表示为：

X_vi＝|K_i||Q_i|

式中，X_vi为与无功有关的虚拟阻抗值，K_i为虚拟阻抗系数，自适应调节K_i值就能达到调整虚拟阻抗的目的；无功功率取绝对值，虚拟阻抗系数也取绝对值，可有效保证系统电抗值恒为正数，防止引入容性值加大无功环流。

需指出，当虚拟阻抗远大于线路阻抗时，新的等效线路阻抗近似等于虚拟阻抗，即X₁＝X₂，此时无需测量实际线路的物理参数。同样只需考虑虚拟阻抗上的电压降落值。

为便于分析，本发明假设两台DG单元并联运行，其容量相等，无功下垂系数设置一致，均取n。

为了说明自适应虚拟阻抗进行无功调节的原理，图6给出了详细调节过程。传统Q-V下垂控制策略中，两台DG单元等效线路阻抗存在差异，故其分别稳定运行在A点和B点，存在较大无功环流ΔQ。当分别加入相应的虚拟阻抗X_vi后，斜率明显增大，但同时也增大了电压跌落，如图6(a)所示，对此，加入电压补偿环节，使其曲线向上平移，实现电压恢复，最后稳定运行在A’点和B’点，此时无功环流等于ΔQ’。

对比调节前后无功环流ΔQ和ΔQ’，系统无功环流明显减小，功率分配精度有了较大改善。

添加虚拟阻抗可以解决等效线路阻抗不匹配的问题，但同时，虚拟阻抗的引入也会导致电压降落，若取值不当，很可能使电压跌落值超过最小限值，导致电压崩溃，故此处添加补偿环节进行电压补偿。

对逆变器i加入虚拟电阻，可得无功功率流过虚拟阻抗产生的电压降落为：

此时，无功电压下垂可以表示为：

频率作为衡量电能质量的主要指标之一，系统运行中频率变动对用户、发电厂和系统本身都会产生不同程度的影响^[17]。稳态时，频率作为全局变量，采用下垂控制的有功频率调节可以实现有功功率均分，但下垂控制属于有差调节，频率会在一定程度上偏离额定值，所以在此基础上引入频率的一次恢复环节：

Δf_i＝k_f∫(f_n-f_i)dt

式中，k_f、f_n设置一致，Δf_i为频率恢复值。

两台DG单元有功功率实现均分时，δ_i∝X_i，而实际系统中X₁≠X₂，那么电压相角差δ_i也将有所不同，进一步可知不同DG单元的频率恢复值Δf_i也将不同，最终导致有功功率均分精确性降低。故此引入频率的二次恢复环节：

其中c_i可得：

因此，输出有功频率下垂最终可以表示为：

(3)参数优化选取

由下垂控制特性可知，下垂系数的选取可直接影响系统功率均分的精度，较大的下垂系数能够得到较好的无功功率分配精度，但也会导致更大的电压跌落，其耦合关系如图4所示。因此，逆变器并联运行时的功率均分效果和输出电压质量必须进行折中考虑。同理，频率也会随着下垂系数的增大偏离额定值。

根据《全国供用电规则》，用户受电端的电压变动幅度不超过额定电压的±5％，本发明中输出电压应大于95％的额定电压V_n，故有：

V_i＝V_n-n_iQ_max≥0.95V_n

化简可得：

其中Q_max为最大无功负荷。

同理，系统频率也存在限值，有功频率下垂系数的选取必须保证频率工作在允许范围内。《电能质量电力系统频率允许偏差》(GB/T 15945－1995)中规定：电力系统频率偏差允许值为0.2Hz，故可得：

其中P_max为最大有功负荷。

(4)仿真分析

为了验证上述所提控制策略的可行性，本发明基于Matlab/Simulink软件平台搭建微电网系统仿真模型。图5所示为单个DG单元，本发明仿真模型由两台容量相同的DG单元构成，故系统有功下垂系数取相同值m₁＝m₂＝m，同理无功下垂系数n₁＝n₂＝n，系统仿真参数如表1所示：

表1系统仿真参数

算例1对本发明所提改进型功率控制策略在系统负荷发生突变时的可行性进行验证；

算例2对频率恢复与有功功率的关系验证；

算例3对传统下垂控制切换至改进型控制策略的无功功率分配效果进行验证。

算例1：系统负荷发生突变

本算例对系统负荷发生突变和甩负荷的情况进行验证，仿真结果如图7、8、9所示。具体仿真过程：初始时刻系统公共有功负荷为10kw，无功负荷为5kvar，0～1秒系统负荷保持不变，1秒时系统负荷发生突变，增加有功负荷4kw，无功负荷2kvar。2秒时，切除1s时刻增加的系统负荷。从图7可知，当等效线路阻抗不一致时，采用传统下垂控制不能实现无功功率均分，而改进型控制策略从初始时刻到负荷突变再到切负荷都能达到很好均分效果；图8中，对比传统下垂控制，本发明所提电压恢复策略能够较好实现电压稳定在额定值；图9中频率也能同时恢复至额定值，不受负荷切换的影响。系统有功功率由于积分项的存在，始终维持均分效果。

算例2：

本算例对上述所提的频率恢复与有功功率均分的关系进行仿真验证，仿真结果如图10所示。系统公共负荷取值与算例1初始时刻负荷相同。为消除频率偏差对系统的影响，本算例从0～1s采用频率一次恢复环节，在这段时间内，频率能够较好的恢复至额定值，而伴随着有功功率出现了约50w的偏差，1秒后，系统中加入频率的二次恢复环节，此时，频率出现小幅波动，最终稳定在额定值，同时有功功率差值接近于0，实现较好均分效果。

算例3：

本算例对传统下垂控制切换至改进型控制以及发电单元出现故障时的工作效果进行验证，仿真结果如图11所示。0～1s系统工作在传统下垂控制模式，无功环流较大，无功不能均分，且电压跌落较大；1s时，由传统下垂控制切换至改进型控制策略，此时无功环流明显减小，同时电压得到很好的恢复。有功频率调节不受其模式切换的影响，仍能保持良好效果。

Claims (6)

1.一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛交流微电网功率均分控制方法，所述的孤岛交流微电网包括多个分别通过逆变器并联至公共母线的DG，所述的方法采用下垂控制实现功率分配，其特征在于，所述的方法引入自适应虚拟阻抗，自适应调整系统的无功分配，减少无功环流，虚拟阻抗值X_vi＝|K_i||Q_i|，其中K_i为自适应调节的虚拟阻抗系数，X_vi为与无功有关的虚拟阻抗值，Q_i为逆变器输出的无功功率，脚标i为DG的序号。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛交流微电网功率均分控制方法，其特征在于，对于引入虚拟阻抗导致的输出电压跌落，在下垂控制中加入电压补偿环节，对逆变器输出电压进行补偿。

3.根据权利要求2所述的一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛交流微电网功率均分控制方法，其特征在于，加入电压补偿环节后，逆变器输出电压V′_i为：

其中，V_n为电压参考值，n_i为无功下垂系数，V_i为未加入电压补偿环节的逆变器输出电压。

4.根据权利要求1所述的一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛交流微电网功率均分控制方法，其特征在于，对逆变器输出电压频率的下垂控制加入频率恢复环节，具体如下：

其中，f_i为输出电压频率，f_n为频率参考值，m_i为有功功率下垂系数，P_i为输出有功功率，k_f为频率一次补偿系数，k_c为频率二次补偿系数，c_i为第i个DG单元容量比值，n为参与功率均分的DG数目，m_j为第j个DG下垂系数。

5.根据权利要求3所述的一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛交流微电网功率均分控制方法，其特征在于，无功功率下垂系数n_i满足以下条件：

其中，Q_max为最大无功负荷。

6.根据权利要求4所述的一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛交流微电网功率均分控制方法，其特征在于，所述的有功功率下垂系数m_i满足以下条件：

其中，P_max为最大有功负荷。