CN109861284B - 一种新能源微电网的线路阻抗矫正装置 - Google Patents

Abstract

本发明针对新能源微电网中由于低压线路程阻感性造成的逆变器功率耦合和功率分配不合理问题，提出一种应用于新能源微电网的线路阻抗矫正装置，所述装置采用串联补偿方式，将分布式电源逆变器交流侧串联该装置后经由低压配网线路接入母线，通过控制装置输出电压电流的相位和幅值，补偿线路的电抗。当微电网电压等级过低而导致线路阻性过大时，装置通过发出感性无功功率来增加线路阻抗角。当线路感性过大时，装置发出容性无功功率来减小线路阻抗角，从而保证线路阻抗角可以根据需求调节成任意值，从本质上解决分布式电源功率耦合以及功率分配不合理问题，提高了微网新能源发电的效率和电能质量，提高了系统稳定性。

Description

一种新能源微电网的线路阻抗矫正装置

技术领域

本发明涉及分布式发电微电网逆变器控制领域，特别是涉及一种新能源微电网的线路阻抗矫正装置。

背景技术

随着风电、光伏等新能源的快速发展，基于分布式发电的微电网成为研究热点。微电网是指由多种分布式电源、储能系统、能量转换装置、负荷及监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统。而其中的分布式电源多由发电装置和逆变器组成，如光伏发电中，逆变器将光伏电池板发出的直流电转换为三相交流电。逆变器的控制策略至关重要，它影响着发电效率和电能质量。

当今微网中的各微源通常采用下垂控制(Droop control)方法，基于该方法各微源能自动分担负荷和能源的随机波动，在微电网运行模式切换时也无需更换控制方法，实现“即插即用”的功能。传统的下垂控制方法，模拟大电网中同步电机的外特性，让微源根据各自的下垂曲线调整输出电压的幅值和频率，从而实现功率的合理分配。

对于多微源低压微电网，传统的下垂控制存在一定的不足。首先，传统下垂特性是基于高压输电线路阻抗以感性为主的假设条件提出的，而低压微电网中线路阻抗主要呈阻性，这就导致了功率耦合，影响了功率控制效果；其次，由于微源的位置具有分散性，线路阻抗存在差异，会产生不同压降，从而影响功率的按容分配。由此可见，线路的阻抗值严重影响着逆变器控制策略的优劣。

为了解决这一问题，有学者提出虚拟阻抗法，通过添加虛拟感性阻抗使得等效输出阻抗呈感性，但该方法会使输出端电压出现跌落并増加系统的不稳定因素。也有学者采用动态虚拟阻抗，使拟阻抗的值能自适应调整取值，虽能克服虚拟阻抗法的缺点但较为复杂。以上提出的虚拟阻抗法只是在逆变器控制回路中，通过设计算法，虚拟出线路阻抗，线路阻抗值实际没有变化，并没有从本质上解决问题。

发明内容

鉴于此，本发明提出一种应用于新能源微电网的线路阻抗矫正装置(LineImpedance Correction Device，LICD)。通过将装置串联在线路中，可以根据需求，任意改变线路的阻抗特性，以优化新能源逆变器的控制性能，提高微电网稳定性。具体技术方案如下。

一种应用于新能源微电网的线路阻抗矫正装置，其特征在于，所述装置采用串联补偿方式，将分布式电源逆变器交流侧串联该装置后经由低压配网线路接入母线，通过特定的线路阻抗调节方法控制装置输出电压电流的相位和幅值，补偿线路的电抗，最终实现线路阻抗角维持在目标值。

所述装置线路阻抗调节方法包括步骤：

1)测量线路实际阻抗值：Z_l＝R_l+jX_l,计算线路实际阻抗角：R_l为线路电阻值，X_l为线路电抗值；

2)设线路阻抗角目标值为线路阻抗目标值：Z^* _l＝R^* _l+jX^* _l，R_l ^*为线路电阻目标值，X_l ^*为线路电抗目标值；由于装置直流侧为电容，不能补偿电阻，只能补偿电抗，所以通过调整电抗值来调节到目标值；因此有：R^* _l＝R_l，

3)计算线路电抗偏差值：

4)采集装置交流侧电流信号i_ac，得到i_ac的幅值为I_ac，通过锁相环得到电网电压相位，并以此为基准得到流过装置电流相位θ；

5)计算装置参考电压幅值U_LICD，U_LICD＝I_acΔX_l，LICD为本发明提出的线路阻抗矫正装置(Line Impedance Correction Device，LICD)；

6)计算装置参考电压相位δ，公式为：

其中，Switch为模式判断开关；当Switch＝1时，装置控制电压超前电流90度，此时补偿增加线路感抗，装置工作在感性模式；当Switch＝-1时，装置控制电压滞后电流90度，此时补偿增加线路容抗，装置工作在容性模式；

7)相位修正：为稳定直流侧电压，采取直流电压附加控制，采集装置直流电容电压U_DC，引入参考电压相角差修正量Δδ：

Δδ＝(U_DCref-U_DC)G_PI(s)

U_DCref为电容电压标准值，G_PI(s)为附加控制PI调节传递函数；

8)合成线路阻抗矫正装置参考电压基波u_LICD，公式为

u_LICD＝U_LICDsin(δ+Δδ)

9)通过电压双闭环控制实现装置输出电压实时跟踪参考值，公式为：

式中，G_PR(s)为输出电压双闭环控制电路中PR调节器的传递函数，k_p为电流调节比例系数，i_LICD为电流参考值，u～_LICD为装置电压实际输出值，e_LICD为装置的调制信号；

10)根据输出的调制信号驱动功率管工作，实现线路阻抗矫正装置的线路阻抗调节功能。

所述装置的硬件结构分为主电路和控制电路两部分，其中主电路由直流侧滤波电容、单相全桥逆变开关，交流侧滤波电感、电容组成；直流侧电容连接单相全桥逆变器直流母线侧；单相全桥逆变器交流侧输出连接滤波电感、电容；滤波电感、电容一侧连接分布式电源，另一侧经由线路连接到微电网。

所述控制电路包括：信号采集电路、锁相环电路、直流电压附加控制电路、参考电压相角计算电路、参考电压幅值计算电路、参考电压基波合成电路、输出电压双闭环控制电路、脉宽调制电路(SWM)。

本发明的有益效果是：当微电网电压等级过低而导致线路阻性过大时，所述装置通过发出感性无功功率来增加线路阻抗角。当线路感性过大时，装置发出容性无功功率来减小线路阻抗角，从而保证线路阻抗角可以根据需求调节成任意值，从本质上解决线路阻抗引起的逆变器下垂控制功率耦合以及功率分配不合理问题，提高了微网新能源发电的效率和电能质量，提高了系统稳定性。所述装置具有调节精度高、易于实施的优点。

附图说明

图1为线路阻抗矫正装置的主电路图；

图2为线路阻抗矫正装置控制回路框图；

图3为线路阻抗矫正装置阻抗矫正向量原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1展示了线路阻抗矫正装置的硬件主电路图以及在微电网中的拓扑结构。线路阻抗矫正装置串联在分布式电源与线路阻抗之间，即逆变器发出的交流电先流经阻抗矫正装置，再通过线路连接到微网母线。单个线路阻抗矫正装置包括：直流侧滤波电容、单相全桥逆变开关，交流侧滤波电感电容组成。直流侧电容作为储能装置提供感性或容性无功功率，通过控制单相全桥逆变开关调整电压电流幅值和相位，使其对外呈现不同的阻抗状态。

图2为线路阻抗矫正装置控制回路框图，控制过程如图所示，装置采集直流侧电容电压U_DC、交流侧电流i_ac、装置电压实际输出值u～_LICD、线路阻抗值R_l+jX_l，R_l为线路电阻值，X_l为线路电抗值。

首先计算线路实际阻抗角：然后将送入Switch模式判断开关，通过和线路阻抗角目标值作比较，判断装置工作模式。

通过锁相环PLL和RMS得到电流的幅值I_ac和相位θ。其中相位θ和Switch输出信号经由参考电压相位计算模块得到参考电压相位δ

通过电抗偏差计算模块得到线路电抗偏差值：结合I_ac通过参考电压幅值计算模块合成参考电压幅值U_LICD，U_LICD＝I_acΔX_l。

为稳定直流侧电压，采取直流电压附加控制，将直流电容电压U_DC与参考值作比较通过直流电压附加控制模块生成参考电压相角差修正量Δδ：Δδ＝(U_DCref-U_DC)G_PI(s)

接着由参考电压基波合成模块合成线路阻抗矫正装置参考电压基波u_LICD，u_LICD＝U_LICDsin(δ+Δδ)

通过电压双闭环控制实现装置输出电压实时跟踪参考值u_LICD，

将生成的装置调制信号e_LICD输送给SPWM调制模块生成开关信号驱动功率管工作，实现线路阻抗矫正装置的线路阻抗调节功能。

图3为线路阻抗矫正装置阻抗矫正向量原理图，其中3(a)为Switch＝1的感性模式。此时线路偏阻性，阻抗角偏低，对应实际中的低压微电网。电阻和电流同相位，电抗超前电流90度，保持电阻值不变，装置控制电压超前电流90度，在原来感抗的X_l基础上，补偿增加线路感抗ΔX_l，最终增加了阻抗角，得到线路阻抗目标值Z_l ^*，Z_l ^*＝R_l ^*+jX_l ^*，R_l ^*为线路电阻目标值，X_l ^*为线路电抗目标值。

图3(b)为Switch＝-1的容性模式。此时阻抗角偏大，控制装置电压滞后电流90度，此时补偿增加线路容抗ΔX_l，因为方向和原线路感抗X_l相反，电抗值减少，阻抗角减少。

根据向量原理图可知，在保持线路参数R_l+jX_l不变的前提下，根据任意已知的阻抗角目标值可唯一确定电抗偏差值ΔX_l，进而通过以上介绍的补偿方法，将线路阻抗修改成任意值。

如上所述，对本发明进行了详细的说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种应用于新能源微电网的线路阻抗矫正装置，其特征在于，所述装置采用串联补偿方式，将分布式电源逆变器交流侧串联该装置后经由低压配网线路接入母线，通过线路阻抗调节方法控制装置输出电压电流的相位和幅值，补偿线路的电抗，最终实现线路阻抗角维持在目标值；线路阻抗调节方法包括步骤：

1)测量线路实际阻抗值：Z_l＝R_l+jX_l,计算线路实际阻抗角：R_l为线路电阻值，X_l为线路电抗值；

2)设线路阻抗角目标值为线路阻抗目标值：Z^* _l＝R^* _l+jX^* _l，R_l ^*为线路电阻目标值，X_l ^*为线路电抗目标值；由于装置直流侧为电容，不能补偿电阻，只能补偿电抗，所以通过调整电抗值来调节到目标值；因此有：R^* _l＝R_l，

3)计算线路电抗偏差值：

4)采集装置交流侧电流信号i_ac，得到i_ac的幅值为I_ac，通过锁相环得到电网电压相位，并以此为基准得到流过装置电流相位θ；

5)计算装置参考电压幅值U_LICD，U_LICD＝I_acΔX_l，LICD为线路阻抗矫正装置(LineImpedance Correction Device，LICD)；

6)计算装置参考电压相位δ，公式为：

其中，Switch为模式判断开关；当Switch＝1时，装置控制电压超前电流90度，此时补偿增加线路感抗，装置工作在感性模式；当Switch＝-1时，装置控制电压滞后电流90度，此时补偿增加线路容抗，装置工作在容性模式；

7)相位修正：为稳定直流侧电压，采取直流电压附加控制，采集装置直流电容电压U_DC，引入参考电压相角差修正量Δδ：

Δδ＝(U_DCref-U_DC)G_PI(s)

U_DCref为电容电压标准值，G_PI(s)为附加控制PI调节传递函数；

8)合成线路阻抗矫正装置参考电压基波u_LICD，公式为

u_LICD＝U_LICD sin(δ+Δδ)

9)通过电压双闭环控制实现装置输出电压实时跟踪参考值，公式为：

式中，G_PR(s)为输出电压双闭环控制电路中PR调节器的传递函数，k_p为电流调节比例系数，i_LICD为电流参考值，u^～ _LICD为装置电压实际输出值，e_LICD为装置的调制信号；

10)根据输出的调制信号驱动功率管工作，实现线路阻抗矫正装置的线路阻抗调节功能。

2.根据权利要求1所述一种应用于新能源微电网的线路阻抗矫正装置，其特征在于，所述装置的硬件结构分为主电路和控制电路两部分，其中主电路由直流侧滤波电容、单相全桥逆变开关，交流侧滤波电感、交流侧滤波电容组成；直流侧滤波电容并联连接于单相全桥逆变器直流侧；单相全桥逆变器交流侧的第一输出端连接交流侧滤波电感的一端；单相全桥逆变器交流侧的第二输出端连接交流侧滤波电容的一端及分布式电源；交流滤波电感的另一端连接于交流滤波电容的另一端及微电网。

3.根据权利要求2所述一种应用于新能源微电网的线路阻抗矫正装置，其特征在于，所述控制电路包括：信号采集电路、锁相环电路、直流电压附加控制电路、参考电压相角计算电路、参考电压幅值计算电路、参考电压基波合成电路、输出电压双闭环控制电路、脉宽调制电路(PWM)。