CN109873448A - 一种基于自调节下垂控制的分布式电源并联运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自调节下垂控制的分布式电源并联运行方法，该方法包括功率控制外环模型和电压电流控制内环模型，功率控制外环模型通过采样系统中的电压电流以计算逆变器输出的有功功率与无功功率，再将计算所得功率输入到下垂控制方程中分别得到电压和频率，并将电压和频率合成三相参考电压U_ref后输入到电压电流控制内环，电压电流控制内环中的电压电流双环控制器快速跟踪参考电压U_ref后输出参考波，再将参考波输入到PWM脉冲发生器后为逆变器提供触发脉冲。本发明改进后DG逆变器输出无功功率与线路阻抗无关，并可通过设置期望输出的无功功率比，达到无功功率按DG容量比合理分配输出及抑制系统无功环流分量的目的。

Description

一种基于自调节下垂控制的分布式电源并联运行方法

技术领域

本发明涉及一种基于自调节下垂控制的分布式电源并联运行方法，属于分布式电源并联运行控制技术领域。

背景技术

多个分布式电源(distributed generation,DG)组成的低压微电网是高效利用新能源的一种新型方案。低压微电网的控制策略不仅要求能够在并网/孤岛两种工作模式下平滑切换，而且要保证在孤岛模式运行下各DG能为负荷提供优质的电能。下垂控制是低压微电网经典控制策略之一。当微电网处于孤岛模式时各DG并联运行，由于输电线路阻抗的差异，采用传统下垂控制难以实现输出无功功率按照DG容量比例合理分配。

已有很多文献针对传统下垂控制中存在的局限性进行研究并提出改进方案。文献“微电网逆变器自适应下垂控制策略(孙孝峰，杨雅麟，赵巍，等.电网技术，2014，38(9):28386-2391)”通过输出功率反馈调节下垂系数解决了线路阻抗差异问题，达到了输出功率合理分配的目的。文献“孤岛微网不平衡负荷下控制策略(屈克庆，李文旗，赵晋斌，等.电力系统保护与控制，2017，45(11):8-14)”针对三相负载不平衡及线路参数差异的问题，采用基于PR控制器的负序虚拟复阻抗的设计方法，减小了等效输出阻抗，平衡了公共点出的电压从而抑制系统中的负序环流分量。文献“用于多微源低压微电网的虚拟阻抗反下垂控制(麦倩屏，陈鸣.电力系统保护与控制，2018，46(1):96-102)”采用一种引入虚拟阻抗的新型反下垂控制方法，以解决微电网中的线路阻抗不平衡的问题。文献“一种适用于孤岛运行的逆变器控制方法(程启明，高杰，程尹曼，等.电网技术，2018,42(1):203-209)”为解决线路阻抗不相等引起输出功率分配不精确的问题，引入了输出电压的变化率动态调节其参考电压，从而改善了输出功率合理分配的精度。文献“一种适用于低压微电网的改进型下垂控制器(张宸宇，梅军，郑建勇，等.电力自动化设备，2015，35(4):53-59)”为解决低压微网的线路阻抗问题，通过虚拟阻抗法把线路阻抗设置为阻性，并采用在有功控制环中加入积分环节，使功率输出与线路阻抗无关，解决线路阻抗差异影响功率分配不合理问题。但该方法存在加入虚拟阻抗会导致电压降落和积分环节的引入使系统动态性能变差的问题。文献“改进负荷分配的孤岛微网下垂控制方法(杜燕，苏建徽，张榴晨，等.电力系统自动化,2015,39(15):24-29)”针对线路阻抗复杂特性，提出动、静态下垂系数代替传统下垂系数，同时配合开环电压补偿环，使输出功率按DG容量比合理分配。但该方法的开环补偿电压环需精确测量线路阻抗。文献“微网改进下垂控制策略研究(梁海峰，郑灿，高雅静，等.中国电机工程学报，2017，37(17):4901-4910)”针对低压微网线路阻抗不纯为抗性的情况，提出“虚拟电抗法”来改进传统下垂控制。改进后实现了功率按容量比合理分配输出。该改进方法提出的电压补偿环节，也需要得到准确的线路阻抗才能避免由于加入虚拟电抗而造成输出电压幅值出现较大跌落的问题。文献“基于动态虚拟阻抗的低压微电网下垂控制策略(闫俊丽，彭春华，陈臣.电力系统保护与控制，2015，43(21):1-6)”针对加入较大的虚拟阻抗会引起较大电压降落的问题，提出一种动态虚拟阻抗，避免出现大幅度的电压低落，同时改善了输出功率的合理分配的精度。

由传统下垂控制的功率传输特性可知，传统下垂控制中无功功率输出与线路阻抗有关，难以实现无功功率合理分配输出，从而出现较大的无功环流。针对该问题，本文提出了一种改进的自调节下垂控制策略，使得输出无功功率与线路阻抗无关，实现无功功率按DG容量比合理分配输出，达到抑制系统无功环流的目的。仿真结果验证了该改进策略的有效性

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于自调节下垂控制的分布式电源并联运行方法，以解决上述现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种基于自调节下垂控制的分布式电源并联运行方法，该方法包括功率控制外环模型和电压电流控制内环模型，功率控制外环模型通过采样系统中的电压电流以计算逆变器输出的有功功率与无功功率，再将计算所得功率输入到下垂控制方程中分别得到电压和频率，并将电压和频率合成三相参考电压U_ref后输入到电压电流控制内环，电压电流控制内环中的电压电流双环控制器快速跟踪参考电压U_ref后输出参考波，再将参考波输入到PWM脉冲发生器后为逆变器提供触发脉冲。

功率控制外环模型的改进无功下垂控制方程：

V＝V₀-n(Q-Q₀)+(K_P+K_I/s)(Q-Q_期)， (4)

式中K_p为比例放大系数、K_I为积分比例系数，Q_期为期望输出的无功功率；

改进无功功率输出表达式为

由(5)式可知，稳态时忽略式中微分项，则输出无功功率与线路阻抗X无关、无功下垂系数n无关，仅与公共点的电压幅值U、积分比例系数K_I和期望输出的无功功率Q_期相关。若两台DG并联运行，此时两DG的无功功率输出比为

稳态时忽略式中微分项，则两DG的无功功率输出比可以等效为

由(7)式可得改进后期望输出的无功功率比等于实际输出无功功率比，故可以通过设计合理的期望输出的无功功率比实现无功功率按DG容量比分配输出，抑制系统出现较大的无功环流。

电压电流控制内环模型的逆变器闭环传递函数和等效输出阻抗分别为：

U₀＝G(s)U_ref-Z_o(s)i_o(8)

式中U_ref为参考电压，Z₀(s)为逆变器的等效输出阻抗，G(s)为电压比例增益传递函数。电压电流双环控制器通过设计合理参数，确保快速跟踪参考电压U_ref，同时把逆变器的等效输出阻抗Z₀(s)在50Hz频段附近为近似感性，确保文中下垂控制的P/f和Q/V线性下垂特性。

多台分布式电源的无功功率输出按照容量比例分配。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明提出自调节下垂控制方法该改进策略在传统无功下垂控制方程中引入关于无功功率比例积分控制环节，并推导出改进后的无功功率输出表达式，分析采用改进策略后的无功功率输出表达式可知，改进后DG逆变器输出无功功率与线路阻抗无关，并可通过设置期望输出的无功功率比，达到无功功率按DG容量比合理分配输出及抑制系统无功环流分量的目的。仿真结果证明了该改进策略的可行性。

附图说明

图1是传统下垂控制方法的两台DG并联运行等效模型；

图2是传统下垂控制方法的有功功率、无功功率控制框图；

图3是本发明的下垂控制原理图；

图4是改进无功功率控制框图；

图5是改进的功率控制环结构图；

图6是电压电流控制框图；

图7是逆变器并联运行系统

图8是场景1的仿真结果；

图9是仿真场景2的仿真结果

图10是仿真场景3的仿真结果

图11是DG的参考波。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：传统下垂控制及其功率传输特性分析

以图1所示的两台DG并联运行等效模型为例来分析下垂控制原理及其功率传输特性。

图一中V_i，R_i，X_i，θ_i分别表示第i台DG的逆变器输出的电压、线路电阻、线路电抗、输出的电压相角。在低压线路中线路较短且滤波电感值较大，故线路阻抗近似呈感性。由于输出的相电压相角θ很小，则sinθ≈θ，cosθ≈1，则DG的逆变器的功率输出表达式可化简为:

上式表明在功率传输过程中，有功功率和无功功率分别由输出的电压相角θ和输出电压幅值成一阶线性比例关系。由于相角θ难以直接控制而频率的积分为相角，因此可采用频率来代替相角作为控制对象。此时传统的下垂控制方程可是表示为

式中P₀、Q₀为DG额定有功功率和无功功率；f、V为DG输出电压频率和幅值；P、Q为DG输出有功功率和无功功率；f₀、V₀为DG的参考频率和参考电压幅值的额定值；m、n为逆变器的有功功率和无功功率的下垂系数。由(1)式功率传输方程和(2)式下垂控制方程可得有功功率、无功功率控制框图：

由图(2)，可得DG的输出功率为

由(3)式中有功功率输出表达可知，当稳态时由于自然存在积分项，此时忽略式中微分项则有功功率输出与线路阻抗X无关^[24]。当两台相同额定容量DG并联运行时，仅需设定相同的有功下垂系数即m₁＝m₂，就能实现有功功率的合理分配。当两台不同额定容量DG并联运行时，可通过设定有功下垂系数比等于DG容量比，就能使输出有功功率按DG容量比合理；而由(3)式中无功功率输出表达可知，稳态时无功功率的输出与线路阻抗X有关。在相同额定容量的两台DG并联运行时，需设定相同的无功下垂系数即n₁＝n₂，并满足线路阻抗相等即X₁＝X₂，才能合理分配输出无功功率。当两台不同容量DG并联运行时，不仅要设定下垂系数比等于DG容量比，而且需满足线路阻抗比与DG容量比成反比，才能使输出无功功率按DG容量比合理分配。

实际中各DG线路的线路阻抗受诸多因素影响使线路阻抗比匹配DG容量比的条件十分苛刻，因此DG输出无功功率受线路阻抗的影响，使得输出无功功率分配不合理，导致了DG之间出现较大的无功环流。

实施例2：针对上述传统方法存在的问题，提出本申请的一种基于自调节下垂控制的分布式电源并联运行方法，该方法包括功率控制外环模型和电压电流控制内环模型，功率控制外环模型通过采样系统中的电压电流以计算逆变器输出的有功功率与无功功率，再将计算所得功率输入到下垂控制方程中分别得到电压和频率，并将电压和频率合成三相参考电压U_ref后输入到电压电流控制内环，电压电流控制内环中的电压电流双环控制器快速跟踪参考电压U_ref后输出参考波，再将参考波输入到PWM脉冲发生器后为逆变器提供触发脉冲，如图3所示。

针对传统下垂控制中存在的问题，本文提出一种改进自调节下垂控制方法。该方法在无功-电压的下垂控制方程的基础上加入关于无功功率的比例积分控制环节，得到功率控制外环模型的改进无功下垂控制方程：

V＝V₀-n(Q-Q₀)+(K_P+K_I/s)(Q-Q_期) (4)

式中K_p为比例放大系数、K_I为积分比例系数，Q_期为期望输出的无功功率由(4)式可得改进无功功率控制框图，如图4所示，由改进无功功功率控制框图，得到改进无功功率输出表达式为

由(5)式可知，稳态时忽略式中微分项，则输出无功功率与线路阻抗X无关、无功下垂系数n无关，仅与公共点的电压幅值U、积分比例系数K_I和期望输出的无功功率Q_期相关。若两台DG并联运行，此时两DG的无功功率输出比为

稳态时忽略式中微分项，则两DG的无功功率输出比可以等效为

由(7)式可得改进后期望输出的无功功率比等于实际输出无功功率比，故可以通过设计合理的期望输出的无功功率比实现无功功率按DG容量比分配输出，抑制系统出现较大的无功环流。

由上述可得改进的功率控制环如图5所示。

电压电流控制内环模型的控制框图如图6所示，图中C_f、L_f分别为滤波电容值、滤波电感值。电压电流控制内环模型的逆变器闭环传递函数和等效输出阻抗分别为：

U₀＝G(s)U_ref-Z_o(s)i_o (8)

式中U_ref为参考电压，Z₀(s)为逆变器的等效输出阻抗，G(s)为电压比例增益传递函数。电压电流双环控制器通过设计合理参数，确保快速跟踪参考电压U_ref，同时把逆变器的等效输出阻抗Z₀(s)在50Hz频段附近为近似感性，确保文中下垂控制的P/f和Q/V线性下垂特性。

多台分布式电源的无功功率输出按照容量比例分配。

为了说明本发明的方法效果，进行如下仿真实验：

为验证改进自调节下垂控制策略的有效性，在MATLAB中搭建两台DG并联运行模型如图7所示，两DG的有功功率控制始终采用传统有功下垂控制，对采用传统下垂控制与改进下垂控制两种情况下输出的无功功率进行对比分析。图中逆变器的额定电压幅值和额定频率分别为311V和50Hz；DG直流侧电压均为800V，滤波电容均为25μF,滤波电感为1.5mH,负荷为(10+j5)kVA。设定仿真时间为1s，0.5s前采用传统下垂控制，0.5s～1s采用改进下垂控制，其余相关参数根据不同的仿真场景设定。下面将在不同的仿真场景中对本文所提出的改进下垂控制策略进行验证。

仿真场景1：两台DG额定容量相同，线路阻抗不同。仿真参数见表一，仿真结果如图8所示。

表1场景1仿真参数表

仿真结果如图8所示，两台DG容量相同，线路阻抗不同，同时设置改进下垂策略中的期望输出的无功功率Q_期1＝Q_期2。当0～0.5s时采用传统的下垂控制时，由图8(a)得DG1和DG2输出的有功功率为均约为4.9kW，由图8(b)得输出无功功率分别约为2.9kvar和2.2kvar，此时图8(c)出现较大的系统环流。0.5s～1s采用改进下垂控制，此时DG1和DG2经过一个暂态调节过程后有功功率均约为10kW，而无功功率输出都约为2.5kvar，输出比例都约为1。图8(c)中系统环流明显减小。由图8(d)可知，改进前后输出电压幅值快速跟随参考电压幅值。

本文所提的下垂控制策略中实现了PQ解耦，因此在改进前后无功功率的改变不会影响有功功率输出。同时，文中P/f下垂控制中f为全局变量，使输出的有功功率始终能够合理分配，即P1和P2改进前后近似相等(改进后P1和P2出现短暂微小差异是由于解耦不完全所致)，出现了两条曲线近似重合的现象；本文采用改进自调节下垂控制后，由图8(d)可知自调节各DG逆变器的参考电压幅值后消除了线路阻抗差异的影响，实现功率的合理均分，抑制了系统无功环流分量。

仿真场景2：两台DG额定容量不同，线路阻抗相同。仿真参数见表二，仿真结果如图9所示。

表2场景2仿真参数表

仿真结果如图9所示，两台DG容量比例为2:1，线路阻抗相同，同时设置改进下垂策略中的期望输出的无功功率Q_期1＝2Q_期2。当0～0.5s时采用传统的下垂控制时，由图9(a)得DG1、DG2输出的有功功率分别约为6.5kW和3.25kW，输出比例约为2，由图9(b)得无功功率分别约为2.65kvar和2.65kvar，输出比例约为1，此时图9(c)出现较大的系统环流。0.5s～1s采用改进的下垂控制，经过一个暂态后DG1和DG2输出的有功功率分别约为6.5kW和3.25kW，无功功率输出分别约为3.5kvar和1.75kvar，输出比例都约为2，此时图9(c)中系统环流明显减小。由图9(d)可知，改进前后输出电压幅值快速跟随参考电压幅值。

由文分析可知稳态时，改进前后有功功率能按DG容量比2:1合理分配输出。0s～0.5s采用改进下垂控制前，由于此时线路阻抗比为1:1不匹配DG容量比2:1，故无法按DG容量比2:1输出无功功率，从而出现较大的系统环流。0.5s～1s在设置期望输出的无功功率Q_期1＝2Q_期2。后，采用本文提出的改进自调节下垂控制，通过自调节各DG逆变器的参考电压幅值后使无功功率按容量DG比2:1合理分配输出，其结果明显抑制了系统环流。

仿真场景3：两台DG额定容量不同，线路阻抗不同。仿真参数见表二，仿真结果如图10所示。

表3场景3仿真参数表

仿真结果如图10所示，两台DG容量比例为2:1，输电线路阻抗不同，同时设置改进下垂策略的期望输出的无功功率Q_期1＝2Q_期2。当0～0.5s时采用传统的下垂控制时由图10(a)得DG1和DG2输出的有功功率分别约为6.5kW和3.25kW，输出比例约为2，由图10(b)得无功功率输出分别约为3kvar和2.2kvar，输出比例约为1.36,此时图10(c)出现较大的系统环流；0.5s～1s采用改进自调节下垂控制，经过一个暂态后DG1和DG2输出的有功功率分别约为6.5kW和3.25kW，无功功率输出分别为3.5kvar和1.75kvar，输出比例都约为2。

由前面分析可知，本文在采用改进自调节下垂控制后，通过自调节各DG逆变器的参考电压从而使各DG逆变器输出无功功率为期望值Q_期。后，达到无功功率按DG容量比合理分配输出及抑制了系统环流的目的。

从三个仿真场景的系统环流仿真结果来看，本文方法在无功环流分量的抑制方面取得较好的效果，但系统环流都不同程度地引入了高次谐波，主要原因是采用改进策略后两台逆变器的参考电压出现较大的波动，引起逆变器间相对的参考电压差异更明显，即经电压电流双环控制后导致了两台DG的参考波的幅值和相位差变大如图11所示，从而引入了高次谐波。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于自调节下垂控制的分布式电源并联运行方法，其特征在于：该方法包括功率控制外环模型和电压电流控制内环模型，功率控制外环模型通过采样系统中的电压电流以计算逆变器输出的有功功率与无功功率，再将计算所得功率输入到下垂控制方程中分别得到电压和频率，并将电压和频率合成三相参考电压U_ref后输入到电压电流控制内环，电压电流控制内环中的电压电流双环控制器快速跟踪参考电压U_ref后输出参考波，再将参考波输入到PWM脉冲发生器后为逆变器提供触发脉冲。

2.根据权利要求1所述的一种基于自调节下垂控制的分布式电源并联运行方法，其特征在于：功率控制外环模型的改进无功下垂控制方程：

V＝V₀-n(Q-Q₀)+(K_P+K_I/s)(Q-Q_期) (4)

式中K_p为比例放大系数、K_I为积分比例系数，Q_期为期望输出的无功功率；

改进无功功率输出表达式为

由(5)式可知，稳态时忽略式中微分项，则输出无功功率与线路阻抗X无关、无功下垂系数n无关，仅与公共点的电压幅值U、积分比例系数K_I和期望输出的无功功率Q_期相关。

3.根据权利要求1所述的一种基于自调节下垂控制的分布式电源并联运行方法，其特征在于：电压电流控制内环模型的逆变器闭环传递函数和等效输出阻抗分别为：

U₀＝G(s)U_ref-Z_o(s)i_o (8)

式中U_ref为参考电压，Z₀(s)为逆变器的等效输出阻抗，G(s)为电压比例增益传递函数。

4.根据权利要求2所述的一种基于自调节下垂控制的分布式电源并联运行方法，其特征在于：多台分布式电源的无功功率输出按照容量比例分配。