CN110071527A - 按比例分配无功负荷和电压幅频自调整改进下垂控制方法 - Google Patents
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Abstract
按比例分配无功负荷和电压幅频自调整改进下垂控制方法，包括以下步骤：1)，推导变流器注入微电网的无功功率Q的计算式，分析得出两台变流器输出无功功率Q的比例等于设备容量比的条件是变流器之间的系统阻抗比等于设备容量的反比，且系统阻抗的电感分量远大于电阻分量；2)，在下垂控制中加入虚拟阻抗，并推导出系统阻抗的频域表达式；计算出符合要求的虚拟阻抗；3)，在下垂关系中增加频率和幅值的自调整项，使变流器输出电压的参考值因负荷变动而产生的变化有效减小，确保微电网的PCC电压在额定范围；克服了微电网中并联变流器之间无功负荷分配不按设备容量比例且存在无功环流的问题，减小由较大负荷变动引起的变流器输出电压变化。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及按比例分配无功负荷和电压幅频自调整改进下垂控制方法。
背景技术
微电网是由分布式发电单元、储能设备、能量管理器、监控保护装置和本地负荷组成的小型区域电力网络，并具有孤岛和并网两种运行模式。微电网在孤岛运行时，大电网不能再提供电压支撑，此时分布式电源中用于并网的变流器需要运行在电压源模式来为微电网提供必要的电压支撑。下垂控制是电压源模式变流器广泛采用的一种控制策略。变流器采用该策略并联运行时，不仅能实现无通信自同步，还能实现分布式电源的“即插即用”。
然而采用下垂控制的并联变流器之间存在无功负荷不一定按照变流器容量比例进行分配的问题，甚至会在并联的分布式电源之间产生无功环流，这极大地影响了微电网的安全稳定运行。另外如果微电网的负荷变化较大，则采用下垂控制的变流器输出的有功/无功变化会较大，从而造成变流器输出电压的频率/幅值变化较大，甚至超出电网电压允许的额定范围，使微电网的电压质量不符合国家规定。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供按比例分配无功负荷和电压幅频自调整改进下垂控制方法，改进下垂控制策略，使并联在电网上的并网变流器之间能够按照设备之间的容量比例分担相应的无功负荷，从而有效地抑制了变流器之间的无功环流；当微电网的负荷变化较大时，改进下垂控制通过加入电压频率幅值自调整项可使变流器输出电压的变化有效减小，从而使微电网的电压满足电网规定。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：按比例分配无功负荷和电压幅频自调整改进下垂控制方法，包括以下步骤：
步骤1，推导变流器注入微电网的无功功率Q的计算式，得出无功功率Q值受变流器输出电压Uo、并网的公共耦合点PCC电压Upcc、下垂控制中的无功幅值下垂系数kq以及变流器的系统电抗X影响，系统电抗X包括变流器的输出阻抗Xo和变流器到PCC的线路阻抗Xl；进一步分析导出并联变流器分担的无功负荷，即输出无功功率Q的比例等于设备容量比的条件是系统阻抗比等于设备容量的反比，且系统阻抗的电感分量远大于电阻分量；
步骤2，为了使变流器的系统阻抗满足步骤1推导的条件，在下垂控制中加入虚拟阻抗，使变流器的系统电抗X变为由变流器的输出阻抗Xo、变流器到PCC的线路阻抗Xl和下垂控制中增加的虚拟阻抗Xv共同构成；依据变流器加入虚拟阻抗的下垂控制策略得出其在频域控制框图，并推导出系统阻抗的频域表达式；进一步推导出变流器的系统阻抗在频域需要满足的条件，并据此计算得出符合要求的虚拟阻抗；
步骤3，变流器是采用下垂关系得到其输出电压的参考值；如果负荷变化较大，则变流器输出的有功/无功变化较大，参考电压的频率/幅值将会超出额定允许的范围；改进当前的下垂关系，增加频率和幅值的自调整项，使输出电压的参考值变化有效减小，且超出电压额定范围的情况明显降低。
所述的步骤1，具体按照以下步骤实施：
步骤1.1，变流器注入微电网的无功功率为：
式中，Uo为变流器的输出电压，具体是变流器的逆变单元输出端连接的LC滤波电路中电容电压的幅值；Upcc为变流器接入微电网的PCC电压幅值；δ为变流器输出电压与PCC电压的相位差；X和R分别为变流器的系统阻抗Z中的电感与电阻；
步骤1.2，由于相位差δ通常很小，因此sinδ≈δ，cosδ≈1；如果假设变流器的系统阻抗近满足X>>R，变流器的输出无功可以进一步化简为：
步骤1.3，变流器采用的传统下垂控制中，变流器输出的有功和无功与输出电压的频率和幅值之间的关系如(3)式所示：
式中，fo和Uo分别是变流器输出电压的频率和幅值，P和Q是此时变流器对应输出的有功和无功；fn和Un是变流器输出电压的额定频率和额定幅值，Pn和0var是此时变流器对应输出的有功额定值和无功；kp和kq是下垂系数，依据变流器输出电压的额定值和最小值以及相对应的输出功率确定；
对于并联的两个变流器1和2，当电压频率或幅值变化相同的数值，输出有功或无功的变化量正比于设备的额定容量比，因此两个下垂系数的比值满足如下式所示的关系：
式中，kp1和kq1是变流器1的下垂系数；kp2和kq2是变流器2的下垂系数；Sn1和Sn2分别是变流器1和2的额定容量；
步骤1.4，将(3)式中的Q-U关系代入(2)式，得出采用下垂控制的变流器输出无功为：
步骤1.5，根据公式(5)，微电网上并联的两个变流器1和2输出的无功功率比为：
式中，Q1和Q2分别是变流器1和2的输出无功功率；X1和X2分别是变流器1和2的系统阻抗的电感；
进而依据公式(2)的简化条件和公式(4)，得到使两个变流器输出无功的比值等于设备容量比Sn1/Sn2的条件为：
式中，R1和R2分别是变流器1和变流器2的系统阻抗的电阻。
所述的步骤2，具体按照以下步骤实施：
步骤2.1，根据变流器加入虚拟阻抗的下垂控制策略写出其s域的控制框图，并据此得到变流器的系统阻抗为：
Gz(s)＝Gu(s)Zv(s)+Zo(s)+Zl(s) (8)
其中，前向通道增益Gu(s)为：
式中：Lf、Cf和Rf分别为变流器滤波电路的电感、电容和等效电阻；Gv(s)和GI(s)分别为电压和电流闭环的PI控制器传函Kvp(1+1/Tvis)和KIp(1+1/TIis)；
变流器的输出阻抗Zo(s)为：
变流器到PCC点的线路阻抗Zl(s)为：
Zl(s)＝Lls+Rl (11)
式中：Ll和Rl分别为线路的电感和电阻；
下垂控制中引入的虚拟阻抗Zv(s)为：
式中：Lv为虚拟阻抗的电感；Lvs的因子为低通滤波器LPF，截至频率为ωc，LPF是为了防止虚拟阻抗将输出电流Io的谐波分量放大；
步骤2.2，依据公式(7)给出使并联变流器按容量比例分担无功负荷的条件，得出两个并联变流器在s域的工频点ωb处虚拟阻抗满足的条件为：
式中，|Gz1(jωb)|和|Gz2(jωb)|分别是变流器1和2的虚拟阻抗的幅值；∠Gz1(jωb)和∠Gz1(jωb)分别是变流器1和2的虚拟阻抗的相角；
步骤2.3，依据步骤2.1和2.2的公式，计算出符合条件的虚拟阻抗Zv。
所述的步骤3，具体按照以下步骤实施：
步骤3.1，变流器的输出电压参考值来自公式(3)所示的下垂关系；如果负荷变化较大，则会使变流器输出的有功/无功变化较大，从而导致变流器输出电压的频率或幅值变化较大，甚至超出电压的额定允许范围；为了改善这种情况，在下垂关系中增加电压频率和幅值的自调整项，得到改进下垂关系式为：
式中，kf和kU分别为电压频率和幅值自调整项的调节系数，需要根据实际的工况确定；
步骤3.2，由于实际输出电压存在谐波，因此将频率和幅值自调整项中加入LPF进行滤波，进一步得到改进下垂关系式为：
式中，和分别是kf(fn-fo)和kU(Un-Uo)经过LPF后得到的直流分量。
本发明的有益效果是：
通过引入合理设计的虚拟阻抗和电压幅频自调整项得到的改进下垂控制与传统下垂控制相比，可以在并联变流器之间实现按照设备的额定容量比分配无功负荷，从而有效地抑制了变流器之间的无功环流。当微电网中负荷变化较大导致变流器输出的有功/无功变化较大时，改进下垂关系可以有效减小变流器输出电压的变化，降低其超出电压额定范围情况的发生，使孤岛运行的微电网的电压质量满足电能质量要求。
附图说明
图1是由两台并联的变流器构成的微电网系统图。
图2是加入虚拟阻抗的下垂控制结构框图。
图3是加入虚拟阻抗的下垂控制在频域的结构框图。
图4(a)是采用虚拟阻抗前变流器系统阻抗的频域特性图。
图4(b)是采用虚拟阻抗后变流器系统阻抗的频域特性图。
图5(a)是负荷为纯阻性时，采用虚拟阻抗前并联变流器间无功环流的对比图。
图5(b)是负荷为纯阻性时，采用虚拟阻抗后并联变流器间无功环流的对比图。
图6(a)是负荷为阻感性时，采用虚拟阻抗前并联变流器间无功分配比例和无功环流的对比图。
图6(b)是负荷为阻感性时，采用虚拟阻抗后并联变流器间无功分配比例和无功环流的对比图。
图7(a)是阻感性负荷变化时，采用电压幅频自调节前PCC电压频率和幅值变化的对比图。
图7(b)是阻感性负荷变化时，采用电压幅频自调节后PCC电压频率和幅值变化的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明为可以实现微电网中并联变流器之间无功负荷按设备容量比分配且可以自调整变流器输出电压的改进下垂控制策略。由并联变流器构成的微电网系统如图1所示。改进下垂控制策略具体按照以下步骤实施：
步骤1，推导变流器注入微电网的无功功率Q的计算式，得出无功功率Q值受变流器输出电压Uo、并网的PCC(PointofCommonCoupling)电压Upcc、下垂控制中的无功幅值下垂系数kq以及变流器的系统电抗X影响，系统电抗X包括变流器的输出阻抗Xo和变流器到PCC的线路阻抗Xl；进一步分析导出并联变流器分担的无功负荷，即无功功率Q的比例等于设备容量比的条件是系统阻抗比等于设备容量的反比，且系统阻抗的电感分量远大于电阻分量；
步骤2，为了使变流器的系统阻抗满足步骤1推导的条件，在下垂控制中加入虚拟阻抗，如图2所示，使变流器的系统电抗X变为由变流器的输出阻抗Xo、变流器到PCC的线路阻抗Xl和下垂控制中增加的虚拟阻抗Xv共同构成；依据变流器加入虚拟阻抗的下垂控制策略得出其在频域控制框图，如图3所示，并推导出系统阻抗的频域表达式；进一步推导出变流器的系统阻抗在频域需要满足的条件，并据此计算得出符合要求的虚拟阻抗；
步骤3，变流器是采用下垂关系得到其输出电压的参考值；如果负荷变化较大，则变流器输出的有功/无功变化较大，参考电压的频率/幅值将会超出额定允许的范围；改进当前的下垂关系，增加频率和幅值的自调整项，使输出电压的参考值变化有效减小，且超出电压额定范围的情况明显降低。
本发明的特点还在于，
步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1，变流器注入微电网的无功功率为：
式中，Uo为变流器的输出电压，具体是变流器的逆变单元输出端连接的LC滤波电路中电容电压的幅值；Upcc为变流器接入微电网的PCC电压幅值；δ为变流器输出电压与PCC电压的相位差；X和R分别为变流器的系统阻抗Z中的电感与电阻。
步骤1.2，由于相位差δ通常很小，因此sinδ≈δ，cosδ≈1。如果假设变流器的系统阻抗近满足X>>R，变流器的输出无功可以进一步化简为：
步骤1.3，变流器采用的传统下垂控制中变流器输出的有功和无功与输出电压的频率和幅值之间的关系如(3)式所示：
式中，fo和Uo是变流器输出电压的频率和幅值，P和Q是此时变流器对应输出的有功和无功；fn和Un是变流器输出电压的额定频率和额定幅值，Pn和0var是此时变流器对应输出的有功额定值和无功；kp和kq是下垂系数，依据变流器输出电压的额定值和最小值以及相对应的输出功率确定；
对于并联的两个变流器1和2，如图1所示，当电压频率或幅值变化相同的数值，输出有功或无功的变化量正比于设备的额定容量比，因此两个下垂系数的比值满足如下式所示的关系：
式中，kp1和kq1是变流器1的下垂系数；kp2和kq2是变流器2的下垂系数；Sn1和Sn2分别是变流器1和2的额定容量；
步骤1.4，将(3)式中的Q-U关系代入(2)式，得出采用下垂控制的变流器输出无功为：
步骤1.5，根据公式(5)，微电网上并联的两个变流器1和2输出的无功功率(分担的无功负荷)比为：
式中，Q1和Q2分别是变流器1和2的输出无功功率；X1和X2分别是变流器1和2的系统阻抗的电感；
进而依据公式(2)的简化条件和公式(4)，得到使两个变流器输出无功的比值等于设备容量比Sn1/Sn2的条件为：
式中，R1和R2分别是变流器1和变流器2的系统阻抗的电阻。
步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1，依据变流器加入虚拟阻抗的下垂控制策略，如图2所示，写出其s域控制框图，如图3所示，并据此得到变流器的系统阻抗为：
Gz(s)＝Gu(s)Zv(s)+Zo(s)+Zl(s) (8)
其中，前向通道增益Gu(s)为：
式中：Lf、Cf和Rf分别为变流器滤波电路的电感、电容和等效电阻；Gv(s)和GI(s)分别为电压和电流闭环的PI控制器传函Kvp(1+1/Tvis)和KIp(1+1/TIis)；
变流器的输出阻抗Zo(s)为：
变流器到PCC点的线路阻抗Zl(s)为：
Zl(s)＝Lls+Rl (11)
式中：Ll和Rl分别为线路的电感和电阻；
下垂控制中引入的虚拟阻抗Zv(s)为：
式中：Lv为虚拟阻抗的电感；Lvs的因子为低通滤波器LPF，截至频率为ωc，LPF是为了防止虚拟阻抗将输出电流Io的谐波分量放大；
步骤2.2，依据公式(7)给出使并联变流器按容量比例分担无功负荷的条件，得出两个并联变流器在s域的工频点ωb处虚拟阻抗满足的条件为：
式中，|Gz1(jωb)|和|Gz2(jωb)|分别是变流器1和2的虚拟阻抗的幅值；∠Gz1(jωb)和∠Gz1(jωb)分别是变流器1和2的虚拟阻抗的相角；
步骤2.3，依据步骤2.1和2.2的公式，计算出符合条件的虚拟阻抗Zv。
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1，变流器的输出电压参考值来自公式(3)所示的下垂关系；如果负荷变化较大，则会使变流器输出的有功/无功变化较大，从而导致变流器输出电压的频率或幅值变化较大，甚至超出电压的额定允许范围；为了改善这种情况，在下垂关系中增加电压频率和幅值的自调整项，得到改进下垂关系式为：
式中，kf和kU分别为电压频率和幅值自调整项的调节系数，需要根据实际的工况确定；
步骤3.2，由于实际输出电压存在谐波，因此将频率和幅值自调整项中加入LPF进行滤波，进一步得到改进下垂关系式为：
式中，和分别是kf(fn-fo)和kU(Un-Uo)经过LPF后得到的直流分量。
为了验证上述方法的有效性，在MATLAB/Simulink上进行仿真，微电网结构如图1所示。两台变流器的输出电压分别为Uo1∠δ1和Uo2∠δ2，微电网的PCC电压为UPCC∠0，Zload为负荷的阻抗。变流器1和2分别经过两条线路接入微电网的PCC，这两条线路的阻抗分别是Zl1和Zl2，长度分别为0.8km和0.7km，单位阻抗为0.642+j0.083Ω/km。变流器1和2的输出阻抗Zo1和Zo2近似相等，则两台变流器的系统阻抗比接近1:1。设计变流器1和变流器2的容量比为1:2，此时变流器的系统阻抗比与其容量比不匹配，需要加入合适的虚拟阻抗。
两台变流器采用的控制策略如图2所示。应用锁相环PLL从变流器输出电压Uo中检测出A相电压的相位δ。δ作为旋转坐标系dq的旋转角度，应用坐标变换将变流器的输出电压Uo和输出电流Io从三相静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系上，得到Uodq和Iodq。依据瞬时功率理论应用Uodq和Iodq计算出变流器输出的有功和无功功率P和Q，并经过低通滤波器滤除功率中的高频分量得到Pavg和Qavg。依据下垂控制策略依据Pavg和Qavg得出变流器输出电压的幅值U和相角θ。用得到的变流器输出电压减去由虚拟阻抗产生的电压降ΔUdq得到变流器输出电压的参考电压Uodqref。依据输出电压的实际值和参考值，应用电压闭环控制得到电感Lf电流的参考值ILdqref。依据电感Lf电流的实际值和参考值，应用电流闭环控制得到调制电压Udqmod。
图3是变流器控制策略的频域部分框图。由改进下垂控制得出变流器输出电压的期望值U。U减去虚拟阻抗Zv产生的电压降后与变流器实际输出的电压Uo构成闭环，通过电压控制环节GV(s)得到电感电流的参考值ILref。电感电流的实际值和参考值通过电流控制环节GI(s)得到调制电压Umod。进一步应用坐标变换得到调制电压在静止三相坐标系上的值Uabcmod。经过PWM调制环节KPWM，变流器的逆变桥输出电压与输出电压Uo的电压差作用在滤波电感Lf(Rf为电感和变流器的等效电阻)上产生电流IL。IL减去输出电流Io为流入电容Cf的电流。电容的电压为变流器的输出电压Uo。输出电压Uo减去线路阻抗的电压降等于微电网PCC的电压UPCC。
如图4(a)显示控制中加入虚拟阻抗前，变流器1和2在工频ωb处的系统阻抗幅值比|Gz1(jωb)|/|Gz1(jωb)|≈1:1；图4(b)显示控制中加入虚拟阻抗后，系统阻抗幅值比|Gz1(jωb)|/|Gz1(jωb)|≈2:1，满足与设备容量比成反比的条件。同时系统阻抗的相位满足的条件。因此通过加入适合的虚拟阻抗，可以满足变流器按比例分配无功负荷的条件。
参见图5(a)～(b)，给出负荷为纯阻性时，两台变流器输出的有功和无功。其中30Ω的阻性负荷分别在2s时刻投入，5s时刻切出。通过对比发现两台变流器采用虚拟阻抗后，可以有效的抑制变流器间的无功环流。
参见图6(a)～(b)，给出负荷为阻感性时，两台变流器输出的有功和无功。在阻感负荷投切前，微电网中的负荷为纯阻性。阻感负荷分时投入的顺序为在1s时投入100mH感性负荷，2s时刻投入30Ω阻性负荷，3s时刻再次投入100mH感性负荷，4s时刻切出100mH感性负荷，5s时刻切出30Ω阻性负荷，6s时刻再次切出100mH感性负荷。通过对比发现采用虚拟阻抗后，变流器间的无功电流环流得到了有效的抑制，同时变流器输出的无功功率按设备容量比分配。
参见图7(a)～(b)，给出对应图6(a)～(b)的负荷变化，微电网的PCC电压的变化。可以看出采用电压幅频自调节后，PCC电压的频率和幅值变化明显减小，并满足电能质量要求。
本发明是具有按比例分配无功和自调整电压幅频功能的改进下垂控制策略，具有如下优点：通过在下垂控制中引入合理设计的虚拟阻抗，可以在并联变流器之间实现按照设备的额定容量比分配无功负荷，并且有效地抑制了变流器之间的无功环流。当微电网中负荷变化较大导致变流器输出的有功/无功变化较大时，通过在下垂关系式中加入电压幅频自调整项，可以有效减小变流器输出电压的变化，降低其超出电压额定范围情况的发生，使孤岛运行的微电网电压质量满足电能质量要求。
Claims (4)
1.按比例分配无功负荷和电压幅频自调整改进下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，推导变流器注入微电网的无功功率Q的计算式，得出无功功率Q值受变流器输出电压Uo、并网的公共耦合点PCC电压Upcc、下垂控制中的无功幅值下垂系数kq以及变流器的系统电抗X影响，系统电抗X包括变流器的输出阻抗Xo和变流器到PCC的线路阻抗Xl；进一步分析导出并联变流器分担的无功负荷，即输出无功功率Q的比例等于设备容量比的条件是系统阻抗比等于设备容量的反比，且系统阻抗的电感分量远大于电阻分量；
步骤2，为了使变流器的系统阻抗满足步骤1推导的条件，在下垂控制中加入虚拟阻抗，使变流器的系统电抗X变为由变流器的输出阻抗Xo、变流器到PCC的线路阻抗Xl和下垂控制中增加的虚拟阻抗Xv共同构成；依据变流器加入虚拟阻抗的下垂控制策略得出其在频域控制框图，并推导出系统阻抗的频域表达式；进一步推导出变流器的系统阻抗在频域需要满足的条件，并据此计算得出符合要求的虚拟阻抗；
步骤3，变流器是采用下垂关系得到其输出电压的参考值；如果负荷变化较大，则变流器输出的有功/无功变化较大，参考电压的频率/幅值将会超出额定允许的范围；改进当前的下垂关系，增加频率和幅值的自调整项，使输出电压的参考值变化有效减小，且超出电压额定范围的情况明显降低。
2.根据权利要求1所述的按比例分配无功负荷和电压幅频自调整改进下垂控制方法，其特征在于，所述的步骤1，具体按照以下步骤实施：
步骤1.1，变流器注入微电网的无功功率为：
式中，Uo为变流器的输出电压，具体是变流器的逆变单元输出端连接的LC滤波电路中电容电压的幅值；Upcc为变流器接入微电网的PCC电压幅值；δ为变流器输出电压与PCC电压的相位差；X和R分别为变流器的系统阻抗Z中的电感与电阻；
步骤1.2，由于相位差δ通常很小，因此sinδ≈δ，cosδ≈1；如果假设变流器的系统阻抗近满足X>>R，变流器的输出无功可以进一步化简为：
步骤1.3，变流器采用的传统下垂控制中，变流器输出的有功和无功与输出电压的频率和幅值之间的关系如(3)式所示：
式中，fo和Uo分别是变流器输出电压的频率和幅值，P和Q是此时变流器对应输出的有功和无功；fn和Un是变流器输出电压的额定频率和额定幅值，Pn和0var是此时变流器对应输出的有功额定值和无功；kp和kq是下垂系数，依据变流器输出电压的额定值和最小值以及相对应的输出功率确定；
对于并联的两个变流器1和2，当电压频率或幅值变化相同的数值，输出有功或无功的变化量正比于设备的额定容量比，因此两个下垂系数的比值满足如下式所示的关系：
式中，kp1和kq1是变流器1的下垂系数；kp2和kq2是变流器2的下垂系数；Sn1和Sn2分别是变流器1和2的额定容量；
步骤1.4，将(3)式中的Q-U关系代入(2)式，得出采用下垂控制的变流器输出无功为：
步骤1.5，根据公式(5)，微电网上并联的两个变流器1和2输出的无功功率比为：
式中，Q1和Q2分别是变流器1和2的输出无功功率；X1和X2分别是变流器1和2的系统阻抗的电感；
进而依据公式(2)的简化条件和公式(4)，得到使两个变流器输出无功的比值等于设备容量比Sn1/Sn2的条件为：
式中，R1和R2分别是变流器1和2的系统阻抗的电阻。
3.根据权利要求1所述的按比例分配无功负荷和电压幅频自调整改进下垂控制方法，其特征在于，所述的步骤2，具体按照以下步骤实施：
步骤2.1，根据变流器加入虚拟阻抗的下垂控制策略写出其s域的控制框图，并据此得到变流器的系统阻抗为：
Gz(s)＝Gu(s)Zv(s)+Zo(s)+Zl(s) (8)
其中，前向通道增益Gu(s)为：
式中：Lf、Cf和Rf分别为变流器滤波电路的电感、电容和等效电阻；Gv(s)和GI(s)分别为电压和电流闭环的PI控制器传函Kvp(1+1/Tvis)和KIp(1+1/TIis)；
变流器的输出阻抗Zo(s)为：
变流器到PCC点的线路阻抗Zl(s)为：
Zl(s)＝Lls+Rl (11)
式中：Ll和Rl分别为线路的电感和电阻；
下垂控制中引入的虚拟阻抗Zv(s)为：
式中：Lv为虚拟阻抗的电感；Lvs的因子为低通滤波器LPF，截至频率为ωc，LPF是为了防止虚拟阻抗将输出电流Io的谐波分量放大；
步骤2.2，依据公式(7)给出使并联变流器按容量比例分担无功负荷的条件，得出两个并联变流器在s域的工频点ωb处虚拟阻抗满足的条件为：
式中，|Gz1(jωb)|和|Gz2(jωb)|分别是变流器1和2的虚拟阻抗的幅值；∠Gz1(jωb)和∠Gz1(jωb)分别是变流器1和2的虚拟阻抗的相角；
步骤2.3，依据步骤2.1和2.2的公式，计算出符合条件的虚拟阻抗Zv。
4.根据权利要求1所述的按比例分配无功负荷和电压幅频自调整改进下垂控制方法，其特征在于，所述的步骤3，具体按照以下步骤实施：
步骤3.1，变流器的输出电压参考值来自公式(3)所示的下垂关系；如果负荷变化较大，则会使变流器输出的有功/无功变化较大，从而导致变流器输出电压的频率或幅值变化较大，甚至超出电压的额定允许范围；为了改善这种情况，在下垂关系中增加电压频率和幅值的自调整项，得到改进下垂关系式为：
式中，kf和kU分别为电压频率和幅值自调整项的调节系数，需要根据实际的工况确定；
步骤3.2，由于实际输出电压存在谐波，因此将频率和幅值自调整项中加入LPF进行滤波，进一步得到改进下垂关系式为：
式中，和分别是kf(fn-fo)和kU(Un-Uo)经过LPF后得到的直流分量。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110460055A (zh) * | 2019-08-06 | 2019-11-15 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 高压直流输电系统的交流滤波器定值评估方法及装置 |
| CN111431219A (zh) * | 2020-04-28 | 2020-07-17 | 山东科技大学 | 一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法 |
| CN113258806A (zh) * | 2021-04-14 | 2021-08-13 | 山东大学 | 基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法及系统 |
| CN115224718A (zh) * | 2022-09-20 | 2022-10-21 | 西安热工研究院有限公司 | 储能换流器自适应下垂控制方法及系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105162134A (zh) * | 2015-08-26 | 2015-12-16 | 电子科技大学 | 新型微电网系统及其功率均衡控制策略和小信号建模方法 |
| CN105576708A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-05-11 | 国网上海市电力公司 | 一种微电网中逆变器并联运行时无功均衡分配控制方法 |
| CN106356862A (zh) * | 2016-10-14 | 2017-01-25 | 湖南大学 | 一种兆瓦级变流器并联交流母线电压质量改善方法 |
| CN106712088A (zh) * | 2017-01-17 | 2017-05-24 | 燕山大学 | 基于虚拟阻抗与虚拟电源的低压微电网逆变器控制体系 |
| CN107248756A (zh) * | 2017-06-19 | 2017-10-13 | 中国科学院广州能源研究所 | 一种提高微电网中多逆变器并联功率分配精度的控制方法 |
-
2019
- 2019-04-26 CN CN201910345677.1A patent/CN110071527A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105162134A (zh) * | 2015-08-26 | 2015-12-16 | 电子科技大学 | 新型微电网系统及其功率均衡控制策略和小信号建模方法 |
| CN105576708A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-05-11 | 国网上海市电力公司 | 一种微电网中逆变器并联运行时无功均衡分配控制方法 |
| CN106356862A (zh) * | 2016-10-14 | 2017-01-25 | 湖南大学 | 一种兆瓦级变流器并联交流母线电压质量改善方法 |
| CN106712088A (zh) * | 2017-01-17 | 2017-05-24 | 燕山大学 | 基于虚拟阻抗与虚拟电源的低压微电网逆变器控制体系 |
| CN107248756A (zh) * | 2017-06-19 | 2017-10-13 | 中国科学院广州能源研究所 | 一种提高微电网中多逆变器并联功率分配精度的控制方法 |
Non-Patent Citations (8)
| Title |
|---|
| XIAOBIN ZHANG ET AL.: "Improved Droop Control for Suppressing reactive circulating current and proportionally distributing reactive load between parallel converters", 2018 CHINESE AUTOMATION CONGRESS (CAC), pages 2 * |
| 于佳文 等: "基于虚拟阻抗的微电网离网状态改进下垂控制", 《长春工业大学学报》 * |
| 于佳文 等: "基于虚拟阻抗的微电网离网状态改进下垂控制", 《长春工业大学学报》, vol. 39, no. 6, 31 December 2018 (2018-12-31), pages 558 * |
| 王晓寰 等: "基于自适应下垂控制的多机逆变器双模式运行及平滑切换研究", 《电工电能新技术》 * |
| 王晓寰 等: "基于自适应下垂控制的多机逆变器双模式运行及平滑切换研究", 《电工电能新技术》, vol. 37, no. 3, 31 March 2018 (2018-03-31), pages 18 * |
| 程启明 等: "基于改进型下垂控制的微电网多主从混合协调控制", 《电力系统自动化》 * |
| 程启明 等: "基于改进型下垂控制的微电网多主从混合协调控制", 《电力系统自动化》, vol. 40, no. 20, 25 October 2016 (2016-10-25), pages 5 - 7 * |
| 程启明 等: "基于改进型下垂控制的微电网多主从混合协调控制", 电力系统自动化, vol. 40, no. 20, pages 5 - 7 * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110460055A (zh) * | 2019-08-06 | 2019-11-15 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 高压直流输电系统的交流滤波器定值评估方法及装置 |
| CN110460055B (zh) * | 2019-08-06 | 2020-12-18 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 高压直流输电系统的交流滤波器定值评估方法及装置 |
| CN111431219A (zh) * | 2020-04-28 | 2020-07-17 | 山东科技大学 | 一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法 |
| WO2021217900A1 (zh) * | 2020-04-28 | 2021-11-04 | 山东科技大学 | 一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法 |
| CN113258806A (zh) * | 2021-04-14 | 2021-08-13 | 山东大学 | 基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法及系统 |
| CN113258806B (zh) * | 2021-04-14 | 2022-03-29 | 山东大学 | 基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法及系统 |
| CN115224718A (zh) * | 2022-09-20 | 2022-10-21 | 西安热工研究院有限公司 | 储能换流器自适应下垂控制方法及系统 |
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