CN110190607B - 提高微网逆变器无功均分精度的自适应虚拟阻抗控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明旨在针对传统下垂控制由于线路阻抗不匹配导致逆变器无功功率无法均分且常规虚拟阻抗提高无功均分精度不明显问题，提出了一种无需通讯的自适应虚拟阻抗控制策略。通过引入自适应虚拟阻抗，构建其与逆变器输出无功之间的函数关系，并基于功率传输特性设计了自适应虚拟阻抗控制器，最后对其实现微网无功均分性能进行仿真验证。结果表明，所提出的自适应虚拟控制策略可以明显提高无功均分精度，且提高无功均分精度范围在0‑50％之间，可适应于纯感性和复阻抗网络中。

Description

提高微网逆变器无功均分精度的自适应虚拟阻抗控制策略

技术领域

本发明涉及一种微网控制策略，更具体地，涉及一种提高微网逆变器无功均分精度的自适应虚拟阻抗控制策略。

背景技术

近年来，微电网凭借着多样化的供能模式以及弹性的控制方式，逐渐成为国内外炙手可热的研究焦点。相比于传统的分布式系统，微电网可运行在并网和孤岛两种模式下。在主电网发生故障的情况下，微电网必须切换至孤岛自主运行，每个DG机组在其各自机组的额定功率和功率因数的限制下，分担负载需求，使负载功率保持在稳定状态。为此，无需外部通讯平台的可以实现“即插即用”的有功角速度下垂P-ω控制和无功电压下垂Q-V控制方法得到了广泛的应用和发展。在微电网孤岛运行时，通过调节电压幅值和频率来实现功率均分。传统的下垂控制方法中，由于系统线路的频率一致，其各自的有功功率可以实现均衡分配，而无功输出则由于馈线阻抗的不匹配，不能参照常规下垂系数进行合理分配，从而均分精度有所降低，系统稳定性等相关问题随之出现。因此，研究孤岛模式下微电网的功率均分问题对系统的稳定性有重大意义。

目前，已有一些文献针对采取虚拟阻抗来调节系统等效输出阻抗控制方法后出现的电压跌落问题以及无功均分问题提出了相应的控制方法。为调节系统的等效输出阻抗趋于感性状态，一般采取引入一定的虚拟阻抗来实现解耦，并提高无功均分的精度。2014年第二期的《电工技术学报》中《改进型微源下垂控制策略研究》一文中针对传统无互联线微源“功率-电压-电流”三环下垂控制方法的功率分配效果受线路阻感比的影响较为严重，分析了参数调节以及利用虚拟阻抗串联两种方法的优缺点，提出改进微源虚拟阻抗下垂控制策略，将虚拟阻抗等效为虚拟同步发电机电抗，取代传统的Q-V下垂控制环，利用虚拟阻抗压降实现微源输出电压的下垂特性，减小了微源的电压跌落。

2016年《中国电机工程学报》中《用于微电网无功均衡控制的虚拟阻抗优化方法》一文针对传统虚拟阻抗方法没有充分考虑到微电网网络中的不匹配因素，为了提高无功均分精度，提出一种微电网无功均分误差最小化思想的虚拟阻抗优化方法，通过微电网网络建模，推导网络无功均衡误差估算方法，并基于无功传输特性设计自适应虚拟阻抗控制器。同时构建微网全局无功均衡误差函数并对其进行优化，寻求最优控制器参数。设计的虚拟阻抗控制器能够根据微电网负载的变化，自适应的调整虚拟电阻值，使其随着网络变化，始终将系统无功均衡误差保持在小范围内。优化后的控制器网络自适应能力强，且无功均衡性能良好。

发明内容

本发明针对低压微网或线路阻抗呈阻性的系统中，传统的引入虚拟阻抗虽然可以实现系统的无功功率，但其功率均分精度不高，系统稳定性降低问题。提供一种提高微网逆变器无功均分精度的自适应虚拟阻抗控制策略，解决常规虚拟阻抗值无法选定的问题以及逆变器输出功率均分精度差的问题，实现对低中压微网的灵活有效控制。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种提高微网逆变器无功均分精度的自适应虚拟阻抗控制策略，包括以下步骤：

S1、设计自适应虚拟阻抗控制器，构造自适应虚拟阻抗表达式为：

X_vi＝k_i ²|Q_i| (1)

其中，X_vi为自适应虚拟阻抗，k_i为引入的自使用虚拟阻抗系数，Q_i为逆变器输出无功功率。

图1为采用自适应虚拟阻抗控制策略的单微源模块框图。

S2、分析了影响无功均分精度的两个因素：下垂系数和线路阻抗。

S3、分析引入自适应虚拟阻抗后的逆变器输出阻抗和功率之间的关系，得到满足无功功率均分条件的自适应虚拟阻抗表达式为：

其中，ΔV为虚拟阻抗两端压降，E_i为第i个DG输出的电压幅值。

S4、通过对常规下垂控制器和所提出的自适应虚拟阻抗控制器对无功均分精度的均分性能进行数学推导：以两个并联运行的DG单元为例，对常规下垂控制器和所设计的自适应虚拟阻抗控制器进行精度分析对比。

首先，理想状态下，即各逆变器输出阻抗与其额定输出无功功率成反比时，传统的下垂控制方案和本文所提出的控制方案均可实现逆变器输出的无功功率均分。具体表示为：

其中，X_li,ideal为理想状态下的忽略线路电阻后的系统阻抗，n_i为DG₁的下垂系数，V_pcc为公共交流母线电压，E₀为第i个DG的额定输出电压幅值。

其次，针对线路阻抗不匹配时，采用两种控制器时逆变器无功均分误差进行分析。

a.传统下垂控制器无功均分误差分析

采用传统下垂控制器时，得到DG1的无功均分误差为：

Q_er.1,d％为采用传统下垂控制器时的DG1的无功均分精度，n₁为DG1无功下垂控制系数，h为DG1与DG2的下垂系数之比，X_l1和X_l2为DG1和DG2的线路阻抗。

b.基于自适应虚拟复阻抗下垂控制器无功均分误差分析

引入自适应虚拟阻抗后，得到DG₁的无功均分精度为：

Q_er,1,p％为DG1在采用自适应虚拟阻抗策略下的无功均分精度，k₁为DG1的下垂系数；△Q₁为DG1实际输出无功与额定输出无功之间的差值，Q₁*为DG1 额定输出的无功功率。

c.两种控制器无功均分误差对比

对比式(4)、(5)，得到两种控制器的无功均分误差比值ξ为：

其中，M＝2Q₁ ^*k₁ ²+2Q₁ ^*k₁ ²h+ΔQ₁(k₁ ²-k₁ ²h²)

式(6)中：

H＝X_l1+X_l2+Q₁ ^*k₁ ²(h+1) (7)

ΔH＝X_l1+X_l2+ΔQ₁k₁ ²(h²-1) (8)

由上述步骤可得到所提出的自适应虚拟阻抗控制策略，分析之后可以得出以下结论：1)若线路阻抗比引入的虚拟阻抗小很多，即X_vir＝Q_i ^*k_i ²≥X_li，线路阻抗即可忽略，此时ΔH＜＜H，无功均分误差非常小。另外，若系统中不存在无功功率循环时，此时有ΔQ₁≤Q₁ ^*。此时，由于下垂系数比值h的取值范围是1<h<+ ∞，也可得到ΔH≤H；2)若线路阻抗远大于虚拟阻抗时，即X_vir＝Q_i ^*k_i2≤X_li，此时ΔH≈H≈1，此时采用两种控制器，逆变器的无功均分误差相等。

根据以上的分析可知，引入所提出自适应虚拟阻抗控制策略后，微网系统的输出阻抗几乎呈感性，微电网无功均分精度得以提高，且精度提高范围在0-50％之间。

进一步地，步骤S2的图1中采用常规P-F下垂控制器实现有功功率均分，并补偿PI控制器和P调节器到电压环和电流环中，以此保证系统的精度，同时更好的追踪自适应虚拟阻抗下垂控制器输出的电压基准值。

进一步地，步骤S3中，通过图2可以看出自适应虚拟阻抗系数k值与逆变器的输出无功功率成反比，由于自适应虚拟阻抗值与逆变器的输出无功呈平方比关系，所以Qi增大时，引入的虚拟阻抗值相应增大。k值的作用主要是抑制引入的虚拟阻抗值不至于太大，自适应地变化并获取最佳的虚拟阻抗值。将上述的自适应虚拟阻抗引入到无功-电压控制环中，对逆变器的输出阻抗进行自适应调节。并得到对应的下垂特性曲线，同时使虚拟阻抗两端的电压降满足电压偏差要求。相比于传统的下垂控制策略，在减少电压降落的同时，提高了无功均分精度，保证了电能质量。

在本控制策略下，自适应虚拟阻抗值可以根据逆变器输出无功功率自适应地变化并获取最佳值，使得统无功均分误差保持在小范围内，同时提高无功均分精度。解决常规虚拟阻抗值无法选定的问题以及逆变器输出功率均分精度差的问题，实现对低中压微网的灵活有效控制。

附图说明

图1为自适应虚拟阻抗控制策略的单微源模块框图；

图2为自适应虚拟阻抗下垂控制器的阻抗功率关系图；

图3为两台逆变器并联系统结构图；

图4为感性线路下有功出力图；

图5为感性线路下无功出力图；

图6为阻感性线路下有功出力图；

图7为阻感性线路下无功出力图；

图8为负载波动时自适应虚拟阻抗控制方法无功功率变化；

图9为负载波动时常规下垂控制方法无功功率变化。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

一种提高微网逆变器无功均分精度的自适应虚拟阻抗控制策略:先设计自适应虚拟阻抗控制器，并用逆变器输出无功的绝对值保证逆变器输出无功恒为感性无功。再构建自适应虚拟阻抗与逆变器输出无功之间的函数关系，得到自适应虚拟阻抗表达式为：

X_vi＝k_i ²|Q_i| (1)

然后忽略引入自适应虚拟阻抗后的系统线路阻抗，得到自适应虚拟阻抗系数满足逆变器输出无功功率均分条件的表达式为：

最后以两个并联运行的DG单元为例，对常规下垂控制器和所设计的自适应虚拟阻抗控制器进行无功均分精度分析对比。操作如下所示:

第一步：利用matlab/simulink搭建了仿真系统并进行结果分析。选取系统额定线电压为380V，频率为50Hz。本文的仿真对象为两台额定容量相同但线路阻抗不等的DG单元。仿真系统如图3所示。

第二步：当线路阻抗对外呈纯感性时，针对具有相同功率容量且线路阻抗不等的两个DG单元，研究所提出控制策略的功率均分性能。

在t＝0～4s的第一个阶段，微电网工作在并网模式下，在t＝4s时开始切换到离网模式。在第二阶段，将常规下垂控制方法应用于系统，并且在t＝12s时采用本文提出的自适应虚拟阻抗控制策略。设定系统额定总无功功率为80Kvar，线路1与线路2的阻抗比为3:1，由于设定线路阻抗不匹配，每个DG分担的无功功率不等。

仿真开始后，可以从图4可知，DG1、DG2在两种控制器作用下都可以均分有功功率功。在图5中，采用常规下垂控制器时，两个DG的输出无功功率分别为36.25Kvar和54.4Kvar，均分误差为19.7％。当采用所提出自适应虚拟阻抗的下垂控制器时，两个DG的输出无功功率分别为40.3Kvar和50.3Kvar，均分误差为11.2％。相比之下，无功均分精度提高了8.5％。

第三步：当线路阻抗对外呈阻感性时，针对具有相同功率容量且线路阻抗不等的两个DG单元，研究所提出的控制策略的功率均分性能。

在该情况下，除了线路阻抗不同外，其余参数设置与线路为纯感性线路仿真工况参数一致。此时设置线路阻感比为2:5，故线路阻抗不再呈现纯感性。为了对传统引入固定虚拟阻抗与本文引入的自适应虚拟阻抗对于系统有功和无功影响进行对比，在常规下垂控制器中增加1.5mH的固定虚拟阻抗。图5为采用两种下垂控制器的无功均分性能对比。由图6可以看出，采用两种控制策略时， DG1、DG2均可以实现有功均分。由图7中可以看出，当采用常规下垂控制器时，DG单元的输出无功功率分别为29.4Kvar和41.3Kvar，均分误差为17.3％。而采用所提出的自适应虚拟阻抗控制策略时，两DG单元的输出无功功率分别为32.3Kvar和38.6Kvar，均分误差为8.8％。相比之下，无功均分精度提高了50％。

第四步：当负载波动时，针对具有相同功率容量且线路阻抗不等的两个DG 单元，研究所提出的控制策略的功率均分性能。

设置负载波动规则如下：负载波动范围为-80Kvar～80Kvar。在t＝0～4s的第一周期内，负载无功功率为40Kvar；在第二周期上升突变至80Kvar；在第三周期下降到零；在第四个周期下降到-80Kvar；第五个周期内上升至-40Kvar。图6 为负载波动时，采用两种控制策略时逆变器无功功率均分性能对比图。由图8 可以看出，无论负载波动为感性功率还是容性功率，相比于常规下垂控制器，所提出的虚拟阻抗的控制器都能够以类似的均分比实现无功功率均分。而在图9 中，当负载为-80Kvar时，常规下垂控制器无功均分性能较差。因此，所提出的提高无功均分精度的虚拟阻抗控制策略不仅能够提高无功均分精度，而且可以适用于感性和复阻抗线路中。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高微网逆变器无功均分精度的自适应虚拟阻抗控制策略，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设计自适应虚拟阻抗控制器，用虚拟阻抗系数k设计自适应虚拟阻抗值，并采取逆变器输出无功的绝对值保证逆变器输出无功恒为感性无功；构造自适应虚拟阻抗与逆变器输出无功之间的函数关系，得到自适应虚拟阻抗表达式；

表达式为：X_vi＝k_i ²|Q_i|

S2、忽略引入自适应虚拟阻抗后的系统线路阻抗，得到自适应虚拟阻抗系数满足逆变器输出无功功率均分条件的表达式；

表达式为：

S3、以两个并联运行的DG单元为例，对常规下垂控制器和设计的自适应虚拟阻抗控制器进行无功功率分析对比，得出精度范围。

2.根据权利要求1所述的一种提高微网逆变器无功均分精度的自适应虚拟阻抗控制策略，其特征在于，在步骤S1中常规P-F下垂控制器实现有功功率均分，并补偿PI控制器和P调节器到电压环和电流环中。

3.根据权利要求1所述的一种提高微网逆变器无功均分精度的自适应虚拟阻抗控制策略，其特征在于，在步骤S3中的自适应虚拟阻抗系数为更新迭代值。

4.根据权利要求1所述的一种提高微网逆变器无功均分精度的自适应虚拟阻抗控制策略，其特征在于，在步骤S3中将上述的自适应虚拟阻抗引入到无功-电压控制环中，对逆变器的输出阻抗进行自适应调节，并得到对应的下垂特性曲线，同时使虚拟阻抗两端的电压降满足电压偏差要求。

5.根据权利要求1所述的一种提高微网逆变器无功均分精度的自适应虚拟阻抗控制策略，其特征在于，在步骤S4中若线路阻抗比引入的虚拟阻抗小，忽略线路阻抗，此时采用自适应虚拟复阻抗下垂控制器的无功均分精度将会提高50％。

6.根据权利要求1所述的一种提高微网逆变器无功均分精度的自适应虚拟阻抗控制策略，其特征在于，在步骤S4中若线路阻抗大于虚拟阻抗时，采用两种控制器，逆变器的无功均分误差相等。

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