CN110190608A - 一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制方法及装置 - Google Patents

一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制方法及装置，其中方法包括：步骤S1：初始功率分配级：在本地控制器中得到负荷总有功功率；步骤S2：二次功率分配级：在本地控制器基于得到的总有功功率得到平均无功功率；步骤S3：功率平衡级：利用无功功率平均值与逆变器输出功率实际值Qi的差值调整虚拟阻抗，以修改逆变器等效线路阻抗，调整逆变器输出电压。与现有技术相比，本发明通过初始功率分配级和二次功率分配级分别利用本地控制器测量得到负荷的总有功功率和平均无功功率。进而在功率平衡级中，利用平均无功功率与逆变器输出无功功率设计虚拟阻抗，自适应调整逆变器输出电压，消除逆变器等效线路阻抗差异，实现无功功率均分。

Description

一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种孤岛交流微电网功率均分控制技术，尤其是涉及一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制方法及装置。
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、储能装置、可控负荷等单元结合在一起的新型电网形式[1-2]，实现了分布式发电(Distributed Generation,DG)的灵活控制[3-5]。
微电网的运行模式包括孤岛模式和并网模式[6-7]。DG并联运行控制策略一般包括基于有互联线的主从控制法、集中控制法、平均负载分配法和基于无互联线的下垂控制[8]。基于有互联线通信的策略成本较高，且互联线的存在会限制系统的灵活性和冗余性。因此，在孤岛运行模式，并联运行的DG单元通常采用基于无互联线的下垂控制来实现功率的合理分配[8]。传统下垂控制模拟电力系统发电机特性，通过DG的频率和电压调整自身输出功率[9]。其中，频率是系统全局变量，所以受控于系统频率的有功功率可以实现合理分配；而受控于系统电压的无功功率受逆变器线路阻抗不匹配的影响无法实现精确均分，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[10-11]。因此实现无功功率的精确均分，抑制无功环流是微电网研究的热点问题之一。
为解决上述问题，众多学者提出了多种改进策略来抑制线路阻抗差异对功率分配的影响。文献[12]提出了一种自适应调节下垂系数的方法，该方法可有效减小系统环流实现功率均分，但该方法在计算下垂系数时需要利用DG之间的信息，对于通信带宽要求较高，不利于系统的设计。文献[13-14]根据不同等效线路阻抗上产生的压降，对逆变器实际输出电压进行不同程度的补偿，使得最终输出电压幅值相同，从而达到无功功率精确分配的目标，但线路阻抗值数据难以精确获知。文献[15-16]中提出一种主动线路观测器，基于本地信号较精确地辨识出线路阻抗的实际值，利用该线路辨识结果，可有效补偿DG线路的不匹配电压降，实现无功功率精确均分。但该方案对微电网结构要求较高且工程实用价值不高。文献[17]提出一种主动阻抗检测方法，即通过主动注入单脉冲扰动，检测变流器输出电压、电流变化，获得线路阻抗信息，但是该方法测量精度较差，且只适合感阻性网络。文献[18]提出一种基于虚拟电容算法的无功功率分配策略，并联电容可以减小无功功率分配误差，同时减小系统电压偏差。然而，该算法并不具有通用性，虚拟电容算法的建模也比较复杂。文献[19]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，但该方法对通信的同步性要求较高，出现高延迟时策略可能会失效。文献[20]将无功偏差作用于有功-频率下垂控制，产生有功扰动，再通过低宽带通信发出同步信号，将该扰动作用到无功-电压下垂控制，以此消除无功偏差，但该方案将产生频率的波动，会影响微电网系统的稳定性。
参考文献如下：
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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无互联通信的孤岛微电网无功均分控制方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制方法，所述微电网中多个分布式电源分别通过逆变器并联至公共母线上，所述方法包括：
步骤S1：初始功率分配级：在本地控制器中得到负荷总有功功率；
步骤S2：二次功率分配级：在本地控制器基于得到的总有功功率得到平均无功功率；
步骤S3：功率平衡级：利用无功功率平均值与逆变器输出功率实际值Qi的差值调整虚拟阻抗，以修改逆变器等效线路阻抗，调整逆变器输出电压。
所述初始功率分配级中采用传统下垂控制方法，稳态时，频率作为全局变量，各DG单元的有功出力可以实现精确分配，在本地控制器中求得平均有功功率和总有功功率如下：
Pav_i＝Pi
Ptotal_i＝nPav_i
其中：Pi为在本地测得第i个分布式电源DGi的输出有功功率，Pav_i为第i个分布式电源DGi的平均有功功率，Ptotal_i为第i个分布式电源DGi的总有功功率，n为系统内分布式电源DG的数量。
所述平均无功功率为：
其中：Qav_i为分布式电源DGi的平均无功功率，kp为有功频率下垂系数，Ptotal_i为第i个分布式电源DGi的总有功功率，n为系统内分布式电源DG的数量，Pi为在本地测得第i个分布式电源DGi的输出有功功率，kh为无功比例常系数，Qi为在本地测得第i个分布式电源DGi的输出无功功率。
所述虚拟阻抗的控制函数具体为：
Xvi＝kv1(Qi-Qav_i)+kv2∫(Qi-Qav_i)dt
其中：Xvi为虚拟阻抗值，kv1为虚拟阻抗比例系数，kv2为虚拟阻抗积分系数。
一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制装置，所述微电网中多个分布式电源分别通过逆变器并联至公共母线上，所述装置包括存储器、处理器及程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
步骤S1：接收到中央控制的触发信号后，执行初始功率分配级：在本地控制器中得到负荷总有功功率；
步骤S2：二次功率分配级：在本地控制器基于得到的总有功功率得到平均无功功率；
步骤S3：功率平衡级：利用无功功率平均值与逆变器输出功率实际值Qi的差值调整虚拟阻抗，以修改逆变器等效线路阻抗，调整逆变器输出电压。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)提出自适应虚拟阻抗控制方法，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)采用分级控制，在本地控制器中计算各级控制需要的输出功率量，各级控制得到的输出功率量的计算和保留只需要在本地控制器中进行，无需实时交换DG之间的信息。
3)各级控制切换仅利用中央控制器发出的低带宽同步信号触发，仍保持了微电网各DG单元的“即插即用”的特点。
附图说明
图1为本发明实施例的微电网拓扑结构图；
图2为本发明实施例多台DG并联等效结构图；
图3为本发明实施例无功功率分配偏差与线路阻抗的耦合关系；
图4为本发明实施例分级控制结构框图；
图5为本发明实施例虚拟阻抗调节无功功率分配的关系图；
图6为本发明实施例三台DG单元运行，其中(a)为有功功率分配情况，(b)为无功功率分配情况，(c)为输出电压变化情况；
图7为本发明实施例系统负荷发生改变仿真结果，其中(a)为有功功率分配情况，(b)为本实施例无功功率分配情况；
图8为本发明实施例DG单元故障切除仿真结果，其中(a)为有功功率分配情况，(b)为无功功率分配情况；
图9为本发明实施例系统发生通讯延迟仿真结果，其中(a)为有功功率分配情况，(b)为无功功率分配情况；
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。
一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制方法，其以计算机软件的形式由计算机系统实现，微电网中多个分布式电源分别通过逆变器并联至公共母线上，对应的装置包括存储器、处理器及程序，处理器执行程序时实现以下步骤：
步骤S1：接收到中央控制的触发信号后，执行初始功率分配级：在本地控制器中得到负荷总有功功率，初始功率分配级中采用传统下垂控制方法，稳态时，频率作为全局变量，各DG单元的有功出力可以实现精确分配，在本地控制器中求得平均有功功率和总有功功率如下：
其中：Pi为在本地测得第i个分布式电源DGi的输出有功功率，Pav_i为第i个分布式电源DGi的平均有功功率，Ptotal_i为第i个分布式电源DGi的总有功功率，n为系统内分布式电源DG的数量。
步骤S2：二次功率分配级：在本地控制器基于得到的总有功功率得到平均无功功率，平均无功功率为：
其中：Qav_i为分布式电源DGi的平均无功功率，kp为有功频率下垂系数，Ptotal_i为第i个分布式电源DGi的总有功功率，n为系统内分布式电源DG的数量，Pi为在本地测得第i个分布式电源DGi的输出有功功率，kh为无功比例常系数，Qi为在本地测得第i个分布式电源DGi的输出无功功率。
步骤S3：功率平衡级：利用无功功率平均值与逆变器输出功率实际值Qi的差值调整虚拟阻抗，以修改逆变器等效线路阻抗，调整逆变器输出电压，虚拟阻抗的控制函数具体为：
Xvi＝kv1(Qi-Qav_i)+kv2∫(Qi-Qav_i)dt
其中：Xvi为虚拟阻抗值，kv1为虚拟阻抗比例系数，kv2为虚拟阻抗积分系数。
以下从传统下垂控制原理、分级控制策略原理、算例验证等几个方面对本发明的无互联通信的孤岛微电网无功均分控制方法做进一步说明。
(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，本文忽略线路阻性成分，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：
fi＝f*-kpPi
Ui＝U*-kqQi
其中，f*为频率参考值，U*为电压参考值，kp为有功频率下垂系数，kq为无功电压下垂系数。
根据图2的电路关系可得
Ui＝VPCC+ΔUi
ΔUi可近似为逆变器线路阻抗上的压降。
本文以两台容量相同的DG1和DG2并联运行共同承担公共负荷为例，分析线路阻抗对无功功率分配的影响。由此可得：
式中，k1代表DG1侧线路阻抗系数，k2代表DG2侧线路阻抗系数。
联立式可得
可得系统无功功率分配关系
由上式可得无功功率分配偏差与不匹配线路阻抗的关系，如图3所示。通常情况下为保证逆变器输出电压维持在合理范围内，无功下垂系数kq取值较小，此时，当X1≠X2时，Q1≠Q2，两台DG间无功功率不均分。
(2)分级控制策略原理
现有针对微电网无功功率分配的控制策略一般分为有互联通信和无互联通信两种。通过互联通信来交换DG之间的信息通常可获得较好的控制效果，但同时会增加系统的硬件成本和通讯维护成本。本文提出的分级控制不依赖于DG间的互联通信，仅需同步信号触发切换，就可实现无功功率的合理均分。图4为分级控制框图。图中中央控制器发出同步信号至本地控制器，触发运行状态切换，而本地控制器之间无互联通信，保持了微电网各DG单元的“即插即用”特性。以n台并联DG单元为例，具体策略分三级控制连续进行，其讨论如下。
初始功率分配级:
在本级控制中，各DG单元工作在传统下垂控制模式。稳态时，频率作为全局变量，各DG单元的有功出力可以实现精确分配。此时，平均有功功率和总有功功率均可在DGi的本地控制器中求得
Pav_i＝Pi
Ptotal_i＝nPav_i
式中，Pi为DGi的输出有功功率，可在本地测得；Pav_i、Ptotal_i分别为DGi本地控制器求得的平均有功功率和总有功功率。
二次功率分配级:
在该级控制中，电压下垂特性保持不变，将无功功率信息添加至频率下垂特性
fi＝f*-kpPi+khQi
式中kh为一常系数。
由于频率是全局变量，故由上式可得
kpP1-khQ1＝kpP2-khQ2＝...＝kpPi-khQi
由此可得
式中，Qi为DGi的输出无功功率，可在本地测得。Qav_i、Qtotal_i分别为DGi本地控制器计算的平均无功功率和总无功功率。
功率平衡级
由线路阻抗不匹配导致的各DG单元输出无功功率难以均分问题，可通过调整线路特性曲线斜率，即调整线路阻抗系数来缩小无功功率分配误差。图5为利用虚拟阻抗调节两台DG单元无功功率分配的关系图。由此可知，选取合适的虚拟阻抗值，使各DG单元线路阻抗系数达到一致，可实现无功功率合理均分。
因此，在初始功率分配级和二次功率分配级基础上，提出一种自适应虚拟阻抗控制方法，其控制函数表示为
Xvi＝kv1(Qi-Qav_i)+kv2∫(Qi-Qav_i)dt
其中，kv1、kv2分别为虚拟阻抗比例、积分系数。
(4)仿真分析
为了验证上述所提控制方法的可行性，本文基于Matlab/Simulink软件平台搭建微电网系统仿真模型。本文采用3台容量相等，且最大允许输出有功、无功功率为20kW、15kVar的DG单元并联运行，负荷采用三相平衡负荷且负荷大小可调。系统仿真参数如表1所示。
表1系统仿真参数
参数 取值 参数 取值
U* 311V L<sub>f</sub> 3mH
DG<sub>1</sub>线路电感 2mH C<sub>f</sub> 0.15mF
DG<sub>2</sub>线路电感 3mH k<sub>p</sub> 5e-5
DG<sub>3</sub>线路电感 4mH k<sub>h</sub> 1e-5
负荷初始功率 30kW+20kvar k<sub>q</sub> 1e-5
算例1研究三台DG单元正常运行时，无功功率是否实现合理均分。
算例2研究当系统出现负荷波动时，对本文提出的分级控制是否有影响，各个DG单元能否实现无功功率合理均分。
算例3研究当系统发生DG单元故障切除时，其余DG单元能否实现无功功率合理均分。
算例4研究当系统DG单元发生通讯延迟的情况，对本文提出的分级控制是否有影响，各个DG单元能否实现无功功率合理均分。
算例1：三台DG单元正常运行
采用本文所提出的控制策略，三台相同容量DG单元并联运行时的仿真结果如图6所示。具体仿真过程：初始时各DG单元工作在初始功率分配级，由有功频率下垂特性可知，各DG输出有功功率可以实现精确均分，此时DGi的本地控制器计算Ptotal_i为30kW等于设定的初始有功功率。1s时中央控制器发出同步信号至各DG单元的本地控制器，各DG单元开始工作在二次功率分配级，由本地控制器测量有功、无功功率，并计算平均无功功率Qav_i，计算结果为6.8kVar等于初始无功功率的平均值。2s时中央控制器再次发出同步信号至各DG单元的本地控制器，各DG单元工作状态切换至功率平衡级，根据二次功率分配级中保持的Qav_i与实时无功功率的偏差和其积分设计虚拟阻抗，自适应调整虚拟阻抗值，修改逆变器输出电压。由图6可知，系统稳定时在不影响负荷有功功率分配的情况下，2s时刻虚拟阻抗的引入使得逆变器输出电压保持一致，从而实现无功功率的合理均分，同时电压跌落值能保持在合理范围内。
算例2：系统发生负荷波动
测试系统发生负荷波动对本文所提控制策略的影响，其仿真结果如图7所示。具体仿真过程：0～4s仿真过程与算例1仿真过程相同，系统依次工作在初始功率分配级、二次功率分配级和功率平衡级。t＝4s时系统增加7500W有功负荷和4000Var无功负荷，由于负荷发生大幅波动，需重新进行分级控制，重新计算平均无功功率，最终再次实现无功功率的合理均分。由图7可知，本文提出的分级控制能够在不影响负荷有功均分的情况下，极大地提高了无功功率的分配精度，且负荷大幅波动对其没有影响。
算例3：系统发生DG单元故障切除
本算例测试系统发生DG单元故障切除对本文控制策略的影响，其仿真结果如图8所示。具体仿真过程：0～4s系统依次工作在初始功率分配级、二次功率分配级和功率平衡级。在t＝4s时刻，DG3发生故障，随即将其进行切除，此时系统中只有DG1和DG2并联运行。由于分布式发电单元减少，导致实际平均无功功率发生突变，故需重新进行分级控制，重新计算平均无功功率，最终再次实现无功功率的合理均分。由图8可知，本文提出的分级控制能够在不影响负荷有功均分的情况下，极大地提高无功功率的分配精度，且系统中DG单元发生故障随即被切除后对控制策略的有效性没有产生影响。
算例4：系统发生通讯延迟
本算例对系统发生通讯延迟的情况进行验证，具体仿真过程：0～2s系统依次工作在初始功率分配级、二次功率分配级，2s时中央控制器发出同步信号，各DG单元工作状态切换至功率平衡级，DG2和DG3的同步信号正常，此时对DG1同步信号施加0.1s的延迟。其仿真结果如图9所示，通过与算例1仿真结果对比可知，系统发生通讯延迟对功率平衡级的功率分配会产生轻微影响，但最终系统稳定后各DG单元输出有功和无功功率都能实现合理分配，因此系统发生较小的通讯延迟不会影响系统无功功率分配的稳态性能。

Claims (8)

1.一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制方法，所述微电网中多个分布式电源分别通过逆变器并联至公共母线上，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：初始功率分配级：在本地控制器中得到负荷总有功功率；
步骤S2：二次功率分配级：在本地控制器基于得到的总有功功率得到平均无功功率；
步骤S3：功率平衡级：利用无功功率平均值与逆变器输出功率实际值Qi的差值调整虚拟阻抗，以修改逆变器等效线路阻抗，调整逆变器输出电压。
2.根据权利要求1所述的一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制方法，其特征在于，所述初始功率分配级中采用传统下垂控制方法，稳态时，频率作为全局变量，各DG单元的有功出力可以实现精确分配，在本地控制器中求得平均有功功率和总有功功率如下：
Pav_i＝Pi
Ptotal_i＝nPav_i
其中：Pi为在本地测得第i个分布式电源DGi的输出有功功率，Pav_i为第i个分布式电源DGi的平均有功功率，Ptotal_i为第i个分布式电源DGi的总有功功率，n为系统内分布式电源DG的数量。
3.根据权利要求1所述的一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制方法，其特征在于，所述平均无功功率为：
其中：Qav_i为分布式电源DGi的平均无功功率，kp为有功频率下垂系数，Ptotal_i为第i个分布式电源DGi的总有功功率，n为系统内分布式电源DG的数量，Pi为在本地测得第i个分布式电源DGi的输出有功功率，kh为无功比例常系数，Qi为在本地测得第i个分布式电源DGi的输出无功功率。
4.根据权利要求3所述的一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制方法，其特征在于，所述虚拟阻抗的控制函数具体为：
Xvi＝kv1(Qi-Qav_i)+kv2∫(Qi-Qav_i)dt
其中：Xvi为虚拟阻抗值，kv1为虚拟阻抗比例系数，kv2为虚拟阻抗积分系数。
5.一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制装置，所述微电网中多个分布式电源分别通过逆变器并联至公共母线上，其特征在于，所述装置包括存储器、处理器及程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
步骤S1：接收到中央控制的触发信号后，执行初始功率分配级：在本地控制器中得到负荷总有功功率；
步骤S2：二次功率分配级：在本地控制器基于得到的总有功功率得到平均无功功率；
步骤S3：功率平衡级：利用无功功率平均值与逆变器输出功率实际值Qi的差值调整虚拟阻抗，以修改逆变器等效线路阻抗，调整逆变器输出电压。
6.根据权利要求5所述的一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制装置，其特征在于，所述初始功率分配级中采用传统下垂控制方法，稳态时，频率作为全局变量，各DG单元的有功出力可以实现精确分配，在本地控制器中求得平均有功功率和总有功功率如下：
Pav_i＝Pi
Ptotal_i＝nPav_i
其中：Pi为在本地测得第i个分布式电源DGi的输出有功功率，Pav_i为第i个分布式电源DGi的平均有功功率，Ptotal_i为第i个分布式电源DGi的总有功功率，n为系统内分布式电源DG的数量。
7.根据权利要求5所述的一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制装置，其特征在于，所述平均无功功率为：
其中：Qav_i为分布式电源DGi的平均无功功率，kp为有功频率下垂系数，Ptotal_i为第i个分布式电源DGi的总有功功率，n为系统内分布式电源DG的数量，Pi为在本地测得第i个分布式电源DGi的输出有功功率，kh为无功比例常系数，Qi为在本地测得第i个分布式电源DGi的输出无功功率。
8.根据权利要求7所述的一种无互联通信的孤岛微电网无功均分控制装置，其特征在于，所述虚拟阻抗的控制函数具体为：
Xvi＝kv1(Qi-Qav_i)+kv2∫(Qi-Qav_i)dt
其中：Xvi为虚拟阻抗值，kv1为虚拟阻抗比例系数，kv2为虚拟阻抗积分系数。
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