CN110854903B - 基于自适应虚拟阻抗的孤岛微电网无功功率分配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛微电网无功功率分配控制方法，属于微电网功率控制领域。该方法包括以下具体步骤：构建基于下垂控制的微电网系统模型、建立自适应虚拟阻抗模型、利用自适应虚拟阻抗对微电网无功功率分配进行配置。本发明通过对无功功率分配不均进行分析，建立自适应虚拟阻抗与有功功率和无功功率之间的关系，并根据负载和线路阻抗的变化来实时改变虚拟阻抗，使系统能更好地应对无功功率分配，提高系统功率分配精度。

Description

基于自适应虚拟阻抗的孤岛微电网无功功率分配控制方法

技术领域

本发明涉及微电网功率控制领域，尤其是涉及一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛微电网无功功率分配控制方法。

背景技术

分布式发电(Distributed Generation，DG)以其发电方式灵活、与环境兼容等特点而得到了广泛的关注。微网技术将分布式电源与本地负荷通过灵活控制构成一个相对于主电网的模块式子系统,在该模块子系统内部解决分布式电源直接并网产生的负面问题,为分布式电源发电规模化应用提供了新的有效技术途径。

微电网又分为并网运行状态和孤岛运行状态。无论是并网状态还是孤岛状态，都需要对微网中的各个分布式电源进行有效地控制。由于微网内的分布式电源通常通过电力电子装置，如逆变器，接入常规电网，所以对逆变器的控制是分布式发电技术中的重要问题。

在分布式电源通过逆变器接入微电网时，由于各个电源的类型、容量不一定相同，在给微电网中的负荷供电时，就需要控制微电网中的电源协调分担这些负荷，这就成为了各电源自动调节的重要环节。为了实现这个目标，微电网中广泛采用模拟传统电力系统同步发电机特性的频率电压幅值下垂控制方法。这种控制方法根据模拟同步发电机的特性，利用下垂方程，根据系统的有功功率和无功功率来调节系统的频率和电压，本质上是一种负反馈调节方式，使系统可以稳定运行。但是由于分布式电源输出线路阻抗不匹配，导致无功功率无法均分，采用这种方法时，会对系统造成不利的影响。

为解决微电网中无功功率分配不均的问题，不少学者通过将虚拟阻抗引入到下垂控制环节中，进而改变了输出阻抗的阻感比，提高了无功功率的分配精度，但是这种方法无法消除分配误差，且太大的虚拟阻抗会造成电能质量的下降。因此不少学者对上述虚拟阻抗的方式进行了改良，提出了自适应虚拟阻抗的方法，通过通信手段得到各个分布式电源的虚拟阻抗的值，使得输出线路总阻抗相同，提高了无功功率的分配进度。但是当分布式电源距离较远、通信线路延迟或者二级中央控制器故障都仍然可能造成系统无功功率分配不均的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在传统下垂控制理论的基础上，建立无功功率和有功功率扰动以及自适应虚拟阻抗之间的关系，提出新的自适应虚拟阻抗控制策略，从而提高系统无功功率的分配精度。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛微电网无功功率分配控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，构建同步发电机的有功和无功出力模型：

上述式子中，P为逆变器输出有功功率，Q为逆变器输出无功功率，E为逆变器输出端电压，V为负载端电压，δ为功角，X为线路阻抗；

步骤2，将带有储能的直流分布式电源通过逆变器、LC滤波器接入微电网，在所述逆变器中模拟所述同步发电机特性，构建所述微电网的下垂控制模型，所述微电网的下垂控制模型包括有功下垂方程和无功下垂方程，以建立逆变器输出有功功率P与系统频率f的联系，以及逆变器输出无功功率Q与端电压E的联系：

所述有功下垂方程：f＝f^*-m(P^*-P)

所述无功下垂方程：E＝E^*-nQ

上述式子中，f是系统频率，f^*分布式电源空载时的系统频率和E^*是分布式电源空载时的电压幅值，P^*是逆变器有功功率的额定值，m是逆变器有功下垂方程的下垂系数，n是逆变器无功下垂方程的下垂系数；

步骤3，构建所述逆变器的自适应虚拟阻抗Z_v，所述自适应虚拟阻抗Z_v与所述逆变器输出电流的乘积为自适应虚拟阻抗Z_v上的压降，所述逆变器输出端电压E减去所述自适应虚拟阻抗Z_v上的压降为所述逆变器连接所述自适应虚拟阻抗后Z_v的输出电压；

所述逆变器的自适应虚拟阻抗模型为：

上述式子中：X_v为固定阻值的虚拟电抗，

为自适应电抗，

初始状态为0；Z_v为自适应虚拟阻抗，R_v为固定阻值的虚拟电阻；

通过积分控制电路得到自适应电抗

的值：

式子中，l为自适应虚拟电抗系数，P₀为系统状态发生变化时的有功功率。

步骤4，利用所述自适应虚拟阻抗对所述微电网无功功率分配进行配置；

步骤41，当所述逆变器输出电流通过微分检测电路得到一个脉冲信号；通过检测所述脉冲信号，以判断系统是否处于稳定状态和逆变器的输出功率是否已经完成平均分配；

当脉冲信号为0时，所述自适应虚拟阻抗中的自适应电抗

为0，这时虚拟阻抗控制模型中的虚拟阻抗值为固定值，逆变器在下垂控制模型的控制下输出有功功率P和无功功率Q，输出频率为f，端电压为E，对输出的所述有功功率进行采集处理，重复步骤41；

当脉冲信号为1时，停止采集所述有功功率，并对停止采集时刻的所述有功功率进行锁存，锁存值为P₀，转入步骤42，此时，有功功率P发生变化，自适应电抗

开始变化；

步骤42，在有功下垂方程中加入无功量，并利用新的有功下垂方程对逆变器进行控制；修改后的有功下垂方程为：

f＝f^*-m(P^*-P)+knQ

式中，k为无功量系数，n为无功下垂方程的下垂系数，Q为无功功率；

步骤5，利用新的有功下垂方程对逆变器进行控制，待系统达到新的稳定状态时，无功功率完成平均分配。

此时，由于逆变器的有功功率P发生变化，造成所述逆变器的自适应电抗值X～发生变化，因此这时的虚拟阻抗模型中虚拟阻抗的值发生改变，下垂控制模型中逆变器输出端电压E减去虚拟阻抗输出的压降后，得到的新的电压值随之改变，也就是逆变器的输出电压变化，因此无功功率Q也会发生改变。由于所述下垂控制为一个负反馈过程，系统最终趋于稳定状态，系统的稳定频率为f，根据所述修改后的有功下垂方程，系统的频率f相同，那么系统中各个逆变器的无功功率Q也都相同。

优选地，构建所述步骤3的自适应虚拟阻抗模型后，可得新的无功功率方程为：

所述式中，Q为逆变器输出无功功率，E^*是分布式电源空载时的电压幅值，V为负载端电压，X为线路阻抗，X_v为固定阻值的虚拟电抗，

为自适应电抗，

初始状态为0，R_v为固定阻值的虚拟电阻，n是逆变器无功下垂方程的下垂系数。

优选地，所述步骤3中的积分控制电路会使得P趋近于P₀，

趋向于固定值。

优选地，当系统达到稳定状态时，P＝P₀，

值不再变化，此时各个逆变器的无功功率相同，因此自适应虚拟阻抗的加入消除了系统的无功功率分配误差。此时逆变器分配的无功功率为：

所述式中，Q为逆变器输出无功功率，E^*是分布式电源空载时的电压幅值，V为负载端电压，X为线路阻抗，X_v为固定阻值的虚拟电抗，R_v为固定阻值的虚拟电阻，n是逆变器无功下垂方程的下垂系数，l为自适应虚拟电抗系数，P₀为系统状态发生变化时的有功功率。

与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：

本发明在传统下垂控制策略基础上，构建无功功率有功功率和虚拟阻抗之间的关系，提出一种自适应虚拟阻抗控制策略，根据逆变器的有功功率P发生的变化，引起所述逆变器的自适应电抗值

发生变化，因此这时的虚拟阻抗模型中虚拟阻抗的值发生改变，下垂控制模型中逆变器输出端电压E减去虚拟阻抗输出的压降后，得到的新的电压值随之改变，也就是逆变器的输出电压变化，因此无功功率Q也会发生改变，从而可以使系统能够根据线路参数、负载大小的变化，改变虚拟阻抗大小，优化系统结构，从而提高系统的无功功率分配。相较于需要通信来完成的自适应虚拟阻抗控制策略，能够实时进行本地调节，响应速度快，不仅适用于含有集中的并联型分布式电源的微电网，也适用于含有距离较远分散式的分布式电源的微电网。

附图说明

图1本发明实施例的三相逆变器控制结构图；

图2本发明实施例的P-f及Q-v控制策略图；

图3本发明实施例的自适应虚拟阻抗控制策略图；

图4本发明实施例的仿真模型图；

图5仿真模型应用传统下垂控制分布式电源无功功率输出波形图；以及

图6本发明实施例仿真模型应用自适应虚拟阻抗控制分布式电源无功功率输出波形图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

本发明实施例提供了一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛微电网无功功率分配控制方法，基于下垂控制的微电网控制策略及控制模型。

在传统的下垂控制系统中，风能、太阳能等可再生能源可通过DG接入到电网中，如图1所示，可再生能源作为直流电源U_dc通过逆变器接入电网，对滤波器输出电流i_oabc与电压u_oabc进行功率计算得到有功功率P和无功功率Q，利用有功无功功率通过下垂控制模型得到电压E与频率f，与线路电流i_oabc和虚拟阻抗Z_v相乘产生的压降进行电压合成，得到参考电压值，通过PWM调制得到逆变桥的控制信号，控制三相逆变桥输出电压；逆变器与LC滤波器相连，经过线路Z_line与负载相连；

建立基于下垂控制的微电网系统模型：

f＝f^*-m(P^*-P)

E＝E^*-nQ

其中，P为逆变器输出有功功率，Q为无功功率，E为逆变器输出端电压，V为负载端电压，δ为功角，X为线路阻抗，f是系统频率，f^*是分布式电源空载时的系统频率，E^*是分布式电源空载时的电压幅值，P^*是有功功率的额定值，m是逆变器有功下垂方程的下垂系数，n是逆变器无功方程的下垂系数。

在图1中，DG有功功率和无功功率皆采用下垂控制，通过输出端的电压和电流，计算便可得知其输出功率；输出功率通过电压合成参考电压，经过PWM调制生成信号；

传统下垂控制如附图2所示，模拟同步发电机的特性，将电流i_oabc与电压u_oabc进行功率计算得到有功功率P和无功功率Q，通过下垂控制方程得到电压E和频率f进而得到功角δ，经过电压合成得到PWM调制波信号。

虚拟阻抗法在电压合成前，将测量到的输出电流与虚拟阻抗的乘积作为压降，该方法的控制效果和电路定理中的等效阻抗类似。在附图1中，经过下垂控制得到的电压幅值和频率，线路电流i_oabc与设定的虚拟阻抗Z_v相乘，得到由虚拟阻抗所产生的压降，然后利用下垂控制得到的电压减掉虚拟阻抗产生的压降，并通过电压值和相角值合成电压参考值，最后该电压参考值通过PWM调制后得到调制信号对接口逆变器进行控制，最终合成的电压参考值受到线路阻抗影响减小，提高了无功功率的分配精度。

本申请对下垂控制中的有功下垂控制和虚拟阻抗Z_v进行改进，具体为在有功下垂控制中加入无功量，如附图3所示，逆变器输出电流i_oabc通过微分检测电路，微分电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出，因此微分检测电路稳定输出为0时，电路负载无变化，电流达到稳定状态，此时产生为1的正脉冲信号。当没有检测到正脉冲信号时，自适应虚拟阻抗中的自适应电抗

为0，这时虚拟阻抗控制模型中的虚拟阻抗值为固定值，逆变器在下垂控制模型的控制下输出频率为f，端电压为E。对输出有功功率进行采集，当脉冲信号变为1时，电路负载达到稳定状态，此时停止采集有功功率，并对停止采集时刻的有功功率进行锁存，锁存值记为P₀，此时，有功下垂方程加入无功量，使得逆变器输出的有功功率P发生变化，构建自适应电抗

其中，l为自适应虚拟电抗系数，P₀为锁存有功功率，P为变化的有功功率。

因此自适应虚拟阻抗模型变为：

式(6)中：Z_v为自适应虚拟阻抗，R_v为虚拟电阻，X_v为固定阻值的虚拟电抗，

为自适应电抗。

此时，自适应电抗

开始变化，线路电流i_oabc和虚拟阻抗Z_v的乘积得到的电压降E_v与电压E、f合成新的电压。

构建新的基于下垂控制的微电网系统模型中的有功下垂方程：

当脉冲信号为0时，

f＝f^*-m(P^*-P)；

当脉冲信号为1时，

f＝f^*-m(P^*-P)+knQ；

即当脉冲信号为1时，在有功下垂方程中加入无功量，其中k为无功量系数，n为无功方程的下垂系数，Q为无功功率。

根据上述分析，本发明实施例提出了一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛微电网无功功率分配控制方法，具体步骤为：

步骤1，构建同步发电机的有功和无功出力模型：

上述式子中，P为逆变器输出有功功率，Q为逆变器输出无功功率，E为逆变器输出端电压，V为负载端电压，δ为功角，X为线路阻抗；

步骤2，将带有储能的直流分布式电源通过逆变器、LC滤波器接入微电网，在逆变器中模拟同步发电机特性，构建微电网下垂控制模型，包括有功下垂方程和无功下垂方程，以建立逆变器输出有功功率P与系统频率f的联系，以及逆变器输出无功功率Q与端电压E的联系：

有功下垂方程：f＝f^*-m(P^*-P)

无功下垂方程：E＝E^*-nQ

上述式子中，f是系统频率，f和E^*是分布式电源空载时的频率和电压幅值，P^*是逆变器有功功率的额定值，m和n分别是逆变器有功和无功下垂方程的下垂系数；

步骤3，建立逆变器的自适应虚拟阻抗模型：

上述式子中：X_v为固定阻值的虚拟电抗，

为自适应电抗，

初始状态为0；Z_v为自适应虚拟阻抗，R_v为固定阻值的虚拟电阻；

通过积分控制电路得到自适应电抗

的值：

式子中，l为自适应虚拟电抗系数，P₀为锁存的有功功率。

自适应虚拟阻抗Z_v与逆变器输出电流乘积为虚拟阻抗控制模块输出的压降，下垂控制模型中逆变器输出端电压E减去虚拟阻抗控制模块输出的压降得到新的电压值；

步骤4，利用自适应虚拟阻抗对微电网无功功率分配进行配置；

步骤41，逆变器输出电流通过微分检测电路得到一个脉冲信号；以判断系统是否处于稳定状态和逆变器的输出功率是否已经完成平均分配；

当脉冲信号为0时，自适应虚拟阻抗中的自适应电抗

为0，这时虚拟阻抗控制模型中的虚拟阻抗值为固定值，逆变器在下垂控制模型的控制下输出有功功率P和无功功率Q，输出频率为f，端电压为E，对输出有功功率进行采集处理；

当脉冲信号为1时，停止采集有功功率，并对停止采集时刻的有功功率进行锁存，锁存值为P₀，此时，有功功率P发生变化，自适应电抗

开始变化；

步骤42，在有功下垂方程中加入无功量，并利用新的有功下垂方程对逆变器进行控制；修改后的有功下垂方程为：

f＝f^*-m(P^*-P)+knQ

式中，k为无功量系数，n为无功下垂方程的下垂系数，Q为无功功率；

步骤5，接入微电网的多个直流分布式电源都采用步骤1至步骤4，则无功功率将按照各个直流分布式电源的容量进行分配：

进一步地，当P趋近于P₀时，

值趋于稳定：

当系统稳定时，P＝P₀，不同的逆变器的X+l∫(P₀-P)dt相同，无功功率不在发生变化，各个逆变器的无功功率都相等。

matlab软件对算例进行仿真分析；

以所搭建模型为基础，选择直流侧电容为100mF，直流侧电压稳定值为1kV，滤波电感为5mH，等值电阻为0.1，占空比变化率为0.28kJ-1，积分时间系数为0.001s，比例系数为0.5333V/A，直流环节稳定容量为50kJ，直流环节极限容量为60.5kJ；如图4所示，由三个分布式电源DG1-DG3、线路以及四个负荷Load1-Load4组成。三个分布式电源DG1-DG3的容量分别为50kVA、25kVA、50kVA，容量比为2：1：2；线路单位阻抗为0.642+j0.083Ω/km，线路L1-L5线路长度分别为：0.2km、0.4km、0.3km、0.5km、0.3km；负荷Load1-Load4大小分别为6kW，3kvar、4kW，2kvar、10kW，5kvar、10kW，5kvar。其中，Load3、Load4在0～0.5s时大小都为5kW，2.5kvar，在0.5～1s时为10kW，5kvar。图5为逆变器应用传统下垂控制方式下的无功功率输出波形，可以看出无功功率没有按照各个分布式电源的容量进行分配。图6为逆变器采用本发明方法下的无功功率输出波形，可以看出无功功率输出比为2：1：2，与分布式电源的容量比相同。

仿真结果证明，利用本发明实施例的自适应虚拟阻抗的控制方法，可以提高孤岛微电网的无功功率分配精度，消除分配误差，且能在本地进行功率分配控制，不会受到通信系统的制约。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于自适应虚拟阻抗的孤岛微电网无功功率分配控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，构建同步发电机的有功和无功功率模型：

上述式子中，P为逆变器输出有功功率，Q为逆变器输出无功功率，E为逆变器输出端电压，V为负载端电压，δ为功角，X为线路阻抗；

步骤2，将带有储能的直流分布式电源通过逆变器、LC滤波器接入微电网，在所述逆变器中模拟所述同步发电机特性，构建所述微电网的下垂控制模型；所述微电网的下垂控制模型包括有功下垂方程和无功下垂方程：

所述有功下垂方程为：

f＝f^*-m(P^*-P)

所述有功下垂方程中，f是系统频率，f^*是分布式电源空载时的系统频率，P^*是逆变器有功功率的额定值，m是逆变器有功下垂方程的下垂系数；

所述无功下垂方程为：

E＝E^*-nQ

所述无功下垂方程中，E^*是分布式电源空载时的电压幅值，n是逆变器无功下垂方程的下垂系数；

步骤3，构建所述逆变器的自适应虚拟阻抗Z_v，所述自适应虚拟阻抗Z_v与所述逆变器输出电流的乘积为自适应虚拟阻抗Z_v上的压降，所述逆变器输出端电压E减去所述自适应虚拟阻抗Z_v上的压降为所述逆变器连接所述自适应虚拟阻抗后Z_v的输出电压；

所述自适应虚拟阻抗模型为：

所述自适应虚拟阻抗模型中，Z_v为自适应虚拟阻抗，X_v为固定阻值的虚拟电抗，

为自适应电抗，

初始状态为0；R_v为固定阻值的虚拟电阻；

所述自适应电抗

的值通过积分控制电路得到：

式中，l为自适应虚拟电抗系数，对输出有功功率进行采集，当脉冲信号变为1时，电路负载达到稳定状态，此时停止采集有功功率，并对停止采集时刻的有功功率进行锁存，锁存值记为P₀；

步骤4，利用所述自适应虚拟阻抗对所述微电网无功功率分配进行配置；

步骤41，将所述逆变器输出电流通过微分检测电路得到一个脉冲信号，通过检测所述脉冲信号，判断所述脉冲信号是否为0；

当脉冲信号为0时，所述自适应电抗

为0，对输出的所述有功功率进行采集处理，重复步骤41；

当脉冲信号为1时，停止采集所述有功功率，并对停止时刻的所述有功功率的值进行锁存记为P₀，转入步骤42；

步骤42，有功下垂方程中加入无功量，修改后的有功下垂方程为：

f＝f^*-m(P^*-P)+knQ

式中，k为无功量系数，n为无功下垂方程的下垂系数，Q为无功功率；

步骤5，利用新的有功下垂方程对逆变器进行控制，待系统达到新的稳定状态时，无功功率完成平均分配。

2.根据权利要求1所述的基于自适应虚拟阻抗的孤岛微电网无功功率分配控制方法，其特征在于，构建所述步骤3中的自适应虚拟阻抗模型后，所述无功功率方程修订为：

所述式中，Q为逆变器输出无功功率，E^*是分布式电源空载时的电压幅值，V为负载端电压，X为线路阻抗，X_v为固定阻值的虚拟电抗，

为自适应电抗，

初始状态为0，R_v为固定阻值的虚拟电阻，n是逆变器无功下垂方程的下垂系数。

3.根据权利要求2所述的基于自适应虚拟阻抗的孤岛微电网无功功率分配控制方法，其特征在于，所述步骤3中的积分控制电路使得P趋近于P₀，

趋向于固定值。

4.根据权利要求2所述的基于自适应虚拟阻抗的孤岛微电网无功功率分配控制方法，其特征在于，系统达到稳定状态后逆变器的无功功率为：

所述式中，Q为逆变器输出无功功率，E^*是分布式电源空载时的电压幅值，V为负载端电压，X为线路阻抗，X_v为固定阻值的虚拟电抗，R_v为固定阻值的虚拟电阻，n是逆变器无功下垂方程的下垂系数，l为自适应虚拟电抗系数，对输出有功功率进行采集，当脉冲信号变为1时，电路负载达到稳定状态，此时停止采集有功功率，并对停止采集时刻的有功功率进行锁存，锁存值记为P₀。

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