CN111313485B - 一种适用于微电网系统的分布式精确无功功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于微电网系统的分布式精确无功功率分配方法，该方法在分布式发电单元主控制器的传统虚拟阻抗方法上引入第二层补偿函数和通讯层，使各分布式发电单元的虚拟阻抗按无功功率需求进行调节，实现微电网各分布式发电单元间的精确无功功率分配。本发明通过采用低带宽通讯方式组成无集中控制器的通讯层，各分布式发电单元只需要知道通讯网络内上一个分布式发电单元的无功功率和无功下垂系数信息，不仅保留了传统虚拟阻抗方法的优点，还可以避免因线路阻抗差异导致的无功环流，可使各分布式发电单元精确分配系统无功功率。

Description

一种适用于微电网系统的分布式精确无功功率分配方法

技术领域

本发明涉及分布式发电、微电网技术领域，特别涉及一种适用于微电网系统的分布式无功功率分配方法。

背景技术

随着微电网容量和可靠性要求不断提高，分布式发电单元并联运行是解决大功率用电需求的重要方式之一。如何协调管理各分布式发电单元、实现功率的精确分配和环流抑制是微电网可靠运行的关键问题。

下垂控制因其具有“电压频率-有功功率”和“电压幅值-无功功率”的调节特性，被广泛应用于无互联线的微电网控制系统中，使得各分布式发电单元按其额定容量等级分配微电网系统的有功和无功功率。由于微电网的系统频率处处相等，系统的有功功率总是能够得到精确的分配。然而，每个分布式发电单元的系统参数和在微电网中所处位置(即线路阻抗)都不尽相同，各分布式发电单元输出电压到负载端口电压的压差不一致，因此系统的无功功率不能得到精确的分配。特别是在网络化的微电网中，为了降低线路阻抗和系统参数对无功功率分配的影响，有人提出在分布式发电单元的主控制器中加入虚拟阻抗方法，使分布式发电单元的输出阻抗和线路阻抗近似相等，从而可以抑制无功环流和改善无功功率分配精度。

目前，为了解决微电网的精确无功功率分配问题，已有多篇学术论文和专利进行研究并提出相应的解决方法，例如：

1、程军照等人在发表的“一种不等容逆变器并联运行负荷分担的控制方法”专利中，改进了传统虚拟阻抗方法，通过配置各分布式发电单元的虚拟阻抗和其额定容量成反比，提高了无功功率分配精度。但该方法不适用于网络化微电网，即各分布式发电单元间的线路阻抗对无功功率的分配有较大影响，且输出压降大，不具有普适性。

2、在题为“基于多智能体理论的微电网多逆变器分布式功率分配控制及其电能质量治理策略”的文章中，作者KIM SUNGHYOK基于多智能体理论在分布式发电单元的虚拟阻抗环节引入自适应虚拟阻抗调节，消除了对线路阻抗的敏感性，实现微电网的精确无功功率分配，但由于每个分布式发电单元都需要知道相邻两个分布式发电单元的信息，具有通讯数据多、运算量大和可靠性不足等缺陷。

3、T.V.Hoang等人发表“An adaptive virtual impedance control scheme toeliminate the reactive-power-sharing errors in an islanding meshed microgrid”《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》，2018：966–976，该文章引入集中控制器，接收每个分布式发电单元的无功功率，然后按各分布式发电单元的额定容量比例分配无功功率，再将分配后的无功功率参考值发送给各分布式发电单元用于调整虚拟阻抗值，从而实现自适应虚拟阻抗调节和精确无功功率分配。该方法使用了集中控制器，减弱了系统的鲁棒性，一旦集中控制器出现故障，整个系统的无功功率分配将会受到影响，而且通讯数据量大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中微电网的无功功率无法按照额定容量来精确分配负载功率的问题，提供一种适用于微电网系统的分布式精确无功功率分配方法，该方法在传统下垂控制中，加入通讯层和第二层补偿函数，根据上一个分布式发电单元和当前分布式发电单元的功率差异去实时调节虚拟阻抗值，以实现不同容量或同等容量的分布式发电单元间的功率按比例分配和环流抑制，保证微电网稳定运行。

本发明提出一种适用于微电网系统的分布式精确无功功率分配方法，通过第二层补偿函数调节分布式发电单元的虚拟阻抗，所述第二层补偿函数为：

所述第二层补偿函数中：j为分布式发电单元的序号，j＝2,3,…,k，当j＝1时，j-1＝k；V_vdj为电压环直轴(直轴又叫d轴)参考变化量；V_vqj为电压环交轴(交轴又叫q轴)参考变化量；ω为电压频率；I_odj为d轴输出电流；I_oqj为q轴输出电流；R_vj为虚拟电阻；L_vj为预设虚拟感抗；△L_vj为自适应虚拟感抗；k_p为自适应无功调整比例系数；k_i为自适应无功调整积分系数；Q_j为第j台分布式发电单元的无功功率，Q_j-1为第j-1台分布式发电单元的无功功率；n_j为第j台分布式发电单元的无功下垂系数，n_j-1为第j-1台分布式发电单元的无功下垂系数；s为拉普拉斯算子。

进一步，本发明还包括由低带宽通讯方式组成的通讯机制，所述通讯机制为：

由微电网内各分布式发电单元的通讯层通过低带宽通讯方式组成一个通讯环，每个分布式发电单元的通讯层将其无功功率和无功下垂系数通过通讯网络发送给下一个分布式发电单元的通讯层；

当某个分布式发电单元因故障不能运行而需要脱离微电网时，其上一个分布式发电单元的通讯层跳过该出现故障的分布式发电单元，和下一个分布式发电单元的通讯层相连，从而让剩余正常的分布式发电单元形成一个通讯环；当需要添加一个分布式发电单元到微电网的交流母线上时，使该被添加的分布式发电单元的通讯层和其所在位置处的上下两个分布式发电单元的通讯层相连，继而微电网中各分布式发电单元的通讯层重新形成一个通讯环。

若某个通讯故障的分布式发电单元因微电网功率需求不能脱离微电网时，该通讯故障的分布式发电单元以出现故障前的通讯数据继续运行，其上一个分布式发电单元的通讯层跳过该出现通讯故障的分布式发电单元，和下一个分布式发电单元的通讯层相连，从而让剩余通讯正常的分布式发电单元形成一个通讯环；当通讯故障的分布式发电单元通讯恢复时，该分布式发电单元的通讯层和所在位置处的上下两个分布式发电单元的通讯层相连，使所有分布式发电单元的通讯层形成一个通讯环。

本发明的有益效果：

本发明适用于微电网系统的分布式精确无功功率分配方法，当分布式发电单元间的线路阻抗差异较大时，分布式发电单元根据第二层补偿函数自适应调节虚拟阻抗值，能够实现微电网的精确无功功率分配，并有效抑制环流，同时该方法具有可靠性高、通讯数据量少、扩展性强等优点。

附图说明

图1为本发明分布式微电网的系统结构框图。

图2为本发明实施例中各分布式发电单元的结构和控制框图。

图3为本发明实施例中各分布式发电单元的通讯机制示意图。

图4为本发明实施例中微电网的实验结构框图。

图5为本发明实施例中分布式发电单元投切前后的实验波形图。

图6为本发明实施例中分布式发电单元通讯故障和恢复前后的实验波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

第j个分布式发电单元的输出有功功率P_j和无功功率Q_j可以简化为：

其中，V_oj为分布式发电单元的输出电压；V_bus为交流母线电压；δ_j为输出电压相位；X_j为等效输出阻抗；j＝1,2,…,k。

根据有功功率P_j与电压频率ω_j、无功功率Q_j与电压幅值V_j的关系，可以得出下垂控制方程为：

ω_j＝ω^*-m_jP_j

式中，ω*和V_o*分别为参考频率和参考电压；m_j和n_j分别为有功下垂系数和无功下垂系数。

由于系统频率固定，有功功率总能得到精确分配。对于k个不同容量的分布式发电单元，若要实现按比例分配无功负荷，则需要满足：

n₁Q₁＝n₂Q₂＝…＝n_kQ_k

进一步可以得到：

由上式可知，要使每个分布式发电单元的n_jQ_j相等，必须满足如下关系式：

将等式分子分母同乘Q_j，即可得到：

X₁Q₁＝X₂Q₂＝…＝X_nQ_n

由此可知，要想实现精确的无功功率分配，必须使每个分布式发电单元的等效输出阻抗和其无功功率成反比。分布式发电单元的等效输出阻抗X包含本身输出阻抗、预设虚拟阻抗和可调节虚拟阻抗。可供调整的部分是可调节虚拟阻抗。

为了使各分布式发电单元的等效输出阻抗达到上述比例关系，本实施例适用于微电网系统的分布式精确无功功率分配方法，通过第二层补偿函数调节分布式发电单元的虚拟阻抗，所述第二层补偿函数为：

所述第二层补偿函数中：j为分布式发电单元的序号，j＝2,3,…,k，当j＝1时，j-1＝k；V_vdj为电压环d轴参考变化量；V_vqj为电压环q轴参考变化量；ω为电压频率；I_odj为d轴输出电流；I_oqj为q轴输出电流；R_vj为虚拟电阻；L_vj为预设虚拟感抗；△L_vj为自适应虚拟感抗；k_p为自适应无功调整比例系数；k_i为自适应无功调整积分系数；Q_j为第j台分布式发电单元的无功功率，Q_j-1为第j-1台分布式发电单元的无功功率；n_j为第j台分布式发电单元的无功下垂系数，n_j-1为第j-1台分布式发电单元的无功下垂系数；s为拉普拉斯算子。

由第二层补偿函数可知，虚拟阻抗值会随着分布式发电单元间输出无功功率的差异而进行自适应调节，目标是使分布式发电单元的等效输出阻抗与其无功功率成反比。因此在并联分布式发电单元的线路阻抗不同时，采用本实施例方法自动调节虚拟阻抗，能精确分配无功功率和有效抑制环流。

下面以由三个容量相同的分布式发电单元组成的微电网为例，结合附图详细说明本发明分布式精确无功功率分配方法的工作原理和调节过程。

本实施例中的分布式发电单元的结构由直流源、三相桥臂、滤波电感、滤波电容和连线电感组成，各分布式发电单元的结构和控制框图如说明书附图图2所示。控制部分由主控制器、第二层补偿函数和通讯层组成。具体过程为：对输出电压v_o(v_oaj、v_obj、v_ocj)和输出电流i_o(i_oaj、i_obj、i_ocj)进行采样，经过dq变换和功率计算得出瞬时有功功率和无功功率，再经过一阶低通滤波器LPF进行滤波，得到平均有功功率P_j和平均无功功率Q_j；再由下垂控制得出电压相角θ_j和d轴电压指令V*_odj；通讯层接收上一个分布式发电单元发送的无功功率Q_j-1和无功下垂系数n_j-1，并将自身的无功功率Q_j和无功下垂系数n_j发送给下一个分布式发电单元；经过第二层补偿函数计算得到电压环d轴参考变化量V_vdj和电压环q轴参考变化量V_vqj；V*_odj、-V_odj和-V_vdj相加以及0、-V_oqj和-V_vqj相加后送入传统电压电流双闭环控制中，得到dq坐标系下的调制波，然后经过调制后生成驱动信号SVPWM以反馈驱动三相桥臂。

本实施例中各分布式发电单元的通讯机制如说明书附图3所示。由微电网内各分布式发电单元的通讯层通过低带宽通讯方式组成一个通讯环，每个分布式发电单元的通讯层将其无功功率Q_j和无功下垂系数n_j通过通讯网络发送给下一个分布式发电单元的通讯层。当微电网中某个分布式发电单元DG_j出现故障不能运行时，或因其他原因需要让分布式发电单元DG_j脱离微电网时，分布式发电单元DG_j的上一个分布式发电单元DG_j-1的通讯层跳过DG_j，和下一个分布式发电单元DG_j+1的通讯层相连，继而与剩余分布式发电单元的通讯层继续形成一个通讯环；当微电网需要添加一个分布式发电单元到微电网的交流母线上时，该分布式发电单元的通讯层和所在位置处的上下两个分布式发电单元的通讯层相连，使所有分布式发电单元的通讯层形成一个通讯环。当分布式发电单元DG_j发生通讯故障而因微电网功率需求不能脱离微电网时，其上一个分布式发电单元DG_j-1的通讯层跳过该通讯故障的分布式发电单元DG_j，和下一个分布式发电单元DG_j+1的通讯层相连，继而与剩余分布式发电单元的通讯层相连形成一个通讯环，该通讯故障的分布式发电单元DG_j以出现故障前的通讯数据继续运行；当通讯故障的分布式发电单元DG_j通讯恢复时，该分布式发电单元DG_j的通讯层和所在位置处的上下两个分布式发电单元(DG_j-1、DG_j+1)的通讯层相连，使所有分布式发电单元的通讯层形成一个通讯环。

本实施例中的微电网实验结构框图如图4所示。该微电网由3个分布式发电单元(DG₁、DG₂、DG₃)、3个公共负载、N₂点的1个本地负载和连线组成。其中，DG₁到N₁点的线路阻抗为(0.3Ω,3.08mH)，DG₂到N₃点的线路阻抗为(0.1Ω,1.78mH)，DG₃到N₄点的线路阻抗为(0.1Ω,1.2mH)，N₁到N₃点的线路阻抗为(0.1Ω,0.6mH)，N₃到N₄点的线路阻抗为(0.1Ω,0.9mH)，公共负载1的功率为(3kW,1.5kVar)，公共负载2的功率为(2kW,2kVar)，公共负载3的功率为(4kW,1kVar)，本地负载1的功率为(3kW,1.5kVar)，DG₁、DG₂和DG₃通过低带宽通讯组成一个通讯环，每个DG发送自己的无功功率和无功下垂系数到下一个DG。

本实施例中分布式发电单元投切前后的实验波形图如说明书附图5所示。在阶段1期间(0<t<0.3s)，公共负载2和公共负载3分别挂载于N₃和N₄点，其余负载未挂载，第1台分布式发电单元DG₁启动承担3kVar的无功负载；在阶段2起始时(t＝0.3s)，DG₂和DG₃通过锁相环技术PLL分别连接到N₃和N₄点，与DG₁共同承担3kVar的无功负载，每个DG承担1kVar的无功负载；在阶段3起始时(t＝1s)，公共负载1挂载于N₁点，不仅形成一个负载阶跃变化，还改变了微电网的结构，微电网系统很快响应并达到稳态过程，每个DG承担1.5kVar的无功负载；在阶段4起始时(t＝1.5s)，本地负载1挂载于N₂点，每个DG承担2kVar的无功负载；在阶段5起始时(t＝2s)，DG₃脱离微电网系统，DG₁和DG₂共同承担6kVar的无功负载，每个DG承担3kVar的无功负载；在阶段6起始时(t＝2.5s)，DG₃连接微电网系统，DG₁、DG₂和DG₃共同承担6kVar的无功负载，每个DG承担2kVar的无功负载。从说明书附图5中可以看出，在负载突变或分布式发电单元投切过程中，整个微电网系统都能快速达到稳定运行状态，并实现每个分布式发电单元相同容量的精确无功功率分配，且虚拟阻抗也根据系统变化自适应调节。

图6为本发明实施例中分布式发电单元通讯故障和恢复前后的实验波形图。图6和图5的微电网运行过程区别在于DG₃一直连接在微电网中，t＝1.3s时刻DG₃发生通讯故障，于t＝2.5s时刻DG₃通讯恢复，其余过程完全一致。当DG₃在t＝1.3s时刻发生通讯故障时，DG₂的通讯层跳过DG₃与DG₁的通讯层相连并形成一个新的通讯环，DG₃继续以当前时刻的虚拟阻抗值继续运行；在1.5s<t<2.5s期间，DG₃的虚拟阻抗值未自适应调节，不能与DG1和DG2共同精确分配无功功率，但DG1和DG2仍能均等分配剩余无功功率，在通讯故障期间，这种较小的无功功率分配误差在允许的范围内，同时满足了整个微电网的功率需求；当DG₃在t＝2.5s时刻通讯恢复时，DG₂的通讯层重新连接DG₃的通讯层，DG₃再与DG₁的通讯层相连并形成通讯环，DG₁、DG₂和DG₃共同承担6kVar的无功负载，每个DG承担2kVar的无功负载。从说明书附图6中可以看出，在通讯故障和故障恢复过程中，整个微电网系统都能快速达到稳定运行状态，并保证通讯正常的分布式发电单元间的精确无功功率分配，同时出现通讯故障的分布式发电单元仍以前一时刻虚拟阻抗继续运行保障微电网的功率供应，且虚拟阻抗也根据系统变化自适应调节。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种适用于微电网系统的分布式精确无功功率分配方法，其特征在于：通过第二层补偿函数调节分布式发电单元的虚拟阻抗，所述第二层补偿函数为：

所述第二层补偿函数中：j为分布式发电单元的序号，j＝2,3,…,k，当j＝1时，j-1＝k；V_vdj为电压环直轴参考变化量；V_vqj为电压环交轴参考变化量；ω为电压频率；I_odj为d轴输出电流；I_oqj为q轴输出电流；R_vj为虚拟电阻；L_vj为预设虚拟感抗；△L_vj为自适应虚拟感抗；k_p为自适应无功调整比例系数；k_i为自适应无功调整积分系数；Q_j为第j台分布式发电单元的无功功率，Q_j-1为第j-1台分布式发电单元的无功功率；n_j为第j台分布式发电单元的无功下垂系数，n_j-1为第j-1台分布式发电单元的无功下垂系数；s为拉普拉斯算子。

2.根据权利要求1所述的适用于微电网系统的分布式精确无功功率分配方法，其特征在于：还包括由低带宽通讯方式组成的通讯机制，所述通讯机制为：

由微电网内各分布式发电单元的通讯层通过低带宽通讯方式组成一个通讯环，每个分布式发电单元的通讯层将其无功功率和无功下垂系数通过通讯网络发送给下一个分布式发电单元的通讯层；

当某个分布式发电单元因故障不能运行而需要脱离微电网时，其上一个分布式发电单元的通讯层跳过该出现故障的分布式发电单元，和下一个分布式发电单元的通讯层相连，从而让剩余正常的分布式发电单元形成一个通讯环；当需要添加一个分布式发电单元到微电网的交流母线上时，使该被添加的分布式发电单元的通讯层和其所在位置处的上下两个分布式发电单元的通讯层相连，继而微电网中各分布式发电单元的通讯层重新形成一个通讯环；

若某个通讯故障的分布式发电单元因微电网功率需求不能脱离微电网时，该通讯故障的分布式发电单元以出现故障前的通讯数据继续运行，其上一个分布式发电单元的通讯层跳过该出现通讯故障的分布式发电单元，和下一个分布式发电单元的通讯层相连，从而让剩余通讯正常的分布式发电单元形成一个通讯环；当通讯故障的分布式发电单元通讯恢复时，该分布式发电单元的通讯层和所在位置处的上下两个分布式发电单元的通讯层相连，使所有分布式发电单元的通讯层形成一个通讯环。

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