CN111431219A - 一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法，属于电力系统运行与控制领域。微网中的分布式电源主要通过逆变器接口并网，在并联于同一母线上的多个逆变器中选择一个作为主控逆变器，通过通信网络向其他逆变器传输本地下垂控制参数和逆变器到并网点的线路阻抗；其他逆变器获得主控逆变器参数后，根据下垂控制和线路特性约束方程调整本地下垂系数，最终实现无功功率精确分配的目的。区别于传统的逐次逼近调节，本方法依据下垂控制和线路特性约束方程直接求得输出无功功率，具有简单、快速、可靠的特点。

Description

一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法

技术领域

本发明属于电力系统运行与控制领域，具体涉及一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法。

背景技术

微电网作为一项有效管理和协调逆变器运行的新技术，可以运行在孤岛和并网两种模式，并能相互切换。无论是主动孤岛还是被动孤岛，下垂控制都在微电网中应用广泛。由于各点的频率在同一个互联系统中都是相同的，因此可以根据频率对多个逆变器进行统一调度；但是逆变器输出端电压是一个局部变量，会随逆变器结构参数以及其到并网点距离的不同而发生变化，导致每个逆变器输出端电压幅值各不相同，无法对多个逆变器进行统一调度，使逆变器的输出的无功功率不合理。由于低压微电网中电压等级较低，电压随线路阻抗下降迅速，如果不能合理控制无功功率分配，在极端情况下将会使逆变器输出超出额定功率，造成电压越限，电能质量下降，危害用电设备安全等一系列问题，对生产生活造成不良影响。近年来，国内外学者提出了很多改进的下垂控制的新方法。如采用虚拟阻抗法补偿阻抗差异，但虚拟阻抗会导致电压降落，虚拟阻抗大小不易选取，往往系统稳定和解耦效果两者不可兼得，使得该方法的控制效果将受到很大限制；变参考电压法，引入补偿系数，动态调节参考电压，但会造成环流问题；并联虚拟电阻并联法，使逆变器等效阻抗接近相等，系统稳定性增强，但对逆变器输出端电压影响较大。

发明内容

针对现有技术存在的缺点，本发明提供了一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法。

本发明采用以下的技术方案：

一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法，包括以下步骤：

步骤1：采集逆变器交流侧电压电流信号；

步骤2：对采集到的电压电流信号进行派克变换；

步骤3：利用变换后的电压电流计算功率；

步骤4：进行下垂控制；

步骤5：对下垂控制后计算的参考电压进行解耦控制；

步骤6：对解耦后的电压进行反派克变换，得到三相静止坐标系下的电压。

步骤7：根据步骤6得到的电压，利用正弦脉宽调制技术控制逆变器输出。

优选地，步骤2具体为：

派克变换的具体内容为：

电压在三相静止坐标系下表示为：

其中，u_a、u_b、u_c分别为三相静止坐标系下的a、b、c轴的电压，U为逆变器输出端电压幅值，θ为a相电压与坐标系a轴之间的角度；

电压在两相旋转坐标系下表示为：

式中：u_d、u_q分别为两相旋转坐标系下d轴、q轴的电压分量，

为两相旋转坐标系d轴与三相静止坐标系a轴之间的角度；

由于：

以上3个公式联立得：

同理电流的派克变换为：

式中：i_d、i_q分别为两相旋转坐标系下d轴、q轴的电流分量，i_a、i_b、i_c分别为三相静止坐标系下的a、b、c轴的电压分量。

优选地，步骤3具体为：

基于电压定向的矢量控制策略：

式中：P为逆变器输出的有功功率，Q为逆变器输出的无功功率。

优选地，步骤4具体包括以下子步骤：

步骤4.1：根据下垂特性曲线和线路特性曲线计算出逆变器输出无功功率和下垂系数、线路阻抗的关系；

步骤4.2：求得逆变器输出的无功功率正比于逆变器额定无功功率的条件；

步骤4.3：计算逆变器应当输出的无功功率；

步骤4.4：判断计算出的无功功率是否满足逆变器的约束条件；

步骤4.5：进行逆变器参考电压计算。

优选地，步骤4.1具体为：

下垂控制策略中逆变器电压幅值和输出无功功率成线性关系，即：

U＝U₀-kQ；

其中，U₀表示逆变器输出端电压幅值参考值，k表示下垂系数；

逆变器输出端电压幅值随无功功率变化规律为：

其中，U_pcc表示并网点电压幅值，x表示逆变器到并网点的线路阻抗；

得出逆变器输出无功功率和下垂系数、线路阻抗的关系：

优选地，步骤4.2具体为：

设在同一并网点有多台逆变器，选择其中一个逆变器作为主逆变器，主逆变器的额定无功功率为Q₁'，其它任意一台逆变器的额定无功功率为Q₂'，则

若主逆变器与任意一台逆变器的额定无功功率的比值为Q₁':Q₂'＝n:1，则对应的下垂系数比值为k₁:k₂＝1:n，因为两台逆变器并联在同一条交流母线上，所以并网点电压U_pcc相同，则逆变器输出的无功功率正比于额定无功功率的条件为：

计算出其他任意一台逆变器的下垂系数k₂为：

优选地，步骤4.3具体为：

根据步骤4.2得到的下垂系数k₂，能求得其他任意一台逆变器应当输出的无功功率Q₂；

步骤4.4具体为：

逆变器输出无功功率受逆变器额定无功功率和并网条件限制，当计算出的无功功率超出逆变器最大输出无功功率时，要限制输出无功功率的最大值，使其恒定为Q_max；当计算出的无功功率低于逆变器最小输出无功功率时，要限制输出无功功率的最小值，使其恒定为Q_min；

步骤4.5具体为：

U_ref＝U₀-kQ。

式中：U_ref为逆变器输出的参考电压。

优选地，步骤5具体为：

采用PI控制器进行参考电压前馈解耦，控制方程：

式中：K_P、K_I分别为电压PI调节器的比例、积分增益，ω为工频下的角速度，L为电感，v_d、v_q为解耦后的d轴、q轴电压分量。

优选地，步骤6具体为：

对v_d、v_q反派克变换为：

得到三相静止坐标系下的电压U_a、U_b和U_c。

优选地，步骤7具体为：

正弦脉宽调制控制器实时地比较步骤6中的三相电压信号和载波信号的幅值大小，根据比较结果，向逆变器中各开关器件发出“通”和“断”的动作指令S_abc，使逆变器输出三相交流电压。

本发明具有的有益效果是：

该方法通过调节逆变器下垂系数，补偿线路阻抗不同造成的输出无功功率差异，使各个逆变器可以根据实际运行条件自动、准确、快速地调节输出无功功率，实现多台逆变器输出的无功功率合理分配，同时提高了并网点电压水平。

附图说明

图1为逆变器控制流程图。

图2为逆变器下垂控制流程图。

图3为参考电压解耦图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

结合图1至图3，一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法，其流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：采集逆变器交流侧电压电流信号。

步骤2：对采集到的电压电流信号进行派克变换，获取dq轴分量。

派克变换的具体内容为：

电压在三相(abc)静止坐标系下可表示为：

式中：u_a、u_b、u_c分别为三相静止坐标系下的a、b、c轴的电压，U为逆变器输出端电压幅值，θ为a相电压与坐标系a轴之间的角度。

电压在两相(dq)旋转坐标系下可表示为：

式中：u_d、u_q分别为两相旋转坐标系下d轴、q轴的电压分量，

为两相旋转坐标系d轴与三相静止坐标系a轴之间的角度。

由于：

以上3个公式联立得：

同理电流的派克变换为：

式中：i_d、i_q分别为两相旋转坐标系下d轴、q轴的电流分量，i_a、i_b、i_c分别为三相静止坐标系下的a、b、c轴的电压分量。

步骤3：利用变换后的电压电流计算功率。

基于电压定向的矢量控制策略：

式中：P为逆变器输出的有功功率，Q为逆变器输出的无功功率。

步骤4：进行下垂控制。控制流程图如图2所示。

具体包括以下子步骤：

步骤4.1：根据下垂特性曲线和线路特性曲线计算出逆变器输出无功功率和下垂系数、线路阻抗的关系；

下垂控制策略中逆变器电压幅值和输出无功功率成线性关系，即：

U＝U₀-kQ；

其中，U₀表示逆变器输出端电压幅值参考值，k表示下垂系数；

逆变器输出端电压幅值随无功功率变化规律为：

其中，U_pcc表示并网点电压幅值，x表示逆变器到并网点的线路阻抗；

得出逆变器输出无功功率和下垂系数、线路阻抗的关系：

步骤4.2：求得逆变器输出的无功功率正比于逆变器额定无功功率的条件；

设在同一并网点有多台逆变器，选择其中一个逆变器作为主逆变器，主逆变器的额定无功功率为Q₁'，其它任意一台逆变器的额定无功功率为Q₂'，则

若主逆变器与任意一台逆变器的额定无功功率的比值为Q₁':Q₂'＝n:1，则对应的下垂系数比值为k₁:k₂＝1:n，因为两台逆变器并联在同一条交流母线上，所以并网点电压U_pcc相同，则逆变器输出的无功功率正比于额定无功功率的条件为：

计算出其他任意一台逆变器的下垂系数k₂为：

步骤4.3：计算逆变器应当输出的无功功率；

根据步骤4.2得到的下垂系数k₂，能求得其他任意一台逆变器应当输出的无功功率Q₂；

步骤4.4：判断计算出的无功功率Q₂是否满足逆变器的约束条件；

逆变器输出无功功率受逆变器额定无功功率和并网条件限制，当计算出的无功功率超出逆变器最大输出无功功率时，要限制输出无功功率的最大值，使其恒定为Q_max；当计算出的无功功率低于逆变器最小输出无功功率时，要限制输出无功功率的最小值，使其恒定为Q_min；

步骤4.5：进行逆变器参考电压计算；

U_ref＝U₀-kQ

式中：U_ref为逆变器输出的参考电压。

步骤5：对步骤4.5计算到的参考电压进行解耦控制。

为了实现有功功率、无功功率的独立控制和d、q轴电压大小的独立调节，必须对参考电压进行解耦。因此常采用PI控制器进行电压前馈解耦，解耦框图如图3所示，控制方程：

式中：K_P、K_I分别为电压PI调节器的比例、积分增益，ω为工频下的角速度，L为电感，v_d、v_q为解耦后的d轴、q轴电压分量。

通过引入电流状态反馈，增加电网电压前馈补偿，实现调节电压d轴分量u_d就能独立控制无功功率。

步骤6：对v_d、v_q反派克变换，得到三相静止坐标系下的电压；

对v_d、v_q反派克变换为：

得到三相静止坐标系下的电压U_a、U_b和U_c。

步骤7：根据步骤6得到的电压，利用正弦脉宽调制技术控制逆变器输出。

具体为：

正弦脉宽调制控制器实时地比较步骤6中的三相电压信号和载波信号的幅值大小，根据比较结果，向逆变器中各开关器件发出“通”和“断”的动作指令S_abc，使逆变器输出三相交流电压。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集逆变器交流侧电压电流信号；

步骤2：对采集到的电压电流信号进行派克变换；

步骤3：利用变换后的电压电流计算功率；

步骤4：进行下垂控制；

步骤5：对下垂控制后计算的参考电压进行解耦控制；

步骤6：对解耦后的电压进行反派克变换，得到三相静止坐标系下的电压；

步骤7：根据步骤6得到的电压，利用正弦脉宽调制技术控制逆变器输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法，其特征在于，步骤2具体为：

派克变换的具体内容为：

电压在三相静止坐标系下表示为：

其中，u_a、u_b、u_c分别为三相静止坐标系下的a、b、c轴的电压，U为逆变器输出端电压幅值，θ为a相电压与坐标系a轴之间的角度；

电压在两相旋转坐标系下表示为：

式中：u_d、u_q分别为两相旋转坐标系下d轴、q轴的电压分量，

为两相旋转坐标系d轴与三相静止坐标系a轴之间的角度；

由于：

以上3个公式联立得：

同理电流的派克变换为：

式中：i_d、i_q分别为两相旋转坐标系下d轴、q轴的电流分量，i_a、i_b、i_c分别为三相静止坐标系下的a、b、c轴的电压分量。

3.根据权利要求1所述的一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法，其特征在于，步骤3具体为：

基于电压定向的矢量控制策略：

式中：P为逆变器输出的有功功率，Q为逆变器输出的无功功率。

4.根据权利要求1所述的一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法，其特征在于，步骤4具体包括以下子步骤：

步骤4.1：根据下垂特性曲线和线路特性曲线计算出逆变器输出无功功率和下垂系数、线路阻抗的关系；

步骤4.2：求得逆变器输出的无功功率正比于逆变器额定无功功率的条件；

步骤4.3：计算逆变器应当输出的无功功率；

步骤4.4：判断计算出的无功功率是否满足逆变器的约束条件；

步骤4.5：进行逆变器参考电压计算。

5.根据权利要求4所述的一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法，其特征在于，步骤4.1具体为：

下垂控制策略中逆变器电压幅值和输出无功功率成线性关系，即：

U＝U₀-kQ；

其中，U₀表示逆变器输出端电压幅值参考值，k表示下垂系数；

逆变器输出端电压幅值随无功功率变化规律为：

其中，U_pcc表示并网点电压幅值，x表示逆变器到并网点的线路阻抗；

得出逆变器输出无功功率和下垂系数、线路阻抗的关系：

6.根据权利要求5所述的一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法，其特征在于，步骤4.2具体为：

设在同一并网点有多台逆变器，选择其中一个逆变器作为主逆变器，主逆变器的额定无功功率为Q₁'，其它任意一台逆变器的额定无功功率为Q₂'，则

若主逆变器与任意一台逆变器的额定无功功率的比值为Q₁':Q₂'＝n:1，则对应的下垂系数比值为k₁:k₂＝1:n，因为两台逆变器并联在同一条交流母线上，所以并网点电压U_pcc相同，则逆变器输出的无功功率正比于额定无功功率的条件为：

计算出其他任意一台逆变器的下垂系数k₂为：

7.根据权利要求6所述的一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法，其特征在于，步骤4.3具体为：

根据步骤4.2得到的下垂系数k₂，能求得其他任意一台逆变器应当输出的无功功率Q₂；

步骤4.4具体为：

逆变器输出无功功率受逆变器额定无功功率和并网条件限制，当计算出的无功功率超出逆变器最大输出无功功率时，要限制输出无功功率的最大值，使其恒定为Q_max；当计算出的无功功率低于逆变器最小输出无功功率时，要限制输出无功功率的最小值，使其恒定为Q_min；

步骤4.5具体为：

U_ref＝U₀-kQ。

式中：U_ref为逆变器输出的参考电压。

8.根据权利要求7所述的一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法，其特征在于，步骤5具体为：

采用PI控制器进行参考电压前馈解耦，控制方程：

式中：K_P、K_I分别为电压PI调节器的比例、积分增益，ω为工频下的角速度，L为电感，v_d、v_q为解耦后的d轴、q轴电压分量。

9.根据权利要求8所述的一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法，其特征在于，步骤6具体为：

对v_d、v_q反派克变换为：

得到三相静止坐标系下的电压U_a、U_b和U_c。

10.根据权利要求9所述的一种基于下垂控制的微网无功功率精确分配方法，其特征在于，步骤7具体为：

正弦脉宽调制控制器实时地比较步骤6中的三相电压信号和载波信号的幅值大小，根据比较结果，向逆变器中各开关器件发出“通”和“断”的动作指令S_abc，使逆变器输出三相交流电压。

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