CN112202204A - 一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，包括：建立单个光伏电源点逆变器输出有功、无功方程，并简化；模拟同步发电机下垂外特性建立下垂无功补偿控制方程；建立母线电压和阻抗引起的单个光伏电源点并网点电压差表达式，建立动态虚拟阻抗；得到动态虚拟阻抗压降；建立双光伏电源点逆变器输出电压表达式；得到双光伏电源点逆变器输出压差表达式；建立虚拟阻抗压降与线路压差功率函数表达式；得到虚拟阻抗三角函数式，并求解动态虚拟阻抗模值；根据动态虚拟阻抗模值和阻抗角建立动态虚拟阻抗，将动态虚拟阻抗补偿电压加入下垂无功补偿控制中，达到提高光伏微网无功分配精度的目的。本发明提高了光伏微网无功分配精度。

Description

一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法

技术领域

本发明涉及一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，该方法根据光伏微网不同输电线路压差，自动调节虚拟阻抗，弥补无功分配偏差，改善系统阻性特征，补偿压降，提高光伏微网无功分配精度。

背景技术

由光伏发电构成的微电网，电源点存在间隙性和不确定性，光伏发电组件对温度、太阳辐射变化较敏感，这对光伏微网并网运行优化研究提出了更多要求。光伏微网通过公共接入点(PCC)与公共电网并列运行，电压受公共电网牵制。光伏微网与传统大电网相比，微网系统本身缺少惯量特性，并网点母线电压易受负荷功率波动等因素影响，如何对光伏电源的逆变装置合理控制，维持并网点母线电压稳定，提高光伏微网输出电能质量，成为最近的研究热点。

发明内容

针对光伏微网中各光伏电源因为并网逆变器参数不同，输电线路阻抗存在参数漂移、采集误差，导致向负荷输送的功率不能按实际容量进行配比问题。本发明提供了一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，构建动态虚拟电阻、电抗，将动态虚拟阻抗引入下垂无功补偿控制中，改善系统的阻性特征，补偿压降。本发明根据基准阻抗产生的压降相等原理，分析动态虚拟阻抗模值大小。

本发明采取如下技术方案来实现的：

一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，包括以下步骤：

1)建立单个光伏电源点逆变器输出有功、无功方程；

2)将步骤1)单个光伏电源点逆变器输出有功、无功方程进行简化；

3)根据步骤2)单个光伏电源点逆变器输出有功、无功简化方程，模拟同步发电机下垂外特性建立下垂无功补偿控制方程；

4)建立母线电压和阻抗引起的单个光伏电源点并网点电压差表达式；

5)为了弥补步骤4)因为阻抗不同引起的电压差，建立动态虚拟阻抗；

6)把步骤5)动态虚拟阻抗引入步骤4)电压差表达式中，得到动态虚拟阻抗压降；

7)以双光伏电源点微网为研究对象，建立具有步骤4)动态虚拟阻抗的双光伏电源点逆变器输出电压表达式；

8)将步骤4)电压差表达式引入步骤7)双光伏电源点逆变器输出电压表达式中，得到双光伏电源点逆变器输出压差表达式；

9)根据光伏电源点1引入动态虚拟阻抗后压差与光伏电源点2线路压差相等，基准阻抗产生的压降相等原则，联立步骤6)动态虚拟阻抗压降和步骤8)双光伏电源点逆变器输出压差表达式，建立虚拟阻抗压降与线路压差功率函数表达式；

10)将步骤9)虚拟阻抗压降与线路压差功率函数表达式中用三角函数形式表达，得到虚拟阻抗三角函数式，并求解动态虚拟阻抗模值；

11)根据步骤10)动态虚拟阻抗模值和阻抗角建立动态虚拟阻抗，将动态虚拟阻抗补偿电压加入步骤3)下垂无功补偿控制中，达到提高光伏微网无功分配精度的目的。

本发明进一步的改进在于，步骤1)建立单个光伏电源点逆变器输出有功、无功方程：

其中：P_i为光伏逆变器输出有功功率；Q_i为光伏逆变器输出无功功率；U_i为光伏逆变器输出电压；U₀为负载阻抗两端电压；δ_i为功角；Z_i＝R_i+JX_i为线路等效阻抗；R_i为线路电阻；X_i为线路感抗。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：将步骤1)单个光伏电源点逆变器输出有功、无功方程进行简化：

这是因为光伏微网中，光伏电源等效输电线路阻抗呈阻性即R_i＞＞X_i，R_i≈Z_i，X_i≈0，功角δ_i→0。

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：根据步骤2)单个光伏电源点逆变器输出有功、无功简化方程，模拟同步发电机下垂外特性建立下垂无功补偿控制方程：U_i＝U₀-nQ_i，其中：U_i是被控逆变器输出电压幅值；U₀是空载输出电压幅值参考值；n是无功功率下垂系数；Q_i是负载分配的无功功率。

本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：建立母线电压和阻抗引起的单个光伏电源点并网点电压差表达式：

其中：P_i、Q_i为流过PV_i输电线路有功、无功功率；R_i、X_i为该线路电阻值、电抗值；E₀为系统空载电压幅值。

本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：为了弥补步骤4)因为阻抗不同引起的电压差，建立动态虚拟阻抗：Z_Vi＝R_Vi+jX_Vi＝r_Vi∠θ_i，其中：R_Vi、X_Vi为动态虚拟电阻、电抗；r_Vi为动态虚拟阻抗模；θ_i为阻抗角；R_Vi＝r_Vicosθ_i、X_Vi＝r_Visinθ_i。

本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：把步骤5)动态虚拟阻抗引入步骤4)电压差表达式中，得到动态虚拟阻抗压降为：

本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：以双光伏电源点微网为研究对象，以PV₂输电线路为基准线路阻抗Z＝R+jX，考虑输电线路间阻抗差并引入虚拟阻抗；建立具有步骤4)动态虚拟阻抗的双光伏电源点逆变器输出电压表达式：

其中：U₁、U₂为PV₁、PV₂逆变器出口电压。

本发明进一步的改进在于，，步骤8)的具体实现方法为：将步骤4)电压差表达式引入步骤7)双光伏电源点逆变器输出电压表达式中，得到双光伏电源点逆变器输出压差表达式：

本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法为：根据光伏电源点1引入动态虚拟阻抗后压差与光伏电源点2线路压差相等，即：

基准阻抗产生的压降相等原则，即：

联立步骤6)动态虚拟阻抗压降和步骤8)双光伏电源点逆变器输出压差表达式，建立虚拟阻抗压降与线路压差功率函数表达式：

步骤10)的具体实现方法为：将步骤9)虚拟阻抗压降与线路压差功率函数表达式中用三角函数形式表达，得到虚拟阻抗三角函数式：

并求解动态虚拟阻抗模值，动态虚拟阻抗模值大小表示为：

步骤11)的具体实现方法为：根据步骤10)动态虚拟阻抗模值和阻抗角建立动态虚拟阻抗，将动态虚拟阻抗补偿电压加入步骤3)下垂无功补偿控制中，得到新的控制方程为：U_i＝U₀-nQ_i+δU_Vi。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1、本发明提出一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，通过构建动态虚拟电阻、电抗，来弥补光伏电源并网逆变器因为参数不同，输电线路阻抗参数漂移、采集误差造成的母线电压和与并网点电压之差。

2、本发明为了分析动态虚拟阻抗模值大小，根据基准阻抗产生压降相等原理，引入动态虚拟阻抗三角函数式，根据线路和光伏并网逆变器参数，计算出动态虚拟阻抗模值，选择合适的动态虚拟阻抗模值，将动态虚拟阻抗产生的动态补偿电压加入下垂无功补偿控制中，改善无功功率分配精度、抑制无功环流。

附图说明

图1为光伏微网拓扑图；

图2为双光伏电源点微网戴维南等效电路图；

图3为下垂无功补偿示意图；

图4为含有虚拟阻抗的双光伏电源微网电路拓扑；

图5为含有虚拟阻抗的光伏微网控制框图；

图6为采用传统下垂无功补偿控制，系统无功增加母线电压变化仿真波形；

图7为采用具有虚拟阻抗的下垂无功补偿控制，系统无功增加母线电压变化仿真波形。

具体实施方式

下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，含有两个光伏电源点(简化)的光伏微网拓扑结构中：PV为光伏阵列；R_n+jX_n为等效线路阻抗；逆变装置通过公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)与大电网和负载相连。

如图2所示，包含两个PV的光伏微网戴维南等效电路图中：U₁∠δ₁、U₂∠δ₂为PV₁、PV₂并网逆变器输出电压；P₁、P₂、Q₁、Q₂为PV₁、PV₂并网逆变器输出有功功率、无功功率；U₀∠0为负载阻抗端电压；Z_load为负荷等效阻抗。

单个PV逆变器输出P、Q为：

在光伏微网中，PV等效输电线路阻抗呈阻性(R_i＞＞X_i，R_i≈Z_i，X_i≈0，功角δ_i→0)，则上式可简化为：

如图3所示，线性下垂控制是一种有差调节，由式(2)可知，光伏微网单个PV逆变器输出有功与功角有关，输出无功与电压有关。为了实现并网逆变器无功补偿控制，通过模拟同步发电机下垂外特性实现下垂无功补偿控制，控制方程为：

U_i＝U₀-nQ_i (3)

式中：U_i是被控逆变器输出电压幅值；U₀是空载输出电压幅值参考值；n是无功功率下垂系数；Q_i是负载分配的无功功率。

如图4所示，在实际光伏微网系统中，各PV并网逆变器参数不同，输电线路阻抗存在参数漂移、采集误差，导致向负荷输送的功率不能按实际容量进行配比。母线电压和因为阻抗引起的PV并网点电压之差为：

式中：P_i、Q_i为流过PV_i输电线路有功、无功功率；R_i、X_i为该线路电阻值、电抗值；E₀为系统空载电压幅值。为了弥补因为阻抗不同引起的压差，本发明将动态虚拟阻抗引入下垂无功补偿控制中，动态虚拟阻抗表达式为：

Z_Vi＝R_Vi+jX_Vi＝r_Vi∠θ_i (5)

式中：R_Vi、X_Vi为动态虚拟电阻、电抗；r_Vi为动态虚拟阻抗模；θ_i为阻抗角。R_Vi＝r_Vicosθ_i、X_Vi＝r_Visinθ_i。把式(5)引入式(4)中，则动态虚拟阻抗压降为：

为了得到动态虚拟阻抗模，本发明以双PV光伏微网为研究对象，以PV₂输电线路为基准(线路阻抗Z＝R+jX)，考虑输电线路间阻抗差并引入虚拟阻抗。

引入动态虚拟阻抗后两个逆变器输出电压可表示为：

式中：U₁、U₂为PV₁、PV₂逆变器出口电压。根据式(4)，结合图4，ΔU₁、ΔU₂表示为：

为解决无功分配误差问题，PV₁线路引入动态虚拟阻抗后压差与PV₂线路压差相等，即：

基准阻抗产生的压降应相等，即：

带入式(9)中，则有：

δU_V1＝-δU₁ (10)

根据式(6)与式(8)，可得：

引入动态虚拟阻抗三角函数式，上式可转换为：

动态虚拟阻抗模值大小可表示为：

由式(13)可知：r_vi可以根据ΔR、ΔX、P_i、Q_i、θ_i计算得到，对于任意给定的线路和光伏并网逆变器参数都有唯一动态虚拟阻抗模值与其对应。选择合适的r_vi可以改善无功功率分配精度、抑制无功环流。将动态虚拟阻抗产生的动态补偿电压加入下垂无功补偿控制中，得到新的控制方程为：

U_i＝U₀-nQ_i+δU_Vi (14)

如图5所示，为了验证本发明所提应用动态虚拟阻抗的光伏微网下垂无功补偿控制方案的有效性。在Matlab/Simulink下搭建含有两个PV的光伏微网仿真模型，将本发明所提虚拟阻抗引入光伏微网并网逆变双闭环控制中，仿真参数如下表。

表1光伏微网线路参数

设定PV₁逆变器容量为100kVA，PV₂逆变器容量为50kVA，仿真时间为1.2s，在0.6s时刻PCC发生增加负荷工况。负荷有功变化量为21kW，无功变化量为10.5kVar。

如图6所示，0-0.6s时刻内，PV₁输出无功功率为9.85kVar，相对偏差为1.5％；PV2输出无功功率为7.52kVar，相对偏差为50.4％。当在0.6s时刻发生无功增量10.5kVar负荷工况，PV1输出无功增加至14.21kVar，增量为4.36kVar；PV₂输出无功增加至10.42kVar，增量为2.90kVar，并网点总增加负荷无功为7.26kVar，偏差达到30.8％。

如图7所示，0-0.6s时刻内，PV₁输出无功功率为10.05kVar，相对偏差为0.5％；PV₂输出无功功率为5.03kVar，相对偏差为0.3％。当在0.6s时刻发生无功增量10.5kVar负荷工况，PV₁输出无功增加至17.26kVar，增量为7.26kVar；PV₂输出无功增加至8.61kVar，增量为3.58kVar，并网点总增加负荷无功为10.84kVar，偏差为3.2％，无功相对传统下垂无功补偿控制，分配偏差精度提高了10倍之多，保证了供电可靠性，能更大程度上利用自身的容量，在短时间内有更多的无功来配合调节系统的功率不平衡。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立单个光伏电源点逆变器输出有功、无功方程；

2)将步骤1)单个光伏电源点逆变器输出有功、无功方程进行简化；

3)根据步骤2)单个光伏电源点逆变器输出有功、无功简化方程，模拟同步发电机下垂外特性建立下垂无功补偿控制方程；

4)建立母线电压和阻抗引起的单个光伏电源点并网点电压差表达式；

5)为了弥补步骤4)因为阻抗不同引起的电压差，建立动态虚拟阻抗；

6)把步骤5)动态虚拟阻抗引入步骤4)电压差表达式中，得到动态虚拟阻抗压降；

7)以双光伏电源点微网为研究对象，建立具有步骤4)动态虚拟阻抗的双光伏电源点逆变器输出电压表达式；

8)将步骤4)电压差表达式引入步骤7)双光伏电源点逆变器输出电压表达式中，得到双光伏电源点逆变器输出压差表达式；

9)根据光伏电源点1引入动态虚拟阻抗后压差与光伏电源点2线路压差相等，基准阻抗产生的压降相等原则，联立步骤6)动态虚拟阻抗压降和步骤8)双光伏电源点逆变器输出压差表达式，建立虚拟阻抗压降与线路压差功率函数表达式；

10)将步骤9)虚拟阻抗压降与线路压差功率函数表达式中用三角函数形式表达，得到虚拟阻抗三角函数式，并求解动态虚拟阻抗模值；

11)根据步骤10)动态虚拟阻抗模值和阻抗角建立动态虚拟阻抗，将动态虚拟阻抗补偿电压加入步骤3)下垂无功补偿控制中，达到提高光伏微网无功分配精度的目的。

2.根据权利要求1所述的一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，其特征在于，步骤1)建立单个光伏电源点逆变器输出有功、无功方程：

其中：P_i为光伏逆变器输出有功功率；Q_i为光伏逆变器输出无功功率；U_i为光伏逆变器输出电压；U₀为负载阻抗两端电压；δ_i为功角；Z_i＝R_i+JX_i为线路等效阻抗；R_i为线路电阻；X_i为线路感抗。

3.根据权利要求2所述的一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：将步骤1)单个光伏电源点逆变器输出有功、无功方程进行简化：

这是因为光伏微网中，光伏电源等效输电线路阻抗呈阻性即R_i＞＞X_i，R_i≈Z_i，X_i≈0，功角δ_i→0。

4.根据权利要求3所述的一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：根据步骤2)单个光伏电源点逆变器输出有功、无功简化方程，模拟同步发电机下垂外特性建立下垂无功补偿控制方程：U_i＝U₀-nQ_i，其中：U_i是被控逆变器输出电压幅值；U₀是空载输出电压幅值参考值；n是无功功率下垂系数；Q_i是负载分配的无功功率。

5.根据权利要求4所述的一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：建立母线电压和阻抗引起的单个光伏电源点并网点电压差表达式：

其中：P_i、Q_i为流过PV_i输电线路有功、无功功率；R_i、X_i为该线路电阻值、电抗值；E₀为系统空载电压幅值。

6.根据权利要求5所述的一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：为了弥补步骤4)因为阻抗不同引起的电压差，建立动态虚拟阻抗：Z_Vi＝R_Vi+jX_Vi＝r_Vi∠θ_i，其中：R_Vi、X_Vi为动态虚拟电阻、电抗；r_Vi为动态虚拟阻抗模；θ_i为阻抗角；R_Vi＝r_Vicosθ_i、X_Vi＝r_Visinθ_i。

7.根据权利要求6所述的一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：把步骤5)动态虚拟阻抗引入步骤4)电压差表达式中，得到动态虚拟阻抗压降为：

8.根据权利要求7所述的一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：以双光伏电源点微网为研究对象，以PV₂输电线路为基准线路阻抗Z＝R+jX，考虑输电线路间阻抗差并引入虚拟阻抗；建立具有步骤4)动态虚拟阻抗的双光伏电源点逆变器输出电压表达式：

其中：U₁、U₂为PV₁、PV₂逆变器出口电压。

9.根据权利要求8所述的一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：将步骤4)电压差表达式引入步骤7)双光伏电源点逆变器输出电压表达式中，得到双光伏电源点逆变器输出压差表达式：

10.根据权利要求9所述的一种应用动态虚拟阻抗提高光伏微网无功分配精度的方法，其特征在于，步骤9)的具体实现方法为：根据光伏电源点1引入动态虚拟阻抗后压差与光伏电源点2线路压差相等，即：

基准阻抗产生的压降相等原则，即：

联立步骤6)动态虚拟阻抗压降和步骤8)双光伏电源点逆变器输出压差表达式，建立虚拟阻抗压降与线路压差功率函数表达式：

步骤10)的具体实现方法为：将步骤9)虚拟阻抗压降与线路压差功率函数表达式中用三角函数形式表达，得到虚拟阻抗三角函数式：

并求解动态虚拟阻抗模值，动态虚拟阻抗模值大小表示为：

步骤11)的具体实现方法为：根据步骤10)动态虚拟阻抗模值和阻抗角建立动态虚拟阻抗，将动态虚拟阻抗补偿电压加入步骤3)下垂无功补偿控制中，得到新的控制方程为：U_i＝U₀-nQ_i+δU_Vi。

Images