CN112260287A - 一种新型光伏微网下垂无功补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型光伏微网下垂无功补偿控制方法，涉及光伏微网控制领域。本方法过引入新型下垂系数来增加无功补偿动态性能，解决了电压调节过大会引起电气设备脱网的不足，采用动态虚拟阻抗来改善系统的阻性特征，补偿压降新型下垂无功补偿控制可以减少电压调节量，电压调节能够维持在设定的小偏移量范围内，消除了稳态电压偏差，环流抑制效果明显，最后将控制策略通过Matlab/Simulink仿真和实验来验证方法的有效性分配偏差精度提高了10倍之多，保证了供电可靠性，提高了光伏微网中各个电源点的利用率。

Description

一种新型光伏微网下垂无功补偿控制方法

技术领域

本发明涉及光伏微网控制领域，具体涉及一种新型光伏微网下垂无功补偿控制方法。

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。

在光伏微网逆变装置控制系统中，控制策略可分为电流控制法和电压控制法。其中电压控制法是以电压幅值和相位为控制目标，包括：下垂控制和虚拟同步机(Virtualsynchronous machine，VSG)。下垂控制和VSG控制通过模拟传统同步发电机的电压源外特性，对逆变装置输出有功-频率、无功-电压独立解耦控制，使电源点通过并网点为大电网提供惯性、阻尼支撑。但在实际运行过程中，由于线路阻抗分布不均匀、输出压降非线性，导致微网中存在无功分配误差、电压波动明显、电源点环流问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种以双光伏电源点戴维南等效模型建立光伏微网功率数学表达式，并分析并网逆变器控制模型；引入新型下垂系数来增加无功补偿动态性能的种新型光伏微网下垂无功补偿控制方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种新型光伏微网下垂无功补偿控制方法，含有两个光伏电源点的光伏微网拓扑结构包括若干PV逆变器、PV逆变器上连接有一个等效线路阻抗，等效线路阻抗连接公共连接点后与大电网和负载连接；将两个光伏电源点的光伏微网拓扑结构等效成两个光伏电源点的光伏微网戴维南等效电路，基于两个光伏电源点的光伏微网戴维南等效电路图，单个PV逆变器的输出P、Q为式(1)所示：

其中，U_i∠δ_i为PV逆变器的输出电压；P_i、Q_i为PV逆变器输出的有功功率、无功功率；U₀∠0为负载阻抗端电压；Z_load为负荷等效阻抗；光伏微网属于低压微电网，其中各PV电源点与并联母线之间的线路阻抗主要呈阻性R_i＞＞X_i，R_i≈Z_i，X_i≈0，功角δ_i→0，式(1)简化为：

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，控制方程为式(3)所示：

U_i＝U₀-nQ_i (3)

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，线性下垂控制是一种有差调节；

新型下垂系数可表示为：

n_i为新型下垂无功补偿系数；U_max、U_min为电压幅值的阈值上限、下限；当U-U₀＞0，即调节电压为正时，分子系数选择U_max-U₀；当U-U₀≤0，即调节电压为负时，选择U_min-U₀；

当面对U₁→U₂的电压调节目标，新型下垂无功补偿控制中无功补偿下垂系数n_i随着当前电压与目标电压差值变化而实时变化，面对同样电压调节，无功调节量为ΔQ₂，ΔQ₂＜ΔQ₁，无功补偿范围缩小，对系统影响更少。

优选地，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(5)：

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；为了弥补因为阻抗不同引起的压差，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(6)

Z_Vi＝R_Vi+jX_Vi＝r_Vi∠θ_i (6)

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，把式(6)引入式(5)中，则动态虚拟阻抗压降为

引入动态虚拟阻抗后两个逆变器输出电压表示为式(8)：

U₁、U₂为PV1、PV2逆变器出口电压，根据式(5)，ΔU₁、ΔU₂表示为式(9)：

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线路压差应相等，即：

基准阻抗产生的压降应相等，即：

带入式(10)中，则有：

δU_V1＝-δU₁ (11)

根据式(7)与式(9)，可得：

引入动态虚拟阻抗三角函数式，式(12)转换为：

动态虚拟阻抗模值大小表示为：

由式(14)可知：r_vi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，通过选择r_vi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-n_iQ_i+δU_Vi (15)。

本发明具有如下有益效果：

本发明通过引入新型下垂系数来增加无功补偿动态性能，解决了电压调节过大会引起电气设备脱网的不足，新型下垂无功补偿控制可以减少电压调节量，电压调节能够维持在设定的小偏移量范围内，消除了稳态电压偏差，环流抑制效果明显。分配偏差精度提高了10倍之多，保证了供电可靠性，提高了光伏微网中各个电源点的利用率。

附图说明

图1为光伏微网拓扑图；

图2为双PV光伏微网戴维南等效电路图；

图3为光伏微网并网逆变双闭环控制原理图；

图4为线性下垂无功补偿示意图；

图5为线性下垂无功补偿示意图；

图6为含有虚拟阻抗的双PV光伏微网电路拓扑；

图7为光伏微网控制框图；

图8为增负荷有功分配仿真波形；

图9为系统无功增加母线电压变化仿真波形，a代表传统下垂控制，b代表新型下垂补偿控制；

图10为增负荷无功仿真波形，a代表无动态虚拟阻抗，b代表新动态虚拟阻抗；

图11为并网逆变变器之间输出环流实验波形，a表示传统下垂无功补偿控制，b表示新型下垂无功补偿控制。

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：

新型光伏微网下垂无功补偿控制方法，采用的含有两个光伏电源点的光伏微网拓扑结构如图1所示，包括若干PV逆变器、PV逆变器上连接有一个等效线路阻抗Rn+jXn，等效线路阻抗连接公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)后与大电网和负载连接；将两个光伏电源点的光伏微网拓扑结构等效成两个光伏电源点的光伏微网戴维南等效电路，如图2所示，基于两个光伏电源点的光伏微网戴维南等效电路图，单个PV逆变器的输出P、Q为式(1)所示：

其中，U_i∠δ_i为PV逆变器的输出电压；P_i、Q_i为PV逆变器输出的有功功率、无功功率；U₀∠0为负载阻抗端电压；Z_load为负荷等效阻抗；光伏微网属于低压微电网，其中各PV电源点与并联母线之间的线路阻抗主要呈阻性(R_i＞＞X_i，R_i≈Z_i，X_i≈0，功角δ_i→0)，式(1)简化为：

光伏微网并网逆变器大多采用电流内环、电压外环双闭环控制，控制原理如图3所示。图中：U_i为电压外环参考电压；PI为比例积分环节；P比例环节；K_PWM为SPMW调制增益；i₀为负载电流；i_L、i_C为电感、电容电流；U₀为控制输出电压。在双闭环控制系统中，电压外环采用比例积分控制来增加输出电压的无偏差控制能力。电流内环采用比例控制来缩小调节时间、增强鲁棒性。

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，控制方程为式(3)所示：

U_i＝U₀-nQ_i (3)

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，线性下垂控制是一种有差调节；根据式(3)可以得线性下垂无功补偿示意图如图4所示。

线性下垂无功补偿控制中，下垂系数n为定值，无功补偿与电压调节成线性关系，但在光伏微网实际系统中，一些电气设备对于电压波动较为敏感，当电压大范围调节时，极易造成设备脱网。本文提出一种新型下垂控制方案，自动调节下垂系数来减少无功补偿范围，新型下垂系数可表示为：

n_i为新型下垂无功补偿系数；U_max、U_min为电压幅值的阈值上限、下限；当U-U₀＞0，即调节电压为正时，分子系数选择U_max-U₀；当U-U₀≤0，即调节电压为负时，选择U_min-U₀。

将方案所提的新型系数带入下垂无功补偿控制中，可以得到如图5所示下垂控制曲线对比图。

当面对U₁→U₂的电压调节目标，新型下垂无功补偿控制中无功补偿下垂系数n_i随着当前电压与目标电压差值变化而实时变化，面对同样电压调节，无功调节量为ΔQ₂，ΔQ₂＜ΔQ₁，无功补偿范围缩小，对系统影响更少。

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(5)：

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；为了弥补因为阻抗不同引起的压差，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(6)

Z_Vi＝R_Vi+jX_Vi＝r_Vi∠θ_i (6)

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，把式(6)引入式(5)中，则动态虚拟阻抗压降为

为了得到动态虚拟阻抗模，本文以双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，可到双PV光伏微网电路拓扑为图6所示。

由图6可知，引入动态虚拟阻抗后两个逆变器输出电压表示为式(8)：

U₁、U₂为PV1、PV2逆变器出口电压，根据式(5)，结合图6，ΔU₁、ΔU₂表示为式(9)：

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线路压差应相等，即：

基准阻抗产生的压降应相等，即：

带入式(10)中，则有：

δU_V1＝-δU₁ (11)

根据式(7)与式(9)，可得：

引入动态虚拟阻抗三角函数式，式(12)转换为：

动态虚拟阻抗模值大小表示为：

由式(14)可知：r_vi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，通过选择r_vi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-n_iQ_i+δU_Vi (15)。

为了验证方案所提应用动态虚拟阻抗的光伏微网新型下垂无功补偿控制方案的有效性。在Matlab/Simulink下搭建如图1所示含有两个PV的光伏微网仿真模型，将方案所提下垂控制和虚拟阻抗引入光伏微网并网逆变双闭环控制中，控制系统框图如图7所示，仿真参数如表1所示。

表1

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。有功分配如图8所示；基于线性下垂控制和新型下垂控制下的母线电压变化如图9所示；应用动态虚拟阻抗前后的无功分配如图10所示。

从图8可以看出：在0.6s时刻PCC发生增负荷工况，两个PV逆变装置可以根据各自容量进行有功调节，其中PV1有功增量为14.2kW，PV2有功增量为6.8kW，基本保持调节量比为2∶1，有功功率的分配不受线路阻抗差异的影响。

从图9a可以看出：在0.6s时刻PCC发生增加负荷工况，经过0.07s母线电压由10kV下降至8.3kV，稳态电压偏差较大且电压波动明显，最小下降到6.7kV，极易造成一些电气设备因为欠压保护动作而停止运行。从图9b可以看出：在0.6s面同样无功增加工况，经过0.04s母线电压由10kV恢复至9.9kV，稳态电压偏差较小且电压波动较小，波动最小下降到8.8kV，这是由于新型下垂控制减少了电压调节量，电压调节能够维持在设定的小偏移量范围内，消除了稳态电压偏差，提高了光伏微网中各个电源点的利用率。

从图10a可以看出：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％。

从图10b可以看出：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。

为了验证本文所提控制方案的动态控制性能，搭建了含有两个并网逆变器的实验平台，实验平台硬件如下：DSP选择TI公司的TMS320F28335、IGBT选择Infineon公司的K40T120、示波器选择Tektronix公司的MDO4104B-3型示波器。实验参数与仿真参数类似。采用传统下垂无功补偿控制和本文所提改进下垂无功补偿控制得到的两台并网逆变变器之间输出环流如图11所示。

输出环流大小可表征并网逆变器无功功率是否精确分配。对比图11a、b可知：采用传统下垂无功补偿控制输出环流较大，峰值达到1.8A，而采样本文所提改进下垂无功补偿控制输出环流，峰值为0.19A，环流抑制效果明显，可以实现无功功率精确分配的目标。

仿真和实验结果表明：本文所提新型下垂无功补偿控制可以减少电压调节量，电压调节能够维持在设定的小偏移量范围内，消除了稳态电压偏差，环流抑制效果明显。分配偏差精度提高了10倍之多，保证了供电可靠性，提高了光伏微网中各个电源点的利用率。本文所提方案具有一定的工程应用价值。

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 (2)

1.一种新型光伏微网下垂无功补偿控制方法，其特征在于，含有两个光伏电源点的光伏微网拓扑结构包括若干PV逆变器、PV逆变器上连接有一个等效线路阻抗，等效线路阻抗连接公共连接点后与大电网和负载连接；将两个光伏电源点的光伏微网拓扑结构等效成两个光伏电源点的光伏微网戴维南等效电路图，基于两个光伏电源点的光伏微网戴维南等效电路，单个PV逆变器的输出P、Q为式(1)所示：

其中，U_i∠δ_i为PV逆变器的输出电压；P_i、Q_i为PV逆变器输出的有功功率、无功功率；U₀∠0为负载阻抗端电压；Z_load为负荷等效阻抗；光伏微网属于低压微电网，其中各PV电源点与并联母线之间的线路阻抗主要呈阻性R_i＞＞X_i，R_i≈Z_i，X_i≈0，功角δ_i→0，式(1)简化为：

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，控制方程为式(3)所示：

U_i＝U₀-nQ_i (3)

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，线性下垂控制是一种有差调节；

新型下垂系数可表示为：

n_i为新型下垂无功补偿系数；U_max、U_min为电压幅值的阈值上限、下限；当U-U₀＞0，即调节电压为正时，分子系数选择U_max-U₀；当U-U₀≤0，即调节电压为负时，选择U_min-U₀；

当面对U₁→U₂的电压调节目标，新型下垂无功补偿控制中无功补偿下垂系数n_i随着当前电压与目标电压差值变化而实时变化，面对同样电压调节，无功调节量为ΔQ₂，ΔQ₂＜ΔQ₁，无功补偿范围缩小，对系统影响更少。

2.如权利要求1所述的一种新型光伏微网下垂无功补偿控制方法，其特征在于，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(5)：

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；为了弥补因为阻抗不同引起的压差，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(6)

Z_Vi＝R_Vi+jX_Vi＝r_Vi∠θ_i (6)

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，把式(6)引入式(5)中，则动态虚拟阻抗压降为

引入动态虚拟阻抗后两个逆变器输出电压表示为式(8)：

U₁、U₂为PV1、PV2逆变器出口电压，根据式(5)，ΔU₁、ΔU₂表示为式(9)：

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线路压差应相等，即：

基准阻抗产生的压降应相等，即：

带入式(10)中，则有：

δU_V1＝-δU₁ (11)

根据式(7)与式(9)，可得：

引入动态虚拟阻抗三角函数式，式(12)转换为：

动态虚拟阻抗模值大小表示为：

由式(14)可知：r_vi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，通过选择r_vi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-n_iQ_i+δU_Vi (15)。

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