CN112398173A - 一种基于虚拟阻抗的低压微电网功率均分控制方法 - Google Patents

一种基于虚拟阻抗的低压微电网功率均分控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于虚拟阻抗的低压微电网功率均分控制方法，包括以下步骤：S1、在微电网并联系统中采用P‑F、Q‑V解耦控制方法得到传统下垂控制方程；S2、由逆变器并联系统等效电路得到逆变器环流，求得逆变器并联系统为负载提供的复功率；S3、在微电网中采用虚拟阻抗技术使得等效线路呈感性，实现功率完全解耦；S4、引入虚拟阻抗后计算线路阻抗产生的压降，求得需要补偿的跌落电压，最终得到个各逆变器负载功率。本发明通过基于虚拟阻抗改进的下垂控制法，来解决因线路阻抗差异导致的无功功率分配不均、环流过大的问题，保留了传统下垂控制无需通信互联线路的优点，且易于实现。

Description

一种基于虚拟阻抗的低压微电网功率均分控制方法
技术领域
本发明涉及一种低压微网控制方法，更具体地，涉及一种基于虚拟阻抗的低压微电网功率均分控制方法。
背景技术
随着能源市场的自由化，清洁能源技术得到飞快地发展，分布式电源(Distributed Generation,DG)的巨量增加，使得逆变器并联运行的控制方式逐渐成为众多学者的研究焦点。微电网的独立运行使得DG系统能够在各种类型电网故障时向负荷提供连续的电能。在实际多逆变器并联运行时，也存在诸多技术上的难题，例如功率的解耦控制，功率的精确分配和环流抑制问题。因此，如何实现DG间的功率均分，成为微电网孤岛运行时的首要难题。在微电网的控制策略上，主要有集中控制、分布式控制和下垂控制等。由于微电网中DG单元分布广泛，种类较多，难以实时高速通信，而下垂控制的方法刚好避免了通信线路的使用，因此得到广泛应用。但在低压微电网系统中，线路的电抗X远小于电阻R，这就使得低压微电网系统中的功率无法实现很好的解耦，功率难以均分，针对这一问题众多学者做了一系列的研究。
有文献采用了虚拟阻抗和通信线路相结合的控制方式进行优化控制，通过通信线路实时检测线路电压进行反馈，实现自适应调节虚拟阻抗进行电压补偿，不足之处在于通信线路的使用增加了线路的复杂程度和实际线路的成本，难以实现高速反馈。也有的文献在下垂控制环中添加功率影响项以改善电压降落问题，但该方法是将实际输出的无功功率值作为影响项，而忽略“虚拟阻抗”上的无功消耗，因此容易造成电压补偿不足。同时还有文献将“虚拟阻抗”设计成负值，通过反馈控制使得线路中阻性部分得以抵消，保证了线路阻抗呈感性的假设，使得无功功率达到均分，不足之处在于“虚拟负阻抗”的值较难确定，若加入“虚拟阻抗”的抗性较大，会使电压降落严重，甚至导致微电网运行失稳。再有文献将实际的功率转换成虚拟功率，对传统下垂控制进行改进，然而实际输出功率仍是耦合的，且控制算法复杂，难以推广应用。
发明内容
本发明针对低压微电网线路阻抗呈阻性的系统中，传统下垂控制策略中引入虚拟阻抗虽然可以实现系统的无功功率均分，但其功率均分精度不高，系统稳定性降低问题。提供一种基于虚拟阻抗的低压微电网功率均分控制方法，解决常规虚拟阻抗值无法选定的问题以及逆变器输出功率均分精度差的问题，实现对低中压微网的灵活有效控制。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于虚拟阻抗的低压微电网功率均分控制方法，包括以下步骤：
S1、在微电网并联系统中采用P-F、Q-V解耦控制方法得到传统下垂控制方程；
S2、由微电网中逆变器并联系统等效电路求出逆变器的输出电流，再分析得到逆变器环流，求得逆变器并联系统为负载提供的复功率；
S3、在微电网中采用虚拟阻抗技术使得等效线路呈感性，实现功率完全解耦；
S4、引入虚拟阻抗后计算线路阻抗产生的压降，求得需要补偿的跌落电压，最终得到个各逆变器负载功率。
进一步地，在步骤S1中传统下垂控制方程为：
Figure BDA0002803574160000021
其中，mi和ni分别是第i台逆变器的P-f、Q-V控制的系数；fi和Pi分别是第i台逆变器输出频率和有功功率；Vi和Qi分别是第i台逆变器输出电压和无功功率。
进一步地，在步骤S2中逆变器的输出电流为：
Figure BDA0002803574160000022
其中，i1、i2为逆变器1和逆变器2的电流。
进一步地，在步骤S2中逆变器环流为：
Figure BDA0002803574160000023
进一步地，在步骤S2逆变器并联系统为负载提供的复功率为：
Figure BDA0002803574160000031
本发明的有益效果为：采取基于虚拟阻抗改进的下垂控制法，来解决因线路阻抗差异导致的无功功率分配不均、环流过大的问题。加入虚拟阻抗使逆变器等效输出阻抗呈感性，保证下垂控制法可以应用在低压逆变器并联系统中，然后对无功环添加了电压补偿环节进行改进，在功率损耗得到补偿的同时，使功率均分效果更好。本方法保留了传统下垂控制无需通信互联线路的优点，且易于实现。通过分析得出，系统的动态响应速度快，超调量小，能够精确实现无功功率均分，减小了因虚拟阻抗引起的功率损耗，同时也减小了系统的环流。
附图说明
图1为逆变器并联模型图；
图2为逆变器并联系统等效电路图；
图3为引入虚拟阻抗后闭环控制框图；
图4为传统下垂控制策略有功功率图；
图5为传统下垂控制策略无功功率图；
图6为传统下垂控制策略系统环流图；
图7为虚拟阻抗控制策略有功功率图；
图8为虚拟阻抗控制策略无功功率图；
图9为虚拟阻抗控制策略系统环流图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
一种基于虚拟阻抗的低压微电网功率均分控制方法，包括以下步骤：
S1、在微电网并联系统中采用P-F、Q-V解耦控制方法得到传统下垂控制方程；传统下垂控制方程为：
Figure BDA0002803574160000032
其中，mi和ni分别是第i台逆变器的P-f、Q-V控制的系数；fi和Pi分别是第i台逆变器输出频率和有功功率；Vi和Qi分别是第i台逆变器输出电压和无功功率。当线路阻抗呈感性时，两台逆变器的无功功率与线路阻抗有关，而有功功率关系不大。所以当并联逆变器的线路阻抗出现明显差异，下垂系数和容量相同的逆变器并联时，采用传统的下垂控制策略会出现明显的无功功率分配不均，而有功功率变化不大。相反，若线路阻抗呈阻性时，有功功率则会分配不均，无功功率无明显差异。
S2、由逆变器并联系统等效电路求出逆变器的输出电流，再分析得到逆变器环流，求得逆变器并联系统为负载提供的复功率；
逆变器的输出电流为：
Figure BDA0002803574160000041
其中，i1、i2为逆变器1和逆变器2的电流。
根据环流的定义，求得逆变器并联系统的环流为：
Figure BDA0002803574160000042
逆变器并联系统为负载提供的复功率为：
Figure BDA0002803574160000043
当线路阻抗不一致时，由于环流的存在，系统的无功功率输出就不能精确分配。不仅增加了能量的损耗，严重时可能对逆变器造成损坏。
S3、在微电网中采用虚拟阻抗技术使得等效线路呈感性，实现功率完全解耦；
S4、引入虚拟阻抗后计算线路阻抗产生的压降，求得需要补偿的跌落电压，最终得到补偿后的输出电压。
在引入虚拟阻抗后，输入到电压电流双闭环中的电压
Figure BDA0002803574160000044
就变成了下垂控制解耦后的生成的参考电压值Vref和虚拟阻抗反馈的电压值的差。
记虚拟阻抗的值为Zv，得到电压环的输入电压为：
Figure BDA0002803574160000045
根据图4可以求出，此时逆变器的电压环传递函数为：
Figure BDA0002803574160000051
其中，G(s)表示双闭环控制下电压环传递函数，Vo、Io分别是逆变器的输出电压和电流，Z0(s)表示逆变器到负载的阻抗传递函数。从上面式子中可以看出，如果使得加入的虚拟阻抗的电感值足够大，能够忽略掉逆变器到负载的电阻值的时候，就可以保证线路阻抗呈感性。
仿真分析
搭建了逆变器并联系统的仿真模型。采用两台逆变器并联，均使用直流电源提供电能。系统电压幅值设为310V，仿真时间设为1s，并且在0.5s时增加公共负载。仿真模型参数如下表所示：
Figure BDA0002803574160000052
验证本文所提出的改进控制策略的可行性和正确性，把传统下垂控制策略与改进下垂控制策略进行仿真对比，分析线路阻抗不匹配的情况下改进下垂控制的特性。.
传统下垂控制策略采用了两台相同容量的DG并联运行，系统仿真开始后，微电网很快达到平衡，在0.5s投入公共负载时，系统能够在较短的时间内达到稳态。在0～0.5s时，DG1和DG2输出的有功功率均为3.97kW，DG1输出无功功率为2.49kVar，DG2输出无功功率为3.54kVar，系统环流稳定在1.13A；0.5s-1s时，DG1和DG2输出的有功功率均为6.74KW，DG1输出无功功率为4.09kVar，DG2输出无功功率为5.75kVar，系统环流稳定在1.87A。
因为两台逆变器的线路阻抗不同，根据上文分析有功功率受影响不大，仍然可以实现完全均分；但无功功率会收到影响，导致不能均分的情况，并且较小线路阻抗的DG单元会承担较大的无功功率，同时也会产生较大的无功环流。从图4、图5、图6可以看出，有功功率实现了完全均分，无功功率按照线路阻抗的反比承担功率，输出功率差值越大，产生的环流就越大。
采用改进的下垂控制策略进行仿真，取虚拟电阻为0.01Ω时，在0-0.25s时，只采用加入虚拟阻抗的控制策略，0.25s后采用改进无功环的下垂控制策略。在0-0.25s时，DG1和DG2输出的有功功率均为3.83kW，DG1输出无功功率为3.17kVar，DG2输出无功功率为2.65kVar，系统环流约为0.59A；0.25-0.5s时，DG1和DG2输出的有功功率均为3.95kW，DG1和DG2输出的无功功率均为3kVar，系统环流约为0.03A；0.5s-1s时，DG1和DG2输出的有功功率均为6.7kW，DG1和DG2输出无功功率均为4.9kVar，系统环流稳定在0.11A。
由上述分析可以得出，线路阻抗不同只能引起无功功率的不完全均分，而与有功功率是否均分无关。比较图4和图7可以看出，采用虚拟阻抗法后，系统的超调量减小，稳定速度明显加快。但是产生的电压降落直接导致了输出有功功率的下降；从图7可以看出，在0.25s时，采用改进的虚拟阻抗控制方法，电压得到回升，输出功率有所提高。
比较图5和图8可以看出，在采用虚拟阻抗后，无功功率的差值有所减小，但仍然无法达到均分的效果，在0.25s后采用改进的下垂控制策略后，无功功率可以达到很好的均分。同时根据图6和图9的系统环流波形，在采用虚拟阻抗后，由于输出无功功率的差值缩小，环流从1.13A降至0.59A，在采用改进控制策略后，输出无功功率达到均分，环流进一步减小至0.03A，即使在增加了公共负荷，环流也稳定在0.11A。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于虚拟阻抗的低压微电网功率均分控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在微电网并联系统中采用P-F、Q-V解耦控制方法得到传统下垂控制方程
S2、由微电网中逆变器并联系统等效电路求出逆变器的输出电流，再分析得到逆变器环流，求得逆变器并联系统为负载提供的复功率；
S3、在微电网中采用虚拟阻抗技术使得等效线路呈感性，实现功率完全解耦；
S4、引入虚拟阻抗后计算线路阻抗产生的压降，求得需要补偿的跌落电压，最终得到个各逆变器负载功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟阻抗的低压微电网功率均分控制方法，其特征在于，在步骤S1中传统下垂控制方程为：
Figure FDA0002803574150000011
其中，mi和ni分别是第i台逆变器的P-f、Q-V控制的系数；fi和Pi分别是第i台逆变器输出频率和有功功率；Vi和Qi分别是第i台逆变器输出电压和无功功率。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟阻抗的低压微电网功率均分控制方法，其特征在于，在步骤S2中逆变器的输出电流为：
Figure FDA0002803574150000012
其中，i1、i2为逆变器1和逆变器2的电流。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟阻抗的低压微电网功率均分控制方法，其特征在于，在步骤S2中逆变器环流为：
Figure FDA0002803574150000013
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟阻抗的低压微电网功率均分控制方法，其特征在于，在步骤S2逆变器并联系统为负载提供的复功率为：
Figure FDA0002803574150000021
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