CN112564167A - 一种基于一致性算法的改进下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电网孤岛模式下多逆变器并联系统的控制技术领域，具体为一种基于一致性算法的改进下垂控制方法。该方法中电压、电流传感器用来获取逆变器输出的电压、电流信息，经过低通滤波器滤除谐波；有功功率P _i 进入下垂控制器得到频率参考值f _i ；计算其参考无功与输出无功功率的差值；逆变器i与其相邻逆变器无功差值的偏差连续相加，获取需补偿的无功偏差；经比例增益获取电压补偿量，持续协助下垂控制抑制无功偏差；通过Q‑V下垂控制，产生电压内环的参考幅值；进入电压电流双环控制器，产生dq0坐标系下的调制波，坐标变换后通过PWM生成逆变器门信号。本发明对负载突变也可实现快速应对，具有良好的动态性能，提高了微电网运行的稳定性。

Description

一种基于一致性算法的改进下垂控制方法

技术领域

本发明涉及微电网孤岛模式下多逆变器并联系统的控制技术领域，具体为一种基于一致性算法的改进下垂控制方法。

背景技术

微电网有并网和孤岛两种运行模式，尤其在孤岛运行时，分布式电源承担调节电能质量的任务，微电网的稳定运行与其控制技术息息相关。目前现有方法主要有以下几种：一是虚拟电阻优化算法，以最小功率损耗为目标，抑制变换器之间的环流，但是这种方法需不断修正参数，且没有考虑本地负荷的影响，无法使母线电压维持在额定值。二是加入线路阻抗辨识环节，可以准确的获取线路参数，并在辨识结果的基础上增加了无功补偿环节，实现了无功均分，但是一旦辨识环节出现问题，就会对系统的运行造成影响。三是基于通信的改进下垂控制方法，这种方法可以应对快速负载电流的变化，是一种二次控制的混合补偿法，在下垂环节中加入了补偿器，通过通信获取各分布式电源的电流、电压、下垂系数，并对下垂曲线进行平移和下垂系数的调整，可以快速处理负载的突变，而且可以补偿母线电压，但一旦通信出现故障，就会对系统的稳定运行造成影响。

发明内容

当微电网运行于孤岛模式时，分布式电源可通过下垂控制实现功率的自主分配。由于传统的基于解耦模型的下垂控制忽略了线路阻抗不一致的影响，从而导致功率分配不均以及环流的问题，影响了分布式电源的效率，甚至会造成分布式电源过载。因此本发明提出一种基于一致性算法的改进下垂控制方法，解决线路阻抗不一致从而导致功率分配不均以及环流的问题。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于一致性算法的改进下垂控制方法，包括以下步骤：

1)采集逆变器输出的三相电压和电流，利用坐标变换公式，将三相静止坐标系下的量通过等量变换转换为两相旋转坐标系下，得到dq0坐标系下的电压u_d，u_q、电流i_d，i_q；

2)由dq0坐标系下的电压、电流计算逆变器的输出有功功率P、无功功率Q；

3)利用通信获取各逆变器输出的无功功率Q；

4)根据自身的额定容量计算出无功功率参考值；

当各逆变器额定容量相等时：

即：

当各逆变器额定容量不等时：

即：

其中，Q_i(i＝1,2,…N)为逆变器i输出的无功功率，Q_L为无功负荷的总功率，S_i(i＝1,2,…N)为各逆变器的额定容量，r_i(i＝1,2,…N)为各逆变器的额定容量权重，Q_refi为逆变器i的无功功率参考值；

5)计算逆变器i无功功率参考值与实际输出无功功率的差值，

△Q_i＝Q_refi-Q_i；

6)逆变器i与其相邻逆变器无功差值的偏差连续相加，获取逆变器i需补偿的无功偏差

7)无功偏差经比例控制增益K_p获取电压补偿量；

8)通过Q-V下垂控制，产生电压环的参考值，持续协助下垂控制抑制无功偏差，下垂控制表达式为：

其中，U_i和f_i为电压环参考电压和频率，U_i*和f_i*为空载时逆变器i输出电压和频率；n、m为逆变器i的下垂系数；P_i、Q_i为逆变器i输出的有功功率、无功功率，

为基点电压对应的有功功率、无功功率；当各线路等效阻抗相同时，有Q_refi＝Q_i，此时无需修正原本的下垂曲线；当各线路等效阻抗不同时，对各台逆变器的下垂曲线进行修正；

9)将电压环输出的电流参考值i_dref,i_qref与逆变器输出电流实际值i_d，i_q分别做差后输入电流调节器；

10)将电流调节器输出的电压信号经过增益为-1的环节后与u_d，u_q相加，并在d轴控制中减去解耦量i_q·ωL和在q轴控制中加上解耦量i_d·ωL，其中，ωL表示滤波电抗值；

11)将所得到的dq0坐标系下的量经过坐标变换转换至abc坐标系下，然后输入至PWM调制环节。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果如下：

(1)无需检测微电网结构和线路参数，消除线路阻抗不匹配所带来的影响，减小系统环流；

(2)可以应对不同容量的DG，具有更好的灵活性；

(3)可以快速应对负载突变，具有良好的动态性能，提高了微电网运行的稳定性。

附图说明

图1是并联逆变器系统结构图。

图2是基于一致性算法的改进下垂控制框图。

图3是DG容量相同、线路阻抗相同时，负载突变时采用传统下垂控制逆变器输出有功、无功功率、电流的仿真波形图。

图4是DG容量相同、线路阻抗相同时，负载突变时采用基于一致性算法的改进下垂控制逆变器输出有功、无功功率、电流的仿真波形图。

图5是DG容量不同、线路阻抗相同时，负载突变时采用传统下垂控制逆变器输出有功、无功功率、电流的仿真波形图。

图6是DG容量不同、线路阻抗相同时，负载突变时采用基于一致性算法的改进下垂控制逆变器输出有功、无功功率、电流的仿真波形图。

图7是DG容量相同、线路阻抗不同时，负载突变时采用传统下垂控制逆变器输出有功、无功功率、电流的仿真波形图。

图8是DG容量相同、线路阻抗不同时，负载突变时采用基于一致性算法的改进下垂控制逆变器输出有功、无功功率、电流的仿真波形图。

图9是DG容量不同、线路阻抗不同时，负载突变时采用传统下垂控制逆变器输出有功、无功功率、电流的仿真波形图。

图10是DG容量不同、线路阻抗不同时，负载突变时采用基于一致性算法的改进下垂控制逆变器输出有功、无功功率、电流的仿真波形图。

具体实施方式

图1为含有N个分布式电源(DG)的微电网结构图，直流源经逆变器得交流电压，再经过LC滤波电路滤除高阶毛刺，由线路连接到交流母线公共端。L_fi和C_fi(i＝1,2,…N)分别为滤波电感和滤波电容，Z_linei(i＝1,2,…N)为线路等效阻抗。在采用传统下垂时，由于传统下垂固有的局限性，当线路等效阻抗不匹配时，会导致逆变器输出电压不同，由于电压幅值的不同，与电压幅值对应的无功也会出现分配偏差，导致逆变器间出现环流，严重时影响系统的稳定。

由此，对图1的逆变器采用一种基于一致性算法的改进下垂控制方法，图2为其控制框图，具体控制过程包括以下步骤：

1.采集逆变器输出的A、B、C相电压和电流，利用已有的坐标变换公式，将三相静止坐标系下的量通过等量变换转换为两相旋转坐标系下；

得到dq0坐标系下的电压u_d，u_q；交流母线电流i_d,i_q；对此变量更能有效控制。例如，u_a表示逆变器输出电压在A相的值，u_b表示逆变器输出电压在B相的值，u_c表示逆变器输出电压在C相的值，经过坐标轴变换，u_d表示逆变器输出电压在d坐标轴的值，u_q表示逆变器输出电压在q坐标轴的值。

2.通过式(2)，可以得出逆变器的输出有功、无功功率；

其中，P为有功功率，Q为无功功率，v_d、v_q分别为逆变器输出电压在dq0坐标系下的分量，i_d、i_q分别为逆变器输出电流在dq0坐标系下的分量。

3.利用通信获取各逆变器输出的无功信息；

4.根据自身的额定容量计算出无功功率参考值；

当各逆变器额定容量相等时：

即：

其中，Q_i(i＝1,2,…N)为各逆变器输出的无功功率，Q_L为无功负荷的总功率，当各逆变器额定容量不等时：

即：

其中，S_i(i＝1,2,…N)为各逆变器的额定容量，r_i(i＝1,2,…N)为各逆变器的额定容量权重，Q_refi为逆变器i根据自身的额定容量计算出的无功功率参考值。

5.计算逆变器i参考无功与实际输出无功功率的差值；

△Q_i＝Q_refi-Q_i (8)

6.逆变器i与其相邻逆变器无功差值的偏差连续相加，获取逆变器i需补偿的无功偏差；

7.无功偏差经比例控制增益K_p获取电压补偿量；

8.通过Q-V下垂控制，产生电压环的参考值，持续协助下垂控制抑制无功偏差，控制表达式：

其中，U_i和f_i为电压环参考电压和频率，U_i*和f_i*为空载时逆变器i输出电压和频率；n、m为逆变器i的下垂系数；当各线路等效阻抗相同时，有Q_refi＝Q_i，此时无需修正原本的下垂曲线；当各线路等效阻抗不同时，对各台逆变器的下垂曲线进行修正。

9.将电压环输出的电流参考值i_dref,i_qref与逆变器输出电流实际值i_d，i_q分别做差后输入电流调节器；

10.将电流调节器输出的电压信号经过增益为-1的环节后与u_d，u_q相加，并在d轴控制中减去解耦量i_q·ωL和在q轴控制中加上解耦量i_d·ωL，其中，ωL表示滤波电抗值；

11.将所得到的dq0坐标系下的量经过(T_abc/dq0)^-1转换至abc坐标系下，然后输入至PWM调制环节。

(2)算例验证

为验证所提控制策略，在Matlab/Simulink仿真平台搭建两并联逆变器系统结构和控制电路仿真模型。通过仿真，在负载投切情况均相同时对DG容量和线路阻抗的差异进行了四种工况下传统与改进下垂控制策略的比较，说明所提控制策略对无功功率精确分配和环流抑制的有效性。

图1：如图1所示，DG_i(i＝1,2)等效为直流源，L_fi和C_fi分别为滤波电感和滤波电容，Z_linei为线路等效阻抗，Z_load为负载。

图2：如图2所示，电压、电流传感器用来获取逆变器输出的电压、电流信息，经过低通滤波器滤除谐波；有功功率P_i进入下垂控制器得到频率的参考值f_i；利用稀疏通信获取相邻逆变器输出无功信息，计算其参考无功与实际输出无功功率的差值；逆变器i与其相邻逆变器无功差值的偏差连续相加，获取需补偿的无功偏差；经比例增益获取电压补偿量△U_i，△U_i持续协助下垂控制抑制无功偏差；通过Q-V下垂控制，产生电压内环的参考幅值；进入电压电流双环控制器，产生dq0坐标系下的调制波，坐标变换后通过PWM生成逆变器门信号。

图3：如图3所示，两个额定容量和线路等效阻抗均相同的DG并联运行，公共负载连接在交流母线上，在0-0.5s时投入负载10kW,4kvar，在0.5s时增加负载至20kW,8kvar。当采用传统下垂控制时，逆变器输出有功、无功、A相电流。

图4：如图4所示，两个额定容量和线路等效阻抗均相同的DG并联运行，公共负载连接在交流母线上，在0-0.5s时投入负载10kW,4kvar，在0.5s时增加负载至20kW,8kvar。当采用基于一致性算法的改进下垂控制时，逆变器输出有功、无功、A相电流。

图5：如图5所示，当DG₁的额定容量为DG₂额定容量的2倍，线路等效阻抗相同时，公共负载连接在交流母线上，在0-0.5s时投入负载10kW,4kvar，在0.5s时增加负载至20kW,8kvar。当采用传统下垂控制时，逆变器输出有功、无功、A相电流。

图6：如图6所示，当DG₁的额定容量为DG₂额定容量的2倍，线路等效阻抗相同时，公共负载连接在交流母线上，在0-0.5s时投入负载10kW,4kvar，在0.5s时增加负载至20kW,8kvar。当采用基于一致性算法的改进下垂控制时，逆变器输出有功、无功、A相电流。

图7：如图7所示，当两并联DG额定容量相同，DG₂的线路等效阻抗为DG₁线路等效阻抗的2倍时，公共负载连接在交流母线上，在0-0.5s时投入负载10kW,4kvar，在0.5s时增加负载至20kW,8kvar。当采用传统下垂控制时，逆变器输出有功、无功、A相电流。

图8：如图8所示，当两并联DG额定容量相同，DG₂的线路等效阻抗为DG₁线路阻抗的2倍时，公共负载连接在交流母线上，在0-0.5s时投入负载10kW,4kvar，在0.5s时增加负载至20kW,8kvar。当采用基于一致性算法的改进下垂控制时，逆变器输出有功、无功、A相电流；

图9：如图9所示，当DG₁的额定容量为DG₂额定容量的2倍，DG₂的线路阻抗为DG₁线路阻抗的2倍时，公共负载连接在交流母线上，在0-0.5s时投入负载10kW,4kvar，在0.5s时增加负载至20kW,8kvar。当采用传统下垂控制时，逆变器输出有功、无功、A相电流；

图10：如图10所示，当DG₁的额定容量为DG₂额定容量的2倍，DG₂的线路阻抗为DG₁线路阻抗的2倍时，公共负载连接在交流母线上，在0-0.5s时投入负载10kW,4kvar，在0.5s时增加负载至20kW,8kvar。当采用基于一致性算法的改进下垂控制时，逆变器输出有功、无功、A相电流。

本发明摒弃了传统的基于解耦模型的下垂控制，避免了传统下垂忽略线路阻抗不一致导致的功率分配不均、环流、影响分布式电源的效率以及分布式电源过载等问题；相对于传统方法，本发明利用相邻通信获取逆变器输出无功信息，本地控制器通过一致性算法对各逆变器间无功差值进行动态修正直至偏差趋于零，在减少通信量的同时实现了无功功率的精确分配，消除了线路阻抗不匹配所带来的影响，减小了系统环流，可以应对不同容量的DG，具有更好的灵活性，对负载突变也可实现快速应对，具有良好的动态性能，提高了微电网运行的稳定性。

Claims (1)

1.一种基于一致性算法的改进下垂控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)采集逆变器输出的三相电压和电流，利用坐标变换公式，将三相静止坐标系下的量通过等量变换转换为两相旋转坐标系下，得到dq0坐标系下的电压u_d，u_q、电流i_d，i_q；

2)由dq0坐标系下的电压、电流计算逆变器的输出有功功率P、无功功率Q；

3)利用通信获取各逆变器输出的无功功率Q；

4)根据自身的额定容量计算出无功功率参考值；

当各逆变器额定容量相等时：

即：

当各逆变器额定容量不等时：

即：

其中，Q_i(i＝1,2,…N)为逆变器i输出的无功功率，Q_L为无功负荷的总功率，S_i(i＝1,2,…N)为各逆变器的额定容量，r_i(i＝1,2,…N)为各逆变器的额定容量权重，Q_refi为逆变器i的无功功率参考值；

5)计算无功功率参考值与实际输出无功功率的差值，△Q_i＝Q_refi-Q_i；

6)逆变器i与其相邻逆变器无功差值的偏差连续相加，获取逆变器i需补偿的无功偏差

7)无功偏差经比例控制增益K_p获取电压补偿量；

8)通过Q-V下垂控制，产生电压环的参考值，持续协助下垂控制抑制无功偏差，下垂控制表达式为：

其中，U_i和f_i为电压环参考电压和频率，U_i*和f_i*为空载时逆变器i输出电压和频率；n、m为逆变器i的下垂系数；P_i、Q_i为逆变器i输出的有功功率、无功功率，

为基点电压对应的有功功率、无功功率；

9)将电压环输出的电流参考值i_dref,i_qref与逆变器输出电流实际值i_d，i_q分别做差后输入电流调节器；

10)将电流调节器输出的电压信号经过增益为-1的环节后与u_d，u_q相加，并在d轴控制中减去解耦量i_q·ωL和在q轴控制中加上解耦量i_d·ωL，其中，ωL表示滤波电抗值；

11)将所得到的dq0坐标系下的量经过坐标变换转换至abc坐标系下，然后输入至PWM调制环节。

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