CN113258602A - 一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法，包括以下步骤：S1、对传统下垂控制方法进行分析，得到微电网中各DG单元输出有功功率和无功功率；S2、由S1中各DG单元输出的有功功率和无功功率得到传统下垂控制方程；同时对各DG单元功率分配进行分析，得到传统的下垂控制实现有功、无功的均分需满足的条件；S3、在传统下垂控制方法中引入虚拟阻抗，使得微电网中线路阻抗呈感性，将微电网中输出功率实现完全解耦；S4、在S3条件下，通过功率补偿系数自适应调节输出无功的匹配输出值，再通过PI调节得到改进无功下垂控制方程；最后求出改进后输出无功表达式。本发明无需测量线路阻抗，应用灵活，对负载突然变化能平滑过渡，提高系统动态性能。

Description

一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法

技术领域

本发明涉及一种微电网领域，更具体地，涉及一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法。

背景技术

随着工业电源容量的增加和分布式电源(Distributed Generation,DG)的发展，逆变器并联技术越来越受到人们的重视，科研工作者的发展目光也投向新能源分布式发电应用上来。在实际运行中，微电网的控制策略不仅要实现微电网在并网/孤岛两种模式下平滑切换，还要保证在孤岛模式下能够为本地负荷提供更可靠、更优质的电能。

目前，DG的控制方式主要是采用下垂控制策略，这种控制思想源于同步发电机的下垂特性。下垂控制法的最大优势在于不需要外部通信机制，即插即用，能够独立运行，达到高速通信。但低压微电网中线路一般呈阻性，输出阻抗不匹配导致DG单元的输出功率无法准确均分给下垂控制的应用带来了难题^[6]。针对这一问题，虚拟阻抗解耦控制方法被提出，并广泛应用于低压微电网功率解耦控制和消除无功功率输出的差异。

有文献在虚拟阻抗的基础上，采用计算母线电压代替实际的母线电压对无功下垂环进行改进，改善了虚拟阻抗和线路阻抗带来的压降，但该方法对下垂系数的选取要求较高，且并未提出计算母线电压所需参数的测量方法。还有的文献采用自适应虚拟阻抗的方法来改进传统下垂控制，通过实际输出功率和参考输出功率差值的变化，实时调节虚拟阻抗，但也会引入较小的电压降落，影响系统的电能质量。最近的文献提出一种基于PR控制器的控制策略，减小了微源传输阻抗和公共耦合点(Point of Common Coupling，PCC)点电压的不平衡，抑制了输出电压的谐波，但该方法涉及过多的参数合理设计，过高控制增益可能导致系统失稳。最新的文献采用自适应下垂系数的控制策略，通过额定负载功率和实际负载功率的差来实时调整下垂系数，达到了功率的精确分配，但频率和电压容易超出限制范围。文献采用了基于虚拟负阻抗的解耦控制策略，改善了电压质量，实现了功率的精确均分，同时提升了系统的稳定裕度和动态响应速度，但虚拟负阻抗的值对系统的稳定影响较大，其值较难确定。

由于低压微电网中DG系统输出阻抗呈阻性的特点，导致传统下垂控制难以实现很好功率解耦，使得系统输出功率分配失衡，环流过大。针对这一问题，本文在虚拟阻抗技术的基础上，提出一种自适应电压补偿的控制策略，实现了在各 DG馈线阻抗不同的情况下或各DG容量不同的情况下，输出功率的均衡分配，同时减小了系统环流，改善了电能质量。

发明内容

本发明针对低压微网或线路阻抗呈阻性的系统中，传统的引入虚拟阻抗虽然可以实现系统的无功功率，但其功率均分精度不高，系统稳定性降低问题。提供一种自适应电压补偿的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：

一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法，包括以下步骤：

S1、对传统下垂控制方法进行分析，得到微电网中各DG单元输出有功功率和无功功率；

S2、由S1中各DG单元输出的有功功率和无功功率得到传统下垂控制方程；同时对各DG单元功率分配进行分析，得到传统的下垂控制实现有功、无功的均分需满足的条件；

S3、在传统下垂控制方法中引入虚拟阻抗，使得微电网中线路阻抗呈感性，将微电网中输出功率实现完全解耦，得到戴维南等效模型及加入虚拟阻抗后的等效输出阻抗；

S4、在S3条件下，通过功率补偿系数自适应调节输出无功的匹配输出值，再通过PI调节得到改进无功下垂控制方程；最后求出改进后输出无功表达式。

进一步地，在步骤S1中微电网中各DG单元输出有功功率和无功功率表达式为：

其中，E_i为第i台逆变器输出的电压，

表示输出电压的功角，R_i和X_i表示第i台逆变器的线路电阻和线路电抗，U_pcc∠0°为公共点母线PCC点处的电压。

进一步地，在当系统运行至稳态时，输出电压的功角很小，取

的条件下，简化后的各DG单元输出有功功率和无功功率表达式为：

进一步地，在步骤S2传统下垂控制方程的表达式为：

其中，f^*、U^*表示DG的额定有功频率和额定电压幅值；f、U为DG的输出频率和输出电压；P、Q表示DG输出的有功和无功，P^*、Q^*为DG额定的有功和无功，为了增加容性无功的输出值通常选取Q^*＝0；m、n分别表示 P-f和Q-U控制的下垂系数。

进一步地，在步骤S2中传统的下垂控制实现有功、无功的均分需满足的条件为：

进一步地，在步骤S3中戴维南等效模型的表达式为：

U_o＝G(s)U_ref-[Z₀(s)+G(s)Z_vir]i_o

＝G(s)U_ref-Z＇₀(s)i_o

G(s)表示电压电压增益函数，表示为G(s)＝(k_vpk_ipk_PWMs+k_vik_ipk_PWM)/Δ； Z₀(s)表示为未加虚拟阻抗时的等效输出阻抗。

进一步地，在步骤S3中加入虚拟阻抗后的等效输出阻抗表示为：

Z'₀(s)＝[Ls²+k_ipk_PWMs+(k_ipk_vpk_PWMs+k_vik_ipk_PWM)Z_vir]/Δ

其中：

Δ＝LCs³+k_ipk_PWMCs²+(k_vpk_ipk_PWM+1)s+k_vik_ipk_PWM。

进一步地，在步骤S4中改进无功下垂控制方程为：

其中，

为补偿后的参考电压，K_p、K_i分别为PI控制的放大比例系数和积分比例系数，Q_{i_ave}为每台逆变器输出的无功功率匹配输出值，k为功率补偿系数。

进一步地，在步骤S4中改进后的输出无功表达式：

Q_i(s)＝[(sE^*-skK_pQ_{i_ave}+kK_iQ_{i_ave}+sn_iQ^*

-sU)U]/[sX_i+(skK_p+kK_i+sn_i)U]。

本发明的有益效果为：通过加入虚拟阻抗使输出功率合理解耦，通过功率补偿系数自动补偿因线路阻抗不同带来的电压差，更好地实现了功率合理分配，抑制了无功环流。无需测量线路阻抗，应用灵活，可适用多台容量相同或不同的 DG并联系统，且对于负载的突然变化能够快速平滑过渡，提高了系统的动态性能。

附图说明

图1为逆变器并联等效模型图；

图2为引入虚拟阻抗的电压电流双环控制框图；

图3为改进后无功下垂控制框图；

图4为传统下垂控制有功功率图；

图5为传统下垂控制无功功率图；

图6为工况1仿真波形图；

图7为采用虚拟阻抗有功功率图；

图8为采用虚拟阻抗无功功率图；

图9为工况2仿真波形图；

图10为实际运行中有功功率图；

图11为实际运行中无功功率图。

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。

一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法：

S1、对传统下垂控制方法进行分析，由图1可以得到微电网中各DG单元输出有功功率和无功功率；

式中，α＝arctanX/R，在传统高压线路中，等效线路阻抗近似呈纯感性，即X＞＞R，|Z|≈X，因此近似地取α＝90°。当系统运行至稳态时，输出电压的功角很小，通常取

将近似后的值代入(1)式化简得功率输出表达式：

根据上式，将P_i，Q_i对E_i，

分别求偏导数得：

S2、由S1中各DG单元输出的有功功率和无功功率得到传统下垂控制方程；同时对各DG单元功率分配进行分析，得到传统的下垂控制实现有功、无功的均分需满足的条件；

由S1中两个表达式可以看出，在线路呈感性时，有功功率由输出的电压功角

决定，无功功率由输出电压幅值决定，且均成线性比例关系。由于功角

较难直接控制，而频率和功角有如下关系：

其中f_pcc表示PCC点的角频率，因此可以通过频率进而调节有功功率的输出值。此时频率代替功角变成受控对象，传统下垂控制方程可以表示为^[16]：

式中：f^*、U^*表示DG的额定有功频率和额定电压幅值；f、U为DG的输出频率和输出电压；P、Q表示DG输出的有功和无功，P^*、Q^*为DG额定的有功和无功，为了增加容性无功的输出值通常选取Q^*＝0；m、n分别表示 P-f和Q-U控制的下垂系数。

根据根据式(5)可知，系统达稳态运行时，整个系统的频率必须保证全网同一，即f₁＝f₂，此时各逆变器的输出角频率也应相同。令P-f控制中的每台逆变器额定频率保持一致，可得：

根据逆变器额定有功容量和下垂系数呈反比的关系，即

代入式(6)可得：

m₁P₁＝m₂P₂ (7)

因此，逆变器的输出有功功率和下垂系数呈反比，和额定有功容量呈正比。

根据式(5)的无功功率控制方程可知，输出电压主要受逆变器的无功下垂方程决定，设置无功下垂曲线时，应有：

结合式(5)和式(8)可得两台逆变器的电压差：

ΔE＝E₁-E₂＝n₂Q₂-n₁Q₁ (9)

把式(2)的无功输出表达式代入式(9)得：

如使逆变器输出功率达到均分，则需满足ΔE＝0，即V₁＝V₂，故式(10) 可化简为：

综上所述，在DG连接线路阻抗呈感性情况下，传统的下垂控制实现有功、无功的均分需满足以下条件：

S3、在传统下垂控制方法中引入虚拟阻抗，使得微电网中线路阻抗呈感性，将微电网中输出功率实现完全解耦，得到戴维南等效模型及加入虚拟阻抗后的等效输出阻抗；由图2所示，U_ref为电压环输入参考电压，i₀为负载电流，U_o表示输出电压，Z_vir为虚拟阻抗，其值为Z_vir(s)＝R_v+L_vs。电压外环的PI环节的增益表示为K_vp和K_vi，电流内环的增益表示为K_ip，由图4可得戴维南等效模型为：

式中：G(s)表示电压电压增益函数，表示为 G(s)＝(K_vpK_ipK_pwms+K_viK_ipK_PWM)/Δ；Z₀(s)表示为未加虚拟阻抗时的等效输出阻抗，加入虚拟阻抗后的等效输出阻抗表示为：

Z＇₀(s)＝[Ls²+(1+K_vpR_v)K_ipK_pwms+K_viK_ipK_PWMR_v]/Δ

其中：

Δ＝LCs³+K_ipK_PWMCs²+(1+K_vpK_ipK_pwm)s+K_vpK_ipK_pwm

S4、在S3条件下，通过PI环节得到改进无功下垂控制方程；最后求出改进后输出无功表达式。

考虑到下垂控制中，虚拟阻抗的加入使得功率完全解耦，无功均分的关键就是输出电压要相同，因此在Q-U控制的基础上，根据每台逆变器输出的无功求得总的无功功率Q_total，再根据第i台逆变器的额定输出功率占总的额定功率的比重求得无功输出平均值，再通过功率补偿系数k和PI环节输入到，通过PI环节得到改进的无功下垂控制方程：

其中：

为补偿后的参考电压，k_p、k_i分别为比例调节系数和积分调节系数，Q_{i_ave}为每台逆变器输出无功的匹配输出值，k为功率补偿系数。图5为引入自适应电压补偿后的下垂控制框图，中央控制器通过采集各逆变器的输出无功 (Q₁，Q₂，…，Q_n)，求得总无功功率Q_total，再将单个DG容量占总容量的比值作为系数，乘以总无功功率得到Q_{i_ave}。

由图3可以看出，每台逆变器输出的无功功率作为重要的指标通过比例积分控制影响补偿后的电压。由式(13)可知，输出的无功功率与线路阻抗有关。结合图3可以求出改进后的输出无功表达式：

由式(17)可知，在DG单元工作达稳态运行时，可忽略式中的微分项，则输出无功只由逆变器输出无功的平均值、比例积分系数、功率补偿系数决定。因此，可以得到两台DG并联运行时，无功输出比值为：

由于Q_{i_ave}是由多台逆变器求出的功率匹配输出值，因此每台逆变器的补偿功率输入均为Q_{i_ave}，故在电压补偿后无功功率可以达到均分，抑制系统出现的较大无功环流。

仿真实验

为验证改进自适应电压补偿控制策略的有效性，在不考虑本地负载的情况下，在Matlab中搭建了2台逆变器并联仿真模型。该仿真模型采用线路选择阻抗比为7.7的低压阻性线路，设置仿真时长为1.5s，并在0.9s时增加公共负载。为验证本文提出控制策略的正确性，进行了三组仿真实验进行分析。分析改进方法对线路阻抗变化和DG容量变化的控制特性。系统主要参数如表1所示，逆变器控制参数如表2所示。

表1系统主要参数

表2逆变器控制参数

工况1：两台DG的容量相同，馈线阻抗不相同。该工况在0-0.4s采用传统下垂控制方法，0.4s后采用引入虚拟阻抗的解耦控制策略，仿真结果如图4、图 5、图6。

根据仿真结果图4、图5、图6可知，传统下垂控制策略在低压阻性系统中并不能达到功率均分的效果，0.4s后增加虚拟阻抗可以使得低压线路的输出功率得以解耦，有功功率能够均衡分配，虽然两台逆变器输出无功分配情况得到改善，但仍然不能均分。在该工况下，线路阻抗的不同与有功功率在功率分配时的关系不大，因此有功仍然可以均衡分配，但无功功率分配会受到严重影响，且较小线路阻抗的DG单元需要承担较大的无功分配。在0.9s后增加新的负载，输出不均分的无功功率差值进一步增大，也导致了无功环流的进一步提升。

从仿真结果看，增加虚拟阻抗可以使得低压线路的功率得到解耦，无功功率分配得到改善，但若仅通过增加虚拟阻抗使功率均衡输出，则需要进一步增大虚拟阻抗的值，与此同时带来的是电压的严重跌落与电网的电压分配失衡。

工况2：两台DG的容量相同，馈线阻抗不相同。在0-0.4s时采用虚拟阻抗的控制策略，0.4s后采用自适应电压补偿的下垂控制策略。仿真结果如图7、图 8、图9所示。

根据仿真结果图7、图8、图9可知，本文所提出的改进下垂控制策略中，实现了功率的解耦，电压调节并不影响P-f控制中的频率，因此有功功率均分不受影响，即DG1和DG2的输出有功功率改进前后近似相等。采用了改进的下垂控制策略后，消除了线路阻抗不同带来的功率不能均分的影响，使两台逆变器输出无功比近似为1:1，即使突增公共负荷，系统仍然能够快速到达稳态，实现无功功率合理的均分，减小了系统环流。

工况3：在实际运行中，各个DG的容量和馈线长度并不完全相同，该工况采用DG1和DG2的容量比为3:2，馈线长度比为3:5进行仿真。仿真结果如图 10、图11所示。

从仿真结果图10、图11来看，在各DG单元容量和线路阻抗都不同的情况下，加入虚拟阻抗后两台逆变器输出有功、无功之比分别为1.58和1.8，并不能达到合理均分，在0.4s加入自适应电压补偿控制策略后，两台逆变器输出有功、无功功率之比均为3:2，即使在0.9s突增公共负载，系统经过短暂的调节后仍然能够达到稳态，且两台逆变器输出有功、无功之比仍为3:2，均分效果较好。

通过加入改进的自适应电压补偿控制策略进行改进，通过自调节各DG单元逆变器的参考电压，仍然能使逆变器输出功率达到合理均分，增加了系统的鲁棒性能。

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 (9)

1.一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对传统下垂控制方法进行分析，得到微电网中各DG单元输出有功功率和无功功率；

S2、由S1中各DG单元输出的有功功率和无功功率得到传统下垂控制方程；同时对各DG单元功率分配进行分析，得到传统的下垂控制实现有功、无功功率的均分需满足的条件；

S3、在传统下垂控制方法中引入虚拟阻抗，使得微电网中线路阻抗呈感性，将微电网中输出功率实现完全解耦，得到戴维南等效模型及加入虚拟阻抗后的等效输出阻抗；

S4、在S3条件下，通过功率补偿系数自适应调节输出无功的匹配输出值，再通过PI调节得到改进无功下垂控制方程；最后求出改进后输出功率无功表达式。

2.根据权利要求1所述的一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法，其特征在于，在步骤S1中微电网中各DG单元输出有功功率和无功功率表达式为：

其中，E_i为第i台逆变器输出的电压，

表示输出电压的功角，R_i和X_i表示第i台逆变器的线路电阻和线路电抗，U_pcc∠0°为公共点母线PCC点处的电压。

3.根据权利要求2所述的一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法，其特征在于，在当系统运行至稳态时，输出电压的功角很小，取

的条件下，简化后的各DG单元输出有功功率和无功功率表达式为：

4.根据权利要求1所述的一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法，其特征在于，在步骤S2传统下垂控制方程的表达式为：

其中，f^*、U^*表示DG的额定有功频率和额定电压幅值；f、U为DG的输出频率和输出电压；P、Q表示DG输出的有功和无功，P^*、Q^*为DG额定的有功和无功，为了增加容性无功的输出值通常选取Q^*＝0；m、n分别表示P-f和Q-U控制的下垂系数。

5.根据权利要求1所述的一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法，其特征在于，在步骤S2中传统的下垂控制实现有功、无功的均分需满足的条件为：

6.根据权利要求1所述的一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法，其特征在于，在步骤S3中戴维南等效模型的表达式为：

U_o＝G(s)U_ref-[Z₀(s)+G(s)Z_vir]i_o

＝G(s)U_ref-Z'₀(s)i_o

G(s)表示电压电压增益函数，表示为G(s)＝(k_vpk_ipk_PWMs+k_vik_ipk_PWM)/Δ；

Z₀(s)表示为未加虚拟阻抗时的等效输出阻抗。

7.根据权利要求1所述的一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法，其特征在于，在步骤S3中加入虚拟阻抗后的等效输出阻抗表示为：

Z'₀(s)＝[Ls²+k_ipk_PWMs+(k_ipk_vpk_PWMs+k_vik_ipk_PWM)Z_vir]/Δ

其中：

Δ＝LCs³+k_ipk_PWMCs²+(k_vpk_ipk_PWM+1)s+k_vik_ipk_PWM。

8.根据权利要求1所述的一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法，其特征在于，在步骤S4中改进无功下垂控制方程为：

其中：

为补偿后的参考电压，k_p、k_i分别为比例调节系数和积分调节系数，Q_{i_ave}为每台逆变器输出无功的匹配输出值，k为功率补偿系数。

9.根据权利要求1所述的一种自适应电压补偿的微电网功率均分控制方法，其特征在于，在步骤S4中改进后的输出无功表达式：

Q_i(s)＝[(sE^*-skk_pQ_{i_ave}+kk_iQ_{i_ave}+sn_iQ^*-sU)U]/[sX_i+(skk_p+kk_i+sn_i)U]。

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