CN113258806A - 基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法及系统 - Google Patents

基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于交流微电网预测控制领域，提供了一种基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法及系统。其中，该控制方法包括获取变流器的输出无功功率，并与参考无功功率进行比较；根据输出无功功率与参考无功功率的比较结果，自动调整虚拟电容器电抗；其中，虚拟电容器串联或并联至每个并联的变流器回路中；将虚拟电容器输出的电流分别经下垂控制及虚拟阻抗环路控制后作差，得到预测模型参考电压；将预测模型参考电压作为预测模型控制的输入，优化预测模型控制策略中对应的成本函数，得到最小化成本函数对应的最佳开关组合，以对变流器进行最佳控制且使其获得相等或成比例的无功功率共享。

Description

基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法及系统
技术领域
本发明属于交流微电网预测控制领域，尤其涉及一种基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
电力系统对可再生能源的需求正在迅速增长.这些可再生能源也称为分布式发电(DG)，因为它们可以位于微电网的多个位置。DG通常需要电压源变流(VSC)，为连接到微电网的负载提供稳定和安全的电源。下垂控制是并联VSC中功率分配的重要方法。但是，VSC的馈线阻抗和下垂系数不匹配会导致并联连接的分布式VSC之间存在无功功率分配误差，如图1所示。
在现有文献中，无功功率(Q)分配方法分为两类，即：无功-电压(Q-V)下垂系数控制方法和虚拟阻抗方法。Q-V下垂控制技术通常通过调整每个或所有连接变流器的Q-V下垂系数，以实现理想比例的无功分配。这种方法存在一定挑战性，因为它将导致较差的电压调节性能，并且还需要估算沿线的电压降。其中，虚拟阻抗方法在电压控制环路中引入虚拟阻抗，以匹配所有变流器的阻抗。这种方法同样具有挑战性。例如，需要对馈线电流进行测量以进行阻抗估计，负载变化期间仍存在分配误差，以及会导致较差的电压调节性能。
发明人发现，当VSC并联运行时，现有的下垂控制将导致变流器间的无功功率存在分配误差。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法及系统，其实现了电压源型变流器间的无功功率分配。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法，其包括：
获取变流器的输出无功功率，并与参考无功功率进行比较；
根据输出无功功率与参考无功功率的比较结果，自动调整虚拟电容器电抗；其中，虚拟电容器串联或并联至每个并联的变流器回路中；
将虚拟电容器输出的电流分别经下垂控制及虚拟阻抗环路控制后作差，得到预测模型参考电压；
将预测模型参考电压作为预测模型控制的输入，优化预测模型控制策略中对应的成本函数，得到最小化成本函数对应的最佳开关组合，以对变流器进行最佳控制且使其获得相等或成比例的无功功率共享。
本发明的第二个方面提供一种基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制系统，其包括：
无功功率比较模块，其用于获取变流器的输出无功功率，并与参考无功功率进行比较；
虚拟电容器电抗调整模块，其用于根据输出无功功率与参考无功功率的比较结果，自动调整虚拟电容器电抗；其中，虚拟电容器串联或并联至每个并联的变流器回路中；
预测模型参考电压计算模块，其用于将虚拟电容器输出的电流分别经下垂控制及虚拟阻抗环路控制后作差，得到预测模型参考电压；
最佳开关组合计算模块，其用于将预测模型参考电压作为预测模型控制的输入，优化预测模型控制策略中对应的成本函数，得到最小化成本函数对应的最佳开关组合，以对变流器进行最佳控制且使其获得相等或成比例的无功功率共享。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法，在每个并联的变流器回路中引入了串联或并联的虚拟电容器，将虚拟电容器输出的电流分别经下垂控制及虚拟阻抗环路控制后作差，得到预测模型参考电压，再将预测模型参考电压作为预测模型控制的输入，优化预测模型控制策略中对应的成本函数，得到最小化成本函数对应的最佳开关组合，以对变流器进行最佳控制，使得变流器能够获得相等或成比例的无功功率共享，实现了电压源型变流器间的无功功率分配，对负载变化的响应更快；具有更好的电压调节能力；可实现并联电压源变流器间无功功率的精确分配。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的微电网中并联的DG；
图2是本发明实施例的通过馈线连接到微电网总线的DG的线路图；
图3是本发明实施例的连接到公共负载的两个DG的电路图；
图4是本发明实施例的带有用于虚拟电容的节点标识的电路图；
图5是本发明实施例的虚拟电容与DG和负载并联连接；
图6是本发明实施例的虚拟电容与DG和负载串联连接；
图7是本发明实施例的虚拟串联电容的预测控制原理图；
图8是本发明实施例的虚拟并联电容的预测控制原理图；
图9是本发明实施例的自动调整虚拟电容电抗Xv的流程图；
图10是本发明实施例的控制具有不同馈线阻抗的两个VSC的无功功率；
图11是本发明实施例的控制具有不同馈线阻抗的两个VSC的有功功率；
图12是本发明实施例的基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
图1是具有N个DG的示例。如图2所示，在微电网中，每个分布式发电(DG)都可以通过功率变流器，滤波器和馈线连接到总线。第i个DG可以进一步并联连接到其他DG，为微电网中的负载供电。对于主要为感性线路的情况，下垂关系为：
ωi＝ωnom-kp(Pi-P*) (1)
Ei＝Enom-kq(Qi-Q*) (2)
其中，xnom表示x:x∈{ω,E}的额定值；x*表示参数x的参考值，ω表示电压的频率；E是电源电压的幅值；kp和kq分别是有功功率和无功功率的下垂系数；i表示第i个DG。
无功功率分配的挑战：DGi的无功功率为(认为Q*＝0)：
Figure BDA0003020199170000051
其中，Xli表示第i个DG上的线路电抗，Vmg表示负载电压。
无功功率取决于线路电抗。线路电抗和/或Q-V下垂不匹配将导致馈线线路压降不均等和线路无功损耗。这些都将导致无功功率存在分配误差。
如图12所示，本实施例提供了一种基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法，其具体包括如下步骤：
步骤1：获取变流器的输出无功功率，并与参考无功功率进行比较。
步骤2：根据输出无功功率与参考无功功率的比较结果，自动调整虚拟电容器电抗；其中，虚拟电容器串联或并联至每个并联的变流器回路中。
在具体实施中，虚拟电容器电抗为参考角频率、虚拟电容器补偿的电感值及自动调整系数三者的乘积。
如图9所示，在自动调整虚拟电容器电抗的过程中，若输出无功功率大于参考无功功率，则虚拟电容器电抗的自动调整系数为0。
在自动调整虚拟电容器电抗的过程中，若输出无功功率小于或等于参考无功功率，则继续判断虚拟电容器电抗的自动调整系数是否大于第一阈值，若是，则当前时刻的自动调整系数与前一时刻的自动调整系数相等；否则，当前时刻的自动调整系数为前一时刻的自动调整系数与第二阈值的累加和。
对于图3所示的两个并联DG的典型电路，为了便于分析，可仅关注单个DG的回路，如图4所示。
根据图4，通过节点分析可得出节点vcv处的电压为
Figure BDA0003020199170000061
其中，Xi表示第i个DG上的电抗。
将引入并联和串联连接到节点vcv的虚拟电容，并分析随之产生的关系。
1)虚拟并联电容：如图5所示的并联电容导致节点电压幅值Vcv为
Figure BDA0003020199170000062
2)虚拟串联电容：如图6所示的串联电容导致节点电压幅值Vcv为
Figure BDA0003020199170000071
3)虚拟电容的控制原理：公式(5)和公式(6)的结果表明，虚拟串联电容和并联电容都将改善电压，注入无功功率并提高功率因数。两者都可以提高线路容量，并减少线路损耗。然而，对于串联电容，注入的无功功率为Qcv与
Figure BDA0003020199170000072
成正比，而并联电容将注入的无功功率为Qcv与
Figure BDA0003020199170000073
成正比。其中，图7给出了本实施例的虚拟串联电容的预测控制原理图；图8给出了本实施例的虚拟并联电容的预测控制原理图。
a)虚拟串联电容补偿器的计算：由于
Figure BDA0003020199170000074
(对于给定的Qcv值)，
Figure BDA0003020199170000075
其中，kCA是虚拟串联电容系数。如图10所示，在实际中，当通过串联电容来补偿电感为L1的高感性线缆时，为了维持稳定性，鼓励对线路电抗X1进行最大50％的补偿。因此，
Figure BDA0003020199170000076
串联补偿系数的范围是
Figure BDA0003020199170000077
b)虚拟并联电容补偿器的计算：因为Vcv∝Xcv(对于给定的Qcv值)或Vcv＝kCVXcv，其中kCV为虚拟并联电容系数。VSC的电压限制由控制要求确定为Vnom(1±5％)。如图11所示，这导致了并联电容器系数的范围限制为
-0.05≤kCV≤+0.05. (10)
步骤3：将虚拟电容器输出的电流分别经下垂控制及虚拟阻抗环路控制后作差，得到预测模型参考电压。
步骤4：将预测模型参考电压作为预测模型控制的输入，优化预测模型控制策略中对应的成本函数，得到最小化成本函数对应的最佳开关组合，以对变流器进行最佳控制且使其获得相等或成比例的无功功率共享。
在具体实施中，当虚拟电容器电抗串联至每个并联的变流器回路中时，预测模型控制策略中对应的成本函数GA为：
Figure BDA0003020199170000081
其中，
Figure BDA0003020199170000082
表示预测模型参考电压，vf(k+1)表示k+1时刻的预测模型电压，
Figure BDA0003020199170000083
表示预测模型参考电流，if(k+1)表示k+1时刻的预测模型电流，kCA表示虚拟串联电容补偿系数，χ表示加权系数，||·||2表示模的平方，
Figure BDA0003020199170000084
表示k时刻电流限制。
其中，所述虚拟串联电容补偿系数的范围在
Figure BDA0003020199170000085
之间，其中，ωref为参考角频率，L1为虚拟电容器补偿的电感值。
当虚拟电容器电抗并联至每个并联的变流器回路中时，预测模型控制策略中对应的成本函数GV为：
Figure BDA0003020199170000086
其中，
Figure BDA0003020199170000087
表示预测模型参考电压；vf(k)表示k时刻的预测模型电压，
Figure BDA0003020199170000088
表示预测模型参考电流，if(k+1)表示k+1时刻的预测模型电流，kCV表示虚拟并联电容补偿系数，χ表示加权系数，||·||2表示模的平方，
Figure BDA0003020199170000089
表示k时刻电流限制。
所述虚拟并联电容补偿系数的范围在[-0.05，+0.05]之间。
k时刻电流限制
Figure BDA00030201991700000810
为：
Figure BDA00030201991700000811
其中，imax表示最大电流值。
预测模型参考电压的表达式为：
Figure BDA0003020199170000091
其中，虚拟阻抗Zv＝Rv-jXv；，Rv和Xv分别是虚拟电阻和电容电抗。KXV提供虚拟电容器电抗的自动调整，它是通过图9中所示的算法计算的。
通常，并联虚拟电容器可为电压提供更高的升压。因此，它可以应用在需要非常高的电压升压的地方。但是，串联虚拟电容器提供的电压升压低于并联类型。同样，它们也可以在同一应用程序中组合提供更好的升压性能。
图12显示了每个电压源转换器的建议控制过程的概述。首先，测量转换器的输出无功功率Q并与参考无功功率进行比较Qref。例如，如果所有连接的电压源转换器都具有相同的额定值,那么Qref是所有这些值的算术平均值。如果对它们的评级不同，则Qref是加权平均值。接下来，使用图9中的算法对术语Kxv进行自动调整将Kxv的值提供给公式(14)，以计算虚拟电容器电抗Xv，虚拟阻抗Zv和参考滤波器电压Vf*。接下来，在预测控制成本函数(11)或(12)中使用Vf*。此成本函数是一个优化问题，需要最小化。通过最小化，最佳开关组合Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk)将开关逆变器。通过此过程，将对每个电压源转换器进行最佳控制以获得相等(或成比例)的无功功率共享。节点电压提升通过kca和kcv实现虚拟串联电容系数和并联电容系数分别为(11)和(12)。
实施例二
本实施例提供了一种基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制系统，其具体包括如下模块：
无功功率比较模块，其用于获取变流器的输出无功功率，并与参考无功功率进行比较；
虚拟电容器电抗调整模块，其用于根据输出无功功率与参考无功功率的比较结果，自动调整虚拟电容器电抗；其中，虚拟电容器串联或并联至每个并联的变流器回路中；
预测模型参考电压计算模块，其用于将虚拟电容器输出的电流分别经下垂控制及虚拟阻抗环路控制后作差，得到预测模型参考电压；
最佳开关组合计算模块，其用于将预测模型参考电压作为预测模型控制的输入，优化预测模型控制策略中对应的成本函数，得到最小化成本函数对应的最佳开关组合，以对变流器进行最佳控制且使其获得相等或成比例的无功功率共享。
此处需要说明的是，本实施例的基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制系统中的各个模块的具体实施过程，与实施例一中的基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法中的步骤一一对应，此处不再累述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法，其特征在于，包括：
获取变流器的输出无功功率，并与参考无功功率进行比较；
根据输出无功功率与参考无功功率的比较结果，自动调整虚拟电容器电抗；其中，虚拟电容器串联或并联至每个并联的变流器回路中；
将虚拟电容器输出的电流分别经下垂控制及虚拟阻抗环路控制后作差，得到预测模型参考电压；
将预测模型参考电压作为预测模型控制的输入，优化预测模型控制策略中对应的成本函数，得到最小化成本函数对应的最佳开关组合，以对变流器进行最佳控制且使其获得相等或成比例的无功功率共享。
2.如权利要求1所述的基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法，其特征在于，虚拟电容器电抗为参考角频率、虚拟电容器补偿的电感值及自动调整系数三者的乘积。
3.如权利要求2所述的基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法，其特征在于，在自动调整虚拟电容器电抗的过程中，若输出无功功率大于参考无功功率，则虚拟电容器电抗的自动调整系数为0。
4.如权利要求2所述的基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法，其特征在于，在自动调整虚拟电容器电抗的过程中，若输出无功功率小于或等于参考无功功率，则继续判断虚拟电容器电抗的自动调整系数是否大于第一阈值，若是，则当前时刻的自动调整系数与前一时刻的自动调整系数相等；否则，当前时刻的自动调整系数为前一时刻的自动调整系数与第二阈值的累加和。
5.如权利要求1所述的基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法，其特征在于，当虚拟电容器电抗串联至每个并联的变流器回路中时，预测模型控制策略中对应的成本函数GA为：
Figure FDA0003020199160000021
其中，
Figure FDA0003020199160000022
表示预测模型参考电压，vf(k+1)表示k+1时刻的预测模型电压，
Figure FDA0003020199160000023
表示预测模型参考电流，if(k+1)表示k+1时刻的预测模型电流，kCA表示虚拟串联电容补偿系数，χ表示加权系数，||·||2表示模的平方，
Figure FDA0003020199160000024
表示k时刻电流限制。
6.如权利要求5所述的基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法，其特征在于，所述虚拟串联电容补偿系数的范围在
Figure FDA0003020199160000025
之间，其中，ωref为参考角频率，L1为虚拟电容器补偿的电感值。
7.如权利要求1所述的基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法，其特征在于，当虚拟电容器电抗并联至每个并联的变流器回路中时，预测模型控制策略中对应的成本函数GV为：
Figure FDA0003020199160000026
其中，
Figure FDA0003020199160000027
表示预测模型参考电压；vf(k)表示k时刻的预测模型电压，
Figure FDA0003020199160000028
表示预测模型参考电流，if(k+1)表示k+1时刻的预测模型电流，kCV表示虚拟并联电容补偿系数，χ表示加权系数，||·||2表示模的平方，
Figure FDA0003020199160000029
表示k时刻电流限制。
8.如权利要求7所述的基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法，其特征在于，所述虚拟并联电容补偿系数的范围在[-0.05，+0.05]之间。
9.如权利要求5或7所述的基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制方法，其特征在于，k时刻电流限制
Figure FDA00030201991600000210
为：
Figure FDA00030201991600000211
其中，imax表示最大电流值。
10.一种基于虚拟电容的并联变流器模型预测控制系统，其特征在于，包括：
无功功率比较模块，其用于获取变流器的输出无功功率，并与参考无功功率进行比较；
虚拟电容器电抗调整模块，其用于根据输出无功功率与参考无功功率的比较结果，自动调整虚拟电容器电抗；其中，虚拟电容器串联或并联至每个并联的变流器回路中；
预测模型参考电压计算模块，其用于将虚拟电容器输出的电流分别经下垂控制及虚拟阻抗环路控制后作差，得到预测模型参考电压；
最佳开关组合计算模块，其用于将预测模型参考电压作为预测模型控制的输入，优化预测模型控制策略中对应的成本函数，得到最小化成本函数对应的最佳开关组合，以对变流器进行最佳控制且使其获得相等或成比例的无功功率共享。
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