CN113725923B - 基于自适应下垂的光伏微网系统有功功率均分控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应下垂的光伏微网系统有功功率均分控制方法，该方法在传统阻性下垂控制方法基础上，利用光伏逆变器输出有功功率与无功功率作为馈入信号引进下垂控制方程中，将有功功率项引入无功频率方程，产生小的无功功率波动来计算有功功率均分偏差，通过消除无功功率波动实现有功下垂系数随功率输出的自适应调节，提高有功功率均分精度。

Description

基于自适应下垂的光伏微网系统有功功率均分控制方法

技术领域

本发明涉及光伏微网系统控制技术领域，更具体的说是涉及一种基于自适应下垂的光伏微网系统有功功率均分控制方法。

背景技术

随着能源危机和环境问题日益严重，对清洁能源的开发与应用成为各国学者所重视的课题。其中光伏分布式发电单元(distributed generation，DG)所组成的微电网因其环保、无污染是成为能源发展的重要方向。

目前，光伏微电网各DG的控制策略主要采用下垂控制，通过对相应下垂系数的控制实现输出负荷的合理分配。下垂控制因其无需连线通信，只需逆变器的本地信息，可实现“即插即用”，故得到了广泛应用。在光伏低压微电网中，输出线路阻抗感性成分可忽略，因此各微源逆变器常采用阻性下垂控制。但由于各DG输出线路阻抗存在差异时，输出功率无法按照下垂系数按比例分配，各并联逆变器之间出现环流，影响系统的电能质量和稳定运行。

传统下垂控制的光伏逆变器因输出线路阻抗差异导致输出功率无法均分，而随着光伏发电技术不断发展与普及，电网中光伏分布式电源占比将会越来越大，输出功率无法均分将会对系统的稳定性造成重大影响，

因此，如何保证光伏逆变器输出功率按下垂系数合理分配是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于自适应下垂的光伏微网系统有功功率均分控制方法，使下垂系数根据逆变器输出有功功率均分情况自动调节下垂系数，显著提高输出有功功率均分精度，增强系统的稳定性与可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于自适应下垂的光伏微网系统有功功率均分控制方法，包括以下步骤：

S1、构建阻性下垂控制方程，利用所述阻性下垂控制方程对光伏微网系统中各光伏发电单元输出的无功功率下垂系数进行分配；所述阻性下垂控制方程包括无功频率方程和有功电压方程；

S2、在所述无功频率方程中引入有功功率项，在所述有功电压方程中引入系数为无功功率分配误差的有功积分项，得到自适应下垂控制方程；其中，所述有功功率项通过产生小的无功功率扰动来计算有功功率均分偏差；所述有功积分项通过消除产生的无功功率扰动，自适应调整有功功率下垂系数；

S3、利用所述阻性下垂控制方程采集光伏微网系统输出的实际有功功率值，并与理想输出值比较，得到误差值；

S4、利用低宽带的触发信号G对所述阻性下垂控制方程和所述自适应下垂控制方程进行切换；若所述误差值大于预设值，则切换至所述自适应下垂控制方程进行控制，若误差值小于预设值，则采用所述阻性下垂控制方程进行控制。

进一步的，在上述一种基于自适应下垂的光伏微网系统有功功率均分控制方法中，S1中，所述阻性下垂控制方程的表达式如下：

其中，m、n分别为有功功率下垂系数和无功功率下垂系数；P_i、Q_i为光伏微网系统中各第i个光伏发电单元输出的有功功率和无功功率；U_N、ω_N分别为额定输出电压幅值和额定输出角速度；U_i、ω_i分别为负荷运行时输出的电压幅值和角速度。

进一步的，在上述一种基于自适应下垂的光伏微网系统有功功率均分控制方法中，S2中，所述自适应下垂控制方程的表达式如下：

其中，k_g为积分增益；S为下垂系数为m有功电压特性曲线；G为触发信号，取值0或1；

为光伏微网系统实际输出的无功功率的滑动平均值

进一步的，在上述一种基于自适应下垂的光伏微网系统有功功率均分控制方法中，S4包括：

S41、当G＝0时，采用所述阻性下垂控制方程计算获得光伏微网系统的初始实际输出功率，并对输出的无功功率求滑动平均值

S42、当G＝1时，停止对光伏微网系统输出的无功功率求取滑动平均值，并将上一次所求无功功率滑动平均值

保存并代入所述自适应下垂控制方程中，以较小无功功率耦合干扰来获取有功功率分配误差，并利用附加比例积分的无差调节，实现有功下垂系数自适应调节，以实现对输出有功功率进行均分；

S43、有功下垂系数自适应调整结束后，补偿信号归0，返回执行S41。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于自适应下垂的光伏微网系统有功功率均分控制方法，在无功频率方程中引进有功功率项，产生小的无功功率扰动来计算有功功率均分偏差，在有功电压方程中加入系数为无功功率分配误差的有功积分项，通过消除无功功率扰动自适应调节有功下垂系数，实现对输出有功功率的精确均分。该控制方法在光伏微网输出有功功率能实现均分期间与传统的组性下垂控制方法相同，在采用传统的组性下垂控制方法无法实现对有功功率进行均分时，通过触发信号进行切换，实现对下垂系数的自适应调节，整个过程所涉及参数计算较为简单，无须增加额外的硬件设备，并且仅需用以激活的低带宽触发信号，无需依赖微电网信息，提高了系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的光伏微网系统的拓扑结构图；

图2附图为本发明提供的DC/DC变换器控制原理图；

图3附图为本发明提供的包含两台并联光伏分布式发电单元的运行模型；

图4附图为本发明提供的传统的阻性下垂控制方程的有功负荷分配图；

图5附图为本发明提供的自适应下垂控制方法的流程图；

图6附图为本发明提供的自适应下垂系数控制的原理框图；

图7附图为本发明提供的自适应下垂系数调整示意图；

图8附图为本发明提供的工况1输出有功功率波形图；

图9附图为本发明提供的工况1输出无功功率波形图；

图10附图为本发明提供的工况1系统输出环流幅值波形图；

图11附图为本发明提供的工况2输出有功功率波形图；

图12附图为本发明提供的工况2输出无功功率波形图；

图13附图为本发明提供的工况2系统输出环流幅值波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于自适应下垂的光伏微网系统有功功率均分控制方法，包括以下步骤：

S1、构建阻性下垂控制方程，利用阻性下垂控制方程对光伏微网系统中各光伏发电单元输出的无功功率下垂系数进行分配；阻性下垂控制方程包括无功频率方程和有功电压方程；

S2、在无功频率方程中引入有功功率项，在有功电压方程中引入系数为无功功率分配误差的有功积分项，得到自适应下垂控制方程；其中，有功功率项通过产生小的无功功率扰动来计算有功功率均分偏差；有功积分项通过消除产生的无功功率扰动，自适应调整有功功率下垂系数；

S3、利用阻性下垂控制方程采集光伏微网系统输出的实际有功功率值，并与理想输出值比较，得到误差值；

S4、利用低宽带的触发信号G对阻性下垂控制方程和自适应下垂控制方程进行切换；若误差值大于预设值，则切换至自适应下垂控制方程进行控制，若误差值小于预设值，则采用阻性下垂控制方程进行控制。

下面对上述各步骤进行进一步说明。

如图1所示，光伏微网系统的结构主要包括光伏阵列、DC/DC变流器和逆变器等。光伏微网系统工作时，前级Boost变换电路(即DC/DC变流器)对光伏电池输出进行升压，并以MPPT(Maximum Power Point Tracking)算法对电路中的开关管占空比进行控制，实现光伏电池发电利用最大化。后级三相全桥逆变电路采用阻性下垂控制，将直流电转换为交流电，供给交流负载。图1中，T₁～T₆为开关管，L_f1和L_f2为滤波电感，C_f为滤波电容，C₁为直流侧电容。

图2中，DC/DC变流器采用电压外环电流内环双闭环控制结构，该控制策略通过不断调节光伏阵列的输出电压，使其始终工作在最大功率点处，实现MPPT模式。U_PV、I_PV分别为光伏电池实际输出电压与电流，U_ref、I_ref分别为光伏电池电压电流给定输出值，PI(Proportional Integral Controller)调节器为比例积分调节器。通过DC/DC变流器使光伏阵列输出电压满足母线电压要求，提升后级逆变器下垂控制的稳定性。

光伏微网系统中通常采用多DG并联运行模式，为了简化分析，将光伏电池、DC/DC变换电路以及三相全桥逆变器等效为有内阻的电压源，以两台光伏DG并联运行进行分析，等效电路如图3所示。其中，U_i∠d_i、Z_i∠q_i、U_PCC∠0°(i＝1，2)分别为DG_i输出电压、逆变器输出阻抗与线路阻抗之和以及公共母线并联点电压，d_i为输出电压与公共电压间的相角差，q_i为输出阻抗的相位。

由图3分析可得，逆变器输出有功功率与无功功率为

由于在光伏低压微电网中感性成分可忽略,故sin_i≈d_i，cos_i≈1。q_i很小，可看作q_i≈0，故式(1)可写为

由式(2)可知，线路端电压幅值对输出有功功率值起主要作用，而无功功率输出值主要由线路端电压相位差决定，因此在光伏低压微电网采用阻性下垂控制，根据式(2)可得阻性下垂控制方程为

上式中：m、n分别为有功功率下垂系数和无功功率下垂系数；逆变器的下垂系数；P_i、Q_i为各DG_i输出的有功功率和无功功率；U_N、ω_N分别为额定输出电压幅值和额定输出角速度；U_i、ω_i分别为负荷运行时输出的电压幅值和角速度。

光伏微网系统中，逆变器输出端电压可表示为

由式(3)可得各逆变器输出电压为

传统P-V下垂控制中，相角与频率是正比关系，频率为全局变量，各逆变器运行频率一致，故各DG输出无功功率可按照下垂系数合理分配。对于有功功率，则由式(4)与式(5)共同求解，画出两式所代表曲线，其交点即为输出的有功功率，有功负荷分配情况如图4所示。

图4中，S为下垂系数为m有功电压特性曲线，DG₁所对应的线路阻抗要小于DG₂所对应的线路阻抗。由图4可知，输出线路阻抗不同，将会导致各逆变器输出端电压与下垂控制方程特性曲线的交点不一，即输出的有功功率不同。当R₂>R₁时，P₂<P₁，若2台逆变器所取下垂系数较小时，有功功率的偏差较大，会产生较大的环流，这对微网运行稳定性是极其不利的。

因此，本发明实施例基于线路阻抗差异导致有功功率无法均分问题，提出自适应控制下垂系数的控制方法，该方法主要分为两步：

第一步，接收触发信号G之前，逆变器通过传统的组性下垂控制方程获得初始输出功率，并对实际输出的无功功率求滑动平均值

第二步，接收补偿信号G后，停止对有功功率平均值的求解，并将最后所求得的结果保存并代入自适应下垂控制方程中，以较小无功功率耦合干扰来获取有功功率分配误差，并利用附加比例积分的无差调节，实现有功下垂系数自适应调节，实现输出有功功率精确均分。

下面，以两台光伏逆变器为例进行分析，当等效线路电阻R₂>R₁时，先采用传统的阻性下垂控制方程进行控制，可得：

接收补偿信号后，在传统阻性下垂控制方程中采用有功功率和无功功率的组合方程，并通过附加积分项的来不断降低有功功率分配误差，最终的自适应下垂控制方程如下

式(7)中，k_g是积分增益，G为触发信号，取值0或1。当DG₁、DG₂采用相同的下垂系数，则：

mP₁+nQ₁＝mP₂+nQ₂ (8)。

由式(8)可得，DG₁、DG₂输出有功功率与无功功率相互影响，若P₁≠P₂，那么Q₁≠Q₂，即：

在恒定负载光伏微网系统中，

是实际输出无功功率与理想情况下输出无功功率的差值，反映了无功功率在实际过程中的分配误差。在式(7)无功频率方程中，加入了系数为有功项的积分项，通过积分环节可使无功功率重新等于

在有功电压方程中有功功率下垂项mP_i是传统阻性下垂控制中频率的偏移。对无功功率积分的过程，本质上是对下垂系数进行自适应调整，实现对有功功率的均分，即：

设下垂系数的调整量为Δn_i，则

可得自适应下垂控制方程为

如图5所示，利用低宽带的触发信号G对所述阻性下垂控制方程和所述自适应下垂控制方程进行切换的具体过程为：

自适应下垂系数控制流程图中G为触发信号，当输出有功功率均分精度满足系统要求时，G取值为0，采用传统下垂控制策略。当输出有功功率均分精度不满系统要求时G取为1，采用改进后下垂控制策略，且G的有效时间大于积分过程时间。图5中，区间T为缓冲时间，具体控制过程可分为三个步骤：

S41、当G＝0时，采用所述阻性下垂控制方程计算获得光伏微网系统的初始实际输出功率，并对输出的无功功率求滑动平均值

S42、当G＝1时，停止对光伏微网系统输出的无功功率求取滑动平均值，并将上一次所求无功功率滑动平均值

保存并代入所述自适应下垂控制方程(式7)中，以较小无功功率耦合干扰来获取有功功率分配误差，并利用附加比例积分的无差调节，实现有功下垂系数自适应调节，以实现对输出有功功率进行均分。

S43、下垂系数自适应调整结束，补偿信号归0，返回S41，采用传统阻性下垂控制方程。

如图6所示，自适应下垂控制只需在各逆变器间采用简单的低带宽通信，保证各逆变器的触发信号G同步即可，不需要各微源之间进行信息交换。

本发明实施例从下垂曲线角度对自适应下垂系数控制方法实现有功功率均分过程进行分析。

如图7所示，两台逆变器的取相同的下垂系数m，但输出等效线路阻抗不等R₂>R₁，由式(4)可知下垂曲线斜率k₂>k₁，2台逆变器下垂系数m相等，初始工作点分别是(P₁,U₁)与(P₂,U₂)。当逆变器1、2实现功率均分后有P₁＝P₂＝P_AVE＝((P₁+P₂)/2)，Q₁＝Q₂，令ΔR＝R₂－R₁，由式(4)、(12)可得

则

即

式(13)中Δn₁与Δn₂为逆变器1、2的下垂参数调整值。结合ΔR>0与式(15)可知，Δn₁>0>Δn₂。

如图7所示，DG₁输出有功功率P₁>P_AVE，逆变器DG₂输出有功功率P₂<P，由于DG₁与DG₂下垂系数调整量Δn₁>0>Δn₂，所以DG₁下垂特性曲线向下偏移，DG₂下垂特性曲线向上偏移，在积分器的作用下，2台逆变器输出有功功率不断接近，最终都等于均分有功功率P，实现有功功率均分。

由式(15)可知，当额定输出电压U^*确定后，并联逆变器的调整下垂系数之差

只与线路阻抗差异ΔR相关，若光伏微网系统中各分布式光伏发电单元之间线路阻抗差异ΔR相同，则

近似相等。因此该方法能在多类微源逆变器并联系统中依然具有适用性。

为验证本发明实施例控制方法在光伏微网中的有效性，在Matlab/Simulink中搭建两台逆变器系统并联系统模型，输出线路线路阻抗Z₁、Z₂分别为(0.5+j0.08)Ω、(0.8+j0.12)Ω，滤波电感L为4mH，滤波电容C为50μF，静态负荷1为14kW+j6kvar，动态负荷1、负荷2分别为6kW+j4kvar、4kW+j2kvar。分两种工况进行仿真验证：工况1对比分析线路阻抗不等情况下对输出功率均分的影响；工况2对比分析在线路阻抗不等的情况下，接入或切除负荷对输出功率均分的影响。时间设置4s，步长为5×10^-6。

工况1：

在0～1.75s采用传统反下垂控制策略，1.75～4s采用该文提出的自适应下垂控制策略，仿真时系统接入静态负荷1和动态负荷2，并保持负荷稳定。输出有功功率、无功功率和系统环流幅值如图8、图9与图10。由工况1仿真输出波形图可得以下结论：

(1)在1.75s前，采用传统阻性下垂控制方程，由于线路阻抗差异，平稳运行时逆变器1、2输出有功功率分别为11450w、8860w，输出有功功率偏差为25.9％。1.75s后采用本发明提出自适应下垂控制方程，逆变器1、2输出有功功率分10065w、9876w，2台逆变器输出有功功率偏差降低至1.89％，两台逆变器输出有功偏差明显减小。

(2)逆变器1、2输出无功功率在整个仿真过程基本实现均分，表明采用自适应下垂控制方程能有效提高有功功率均分精度，并对输出无功功率均分效果无影响。

(3)由系统输出环流仿真波形图可知，在1.75s前，系统环流幅值稳定在6.75A。1.75s后，采用自适应下垂控制方程进行控制，系统环流稳定在1.15A，系统环流显著降低。

工况2：

仿真负荷为2个静态负荷，1个动态负荷，时间设置为4s，0～1.75s采用传统阻性下垂控制方程控制，1.75～4s采用自适应下垂控制方程控制。1s前光伏微网带静态负荷1与动态负荷2运行，1s时接入动态负荷3，2.5s切除动态负荷2。输出有功功率、无功功率和系统环流幅值如图11、图12与图13。由工况2仿真输出波形图可得以下结论：

(1)在1.75s前，采用传统阻性下垂控制方程控制，1s时动态负荷3接入后，逆变器1、2输出有功功率偏差为25.8％，1.75s后采用自适应下垂控制方程控制，三个负荷共同运行时输出有功偏差为1.92％，动态负荷2切除后，输出有功偏差为1.67％，故自适应下垂控制方程在负荷出现波动情况下依然能明显降低输出有功功率偏差。

(2)逆变器1、2输出无功功率在整个仿真过程基本实现均分，表明自适应下垂控制方程在负荷出现波动的情况下对无功功率均分精度无影响。

(3)1s时动态负荷3接入光伏微电网，系统环流幅值稳定在7.85A，1.75s采用自适应下垂控制方程控制后，系统环流稳定在1.18A，动态负荷2切除后，系统环流稳定在0.95A，这也验证了自适应下垂控制方程的有效性。

通过仿真分析可知，本发明实施例提出的控制方法在负荷稳定与波动状态下都能降低逆变器间环流，显著提高有功功率均分精度，并且对输出无功功率均分进度不造成影响。该控制方法解决了由于输出线路差异带来的输出有功功率无法均分问题，并且仅需低宽带的触发信号，无需逆变器间的信息，大大提升了系统的可靠性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种基于自适应下垂的光伏微网系统有功功率均分控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建阻性下垂控制方程，利用所述阻性下垂控制方程对光伏微网系统中各光伏发电单元输出的无功功率下垂系数进行分配；所述阻性下垂控制方程包括无功频率方程和有功电压方程；所述阻性下垂控制方程的表达式如下：

其中，m、n分别为有功功率下垂系数和无功功率下垂系数；P_i、Q_i为光伏微网系统中各第i个光伏发电单元输出的有功功率和无功功率；U_N、ω_N分别为额定输出电压幅值和额定输出角速度；U_i、ω_i分别为负荷运行时输出的电压幅值和角速度；

S2、在所述无功频率方程中引入有功功率项，在所述有功电压方程中引入系数为无功功率分配误差的有功积分项，得到自适应下垂控制方程；其中，所述有功功率项通过产生小的无功功率扰动来计算有功功率均分偏差；所述有功积分项通过消除产生的无功功率扰动，自适应调整有功功率下垂系数；所述自适应下垂控制方程的表达式如下：

其中，k_g为积分增益；S为下垂系数为m有功电压特性曲线；G为触发信号，取值0或1；

为光伏微网系统实际输出的无功功率的滑动平均值

S3、利用所述阻性下垂控制方程采集光伏微网系统输出的实际有功功率值，并与理想输出值比较，得到误差值；

S4、利用低宽带的触发信号G对所述阻性下垂控制方程和所述自适应下垂控制方程进行切换；若所述误差值大于预设值，则切换至所述自适应下垂控制方程进行控制，若误差值小于预设值，则采用所述阻性下垂控制方程进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应下垂的光伏微网系统有功功率均分控制方法，其特征在于，S4包括：

S41、当G＝0时，采用所述阻性下垂控制方程计算获得光伏微网系统的初始实际输出功率，并对输出的无功功率求滑动平均值

S42、当G＝1时，停止对光伏微网系统输出的无功功率求取滑动平均值，并将上一次所求无功功率滑动平均值

保存并代入所述自适应下垂控制方程中，以较小无功功率耦合干扰来获取有功功率分配误差，并利用附加比例积分的无差调节，实现有功下垂系数自适应调节，以实现对输出有功功率进行均分；

S43、有功下垂系数自适应调整结束后，补偿信号归0，返回执行S41。

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