CN114156953A - 一种基于自适应虚拟电抗的无功功率控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于自适应虚拟电抗的无功功率控制方法和系统，该方法包括：通过建立多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件；在根据逆变器的额定容量比例分配符合功率的情况下，确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件；建立下垂控制模型；对所述下垂控制模型进行验证。通过本申请解决了现有技术中对于逆变器之间的协调运行以进行无功功率分配尚没有比较优的解决方案所导致的问题，从而实现了不同逆变器之间按容量比进行无功功率分配，进而为微网稳定运行提供了技术支撑。

Description

一种基于自适应虚拟电抗的无功功率控制方法和系统

技术领域

本申请涉及到微网功率控制领域，具体而言，涉及一种基于自适应虚拟电抗的无功功率控制方法和系统。

背景技术

目前，具有低污染，灵活的安装位置和低传输损耗的分布式发电吸引着广泛的关注，并逐渐成为大规模的支持和补充未来电网。随着微网规模的不断扩大，不同容量等级的逆变器并联运行组成微电网将成为发展趋势。作为分布式电力的有效载体，微点网集成了各种分布式能源，能量存储设备，能量转换缺口和负载。微电网的结构在复杂网络方向上发展。下垂控制作为微电网常规控制方法之一，具有即插即用，无需通信，控制方案简单易实现等优化。但是由于功率器件非线性、滤波参数等不同使得各逆变器的等效输出阻抗存在差异且逆变器之间的线路阻抗存在差异等因素，分布式电源的逆变器控制单元的输出电压难以统一，这使得与电压相对应的功率控制的分布反过来，产生系统循环并导致逆变器过电流等问题。在严重的情况下，它也会影响系统的功率质量和稳定性。当微网处于孤岛运行模式时，如何控制微网中多个逆变器间的协调运行、实现不同功率等级逆变器间功率精确分配是实现微网稳定运行的一个重要控制目标。

现有技术中对于逆变器之间的协调运行以进行无功功率分配尚没有比较优的解决方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种基于自适应虚拟电抗的无功功率控制方法和系统，以至少解决现有技术中对于逆变器之间的协调运行以进行功率分配尚没有比较优的解决方案所导致的问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种基于自适应虚拟电抗的无功功率控制方法，包括：通过建立多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件；在根据逆变器的额定容量比例分配符合功率的情况下，确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件；建立下垂控制模型，其中，所述改进下垂控制模型中自动调节虚拟阻抗用于改善微网参数，使得所述下垂控制模型满足所述充分条件；对所述下垂控制模型进行验证。

进一步地，通过建立多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件包括：构建多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到逆变器输出功率的表达式；根据所述表达式建立下垂控制方程；根据所述下垂控制方程得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件。

进一步地，确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件包括：根据多个逆变器的输出功率输出比确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件。

进一步地，所述虚拟阻抗为虚拟电感。

进一步地，对所述下垂控制模型进行验证包括：使用MATLAB搭建多逆变器并联运行的仿真模型，对所述下垂控制模型进行验证。

根据本申请的另一个方面，还提供了一种基于自适应虚拟电抗的无功功率控制装置，包括：第一建立模块，用于通过建立多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件；确定模块，用于在根据逆变器的额定容量比例分配符合功率的情况下，确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件；第二建立模块，用于建立下垂控制模型，其中，所述改进下垂控制模型中自动调节虚拟阻抗用于改善微网参数，使得所述下垂控制模型满足所述充分条件；验证模块，用于对所述下垂控制模型进行验证。

进一步地，所述第一建立模块用于：构建多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到逆变器输出功率的表达式；根据所述表达式建立下垂控制方程；根据所述下垂控制方程得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件。

进一步地，所述确定模块用于：根据多个逆变器的输出功率输出比确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件。

进一步地，所述虚拟阻抗为虚拟电感。

进一步地，所述验证模块用于：使用MATLAB搭建多逆变器并联运行的仿真模型，对所述下垂控制模型进行验证。

在本申请实施例中，采用了通过建立多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件；在根据逆变器的额定容量比例分配符合功率的情况下，确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件；建立改进下垂控制模型，其中，所述下垂控制模型中自动调节虚拟阻抗用于改善微网参数，使得所述下垂控制模型自动满足所述充分条件；对所述下垂控制模型进行验证。通过本申请解决了现有技术中对于逆变器之间的协调运行以进行无功功率分配尚没有比较优的解决方案所导致的问题，从而实现了不同逆变器之间按容量比进行无功功率分配，进而为微网稳定运行提供了技术支撑。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的两台DG并联运行等效模型示意图；

图2是根据本申请实施例的无功功率/电压控制框图；

图3是根据本申请实施例的基于虚拟阻抗的电压电流闭环控制框图；

图4是根据本申请实施例的仿真结果示意图一；

图5是根据本申请实施例的仿真结果示意图二；

图6是根据本申请实施例的基于自适应虚拟电抗的无功功率控制方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在本实施例中提供了一种基于自适应虚拟电抗的无功功率控制方法，图6是根据本申请实施例的基于自适应虚拟电抗的无功功率控制方法的流程图，如图6所示，该方法包括如下步骤：

步骤S602，通过建立多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件；

在该步骤中，可以构建多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到逆变器输出功率的表达式；根据所述表达式建立下垂控制方程；根据所述下垂控制方程得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件。

步骤S604，在根据逆变器的额定容量比例分配符合功率的情况下，确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件；

例如，根据多个逆变器的输出功率输出比确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件。

步骤S606，建立下垂控制模型，其中，所述下垂控制模型中自动调节虚拟阻抗用于改善微网参数，使得所述下垂控制模型满足所述充分条件，例如，所述虚拟阻抗可以为虚拟电感；

步骤S608，对所述下垂控制模型进行验证。

验证的方法有很多种，例如，使用MATLAB搭建多逆变器并联运行的仿真模型，对所述下垂控制模型进行验证。

通过上述步骤解决了现有技术中对于逆变器之间的协调运行以进行无功功率分配尚没有比较优的解决方案所导致的问题，从而实现了不同逆变器之间的功率分配，进而为微网稳定运行提供了技术支撑。

下面结合一个可选实施例进行说明。本实施例涉及微电网在孤岛模式下无功功率控制技术领域，是一种提升微电网在孤岛模式下的无功功率在逆变器间的分配效果的基于自适应虚拟电抗的改进下垂控制方法。该方法可以包括如下步骤：

步骤1：构建多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型。

以图1所示的两台DG并联运行等效模型为例来分析其功率传输特性。把逆变器等效成有内阻的电压源，E₁，E₂分别表示逆变器1、2输出的电压、U表示交流并联母线的电压；微源逆变器的等效输出阻抗和连线阻抗之和等效表示为Z_i∠δ_i＝R_i+X_i(i＝1，2)，其中θ₁，θ₂为逆变器1、2输出电压的相位，δ₁，δ₂为等效输出阻抗的相位。

逆变器输出功率表达式为：

在等效输出阻抗呈近似感性条件下即δ_i≈90，忽略R。由此可推得，逆变器输出功率的简化表达式为：

步骤2：建立下垂控制方程

由式(2)可知，逆变器输出的有功功率P和无功功率Q分别与相角θ和传输电抗X呈一阶线性比例关系，其中可用频率f来代替相角θ，则可推得下垂控制方程为：

式中P₀、Q₀分别为额定有功功率和无功功率；f₀、E₀分别为额定频率和额定电压；P、Q分别为输出有功功率和无功功率；f、E分别为输出频率和电压；m、n分别为有功下垂系数和无功下垂系数。

由式(3)可得，实现孤岛运行的微网中不同容量逆变型微源按容量比例分担负荷需满足：

步骤2：分析下垂控制在无功功率控制方面存在的问题

如果能按照额定容量比例精确分配负荷功率，精确设定电压和频率参考点，则并联系统可稳定运行并同时抑制环流。由式(2)和(3)可得下垂控制功率输出控制框图：

由图(2)结合式(2)，可推得逆变器的输出功率为：

若两台DG并联运行，由式(5)可知两台逆变器的输出功率输出比为：

稳态时忽略式中微分项，则式(7)可化简为：

由式(8)有功功率输出表达式可知，当稳态时逆变器输出的有功功率与等效输出阻抗无关，仅下垂系数m有关。由于两台逆变器稳定运行时频率会拉入同步(f₁＝f₂＝f)，当下垂系数m与逆变器容量成比例时，实现孤岛运行的微网中不同容量逆变型微源按容量比例分担有功负荷。

由式(5)无功功率输出表达式可知，稳态时无功功率输出则与等效连接阻抗相关。要实现各逆变器按容量比输出无功功率，需式(5)分母项与逆变器的容量成反比。即存在一下关系：

由式(9)可知，逆变器的等效输出阻抗与容量成反比是多逆变器并联运行按容量分配负荷的充分条件。由于线路的长度、参数漂移和采集误差的因素导致线路阻抗的差异，使得精确设计逆变器等效输出阻抗成比例是非常苛刻的条件，所以传统下垂控制难以实现无功功率按逆变器容量比合理分配负荷。

步骤3：构建基于虚拟电抗的改进下垂控制模型

“虚拟阻抗”技术是在逆变器电压电路双闭环控制中设置输出电抗调节模块，通过反馈无功功率偏差来调节虚拟阻抗来降低逆变器功率控制对输出阻抗和设计参数差异的敏感性，同时分析了改进后的控制系统的稳定性。

基于虚拟阻抗的电压电流闭环控制如图3所示，图中引入虚拟阻抗控制环后，逆变器闭环传递函数和等效输出阻抗分别为：

式中E_dref为下垂控制得出的参考电压，Z_ov(s)为逆变器新的等效输出阻抗，，Z_o(s)为逆变器原来的等效输出阻抗，G(s)为电压比例增益传递函数，Z_v(s)为引入的虚拟阻抗。

本文采用的自适应虚拟阻抗Z_v(s)为虚拟电感，其值表达式可表示如下：

Z_v(s)＝(Q-Q_预)(K_P+K_I/s)/G(s) (12)

式中K_P为比例系数，K_I为积分系数，Q_预为预设无功功率期望值。在感性等效输出阻抗条件下，逆变器原来等效输出阻抗和连线阻抗之和近似为X₀(s)，则式(5)无功功率输出表达式改写为：

式(13)展开整理后为关于Q(s)的一元二次方程，如式(15)所示：

A(s)Q(s)²+B(s)Q(s)+C(s)＝0 (14)

式中：

为了保证系统稳定运行，关于Q(s)的一元二次方程必须有解并且还需存在恒大于0的正解，根据求根公式得:

得式(15)恒有解，并且存在大于0的正解，自适应虚拟阻抗策略取值变化对无功功率稳定性的影响较小。

当稳态时忽略式中微分项，关于Q(s)的一元二次方程式(15)可化简为：

K_IQ(s)²-K_IQ_iQ(s)＝0 (16)

由式(16)解得，Q(s)＝0(忽略)或Q(s)＝Q_i，可知引入自适应虚拟阻抗后，稳态时逆变器输出无功功率与等效输出阻抗X无关，仅与Q_i相关。若N个额定容量的逆变器并联运行时，则各逆变器预设无功功率为：

式中,Q_pcc为微电网公共节点处的无功功率，Q_i-rated为第i(i＝1,2,…,N)台逆变器的额定无功功率，Q_toatal-rated为微电网总的额定功率。

为了验证基于自适应虚拟电抗的多逆变器组网运行的下垂控制方法的优越性，在MATLAB\simulink中搭建两台逆变器并联运行的仿真模型，并设计了两组不同工况下的对比分析实验。

仿真工况一：同等额定容量的逆变器运行，0-1s采用传统下垂控制，1-2s加入改进控制方法，2-3s负荷变动。

由图4仿真结果所示，当0～1s采用传统下垂控制策略时，无功功率受等效输出阻抗的影响，无功功率输出比约为1.4：1，此时两逆变器输出电压出现偏差，此时无功功率在逆变器间均分效果控制差；当1s～2s采用本文所提改进下垂控制策略后，经过一个暂态调节过程后，无功功率解除了与等效输出阻抗的制衡关系两台逆变器输出的无功功率近似按1：1合理分配无功负荷，无功优化控制效果明显增强。当2s时负荷增加，此时改进控制方法同样能有效。

仿真工况二：逆变器额定容量比2：1，0-1s采用传统下垂控制，1-2s加入改进控制方法，2-3s负荷变动。

由图5仿真结果所示，改进后的下垂控制方法更能够使得无功功率接近2：1，负荷变动后控制方法依然有效。

改进前由于线路阻抗的差异，逆变器等效输出阻抗成难以成比例即无法满足(8)式，导致采用传统下垂控制后无功功率在逆变器间无法按容量比分配。改进后由于(13)式存在将(8)式转化成了(17)式消除了逆变器等效输出阻抗成难以成比例的影响，使得改进后无功功率在逆变器间按容量比合理分配。

本实施例公开了一种基于自适应虚拟电抗的多逆变器组网运行的无功功率优化控制方法，适用于多逆变器并联运行组成微电网后无功功率优化控制方案。微电网运行于孤岛模式下，针对传统下垂控制方法对于无功功率按逆变器额定容量比分配效果差的问题。根据逆变器实际输出无功功率与按逆变器额定容量比分配的理论无功功率的偏差大小，通过PI器控制输出虚拟阻抗的值至反馈至下垂控制的内环，自适应调节虚拟电抗来优化控制无功功率，提升微电网在孤岛模式下的无功功率在逆变器间的自动分配的控制效果。

在本实施例中，提供一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行以上实施例中的方法。

上述程序可以运行在处理器中，或者也可以存储在存储器中(或称为计算机可读介质)，计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

这些计算机程序也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤，对应与不同的步骤可以通过不同的模块来实现。

该本实施例中就提供了这样的一种装置或系统。该装置被称为基于自适应虚拟电抗的无功功率控制装置，包括：第一建立模块，用于通过建立多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件；确定模块，用于在根据逆变器的额定容量比例分配符合功率的情况下，确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件；第二建立模块，用于建立下垂控制模型，其中，所述下垂控制模型中自动调节虚拟阻抗用于改善微网参数，使得所述下垂控制模型满足所述充分条件；验证模块，用于对所述下垂控制模型进行验证。

该系统或者装置用于实现上述的实施例中的方法的功能，该系统或者装置中的每个模块与方法中的每个步骤相对应，已经在方法中进行过说明的，在此不再赘述。

例如，所述第一建立模块用于：构建多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到逆变器输出功率的表达式；根据所述表达式建立下垂控制方程；根据所述下垂控制方程得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件。可选地，所述确定模块用于：根据多个逆变器的输出功率输出比确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件。

又例如，所述虚拟阻抗为虚拟电感。可选地，所述验证模块用于：使用MATLAB搭建多逆变器并联运行的仿真模型，对所述下垂控制模型进行验证。

通过本申请解决了现有技术中对于逆变器之间的协调运行以进行无功功率分配尚没有比较优的解决方案所导致的问题，从而实现了不同逆变器之间按容量比进行无功功率分配，进而为微网稳定运行提供了技术支撑。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自适应虚拟电抗的无功功率控制方法，其特征在于，包括：

通过建立多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件；

在根据逆变器的额定容量比例分配符合功率的情况下，确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件；

建立改进下垂控制模型，所述下垂控制模型中自动调节虚拟阻抗用于改善微网参数，使得所述下垂控制模型自动满足所述充分条件；

对所述下垂控制模型进行验证。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过建立多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件包括：

构建多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到逆变器输出功率的表达式；

根据所述表达式建立下垂控制方程；

根据所述下垂控制方程得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件包括：

根据多个逆变器的输出功率输出比确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述虚拟阻抗为虚拟电感。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，对所述下垂控制模型进行验证包括：

使用MATLAB搭建多逆变器并联运行的仿真模型，对所述下垂控制模型进行验证。

6.一种基于自适应虚拟电抗的无功功率控制装置，其特征在于，包括：

第一建立模块，用于通过建立多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件；

确定模块，用于在根据逆变器的额定容量比例分配符合功率的情况下，确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件；

第二建立模块，用于建立改进下垂控制模型，其中，所述下垂控制模型中自动调节虚拟阻抗用于改善微网参数，使得所述下垂控制模型满足所述充分条件；

验证模块，用于对所述下垂控制模型进行验证。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一建立模块用于：

构建多逆变器组成微电网的基于下垂控制的功率传输模型，得到逆变器输出功率的表达式；

根据所述表达式建立下垂控制方程；

根据所述下垂控制方程得到孤岛运行的微网中不同容量逆变器按照容量比例分担符合需要满足的条件。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述确定模块用于：

根据多个逆变器的输出功率输出比确定逆变器的等效输出阻抗与逆变器的容量成反比是多逆变器并联运行并按容量分配符合的充分条件。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述虚拟阻抗为虚拟电感。

10.根据权利要求6至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述验证模块用于：

使用MATLAB搭建多逆变器并联运行的仿真模型，对所述下垂控制模型进行验证。

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