一种微电网中逆变器并联运行时无功均衡分配控制方法

摘要

本发明涉及一种微电网中逆变器并联运行时无功均衡分配控制方法，包括以下步骤：1)中央控制器采集各DG输出的无功功率，得出总无功功率Qa；2)根据总无功功率Qa和各DG容量计算各DG的给定无功功率；3)积分控制器根据各DG的给定无功功率和对应的实际输出无功功率的差值调节虚拟阻抗值，获得各DG的自适应虚拟阻抗；4)根据下垂控制及所述自适应虚拟阻抗，获得电压电流双环控制的参考电压，调节相应DG的无功输出。与现有技术相比，本发明在传统下垂控制策略中加入自适应虚拟阻抗以补偿线路差异引起的电压降落差，消除阻抗差异对无功分配的影响，在负荷功率因数变化时也可以实现无功合理分配，且无需测量线路的阻抗值。

权利要求

1.一种微电网中逆变器并联运行时无功均衡分配控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)中央控制器采集各DG输出的无功功率，得出总无功功率Qa：其中，Qi为第i个DG输出的无功功率，i＝1,2,…,n，n为DG的总个数；

2)根据总无功功率Qa和各DG容量计算各DG的给定无功功率；

3)积分控制器根据各DG的给定无功功率和对应的实际输出无功功率的差值调节虚拟阻抗值，获得各DG的自适应虚拟阻抗；

4)根据下垂控制及所述自适应虚拟阻抗，获得电压电流双环控制的参考电压，调节相应DG的无功输出；

当并联的多个DG容量相同时，所述步骤2)中，各DG的给定无功功率通过以下公式计算：Qi0＝Qa/n

当并联的多个DG容量不同时，所述步骤2)中，各DG的给定无功功率按照各DG的容量进行比例分配：Qi0＝riQa

其中，ri为第i个DG的容量比例，ri＝Ci/Ca，Ci为第i个DG的容量，Ca为各DG的总容量；

所述步骤3)中，自适应虚拟阻抗的表达式为：其中，Liv为第i个DG的自适应虚拟阻抗，Qi为第i个DG的实际输出无功功率，Qi0为第i个DG的给定无功功率，K为积分系数；

所述步骤4)具体为：

401)由下垂控制器获得一个DG的第一电压参考值及相应的相位角θ；

402)根据电压相位角θ将对应逆变器输出的滤波电感电流io进行dp变换，获得id和iq；

403)根据步骤402)获得的id和iq以及步骤3)获得对应DG的自适应虚拟阻抗，获得第二电压参考值；

404)将第一电压参考值和第二电压参考值相叠加，获得电压电流双环控制的参考电压。

说明书

一种微电网中逆变器并联运行时无功均衡分配控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力系统中的微电网技术领域，尤其是涉及一种微电网中逆变器并联运行时无功功率合理分配的控制方法。

背景技术

[0002] 微电网由分布式电源(distributed generation，DG)、储能装置、能量转换装置、保护装置和负荷等设备组成，可运行于并网和孤岛两种模式。微电网并网运行时，电压与频率由系统决定，可较易达到功率均分。

[0003] 微电网的传统下垂控制是根据各DG单元输出的有功和无功来调节各逆变器输出电压幅值与频率，下垂控制方程可以表达为：

[0004]

[0005] 式中：ω0、U0分别为各DG空载时输出的电压角频率和幅值；Pi、Qi分别为第i个DG输出有功功率和无功功率；mi、ni分别为第i个DG的有功下垂系数和无功下垂系数；ωi、Ui分别为第i个DG输出的电压角频率和幅值。

[0006] 图1给出了式(1)表示的传统下垂控制框图，图中io为逆变器输出滤波电感电流；uo为逆变器输出滤波电容电压；ω、U分别为下垂控制器调节得到的电压角频率和幅值，用以合成电压电流双环控制的参考电压。

[0007] 传统下垂控制是在逆变器输出阻抗和线路阻抗之和为感性的条件下提出的。微电网通常采用低压传输线路，低压微电网中线路阻抗主要呈阻性，若采用传统下垂控制，电压幅值的调整会影响到有功功率，频率的调整也将影响到无功，有功和无功功率耦合。通常通过加入虚拟阻抗，实现有功和无功解耦。

[0008] 由于频率为微电网系统的全局变量，相角与频率成比例，因此有功功率可按传统下垂控制方法的有功下垂系数进行合理分配。而电压是局部变量，若各DG连接到公共连接点的线路长度不一致，则DG的连线阻抗之间存在差异，导致无功功率不能均分。

[0009] 两台容量相同的DG并联运行，共同为负载供电，容量和无功下垂系数均相同。若DG1的连接线路电感小于DG2，根据式(1)表示下垂控制可得如图2所示的无功分配情况。由于线路电感不一致，两台DG的负荷输出曲线斜率不同，输出端电压也不同。DG2的线路电感较DG1大，负荷输出曲线斜率较大，输出的端电压较大，因而分配的无功较小，无功不能均分。

[0010] 图3为两台DG并联运行的孤岛型微电网等效电路，DG通过不同线路阻抗连接到公共连接点。

[0011] 图3中：R、Χ为DG1与DG2相同大小的连线阻抗；ΔR、ΔΧ为DG1与DG2的连线阻抗之差；ΔU1、ΔU2分别为DG1和DG2输出电压到PCC点的电压降落。设DG2的线路阻抗大于DG1，根据图3可推出：

[0012]

[0013]

[0014] 式中，ΔU2-、ΔU2'分别为DG2输出功率经过与DG1相同线路阻抗和不同线路阻抗产生的电压降落。线路阻抗差异引起的电压降落差导致无功功率不能按照下垂系数合理分配。

[0015] 无功功率的合理分配问题是微电网研究的热点之一。寻找一种微电网逆变器并联运行控制策略，用于合理分配逆变器之间的无功功率至关重要。

[0016] 现有技术的缺点及本申请提案要解决的问题：

[0017] 微电网采用传统下垂控制策略，逆变器并联运行时，当各DG的线路阻抗不一致，将导致无功功率不能按照下垂系数进行无功均分，逆变器之间产生无功环流，影响电网电能质量。

[0018] 不少国内外学者尝试将传统下垂控制进行改进。通过在DG输出电压中注入幅值很小的谐波，利用谐波电压频率在整个微网中都相同的特点来实现比例分配无功功率，但谐波电压的注入使DG输出电压电流产生畸变，特别是在输出阻抗呈感性的线路中谐波容易被放大，影响电网的电能质量。通过调整逆变器的下垂控制系数可改善无功功率分配偏差问题，但是过大的下垂系数会导致逆变器输出点电压和公共连接点(point of common coupling，PCC)的电压降落，甚至影响微电网的运行稳定性。通过加入虚拟阻抗将逆变器输出阻抗设计为感性，以满足传统下垂控制方法的应用条件，实现合理的功率分配，但需知线路阻抗值，实际工程中线路阻抗值难以准确测得。且该方法加入的虚拟阻抗值固定不变，当负荷功率因数变化时，DG之间不能精确分配无功。

发明内容

[0019] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计算方便、控制精度高的微电网中逆变器并联运行时无功均衡分配控制方法。

[0020] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0021] 一种微电网中逆变器并联运行时无功均衡分配控制方法，包括以下步骤：

[0022] 1)中央控制器采集各DG输出的无功功率，得出总无功功率Qa：

[0023]

[0024] 其中，Qi为第i个DG输出的无功功率，i＝1,2,…,n，n为DG的总个数；

[0025] 2)根据总无功功率Qa和各DG容量计算各DG的给定无功功率；

[0026] 3)积分控制器根据各DG的给定无功功率和对应的实际输出无功功率的差值调节虚拟阻抗值，获得各DG的自适应虚拟阻抗；

[0027] 4)根据下垂控制及所述自适应虚拟阻抗，获得电压电流双环控制的参考电压，调节相应DG的无功输出。

[0028] 当并联的多个DG容量相同时，所述步骤2)中，各DG的给定无功功率通过以下公式计算：

[0029] Qi0＝Qa/n。

[0030] 当并联的多个DG容量不同时，所述步骤2)中，各DG的给定无功功率按照各DG的容量进行比例分配：

[0031] Qi0＝riQa

[0032] 其中，ri为第i个DG的容量比例，ri＝Ci/Ca，Ci为第i个DG的容量，Ca为各DG的总容量。

[0033] 所述步骤3)中，自适应虚拟阻抗的表达式为：

[0034]

[0035] 其中，Liv为第i个DG的自适应虚拟阻抗，Qi为第i个DG的实际输出无功功率，Qi0为第i个DG的给定无功功率，K为积分系数。

[0036] 所述步骤4)具体为：

[0037] 401)由下垂控制器获得一个DG的第一电压参考值及相应的相位角θ；

[0038] 402)根据电压相位角θ将对应逆变器输出的滤波电感电流io进行dp变换，获得id和iq；

[0039] 403)根据步骤402)获得的id和iq以及步骤3)获得对应DG的自适应虚拟阻抗，获得第二电压参考值；

[0040] 404)将第一电压参考值和第二电压参考值相叠加，获得电压电流双环控制的参考电压。

[0041] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0042] (1)本发明通过负荷功率进行虚拟阻抗的调节，不需要测量线路的阻抗值，控制方法实现简单；

[0043] (2)本发明可方便实现DG线路阻抗不一致时DG无功功率的均分，即按逆变器容量比例合理分配无功。

[0044] (3)在负荷功率因数变化时，本发明也可以方便、精确地实现无功合理分配。

附图说明

[0045] 图1为传统下垂控制框图；

[0046] 图2为线路电感不同时两台DG无功分配情况；

[0047] 图3为两台DG并联等效电路；

[0048] 图4为本发明自适应虚拟阻抗控制框图；

[0049] 图5为DG容量相同时传统下垂控制方法下有功功率和无功功率仿真结果图；

[0050] 图6为DG容量相同时本发明控制方法下有功功率和无功功率仿真结果图；

[0051] 图7为DG容量不同时本发明控制方法下有功功率和无功功率仿真结果。

具体实施方式

[0052] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0053] 本实施例提供一种微电网中逆变器并联运行时无功均衡分配控制方法，中央控制器根据逆变器输出总功率以及各逆变器容量，计算各逆变器的给定容量，然后发送到逆变器本地控制，用于调整虚拟阻抗大小，补偿线路阻抗差异引起的电压降落差，实现负荷功率的高精确分配。该控制方法具体包括以下步骤：

[0054] 1)中央控制器采集各DG输出的无功功率，得出总无功功率Qa：

[0055] Qa＝Q1+Q2+…+Qn  (4)

[0056] 其中，Qi为第i个DG输出的无功功率，i＝1,2,…,n，n为DG的总个数。

[0057] 2)根据总无功功率Qa和各DG容量计算各DG的给定无功功率。当并联的多个DG容量相同时，，负荷功率让各个逆变器均分，各DG的给定无功功率通过以下公式计算：

[0058] Qi0＝Qa/n。

[0059] 当并联的多个DG容量不同时，各DG的给定无功功率按照各DG的容量进行比例分配：

[0060] Qi0＝riQa

[0061] 其中，ri为第i个DG的容量比例，ri＝Ci/Ca，Ci为第i个DG的容量，Ca为各DG的总容量。

[0062] 3)积分控制器根据各DG的给定无功功率和对应的实际输出无功功率的差值调节虚拟阻抗值，获得各DG的自适应虚拟阻抗：

[0063]

[0064] 其中，Liv为第i个DG的自适应虚拟阻抗，Qi为第i个DG的实际输出无功功率，Qi0为第i个DG的给定无功功率，K为积分系数。

[0065] 4)根据下垂控制及所述自适应虚拟阻抗，获得电压电流双环控制的参考电压，调节相应DG的无功输出，具体控制框图如图4所示：

[0066] 401)由下垂控制器获得一个DG的第一电压参考值及相应的相位角θ，可由第一电压参考值变换获得Ud和Uq；

[0067] 402)根据电压相位角θ将对应逆变器输出的滤波电感电流io进行dp变换，获得id和iq；

[0068] 403)根据步骤402)获得的id和iq以及步骤3)获得对应DG的自适应虚拟阻抗，获得第二电压参考值；

[0069] 404)将第一电压参考值和第二电压参考值相叠加，获得电压电流双环控制的参考电压。

[0070] 在Matlab/Simulink软件仿真平台上搭建了微电网逆变器并联运行仿真模型，用以验证本发明提出方法的有效性。仿真模型由两台DG组成，并联为线性负载供电。负载参数为：P1＝2.5kW，Q1＝1kvar；P2＝4.5kW，Q2＝1kvar。工况1仿真分析两台DG容量相同时，对比分析逆变器分别采用传统控制策略和本发明控制方法对微电网负荷变化时功率分配的影响；工况2仿真验证逆变器采用本发明控制方法在DG容量不同时对负荷分配的精确性。仿真参数如表1所示。

[0071] 表1仿真参数

[0072]

[0073] 工况1

[0074] 两台容量相同的DG并联运行，1s前只投入负荷1，有功功率和无功功率分别为2.5kW、1kvar，1s时负荷2也投入运行，系统稳态运行后负荷有功功率和无功功率分别变为
7kW和2kvar，2s时负荷2退出运行，系统稳态运行后负荷有功功率和无功功率变回2.5kW和
1var，仿真时间为3s。两台DG都采用传统下垂控制时，DG输出功率如图5所示。

[0075] 由于DG1与DG2的容量相同，要达到无功功率合理分配，当系统运行处于稳定状态时，各DG对无功负荷的分配应当相等。由图5可以得出，两台相同容量的DG都采用传统下垂控制方法并联运行时，在负荷变动前后，DG可以按照有功下垂系数均分有功功率，但由于连接线路阻抗差异的存在，DG2线路阻抗较DG1大而分配了较小的无功负荷，无功功率不能按下垂系数实现均分。

[0076] 两台DG都采用本发明控制方法时，DG1和DG2输出功率如图6所示。

[0077] 由图6可以看出，两台相同容量的DG采用本发明控制方法并联运行时，在负荷变动前后，DG能够按照有功下垂系数对有功进行均分，并且下垂控制中加入自适应虚拟阻抗补偿线路阻抗差异引起的电压降落差，在线路阻抗不同时，无功也能按下垂系数实现高精确分配。

[0078] 工况2

[0079] DG1与DG2并联运行，额定容量比为1:2。都采用本发明控制方法，仿真过程与工况1相同，逆变器输出有功和无功功率仿真波形如图7所示。

[0080] 要实现功率的合理分配，DG1与DG2分配功率比应为1:2。由图7可以看出，逆变器输出的有功功率在负荷功率因数变化前后都能按照DG容量比例分配负荷，DG1与DG2分配功率之比为1:2。采用本发明控制方法，逆变器输出无功功率满足1:2的要求。在1s和2s时负荷分别增加和减小，逆变器之前的无功功率仍能按DG容量比例分配，过度过程平滑且时间短。

[0081] 本实施例很好的验证了本发明对合理分配DG无功功率的有效性。