基于撑网逆变器的交流微电网协调控制方法

摘要

一种基于撑网逆变器的交流微电网协调控制方法，采用扩散算法，通过本地和相邻逆变器的信息得到电压和功率的估算值，电压调节器将逆变器的输出电压调控为额定值。在无功功率调节器中，估算出的无功功率可作为电流源型撑网逆变器的参考值，或用于产生电压源型逆变器的电压修正项，实现无功功率按比例分配。在有功功率调节器中，估算出的有功功率可视为电流源型撑网逆变器的参考值，或用于电压源型撑网逆变器调控频率，实现有功功率按比例分配。

权利要求

1.一种基于撑网逆变器的交流微电网协调控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)将多种分布式电源通过电压源撑网逆变器和电流源型撑网逆变器接入微电网，所述的撑网逆变器的控制器包含电压调节器、有功功率调节器、无功功率调节器、以及建立各分布式控制器之间的通信网络，所述的电压调节器、有功功率调节器和无功功率调节器分别具有扩散算法#1、扩散算法#2、扩散算法#3，根据本地和相邻节点的信息估算全局的平均值，实现电压/频率控制和功率分配；

2)测量本地的所有I个撑网逆变器中每个逆变器输出的有功功率pi和无功功率qi，选择任意一个逆变器的有功功率和无功功率并分别命名为p0和q0；则第i个撑网逆变器的标准有功功率pnormi和标准无功功率qnormi分别表示为：式中，下标i表示第i个撑网逆变器；mi和ni分别是第i个撑网逆变器的有功功率比例常数和无功功率比例常数；故所有I个逆变器输出的有功功率分配比例有功功率分配比例和无功功率分配比例分别为：

式中， 分别为第i个撑网逆变器的有功分配比例和无功分配比例；

3)每个撑网逆变器都包含有功功率调节器和无功功率调节器；将本地在k时刻测得的电压和标准功率作为采样值ugi(k)、pnormi(k)和qnormi(k)，分别输入所述的扩散算法#1、扩散算法#2和扩散算法#3中进行计算：①所述的电压调节器采用扩散算法#1估算全局的平均电压，即式中，ψu,i(k)是节点i在时间k时的电压的中间变量；

②所述的无功功率调节器采用扩散算法#2按下式求标准无功功率的平均值：式中，ψq,i(k)是节点i在时间k时标准无功功率的中间变量，根据估算出的标准无功功率，无功功率的估算值可表示为：

式中，ni为无功功率的比例系数；

③所述的有功功率调节器采用扩散算法#3按下式对标准有功功率估算其平均值：式中，ψp,i(k)是节点i在时间k时的标准无功功率的中间变量，根据标准有功功率的平均值，有功功率的估算值 可表示为：式中，mi为有功功率的比例系数；

4)所述的电流源型撑网逆变器，有功功率的估算值 作为功率环的参考值，经功率环和电流环后，控制实际输出有功功率，实现有功功率按比例分配

5)所述的电压源撑网逆变器，根据估算的有功功率得到频率的微调量δωi：rated

式中，c为有功增益，δωi与额定频率ω 相加后得到参考频率为微电网提供频率支撑，同时控制电压源型撑网逆变器的输出有功功率；

6)所述的无功功率调节器，根据所估算的无功功率一方面作为功率环的参考无功功率，控制电流源型撑网逆变器输出的无功功率按比例分配，另一方面经比例积分控制器得到电压的修正项δei：

式中，δei是无功功率偏差引起的电压修正项，s为拉普拉斯算子，gp_q和gi_q为比例积分控制器的比例系数和积分系数，b为无功增益；

7)所述的电压源型撑网逆变器，将所述的电压修正项δei与电压调节器输出的平均电压相加后得到参考电压

电压控制环和电流控制环则根据参考电压，实现逆变器的平均电压恢复，并根据电压修正项微调实际输出电压，控制逆变器的无功功率。

说明书

基于撑网逆变器的交流微电网协调控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及交流微电网控制技术领域，尤其是涉及一种在撑网逆变器并联运行模式下利用扩散算法的交流微电网协调控制方法。

背景技术

[0002] 微电网是一种能有效整合和高效利用分布式可再生能源、储能、负荷的重要形式。由于分布式电源输出特性各异，多以电力电子逆变器为接口并入微电网，从而构成了微电
网多逆变器环境。根据逆变器的运行模式，将其划分为组网逆变器，馈网逆变器，和撑网逆
变器。撑网逆变器应用了下垂机制，是组网逆变器和馈网逆变器的一般形式，可分为电压源
型和电流源型。电压源型撑网逆变器能够在孤岛模式下为系统提供电压和频率支撑，而电
流源型撑网逆变器能够追随分布式电源的最大功率输出，提高功率的利用率。目前所提的
控制策略多是基于电压源型撑网逆变器的交流微电网系统，并不适用于基于电压源型和电
流源型撑网逆变器并联运行的交流微电网。

[0003] 下垂控制能够通过调节逆变器的频率以及电压，在不依赖通信的条件下实现功率按比例分配。但下垂控制也存在很多弊端，如1)系统的电压和频率偏移；2)无功功率在线路
阻抗不匹配时无法按比例分配。目前，针对下垂机制中存在的电压/频率偏差和功率分配问
题，通常由二层控制在相对较长的时间尺度内消除，但依然无法从根本上解决下垂控制的
缺点。因此需要提出不依赖下垂机制的控制策略。

[0004] 不依赖下垂机制的控制策略结合了一层控制和二层控制，在实现平均电压和频率恢复的同时实现功率按比例分配。而分布式控制方式利用稀疏通信网络与相邻网络交换信
息，在某些通信链路故障时也能保持系统功能正常，有利于未来微电网的拓展和分布式电
源的“即插即用”。此外，扩散算法是分布式网络进行信息交互、全局信息估计的有效方法。
相比于一致性算法，扩散算法具有更快的收敛速度和较低的均方差，能更好地解决分布式
估计和自适应问题。

发明内容

[0005] 为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种基于撑网逆变器的交流微电网协调控制方法。各控制器采用分布式控制方式，不需要中央控制器，只需要本地和相邻节点的信
息，利用扩散算法估算出全局的平均电压和功率，并据此给出电压和频率的调整信号，以及
功率的参考值，在实现平均电压和频率恢复的同时实现功率按比例分配。

[0006] 本发明的技术解决方案如下：

[0007] 一种基于撑网逆变器的交流微电网协调控制方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

[0008] 1)将多种分布式电源通过电压源撑网逆变器和电流源型撑网逆变器接入微电网，所述的撑网逆变器的控制器包含电压调节器、有功功率调节器、无功功率调节器、以及建立
各分布式控制器之间的通信网络，所述的电压调节器、有功功率调节器和无功功率调节器
分别具有扩散算法#1、扩散算法#2、扩散算法#3，根据本地和相邻节点的信息估算全局的平
均值，实现电压/频率控制和功率分配；

[0009] 2)测量本地的所有I个撑网逆变器中每个逆变器输出的有功功率pi和无功功率qi，选择任意一个逆变器的有功功率和无功功率并分别命名为p0和q0；则第i个撑网逆变器的标
准有功功率pnormi和标准无功功率qnormi分别表示为：

[0010]

[0011]

[0012] 式中，下标i表示第i个撑网逆变器；mi和ni分别是第i个撑网逆变器的有功功率比例常数和无功功率比例常数；故所有I个逆变器输出的有功功率分配比例有功功率分配比
例和无功功率分配比例分别为：

[0013]

[0014]

[0015] 式中， 分别为第i个撑网逆变器的有功分配比例和无功分配比例；

[0016] 3)每个撑网逆变器都包含有功功率调节器和无功功率调节器；将本地测得的电压和标准功率作为采样值ugi(k)、pnormi(k)和qnormi(k)，分别输入所述的扩散算法#1、扩散算
法#2和扩散算法#3中进行计算：

[0017] ①电压调节器采用扩散算法#1估算全局的平均电压，即

[0018]

[0019] 式中，ψu,i(k)是节点i在时间k时的电压的中间变量；

[0020] ②无功功率调节器采用扩散算法#2按下式求标准无功功率的平均值：

[0021]

[0022] 式中，ψq,i(k)是节点i在时间k时标准无功功率的中间变量，根据估算出的标准无功功率，无功功率的估算值可表示为：

[0023]

[0024] 式中，ni为无功功率的比例系数；

[0025] ③有功功率调节器采用扩散算法#3按下式对标准有功功率估算其平均值：

[0026]

[0027] 式中，ψp,i(k)是节点i在时间k时的标准无功功率的中间变量；

[0028] 根据标准有功功率的平均值，有功功率的估算值 可表示为：

[0029]

[0030] 式中，mi为有功功率的比例系数；

[0031] 4)所述的电流源型撑网逆变器，有功功率的估算值 作为功率环的参考值，经功率环和电流环后，控制实际输出功率为 实现有功功率按比例分配；

[0032] 5)所述的电压源型撑网逆变器，根据估算的有功功率得到频率的微调量δωi：

[0033]

[0034] 式中，c为有功增益，δωi与额定频率ωrated相加后得到参考频率

[0035]

[0036] 为微电网提供频率支撑，同时控制电压源型撑网逆变器的输出有功功率；

[0037] 6)所述的无功功率调节器，根据所估算的无功功率一方面作为功率环的参考无功功率，控制电流源型撑网逆变器输出的无功功率按比例分配，另一方面经比例积分控制器
得到电压的修正项δei：

[0038]

[0039] 式中，δei是无功功率偏差引起的电压修正项，s为拉普拉斯算子，gp_q和gi_q为比例积分控制器的比例系数和积分系数，b为无功增益；

[0040] 7)所述的电压源型撑网逆变器，将所述的电压修正项δei与电压调节器输出的平均电压 相加后得到参考电压

[0041]

[0042] 所述的电压控制环和电流控制环则根据参考电压，实现逆变器的平均电压恢复，并根据电压修正项微调实际输出电压，控制逆变器的无功功率。

[0043] 与现有的控制方法相比，本发明具有以下优点：

[0044] 1、针对撑网逆变器的并联运行模式并利用扩散算法，结合一层控制和二层控制，在实现平均电压和频率恢复的同时，实现功率按比例分配。

[0045] 2、相较于广泛应用的一致性算法，具有更好的收敛性以及收敛速度。

附图说明

[0046] 图1为本发明适用的交流微电网等效电路图。

[0047] 图2为本发明所涉及的系统控制框图。

[0048] 图3为本发明所涉及的协调控制策略的控制框图。

[0049] 图4为本发明所涉及的扩散算法的控制框图。

[0050] 图5为使用分层控制的时域仿真图，其中，(a)为电压和频率，(b)为有功功率和无功功率。

[0051] 图6为使用一致性算法的协调控制时域仿真图，其中，(a)为电压和频率，(b)为有功功率和无功功率。

[0052] 图7为使用扩散算法的协调控制时域仿真图，其中，(a)为电压和频率，(b)为有功功率和无功功率。

具体实施方式

[0053] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明
的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，
所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

[0054] 实施例

[0055] 本发明基于撑网逆变器的交流微电网协调控制方法，实施例对应的交流微电网等效电路图如图1所示。出力稳定的微型燃气轮机等通过电压源型撑网逆变器与交流母线相
连，为系统提供电压和频率支撑；出力不稳定的光伏、风机等利用电流源型撑网逆变器追随
最大功率输出。

[0056] 系统控制框图如图2所示，测量本地电压和功率，根据本文所提的协调控制策略，恢复微电网的平均电压和频率，并实现功率按比例分配。图3是本发明所提的一种基于撑网
逆变器的协调控制策略，包括：通信网络，电压调节器，无功功率调节器，有功功率调节器。
各控制器采用分布式控制方式，只需要本地和相邻节点信息，利用扩散算法估算出全局的
平均电压和功率，并据此给出电压和频率的调整信号，以及功率的参考值，具体包括以下步
骤：

[0057] 电压调节器采用扩散算法#1(如图4)估算全局的平均电压，即

[0058]

[0059] 式中，ψu,i(k)是节点i在时间k时电压的中间变量。

[0060] 测量本地的有功功率和无功功率，任意选取一个逆变器的实际输出功率作为功率的基准值(p0，q0)，并引入标准有功功率和标准无功功率的概念，定义为：

[0061]

[0062]

[0063] 在无功功率调节器中，扩散算法#2(如图4)根据本地和相邻节点的标准无功功率信息，求得标准无功功率的平均值，如下式所示：

[0064]

[0065] 式中，ψq,i(k)是节点i在时间k时标准无功功率的中间变量。根据估算出的标准无功功率，无功功率的估算值可表示为：

[0066]

[0067] 式中，ni为无功功率的比例系数。

[0068] 关于电流源型撑网逆变器的平均无功功率可作为功率环的参考值，控制逆变器的输出无功按比例分配。对于电压源型撑网逆变器，根据估算无功功率得到电压修正项，如下
式：

[0069]

[0070] 式中，gp_q和gi_q为比例积分控制器的比例系数和积分系数；b为无功增益。则电压源型撑网逆变器的电压参考值为：

[0071]

[0072] 式中，经电压电流控制环路后，控制电压源型撑网逆变器的电压为额定值，并实现输出的无功功率按比例分配。

[0073] 在有功功率调节器中，标准有功功率经扩散算法#3(如图4)估算其平均值，如下式所示：

[0074]

[0075] 式中，ψp,i(k)是节点i在时间k时标准无功功率的中间变量。根据标准有功功率的平均值，有功功率的估算值可表示为：

[0076]

[0077] 式中，mi为有功功率的比例系数。关于电流源型撑网逆变器，估算的有功功率可作为功率环的参考值，控制逆变器的输出有功按比例分配。对于电压源型撑网逆变器，根据估
算有功功率得到频率的微调量δωi：

[0078]rated

[0079] 式中，c为有功增益。δωi与额定频率ω 相加后得到参考频率 为微电网提供频率支撑，同时控制电压源型撑网逆变器的输出有功功率。

[0080]

[0081] 图5为基于下垂机制的二层控制时的时域仿真曲线；图6为利用一致性算法的协调控制时的时域仿真曲线；图7是利用扩散算法的协调控制时的时域仿真曲线。如图5所示，下
垂控制下的电压和频率存在偏移，且受线路阻抗的影响，无功功率功率无法按比例分配。在
10s时应用虚拟阻抗法，实现无功按比例分配。在20s时引入二层控制，电压和频率恢复至额
定值，有功功率保持比例分配，但无功的分配受到破坏，无法按比例分配。在图6中，有功功
率和无功功率能够按比例分配，电压维持在额定值附近，频率维持在额定值。负载侧功率在
10s和20s时各增加一倍，系统的动态响应较快(有功1.0s，无功1.5s)，稳态时有功功率能按
照预设比例分配负荷功率，但无功功率的误差逐渐增加，且电压无法稳定在额定值。然而在
图7中，系统的动态响应十分迅速(有功0.3s，无功0.8s)，平均电压和频率能够保持在额定
值，且有功和无功都能按照预设比例精准分配。

[0082] 上述实施例中对应的主要参数如下所示：

[0083] 观测权重μ：0.32；

[0084] 额定角频率ω*：100πrad/s；

[0085] 额定电压U*：110V；

[0086] LC滤波Lf，Cf：0.78mH,107μF；

[0087] 线路阻抗Zline1：0.05Ω,0.55mH；

[0088] 线路阻抗Zline2：0.05Ω,0.55mH；

[0089] 线路阻抗Zline3：0.15Ω,1.55mH；

[0090] 线路阻抗Zline4：0.15Ω,1.55mH；

[0091] 线路阻抗Zline5：0.1Ω,1.1mH；

[0092] 线路阻抗Zline6：0.1Ω,1.1mH；

[0093] 负载功率Pload，Qload：869W，178Var。

[0094] 由本实施例可以看出，本发明提出的基于撑网逆变器的交流微电协调控制方案能够有效地实现各撑网逆变器的协调控制。在不依赖下垂机制的情况下，结合一层控制和二
层控制，控制电压和频率控制在额定值附近，并按比例分配各分布式电源的输出功率。

[0095] 尽管本发明的内容已经通过上述实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种
修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。