CN112510749B - 微网孤岛模式下具有网络自适应能力的下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电网孤岛模式下多逆变器并联系统的控制技术领域，一种微网孤岛模式下具有网络自适应能力的下垂控制方法，该微网包括N个分布式直流电源DG、与分布式直流电源DG同样数量的三相逆变器、与分布式直流电源DG同样数量的LC滤波电路、交流母线，每个分布式直流电源DG经过一个三相逆变器转换成交流电后再经过LC滤波电路滤除高阶毛刺，然后连接到相同的交流母线上，第i个滤波电路中其滤波电感为L _i ，每个滤波电路中其滤波电容C _i ，N为自然数，i为大于等于1小于等于N的自然数，Z_i为第i个分布式直流电源DG连接到交流母线上的线路中的等效阻抗，交流母线连接负载。

Description

微网孤岛模式下具有网络自适应能力的下垂控制方法

技术领域

本发明涉及微电网孤岛模式下多逆变器并联系统的控制技术领域，具体为一种可以实现功率均分的下垂系数可调的改进下垂控制方法。

背景技术

微电网有并网和孤岛两种运行模式，尤其在孤岛运行时，分布式电源承担调节电能质量的任务，微电网的稳定运行与其控制技术息息相关。目前现有方法主要有以下几种：一是虚拟电阻优化算法，以最小功率损耗为目标，抑制变换器之间的环流，但是这种方法需不断修正参数，且没有考虑本地负荷的影响，无法使母线电压维持在额定值。二是加入线路阻抗辨识环节，可以准确的获取线路参数，并在辨识结果的基础上增加了无功补偿环节，实现了无功均分，但是一旦辨识环节出现问题，就会对系统的运行造成影响。三是基于通信的改进下垂控制方法，这种方法可以应对快速负载电流的变化，是一种二次控制的混合补偿法，在下垂环节中加入了补偿器，通过通信获取各分布式电源的电流、电压、下垂系数，并对下垂曲线进行平移和下垂系数的调整，可以快速处理负载的突变，而且可以补偿母线电压，但该方法较为复杂。四是模糊算法，根据分布式电源的输出功率调整下垂曲线，并通过模糊控制获取母线电压参考值，在实现功率均分的同时也可以保证较小的母线电压偏差，但是新单元的加入使得系统更为复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何解决当微电网运行于孤岛模式时，分布式电源通常采用下垂控制实现多类型负荷的分配，由于传统下垂固有的局限性，当线路阻抗不一致时，会出现功率分配不均以及环流的问题，难以发挥分布式电源的效率，甚至造成分布式电源过载的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种微网孤岛模式下具有网络自适应能力的下垂控制方法，该微网包括N个分布式直流电源DG、与分布式直流电源DG同样数量的三相逆变器、与分布式直流电源DG同样数量的LC滤波电路、交流母线，每个分布式直流电源DG经过一个三相逆变器转换成交流电后再经过LC滤波电路滤除高阶毛刺，然后连接到相同的交流母线上，第i个滤波电路中其滤波电感为L_i，每个滤波电路中其滤波电容C_i，N为自然数，i为大于等于1小于等于N的自然数，Z_i为第i个分布式直流电源DG连接到交流母线上的线路中的等效阻抗，交流母线连接负载，具有网络自适应能力的下垂控制方法安如下步骤进行

步骤一、采集交流侧电压、电流进行坐标变换，然后通过功率计算得到三相逆变器输出的有功、无功功率，并经过低通滤波器滤除高阶毛刺；

步骤二，获取所有分布式直流电源DG输出的无功信息，根据自身的额定容量计算出无功功率参考值；

步骤三，通过在下垂控制中叠加积分跟随项调整下垂系数；

步骤四，经过abc/dq0坐标变换，再解耦实现电压电流双闭环的控制，最后通过PWM调制实现对三相逆变器的控制。

步骤一中具体步骤如下

采集一个三相逆变器输出的A、B、C相电压和电流，利用已有的坐标变换公式，将三相静止坐标系下的量通过等量变换转换为两相旋转坐标系下的量，

u_a表示三相逆变器输出电压在A相的值，u_b表示三相逆变器输出电压在B相的值，u_c表示三相逆变器输出电压在C相的值，经过坐标轴变换，u_d表示三相逆变器输出电压在dq0坐标系下d坐标轴的值，u_q表示三相逆变器输出电压在dq0坐标系下q坐标轴的值，

通过式(2)，可以得出三相逆变器的输出有功、无功功率。

其中，P为有功功率，Q为无功功率，v_d、v_q分别为三相逆变器输出电压在dq0坐标系下的分量，i_d、i_q分别为三相逆变器输出电流在dq0坐标系下的分量。

然后经过低通滤波器滤除高阶毛刺。

步骤二中具体步骤如下

当各直流电源DG容量相等时：

即：

其中，Q_i(i＝1，2，…N)为各直流电源DG输出的无功，Q_L为无功负荷的总功率，Q_refi为各直流电源DG根据自身的额定容量计算出无功功率参考值；

当各直流电源DG容量不等时：

即：

其中，S_i为各直流电源DG的额定容量，r₁、r₂、r₃、…、r_N为引入变量。

步骤三中具体步骤如下

当各直流电源DG接收到Q_refi后，通过在下垂控制中叠加积分跟随项调整下垂系数，从而调节无功功率的输出，最终使DG实际输出的无功功率与参考值相符合，实现无功的精确分配；

式(8)为其控制表达式：

其中，U_i和f_i为带载时第i个直流电源DG输出电压和频率，U_i ^*和f_i ^*为空载时第i个直流电源DG输出电压和频率，K_i为积分控制增益，n、m为直流电源DG的下垂系数；

当线路阻抗相同时，有Q_refi＝Q_i，此时无需修正原本的下垂曲线，当线路阻抗不同时，Q_refi与Q_i作差对各台逆变器的下垂系数进行调节，当Q_refi大于Q_i时，Q_refi-Q_i＞0，此时经过积分调节器输出为正值，由于下垂系数n为正值，由式(8)可知，直流电源DG的下垂系数基于n在积分调节器的作用下逐渐减小，终当Q_refi＝Q_i时，直流电源DG输出无功达到稳定；

由于积分环节的作用，改进策略可自动消除线路阻抗不同的影响，适用于复杂微电网系统的负荷分配且不需要线路阻抗的检测。

步骤四中具体步骤如下

先将下垂控制输出的电压参考值u_dref，u_qref与逆变器输出电流实际值u_d，u_q分别做差后输入电压调节器，得到电流内环的参考值i_dref，i_qref；

将电压环输出的电流参考值i_dref，i_qref与逆变器输出电流实际值i_d，i_q分别做差后输入电流调节器；将电流调节器输出的电压信号经过增益为-1的环节后与u_d，u_q相加，并在d轴控制中减去解耦量i_q·ωL和在q轴控制中加上解耦量i_d·ωL，其中，ωL表示滤波电抗值；将所得到的dq0坐标系下的量经过(T_abc/dq0)^-1转换至abc坐标系下，然后输入至PWM调制环节。

本发明的有益效果是：以两个相同容量的直流电源DG为例，当线路阻抗相同时，有Q_refi＝Q_i，此时无需修正原本的下垂曲线。当线路阻抗不同时，如图4所示，直流电源DG₁和直流电源DG₂的工作点分别为A、B，有Q₂＞Q₁，DG₁和DG₂输出的无功都偏离给定值Q_refi，此时积分控制器对无功偏差进行修正。对于DG₁，其输出无功Q₁小于给定值Q_ref1，经过积分控制器的值为正，直流电源DG₁的下垂系数由n调整为n₁，工作点由A调整为A₁，增大了无功的输出。对于直流电源DG₂，经过同样的过程，下垂系数由n调整为n₂，工作点由A调整为A₂，减小了无功的输出。

本专利所提改进下垂控制策略，无需检测线路阻抗，并且适用于比较复杂的微电网，通过通信获得其他逆变器无功功率的输出信息，通过叠加积分跟随项，可以自适应调节下垂系数，消除本地负荷对输出无功的影响，实现无功的精确分配。

附图说明

图1为含有N个直流电源DG的微电网结构图；

图2为所设计的下垂系数可调的改进下垂控制框图；

图3为自适应调节下垂系数示意图；

图4为直流电源DG容量相同、线路阻抗相同时，负载突变时采用传统下垂控制逆变器输出有功、无功功率、电流的仿真波形图；

图5为直流电源DG容量相同、线路阻抗不同时，负载突变时采用传统下垂控制逆变器输出有功、无功功率、电流的仿真波形图；

图6为直流电源DG容量相同、线路阻抗相同时，负载突变时采用自适应调整下垂系数的改进下垂控制逆变器输出有功、无功功率、电流的仿真波形图；

图7为直流电源DG容量相同、线路阻抗不同时，负载突变时采用自适应调整下垂系数的改进下垂控制逆变器输出有功、无功功率、电流的仿真波形图。

具体实施方式

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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明是一种可以实现功率均分的下垂系数可调的改进下垂控制方法。图1为含有N个分布式电源(DG)的微电网结构图，直流源经逆变器得交流电压，再经过LC滤波电路滤除高阶毛刺，由线路连接到交流母线公共端。L_i和C_i(i＝1，2，…N)分别为滤波电感和滤波电容，Z_i(i＝1，2，…N)为逆变器输出阻抗和线路等效阻抗之和。在采用传统下垂时，由于传统下垂固有的局限性，当线路阻抗不匹配时，会导致逆变器输出电压的不同，由于电压幅值的不同，与电压幅值对应的无功也会出现分配偏差，导致逆变器间出现环流，严重时影响系统的稳定。

由此，对图1的逆变器采用一种下垂系数可调的改进下垂控制策略，图2为其控制框图，具体控制过程包括四个步骤：步骤一，采集交流侧电压、电流进行坐标变换，然后通过功率计算得到逆变器输出的有功、无功功率，并经过低通滤波器滤除高阶毛刺；步骤二，利用通信获取其他DG输出的无功信息，根据自身的额定容量计算出无功功率参考值；步骤三，通过在下垂控制中叠加积分跟随项调整下垂系数；步骤四，经过abc/dq0坐标变换，再解耦实现电压电流双闭环的控制，最后通过PWM调制实现对逆变器的控制。

步骤一：采集交流侧电压、电流进行坐标变换，然后通过功率计算得到逆变器输出的有功、无功功率，并经过低通滤波器滤除高阶毛刺。

采集逆变器输出的A、B、C相电压和电流，利用已有的坐标变换公式，将三相静止坐标系下的量通过等量变换转换为两相旋转坐标系下。

得到dq0坐标系下的电压u_d，u_q；交流母线电流i_d，i_q；对此变量更能有效控制。例如，u_a表示逆变器输出电压在A相的值，u_b表示逆变器输出电压在B相的值，u_c表示逆变器输出电压在C相的值，经过坐标轴变换，u_d表示逆变器输出电压在d坐标轴的值，u_q表示逆变器输出电压在q坐标轴的值。

通过式(18)，可以得出逆变器的输出有功、无功功率。

其中，P为有功功率，Q为无功功率，v_d、v_q分别为逆变器输出电压在dq0坐标系下的分量，i_d、i_q分别为逆变器输出电流在dq0坐标系下的分量。

然后经过低通滤波器滤除高阶毛刺。

步骤二，先利用通信获取其他DG输出的无功信息，再根据自身的额定容量计算出无功功率参考值；

当各直流电源DG容量相等时：

即：

其中，Q_i(i＝1，2，…N)为各直流电源DG输出的无功，Q_L为无功负荷的总功率，Q_refi为各直流电源DG根据自身的额定容量计算出无功功率参考值。

当各直流电源DG容量不等时：

即：

其中，S_i为DG的额定容量。

步骤三：当直流电源DG接收到Q_refi后，通过在下垂控制中叠加积分跟随项调整下垂系数，从而调节无功功率的输出，最终使DG实际输出的无功功率与参考值相符合，实现无功的精确分配。

式(8)为其控制表达式：

其中，U_i和f_i为带载时第i个直流电源DG输出电压和频率，U_i ^*和f_i ^*为空载时第i个直流电源DG输出电压和频率，K_i为积分控制增益，；n、m为直流电源DG的下垂系数，Q_refi为根据总的无功负荷功率和各直流电源DG单元的额定容量权重计算出的对应各直流电源DG单元应输出的无功功率参考值。

当线路阻抗相同时，有Q_refi＝Q_i，此时无需修正原本的下垂曲线。当线路阻抗不同时，Q_refi与Q_i作差对各台逆变器的下垂系数进行调节，例如，当Q_refi大于Q_i时，Q_refi-Q_i＞0，此时经过积分调节器输出为正值。由于下垂系数n为正值，由式(24)可知，直流电源DG的下垂系数基于n在积分调节器的作用下逐渐减小，终当Q_refi＝Q_i时，直流电源DG输出无功达到稳定。

由于积分环节的作用，改进策略可自动消除线路阻抗不同的影响，适用于复杂微电网系统的负荷分配且不需要线路阻抗的检测。

步骤四，先将下垂控制输出的电压参考值u_dref，u_qref与逆变器输出电流实际值u_d，u_q分别做差后输入电压调节器，得到电流内环的参考值i_dref，i_qref。

将电压环输出的电流参考值i_dref，i_qref与逆变器输出电流实际值i_d，i_q分别做差后输入电流调节器；将电流调节器输出的电压信号经过增益为-1的环节后与u_d，u_q相加，并在d轴控制中减去解耦量i_q·ωL和在q轴控制中加上解耦量i_d·ωL，其中，ωL表示滤波电抗值；将所得到的dq0坐标系下的量经过(T_abc/dq0)^-1转换至abc坐标系下，然后输入至PWM调制环节。

以两个容量和线路阻抗均相同的并联DG运行为例，此时公共负荷连接在交流母线上，在0-2s时投入负荷15kW，5kvar，在2s时增加负载至30kW，10kvar。

当采用传统下垂控制时，逆变器的输出有功、无功、A相电流分别如图5(a)、(b)、(c)所示，由仿真结果可知，两逆变器各输出均相等，在2s时增加负载，微电网进入新的稳定运行状态。

在采用改进下垂控制后，逆变器的输出有功、无功、A相电流分别如图6(a)、(b)、(c)所示，由仿真结果可知，不论采用何种控制方法，当线路阻抗相同时，两逆变器输出的各电气量均相等，即两逆变器输出的有功和无功均可实现均分。

以两个容量相同，线路阻抗不同的并联DG并联运行为例，DG₂的线路阻抗为DG₁的2倍，负荷投切情况与工况1相同。当采用传统下垂控制时，逆变器的输出有功、无功分别如图7(a)、(b)所示，由仿真结果可知，当线路阻抗不同时，有功始终能均衡分配，而无功差别却很大，有明显的分配偏差。逆变器的A相输出电流如图7(c)所示，由仿真结果可知，由于无功的不均分，造成逆变器输出电流幅值出现差异，产生环流。

采用改进下垂控制后，由仿真结果可知，在积分反馈的作用下，无功偏差逐渐减小，最终实现无功均分，此时，逆变器间的环流问题也得到了明显改善，有功在整个过程中均可实现均分。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种微网孤岛模式下具有网络自适应能力的下垂控制方法，其特征在于：该微网包括N个分布式直流电源DG、与分布式直流电源DG同样数量的三相逆变器、与分布式直流电源DG同样数量的LC滤波电路、交流母线，每个分布式直流电源DG经过一个三相逆变器转换成交流电后再经过LC滤波电路滤除高阶毛刺，然后连接到相同的交流母线上，第i个滤波电路中其滤波电感为L_i，每个滤波电路中其滤波电容C_i，N为自然数，i为大于等于1小于等于N的自然数，Z_i为第i个分布式直流电源DG连接到交流母线上的线路中的等效阻抗，交流母线连接负载，具有网络自适应能力的下垂控制方法按如下步骤进行

步骤一、采集交流侧电压、电流进行坐标变换，然后通过功率计算得到三相逆变器输出的有功、无功功率，并经过低通滤波器滤除高阶毛刺；

步骤二，获取所有分布式直流电源DG输出的无功信息，根据自身的额定容量计算出无功功率参考值；具体包括如下内容：

当各直流电源DG容量相等时：

即：

其中，Q_i(i＝1，2，…N)为各直流电源DG输出的无功，Q_L为无功负荷的总功率，Q_refi为各直流电源DG根据自身的额定容量计算出无功功率参考值；

当各直流电源DG容量不等时：

即：

其中，S_i为各直流电源DG的额定容量，r₁、r₂、r₃、…、r_N为引入变量；

步骤三，通过在下垂控制中叠加积分跟随项调整下垂系数；具体步骤如下：

当各直流电源DG接收到Q_refi后，通过在下垂控制中叠加积分跟随项调整下垂系数，从而调节无功功率的输出，最终使DG实际输出的无功功率与参考值相符合，实现无功的精确分配；

式(8)为其控制表达式：

其中，U_i和f_i为带载时第i个直流电源DG输出电压和频率，U_i ^*和f_i ^*为空载时第i个直流电源DG输出电压和频率，K_i为积分控制增益，n、m为直流电源DG的下垂系数；

当线路阻抗相同时，有Q_refi＝Q_i，此时无需修正原本的下垂曲线，当线路阻抗不同时，Q_refi与Q_i作差对各台逆变器的下垂系数进行调节，当Q_refi大于Q_i时，Q_refi-Q_i＞0，此时经过积分调节器输出为正值，由于下垂系数n为正值，由式(8)可知，直流电源DG的下垂系数基于n在积分调节器的作用下逐渐减小，终当Q_refi＝Q_i时，直流电源DG输出无功达到稳定；

由于积分环节的作用，改进策略可自动消除线路阻抗不同的影响，适用于复杂微电网系统的负荷分配且不需要线路阻抗的检测；

步骤四，经过abc/dq0坐标变换，再解耦实现电压电流双闭环的控制，最后通过PWM调制实现对三相逆变器的控制。

2.根据权利要求1所述的一种微网孤岛模式下具有网络自适应能力的下垂控制方法，其特征在于：步骤一中具体步骤如下

采集一个三相逆变器输出的A、B、C相电压和电流，利用已有的坐标变换公式，将三相静止坐标系下的量通过等量变换转换为两相旋转坐标系下的量，

u_a表示三相逆变器输出电压在A相的值，u_b表示三相逆变器输出电压在B相的值，u_c表示三相逆变器输出电压在C相的值，经过坐标轴变换，u_d表示三相逆变器输出电压在dq0坐标系下d坐标轴的值，u_q表示三相逆变器输出电压在dq0坐标系下q坐标轴的值，

通过式(2)，可以得出三相逆变器的输出有功、无功功率；

其中，P为有功功率，Q为无功功率，v_d、v_q分别为三相逆变器输出电压在dq0坐标系下的分量，i_d、i_q分别为三相逆变器输出电流在dq0坐标系下的分量；

然后经过低通滤波器滤除高阶毛刺。

3.根据权利要求1所述的一种微网孤岛模式下具有网络自适应能力的下垂控制方法，其特征在于：步骤四中具体步骤如下

先将下垂控制输出的电压参考值u_dref，u_qref与逆变器输出电流实际值u_d，u_q分别做差后输入电压调节器，得到电流内环的参考值i_dref，i_qref；

将电压环输出的电流参考值i_dref，i_qref与逆变器输出电流实际值i_d，i_q分别做差后输入电流调节器；将电流调节器输出的电压信号经过增益为-1的环节后与u_d，u_q相加，并在d轴控制中减去解耦量i_q·ωL和在q轴控制中加上解耦量i_d·ωL，其中，ωL表示滤波电抗值；将所得到的dq0坐标系下的量经过(T_abc/dq0)^-1转换至abc坐标系下，然后输入至PWM调制环节。