CN101976851A

CN101976851A - 一种利用虚拟阻抗提高微型电网内多个逆变器无线互联稳定性的方法

Info

Publication number: CN101976851A
Application number: CN 201010522213
Authority: CN
Inventors: 郭海平; 孟良; 王先为; 杨美娟; 卓放; 周运剑
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: CN101976851B

Abstract

本发明公开了一种利用虚拟阻抗提高微型电网内多个逆变器无线互联稳定性的方法，按照如下步骤：(1)根据微网对电能质量的要求，计算下垂控制系数。(2)估算电网线路参数，计算下垂系数的稳定范围。(3)将步骤(1)中计算的下垂系数带入步骤(2)中计算的范围进行检验，若不在下垂系数的稳定范围内，则进行步骤(4)；若完全可以稳定，则进行步骤(5)。(4)按照步骤(3)计算的结果，恰当改变虚拟电感或者电阻，依次重复步骤(2)和(3)。(5)实现加入虚拟阻抗的下垂控制。本发明利用微网内部各个微电源自身的输出电流对输出电压进行反馈控制，来达到提高整个微网***稳定性的目的，而且能节省线路导线。

Description

一种利用虚拟阻抗提高微型电网内多个逆变器无线互联稳定性的方法

技术领域：

本技术涉及到提高微型电网多个逆变器无线组网的稳定性，属于优化提高微型电网中多个微源的功率分配以及提高整个微网***稳定性的方法。

背景技术：

目前微网的均流控制技术主要分为主从控制和对等控制两种。主从控制由于需要通信线，一方面会大大增加成本，另一方面使得微网的运行受到环境的影响比较大，而且在某些环境恶劣的场合，可能根本无法安装使用。在对等控制技术中，用到的最广的技术是下垂控制，但是传统的下垂控制技术对线路的阻抗要求比较严格，需要线路的感抗远大于线路的阻抗，导致***对下垂系数的要求比较严格。目前的技术主要针对下垂控制系数的选取上面的研究，而且认为线路阻抗是不能变化的，导致***稳定性受到很大的限制。

由于太阳能、风能等新能源发电技术的快速发展，以及分布式发电技术难以解决新能源发电的间歇性导致电网的不稳定因数，而带有自身负载和储能的微网***由于能接受电网的调度，实现单位功率因数，故能大大提高新能源发电的稳定性。微网***中有多个逆变器，这些逆变器如何协同工作是目前微网技术上的一个难题。目前解决的方案有两种，一种是逆变器之间通过通信线进行连接，其成本较高，且在某些地理条件下通信较为困难，难以普遍适用；另外一种是采用下垂控制技术进行逆变器之间的无线并联。但是目前的技术在处理逆变器无线并联时候，往往只依靠下垂系数的选取或者依靠下垂控制方式的改进来达到提供***稳定性的目的，其过程繁琐，而且由于线路参数限制的原因，有可能导致***的不稳定。

发明内容：

本发明利用微网内部各个微电源自身的输出电流对输出电压进行反馈控制，来达到提高整个微网***稳定性的目的，而且能节省线路导线。

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种利用虚拟阻抗提高微型电网内多个逆变器无线互联稳定性的方法，按照如下步骤：

(1)根据微网对电能质量的要求，计算下垂控制系数；

(2)估算电网线路参数，按照***稳定的条件计算下垂系数的稳定范围；

(3)将步骤(1)中计算的下垂系数带入步骤(2)中计算的范围进行检验，若不在稳定范围内，则进行步骤(4)；若完全可以稳定，则进行步骤(5)。

(4)按照步骤(3)计算的结果，改变虚拟电感或者电阻，重复步骤(2)(3)。

(5)实现加入虚拟阻抗的下垂控制。

所述计算下垂控制系数采用下式：

k_{p} = \frac{{Δω}_{\max}}{P_{N}}

(4)；

k_{q} = \frac{Δ U_{\max}}{Q_{N}}

其中k_p、k_q分别为有功和无功下垂系数，Δω_max为逆变器额定功率时候的频率变化量，一般取值为微网允许的频率变化量以内，P_N为逆变器额定功率，ΔU_max为额定功率时候逆变器输出电压幅值的变化量。

所述***下垂系数的稳定范围按照下式确定：

k_{p} < \frac{2 R (R^{2} + L^{2} ω^{2}) (L^{2} τ^{2} ω^{2} + L^{2} + 2 LRτ + R^{2} τ^{2})}{3 ω U^{2} L^{2} {(L + 2 Rτ)}^{2}} - - - (5);

k_{q} < \frac{2 R (L^{2} τ^{2} ω^{2} + L^{2} + 2 LRτ + R^{2} τ^{2})}{3 L^{2} Uτω} - - - (6);

其中：R代表线路总电阻，L代表线路总电感，U代表线路相电压有效值、τ代表一阶滤波器时间常数，ω为电网角频率，k_p、k_q分别为有功和无功下垂系数。

本发明的方法采用虚拟阻抗技术，可以使得无信号互联微网***的稳定性得到极大的提高。假设逆变器的额定功率为P_N＝1kW，相电压有效值为U＝220V，滤波时间常数取值为τ＝0.1s，线路电阻为R＝0.1Ω，线路电感为L＝1mH，微网内部允许的最大频率变化为0.2Hz，电网频率为50Hz，由(9)可以得到最大的有功下垂系数为k_p＝1.2×10^-3rad/(s·W)，但是如果采用传统的下垂控制系数选取方法(8)得到的下垂系数为k_p＝1.3×10^-3rad/(s·W)会导致***的不稳定。此时，如果通过虚拟阻抗技术，将虚拟电感设置为L＝9mH，加上原来线路的1mH电感，可以使线路总的电感达到10mH，于是有功下垂系数的上限按照(9)变为了k_p＝0.0477，于是极大程度提高了***的稳定性。

附图说明：

图1为本发明的单个逆变器连接到微网***。

图2为本发明的下垂控制框图。

图3为本发明的有功功率动态分配过程。

图4为本发明的有功功率闭环下垂控制框图。

图5为本发明的无功功率闭环下垂控制框图。

图6为本发明的单个逆变器连接微网的拓扑图。

图7为本发明的采用虚拟电感控制的三相逆变器控制框图。

图8为本发明的采用虚拟电阻控制的三相逆变器控制框图。

图9为本发明的方法流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-9，传统提高下垂控制稳定性的方法是通过选取合适的下垂控制系数来实现功率的分配。本技术利用逆变器输出电流负反馈来动态调节逆变器的输出电压，使得无信号线互联微网***的稳定性得到很大的提高。考虑如图1所示的三相***，其中A、B两点的相电压有效值分别为U和E，线路总的阻抗和感抗分别为R和X，A点的相位超前于B点的相位角度为δ，当线路中的感抗远远大于阻抗的时候，微网中的微源发送出的有功功率P和无功功率Q可以分别表示为：

P = 3 \frac{EU}{X} \sin (δ)

(7)

Q = 3 \frac{U^{2} - UE \cos (δ)}{X}

从(7)当微源超前的角度δ很小的时候，可以得到传输的有功功率P和角度δ成正比，无功功率Q与微源的幅值U成正比。考虑到频率的积分就是角度，于是可以将逆变器的频率控制f成与有功功率P成反比，将逆变器的幅值U控制成与无功功率Q成反比，这样刚好可以形成有功功率和无功功率的闭环，实现有功无功的均衡分配。下垂控制框图如图2所示。

以图3有功功率的动态分配为例，说明下垂控制如何实现功率均分的过程：

逆变器A和逆变器B运行的有功下垂系数分别为k_p1和k_p2，两者的稳态工作点分别在A₀和B₀，即两个逆变器稳态时候必须工作在同一频率。假设由于某种情况，逆变器输出功率发生波动或者两逆变器从动态进入稳态，又由于总的负载功率是不变的，若逆变器A波动到A₁点输出有功为P₁+ΔP，那么逆变器B会波动到B₁点输出有功为P₂-ΔP。这个时候逆变器A的频率低于ω₀，而逆变器B的频率高于ω₀，于是导致逆变器B的相角开始慢慢朝前逆变器A的相角，于是逆变器B向逆变器A发送有功功率，导致逆变器A向A₀点移动，逆变器B向B₀点移动，最终两个逆变器均达到稳态。于是可以得出，不同的下垂控制系数对整个微网***的稳定性将构成很大的影响。但是下垂系数的取值一般由逆变器在额定功率允许的频率下降和幅值下降决定，即：

k_{p} = \frac{{Δω}_{\max}}{P_{N}}

(8)

k_{q} = \frac{Δ U_{\max}}{Q_{N}}

其中k_p、k_q分别为有功和无功下垂系数，Δω_max为逆变器额定功率时候的频率变化量，一般取值为微网允许的频率变化量以内，P_N为逆变器额定功率，ΔU_max为额定功率时候逆变器输出电压幅值的变化量，也必须取值在微网允许的范围以内。于是传统的下垂控制方法往往以对下垂系数的选取为研究重点，来提高***的稳定性。本发明通过引入电流对电压的负反馈，从另外一个角度来提高微网***的稳定性。采用动态向量法不难得出，下垂控制逆变器的传递函数框图4、图5所示，其中R代表线路总电阻，L代表线路总电感，U代表线路相电压有效值、τ代表一阶滤波器时间常数，ω为电网角频率，k_p、k_q分别为有功和无功下垂系数。分别对对***的有功闭环和无功闭环的稳定性采用劳斯判据进行分析，可以得***稳定的下垂系数范围为：

k_{p} < \frac{2 R (R^{2} + L^{2} ω^{2}) (L^{2} τ^{2} ω^{2} + L^{2} + 2 LRτ + R^{2} τ^{2})}{3 ω U^{2} L^{2} {(L + 2 Rτ)}^{2}} - - - (9)

k_{q} < \frac{2 R (L^{2} τ^{2} ω^{2} + L^{2} + 2 LRτ + R^{2} τ^{2})}{3 L^{2} Uτω} - - - (10)

从(9)(10)两个式子可以得出，当线路的阻抗和逆变器输出电压等参数是确定的情况下，要使***稳定，则下垂系数有一个最大值的范围。另外一个方面，由于受到硬件条件限制(如处理器的分辨率等)，下垂系数也不能取得太小。于是导致无信号线互联的微网***在某些情况下，进入稳定状态比较困难。从上面两个式子可以得出，增加逆变器输出阻抗和感抗能大大增加***的稳定性。本发明通过引入逆变器输出电流反馈加在电压上面，来实现虚拟增加线路阻抗的目的。逆变器的拓扑结构如图6所示，可以采用虚拟电感和虚拟电阻两种控制方法。

采用虚拟电感的控制框图如图7所示，采用虚拟电阻的控制框图如图8所示。

如果是采用虚拟电感技术，那么d轴电压参考需要加上q轴负载电流在虚拟电感上的压降，q轴电压参考需要减去d轴负载电流在虚拟电感上的压降。如果是常用虚拟电阻技术，那么d轴电压参考需要加上d轴负载电流在虚拟电阻上的压降，q轴电压参考需要减去q轴负载电流在虚拟电阻上的压降。当采用虚拟电感技术的时候，相当于在线路中串联了一个大小为L的电感，而采用虚拟电阻技术的时候，相当于在线路中串联了一个大小为R的电阻，从而使得***的稳定得到很大的提高。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims

1.一种利用虚拟阻抗提高微型电网内多个逆变器无线互联稳定性的方法，其特征在于，按照如下步骤：

(1)根据微网对电能质量的要求，计算下垂控制系数；

(3)将步骤(1)中计算的下垂系数带入步骤(2)中计算的范围进行检验，若不在下垂系数的稳定范围内，则进行步骤(4)；若完全可以稳定，则进行步骤(5)；

(4)按照步骤(3)计算的结果，改变虚拟电感或者电阻，依次重复步骤(2)和步骤(3)；

(5)实现加入虚拟阻抗的下垂控制，提高整个微网***稳定性。

2.如权利要求1所述一种利用虚拟阻抗提高微型电网内多个逆变器无线互联稳定性的方法，其特征在于，所述计算下垂控制系数采用下式：

k_{p} = \frac{{Δω}_{\max}}{P_{N}}

(1)；

k_{q} = \frac{Δ U_{\max}}{Q_{N}}

其中k_p、k_q分别为有功和无功下垂系数，Δω_max为逆变器额定功率时候的频率变化量，取值为微网允许的频率变化量以内，P_N为逆变器额定功率，ΔU_max为额定功率时候逆变器输出电压幅值的变化量。

3.如权利要求1所述一种利用虚拟阻抗提高微型电网内多个逆变器无线互联稳定性的方法，其特征在于，所述***稳定的下垂系数范围按照下式确定：

k_{p} < \frac{2 R (R^{2} + L^{2} ω^{2}) (L^{2} τ^{2} ω^{2} + L^{2} + 2 LRτ + R^{2} τ^{2})}{3 ω U^{2} L^{2} {(L + 2 Rτ)}^{2}} - - - (2);

k_{q} < \frac{2 R (L^{2} τ^{2} ω^{2} + L^{2} + 2 LRτ + R^{2} τ^{2})}{3 L^{2} Uτω} - - - (3);

其中：R代表线路电阻与虚拟电阻之和，L代表线路电感与虚拟电感之和，U代表线路相电压有效值、τ代表一阶滤波器时间常数，ω为电网角频率，k_p、k_q分别为有功和无功下垂系数。