CN104953625B - 一种基于二次电压控制的微电网中分布式电源无功功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二次电压控制的微电网中分布式电源无功功率分配方法，包括微电网二次电压控制、分布式电源的有功和无功功率控制及本地输出电压控制；其中，在微电网中心控制器中，二次电压控制环生成微电网交流母线电压补偿信号，并由中心控制器通过低带宽的通信以广播方式发送至微电网中各分布式电源，作为各分布式电源无功功率的公共参考。各分布式电源的本地控制器利用此补偿信号，根据有功和无功功率控制方程得到参考电压，进而跟踪参考电压，其闭环反馈输出量通过脉宽调制以控制逆变器。在微电网馈线阻抗不匹配的情况下，本发明能够无需增加通讯传输的信息，在实现微电网母线电压恢复的基础上同时实现分布式电源无功功率按下垂系数合理分配的功能。

Description

一种基于二次电压控制的微电网中分布式电源无功功率分配 方法

技术领域

本发明属于供电设备控制技术领域，具体涉及一种基于二次电压控制的微电网中分布式电源无功功率分配方法。

背景技术

随着传统化石能源的日益衰竭，高效、清洁的新能源和可再生能源的开发利用受到了社会的普遍关注。分布式电源能够为不同种类的能源提供和电网的接口，得到了越来越广泛的应用。微电网对多个分布式电源(DG)进行协调管理，是分布式能源高效利用的重要途径。

在孤岛模式的微电网中，分布式电源采用下垂控制技术并联运行。下垂控制技术用频率和电压幅值分别调节有功、无功功率，是常用的功率分配方法。但是，传统下垂控制对功率分配具有局限性。由于受自然条件等限制，微电网中的分布式电源地理位置相对分散，馈线距离长，馈线阻抗较大，并且馈线阻抗通常同时具有感性和阻性成分。采用无功功率-电压幅值下垂控制的逆变器在阻抗不匹配时，无法实现按照下垂系数分配无功功率。虚拟阻抗法是提高分布式电源功率分配精度的一种常用方法，能够减小分布式电源输出阻抗的不匹配程度，提高无功功率的分配精度。但是虚拟阻抗技术直接应用于存在较大馈线阻抗的微电网***具有一定的矛盾。考虑到微电网中馈线阻抗的影响，实现无功功率的分配需要设置较大的虚拟阻抗，会降低微电网的电压质量；如果设置较小的虚拟阻抗，无法使其在总阻抗中占主导作用，会降低无功功率的分配精度。

另外，功率控制的下垂特性和馈线压降造成微电网交流母线电压偏离额定值。当前采用二次控制恢复母线电压的技术已成取得了一些成果。而目前将无功功率分配作为二次控制的附加功能时，需要在通讯网络中传输各个分布式电源的无功功率信息，增加了通讯网络负载，提高了通讯的复杂度。当微电网中分布式电源数量较多时，易产生网络拥塞。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于二次电压控制的微电网中分布式电源无功功率分配方法，在微电网中馈线阻抗不匹配的情况下，能够实现分布式电源(DG)输出的无功功率按照下垂系数进行分配，不需要在通讯***中传输各分布式电源的无功功率信息。同时，二次电压控制将微电网母线电压恢复到额定值。

一种基于二次电压控制的微电网中分布式电源无功功率分配方法，包括如下步骤：

(1)微电网中心控制器采集微电网母线电压，并计算母线电压的有效值V_com；

(2)微电网中心控制器中的二次电压控制环根据所述的母线电压的有效值V_com和母线电压的额定有效值V_com ^*，通过比例-积分(PI)控制器计算母线电压补偿信号E_cmp，并将母线电压补偿信号E_cmp以广播方式通过通信网络传输给各个分布式电源；

(3)各个分布式电源采集本地输出电压以及输出电流，计算瞬时有功功率p和无功功率q，并通过一阶滤波器，滤波得到平均有功功率P和无功功率Q；

(4)各个分布式电源根据所述的平均有功功率P和无功功率Q，以及由通讯网络得到的母线电压补偿信号E_cmp，通过所提出的改进下垂控制算法确定参考电压的幅值E_i和角频率ω_i；

(5)各个分布式电源根据所述的参考电压的幅值E_i和角频率ω_i进行闭环反馈控制得到调制信号，最后根据所述的调制信号通过SPWM(正弦脉宽调制)技术构造得到三组PWM信号以对分布式电源的三相逆变器进行控制。

所述的步骤(1)中，根据以下表达式计算交流母线的线电压有效值V_com：

其中：v_{com_ab}，v_{com_bc}和v_{com_ca}分别为当前采样周期内的母线ab线电压、bc线电压和ca线电压值。

所述的步骤(2)中，根据以下表达式计算母线电压补偿信号E_cmp：

其中：k_pV和k_iV分别为PI控制器的比例参数和积分参数；V_com ^*为母线电压的额定有效值。

所述的步骤(3)中，根据以下表达式计算分布式电源的瞬时有功功率p和无功功率q，及平均有功功率P和无功功率Q：

其中：v_a，v_b和v_c分别为当前采样周期内分布式电源中三相逆变器的三相输出电压；i_a，i_b和i_c分别为当前采样周期内分布式电源中三相逆变器的输出线电流；ω_c为一阶低通滤波器的转折频率。

所述的步骤(4)中，改进下垂控制算法基于以下表达式：

其中：m_pi和n_qi分别为第i(i＝1，2，…，n)台分布式电源的有功功率和无功功率的下垂系数，ω₀和E₀为分布式电源额定输出电压角频率和幅值，ω_i和E_i为第i台分布式电源中逆变器的参考电压的角频率和幅值；E_cmp为母线电压补偿信号；t为时间；k_E为积分系数；P_i表示第i台分布式电源的有功功率，Q_i表示第i台分布式电源的无功功率。

所述的步骤(5)中，根据参考电压基于以下表达式进行闭环反馈控制：

θ＝∫ω_idt

其中：v_id和v_iq为当前采样周期内第i台分布式电源中三相逆变器在dq坐标系下的输出电压值；ω_i和E_i为参考电压的角频率和幅值；G_PI为PI控制器的传递函数；θ为abc坐标系和dq坐标系变换矩阵的角度；d_id和d_iq为dq坐标系下的调制信号。

对微电网中并联运行的每一分布式电源均独立连接集成有上述步骤(3)-(5)控制方法的控制模块；最后的闭环反馈控制环节的作用为跟踪功率下垂控制给出的参考电压，能够运用多种反馈控制结构实现，如电压单环、电压外环电流内环双环等。另外，闭环反馈控制环节能够在多种坐标系下实现，如自然坐标系、静止坐标系、旋转坐标系。

与现有技术相比，本发明方法在微电网中馈线阻抗不匹配的情况下，没有在通讯***中传输各分布式电源的无功功率信息，实现了分布式电源的无功功率按照下垂系数进行分配，使通讯***得到了简化。同时，基于二次电压控制，微电网的母线电压能够恢复到额定值，提高了供电质量。

附图说明

图1为微电网的一般结构。

图2为分布式电源并联的等效模型示意图。

图3为基于二次电压控制的分布式电源无功功率分配法的控制框图。

图4(a)为分布式电源有功、无功功率波形图。

图4(b)为微电网交流母线电压有效值的波形图。

图5为二次电压控制过程波形图。

图6为两分布式电源输出电流和微电网交流母线电压的稳态波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

图1是微电网的一般结构，由n个分布式电源(DG)并联组成，每个DG包括直流侧能源、逆变器电路、本地控制器，并通过馈线连接到微电网的公共交流母线，为负荷提供能量。馈线阻抗包括了隔离变压器漏感和传输线阻抗。微电网中心控制器(MGCC)采用远程传感器测量与监控微电网的运行状态，并将信号通过低带宽的通信发送给DG的本地控制器。当微电网和主网之间的静态开关断开时，微电网工作在孤岛模式。

图2是n个分布式电源并联等效模型，可以计算得到第i(i＝1，2，…，n)个分布式电源输出的有功功率p_i和无功功率q_i分别为

其中：总阻抗Z_i＝Z_Oi+Z_Li，Z_Oi为分布式电源中逆变器等效输出阻抗，Z_Li为馈线阻抗值，总阻抗可表示为Z_i＝R_i+jX_i。

本实施方式提出的基于二次电压控制的分布式电源无功功率分配法控制框图如图3所述。微电网的中心控制器通过远程传感器测量微电网公共交流母线电压，计算交流母线的线电压有效值V_com：

式中：v_{com_ab}，v_{com_bc}和v_{com_ca}分别为当前采样周期内的母线线电压值。

为恢复交流母线电压，在微电网的中心控制器中，二次电压控制通过比例-积分(PI)控制器生成母线电压补偿信号E_cmp：

式中：k_pV和k_iV分别为PI控制器的比例参数和积分参数。V_com ^*为母线电压的额定有效值。

微电网中心控制器通过低带宽的通信网络，将电压补偿信号E_cmp以广播方式传输给各个分布式电源。在各个分布式电源的本地控制器中，利用电压补偿信号E_cmp实现功率分配功能。

在分布式电源的本地控制器中计算功率。参照H.Akagi的瞬时功率理论(instantaneous power theory)中瞬时功率计算方法，得到如下公式：

分布式电源的本地控制器采用的功率控制方程为

式中，v_a，v_b和v_c分别为当前采样周期内分布式电源中三相逆变器的三相输出电压，i_a，i_b和i_c分别为当前采样周期内分布式电源中三相逆变器的输出线电流。v_a，v_b和v_c测量中的公共参考点选为星型接法滤波电容的中点。p为输出的瞬时有功功率，q为输出的瞬时无功功率。

式(5)中所计算式是适用于三相逆变器的瞬时功率计算，对瞬时功率采用低通滤波得到平均功率：

上式中：ω_c为一阶低通滤波器的转折频率。P为平均有功功率和Q为平均无功功率。

分布式电源的本地控制器采用的功率控制方程为

ω_i＝ω₀-m_iP_i (7)

E_i＝E₀-n_qiQ_i+k_E∫(E_cmp-n_qiQ_i)dt (8)

其中：m_pi和n_qi分别为第i台分布式电源的有功功率和无功功率的下垂系数，ω₀和E₀为分布式电源额定输出电压角频率和幅值，ω_i和E_i为第i台分布式电源中逆变器的参考电压的角频率和幅值。E_cmp为来自微电网中心控制器的母线电压补偿信号。t为时间。k_E为调节***动态性能的积分系数。

式(8)的积分项使无功功率以下垂系数为反比合理分配。当***达到稳定状态后，积分项的输入为0，于是稳态时有n_qiQ_i＝E_cmp。母线电压补偿信号E_cmp以广播形式发送，每台分布式电源接收到相同的E_cmp。因此有n_q1Q₁＝n_q2Q₂＝…＝n_qnQ_n。对式(4)，同理稳态时积分项的输入为0，有V_com＝V_com ^*，二次电压控制将微电网母线电压恢复到额定值。

如图3所述，经过功率控制方程得到的参考电压的幅值E_cmpi和角频率ω_i用于闭环反馈控制，得到控制分布式电源中逆变器输出电压的调制信号，经SPWM驱动器驱动逆变器的开关器件。本实施方式中输出电压控制器基于以下表达式进行闭环反馈控制：

θ＝∫ω_idt (10)

其中：d_id和d_iq为dq坐标系下的调制信号，θ为abc坐标系和dq坐标系变换矩阵的角度。v_id和v_iq为当前采样周期内第i台分布式电源中三相逆变器在dq坐标系下的输出电压值；ω_i和E_i为参考电压的角频率和幅值；G_PI为PI控制器的传递函数。

本实施案例中，微电网由两台完全相同分布式电源并联构成，且设计分布式电源按照1:1的比例分配功率。每台分布式电源中，逆变器采用三相半桥拓扑，滤波电感为6mH，滤波电容为2μF，直流母线电压为400V。在第2台分布式电源的馈线中每相串联0.5Ω电阻。中心控制器通过CAN总线和分布式电源通信，也可以采用其它现场总线。每相负载由16.7Ω电阻和9mH电感串联构成，连接成星型。

本实施案例采用的控制参数分别为：式(4)中，V_com ^*＝190V，k_pV＝2，k_iV＝1s^-1；式(6)中，ω_c＝2π×10rad/s；式(7)-式(8)中，E₀＝190V，ω₀＝2π×50rad/s，m_pi＝0.0002rad/(s.W)，n_qi＝0.002V/var，k_E＝2s^-1；式(10)中PI调节的比例系数设定为0.01126，积分系数设定为35.39s^-1。

图4(a)是分布式电源有功、无功功率实验波形图。图中，P₁、P₂分别表示两台分布式电源的有功功率，Q₁、Q₂分别表示两台分布式电源的无功功率。图4(b)为微电网交流母线电压有效值的实验波形图。可以看出，起初在传统下垂法的控制下，两分布式电源的无功功率有较大的分配误差，母线电压偏离额定值。在使能二次电压控制后，两分布式电源的无功功率逐渐趋于相同，且母线电压逐渐恢复到额定值。

图5是二次电压控制过程的波形图。图中V_com是母线电压，i₁、i₂分别表示两台分布式电源的输出电流。起初在传统下垂法的控制下，两台分布式电源的输出电流差异Δi较大。在使能所提出的二次电压控制策略后，两台分布式电源输出电流差异得到了较显著的减小，母线电压幅值也略有提高。补偿过程较为平滑，电源电流和母线电压都未出现过冲。

图6为稳态波形图。可以看出本实施方式下，两分布式电源输出电流几乎相同，并且两分布式电源输出电流和微电网交流母线电压正弦度较高。

因此，运用本发明能够在实现微电网母线电压恢复的基础上同时实现分布式电源无功功率按下垂系数合理分配的功能，不需增加通讯传输的信息。本发明适用于基于二次电压控制的孤岛微电网。

Claims (5)

1.一种基于二次电压控制的微电网中分布式电源无功功率分配方法，包括如下步骤：

(1)微电网中心控制器采集微电网母线电压，并计算母线电压的有效值V_com；

(2)微电网中心控制器中的二次电压控制环根据所述的母线电压的有效值V_com和母线电压的额定有效值V_com ^*，通过PI控制器计算母线电压补偿信号E_cmp，并将母线电压补偿信号E_cmp以广播方式通过通信网络传输给各个分布式电源；

(3)各个分布式电源采集本地输出电压以及输出电流，计算瞬时有功功率p和无功功率q，并通过一阶滤波器，滤波得到平均有功功率P和无功功率Q；

(4)各个分布式电源根据所述的平均有功功率P和无功功率Q，以及由通讯网络得到的母线电压补偿信号E_cmp，通过所提出的改进下垂控制算法确定参考电压的幅值E_i和角频率ω_i；

(5)各个分布式电源根据所述的参考电压的幅值E_i和角频率ω_i进行闭环反馈控制得到调制信号，最后根据所述的调制信号通过SPWM技术构造得到三组PWM信号以对分布式电源的三相逆变器进行控制；

所述的步骤(4)中，改进下垂控制算法基于以下表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i={\mathrm{\ω}}_0-m_{pi}{P}_i\\ E_i=E_0-n_{qi}{Q}_i+k_E\∫(E_{cmp}-n_{qi}{Q}_i)dt\end{array}\right.$

其中：m_pi和n_qi分别为第i台分布式电源的有功功率和无功功率的下垂系数，其中，i＝1，2，…，n；ω₀和E₀为分布式电源额定输出电压角频率和幅值，ω_i和E_i为第i台分布式电源中逆变器的参考电压的角频率和幅值；E_cmp为母线电压补偿信号；t为时间；k_E为积分系数；P_i表示第i台分布式电源的有功功率，Q_i表示第i台分布式电源的无功功率。

2.根据权利要求1所述的分布式电源无功功率分配方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，根据以下表达式计算交流母线的线电压有效值V_com：

$V_{com}=\sqrt{\frac{v_{com\_ab}^2+v_{com\_bc}^2+v_{com\_ca}^2}{3}}$

其中：v_{com_ab}，v_{com_bc}和v_{com_ca}分别为当前采样周期内的母线ab线电压、bc线电压和ca线电压值。

3.根据权利要求1所述的分布式电源无功功率分配方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，根据以下表达式计算母线电压补偿信号E_cmp：

$E_{cmp}=k_{pV}(V_{com}^{*}-V_{com})+k_{iV}\∫(V_{com}^{*}-V_{com})dt$

其中：k_pV和k_iV分别为PI控制器的比例参数和积分参数；V_com ^*为母线电压的额定有效值。

4.根据权利要求1所述的分布式电源无功功率分配方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，根据以下表达式计算分布式电源的瞬时有功功率p和无功功率q，及平均有功功率P和无功功率Q：

$\left\{\begin{array}{c}p=v_a{i}_a+v_b{i}_b+v_c{i}_c\\ q=\frac{1}{\sqrt{3}}\[(v_b-v_c)i_a+(v_c-v_a)i_b+(v_a-v_b)i_c\]\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}p\\ Q=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}q\end{array}\right.$

其中：v_a，v_b和v_c分别为当前采样周期内分布式电源中三相逆变器的三相输出电压；i_a，i_b和i_c分别为当前采样周期内分布式电源中三相逆变器的输出线电流；ω_c为一阶低通滤波器的转折频率。

5.根据权利要求1所述的分布式电源无功功率分配方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，根据参考电压基于以下表达式进行闭环反馈控制：

$\left[\begin{array}{c}{d}_{id}\\ d_{iq}\end{array}\right]=G_{PI}\left[\begin{array}{c}{E}_i-v_{id}\\ 0-v_{iq}\end{array}\right]$

θ＝∫ω_idt

其中：v_id和v_iq为当前采样周期内第i台分布式电源中三相逆变器在dq坐标系下的输出电压值；ω_i和E_i为参考电压的角频率和幅值；G_PI为PI控制器的传递函数；θ为abc坐标系和dq坐标系变换矩阵的角度；d_id和d_iq为dq坐标系下的调制信号。