CN105811421B - 一种基于改进型下垂控制的微电网辅助主从控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于改进型下垂控制的微电网辅助主从控制方法，用于维持微电网的电压和功率稳定，所述的微电网包含多个分别与交流母线连接的DG，DG包括主控DG、辅助DG和从控DG，所述的主控DG和从控DG分别作为主从控制法中的主控单元和从控单元运行，所述的辅助DG中的逆变器采用电压电流双环控制，并将负载电流io乘以动态虚拟阻抗Zvir作为反馈信号加入到电压环的指令电压，令逆变器输出阻抗呈感性。与现有技术相比，本发明辅助DG中的逆变器采用动态虚拟阻抗，保证逆变器输出阻抗与线路阻抗相匹配，有效改善电压降落，保证电能质量；采用改进的droop控制，对无功功率控制环节引入积分环节，实现稳态电压无静差，提高***稳态性能。

Description

一种基于改进型下垂控制的微电网辅助主从控制方法
技术领域
本发明涉及一种微电网协调控制方法，尤其是涉及一种基于改进型下垂控制的微电网辅助主从控制方法。
背景技术
伴随着国民经济的快速发展，能源和环境问题日益凸显，基于可再生能源的微电网技术应运而生，微电网概念的提出有助于提高分布式电源(DG)的利用率和灵活性。如何控制微电网内部多个分布式电源的协调控制以及在并网/孤岛模式之间平滑切换是一个亟待解决的问题。
微电网控制模式主要分为对等控制、分层控制、主从控制。对等控制策略则认为微电网内部电源地位平等，可以实现“即插即用”，在并网向孤岛模式过渡过程中微电网不需要改变控制方法，但是控制方式单一，一些波动性微电源不能经济运行；分层控制策略能够实时与所有的微电源及负荷通信，并不断修正当前的运行点参考值，但是其完全依赖于上层的控制通信单元；处于主控结构的微电网中需要一台较大容量的微电网(例如储能变流器)，在孤岛模式下工作于V/F控制，为微电网***提供电压和频率支持，而在并网模式下切换到PQ控制。可见***在孤岛运行时候对于主控单元的依赖性很大，主控单元的灵活性与稳定性直接关系到整个***的稳定。不过，由于在主从结构中可以方便地整合现有的商用并网逆变器，因此现阶段来说各个示范工程仍以主从结构为主。
下垂控制(droop)技术借鉴了同步发电机并联控制的思想，可实现多台逆变器的对等并联，能够自动分配DG的有功、无功功率，但是经典的下垂控制对于功率分配具有局限性。由于微电网的线路阻抗、逆变器的输出阻抗等的不确定性使得逆变器不能实现输出功率的耦合，下垂特性需要根据线路的感性、阻性和容性有所不同，另外作为下垂控制***外环结构的功率控制环对于***频率等稳定控制也具有重要作用，但是功率控制在本质上属于有差调节，孤岛时候较大的负荷变动会导致频率等的偏离，需要保证下垂特性以及调节快速性。
发明内容
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可行性和稳定性好、鲁棒性强的基于改进型下垂控制的微电网辅助主从控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于改进型下垂控制的微电网辅助主从控制方法，用于维持微电网的电压和功率稳定，所述的微电网包含多个分别与交流母线连接的DG，其特征在于，所述的DG包括主控DG、辅助DG和从控DG，所述的主控DG和从控DG分别作为主从控制法中的主控单元和从控单元运行，所述的辅助DG中的逆变器采用电压电流双环控制，并将负载电流io乘以动态虚拟阻抗Zvir作为反馈信号加入到电压环的指令电压，令逆变器输出阻抗呈感性。
所述的辅助DG中的逆变器传递函数为：
式中，unref为电压环指令电压，uo为电压环输出电压，KPWM代表PWM等效环节，Kip为电流环比例系数，Kup为电压环PI控制的比例系数，Kui为电压环PI控制的积分系数，L为逆变器滤波电感，C为逆变器滤波电容，s为拉普拉斯算子。
所述的动态虚拟阻抗Zvir计算式为：
Zvir(s)＝[Δu/io-Zo(s)-ZL]/G(s)
式中，Δu为微电网负荷侧采样电压幅值与电压外环指令电压幅值间的差值，io为负载电流，ZL为DG与母线之间线路阻抗，ZO(s)代表逆变器的等效输出阻抗，G(s)代表电压比例增益传递函数，ZO(s)、G(s)表达式分别为：
所述的辅助DG采用改进的droop控制，对droop控制中的无功功率控制环节引入积分环节，有功功率P(s)、无功功率Q(s)表达式分别为：
式中，ω*(s)为参考频率，ωo(s)为公共连接点母线频率，u*(s)为设定参考电压，uo为电压环输出电压，mn、nn分别为下垂控制系数，K为引入积分环节的增益。
所述的辅助DG设置多个。
所述的主控DG在孤岛模式下运行于VF控制模式，在并网模式下运行于PQ控制模式。
所述的从控DG运行于PQ控制模式。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)辅助DG中的逆变器打破对微电源采用的传统下垂控制的有差调节过程，对电压电流环控制采用动态虚拟阻抗，实现输出功率解耦，保证逆变器输出阻抗与线路阻抗相匹配。
(2)通过设置动态虚拟阻抗随微电网负荷侧电压幅值变动而变化，自适应的调节***，令逆变器输出阻抗呈感性，有效改善电压降落，保证电能质量。
(3)辅助DG采用改进的droop控制，对droop控制中的无功功率控制环节引入积分环节，实现稳态电压无静差，提高***稳态性能。
(4)主控DG在孤岛模式下运行于VF控制模式，为微电网提高电压和频率的参考，并网模式下运行于PQ控制模式，从控DG工作于PQ控制模式，同时将改进的droop控制应用到主从控制中，充当主控微电源的辅助单元，充分利用下垂控制的灵活性与有差性，使得主从控制模式稳定性增强。
附图说明
图1为本发明辅助DG中的逆变器引入虚拟阻抗的双环控制***结构图；
图2(a)为本发明辅助DG中的逆变器引入虚拟阻抗前的***结构图；
图2(b)为本发明辅助DG中的逆变器引入虚拟阻抗后的等效***结构图；
图3为本发明辅助DG功率传输示意图；
图4为传统DG功率控制器框图；
图5为本发明辅助DG的功率控制器框图；
图6为本发明辅助DG的功率控制环；
图7(a)为逆变器采用经典droop控制输出的电压波形；
图7(b)为本发明辅助DG输出的电压波形；
图8(a)为逆变器采用经典droop控制输出的电流波形；
图8(b)为本发明辅助DG输出的电流波形；
图9(a)为逆变器采用经典droop控制输出的功率波形；
图9(b)为本发明辅助DG输出的功率波形；
图10(a)为逆变器采用经典droop控制输出的频率波形；
图10(b)为本发明辅助DG输出的频率波形；
图11为本发明带有主控DG、从控DG和辅助DG的微电网仿真电路；
图12(a)为本发明微电网母线电压波形仿真结果图；
图12(b)为本发明微电网负荷侧母线电流波形仿真结果图；
图12(c)为本发明微电网负荷侧功率波形仿真结果图；
图12(d)为本发明微电网负荷侧母线频率波形仿真结果图。
具体实施方式
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。
实施例
本发明所采用的新型droop控制：首先，在环逆变器电压环电流环控制原理基础上，通过加入动态阻尼阻抗环节有效地实现功率解耦，为功率控制环服务；其次，功率控制环节改进主要是通过将频率差f-fn与电压差U-U0作为反馈信号，反馈线上除了要增加一个PI控制环节，还需要对反馈线的下垂系数进行修正处理，从而构成一种新型的droop控制方法，另外鉴于无功功率表达式中并没有积分项，稳态时电压存在静差且鲁棒性较差，需要在无功控制线路上加入积分环节。
将上述方法称为新型下垂控制，作为辅助单元应用到主从控制微电网***中。综合考虑传统的主从控制与对等控制的特点，将两种协调控制结合在一起实现带辅助主从协调控制，该方法采用多个控制单元，其中，主控制单元为孤岛运行的微电网提高电压和频率的参考，在孤岛模式下工作于V/F控制，为微电网***提供电压和频率支持，而在并网模式下切换到PQ控制；作为主控单元的辅助采用本发明提出的新型下垂控制方法，辅助单元可以有多个，它们之间进行负荷出力分配，负责微电网的电压与频率稳定，实现***中负荷变动的快速功率补偿；其余从控单元可采用PQ控制，从而实现最大功率发电。
下面对本发明电压电流环控制和功率环控制的改进依次分析：
对电压电流环控制改进：在实际的逆变器并联运行的***中，逆变器输出的P和Q之间存在耦合，对于P-f，Q-u的下垂特性受到影响，尤其在低压微电网当中难以直接应用。需要通过引入虚拟阻抗控制策略，其实质是将采集来的电流信号乘以虚拟阻抗值，引入到电压调节器中，有助于增加***稳定性及减小环流影响。
基于虚拟阻抗控制环逆变器控制原理如图1所示，主要包括了输出电压电流控制环、功率下垂控制环和虚拟阻抗控制环，其中Gu(s)、Gi(s)、Zvir(s)、KPWM分别代表了电压外环控制、电流控制内环、虚拟阻抗反馈环节、PWM等效环节，unref、u* nref、uo分别为电压外环指令电压、引入虚拟阻抗的指令电压、负载电压，iL、io分别为电感电流、负荷电流，L、C分别代表滤波电感、滤波电容。为了使***具有良好的稳定性和动态响应速度，有Gu(s)＝Kup+Kui/s、Gi(s)＝Kip，其中Kup、Kui为电压环PI控制的比例系数、积分系数，Kip为电流环比例系数。
根据图1，当电压控制环分别以unref、uo作为输入、输出时，加入虚拟阻抗后逆变器的闭环传递函数可写为：
可以简化成
uo＝G(s)(unref-Zvirio)-Zo(s)io＝G(s)unref-[G(s)Zvir+Zo(s)]io (2)
式中：G(s)代表电压比例增益传递函数，ZO(s)代表逆变器闭环***的等效输出阻抗。则为：
这样，引入虚拟阻抗控制环节以后，逆变器新的等效输出阻抗为：
可以看出，引入虚拟阻抗反馈环节就可以控制***的输出阻抗特性，使得***可以在不改变外部硬件基础上通过调节控制器参数，灵活地改变逆变器功率的耦合情况，从而使得相应的下垂特性得到改善。
如图2(a)所示，没有加入虚拟阻抗的情况下，DG与母线间的线路阻抗ZL＝R+jX在低压线路中呈阻性，如图2(b)所示，引入虚拟阻抗以后可实现微电源与母线之间的线路呈现感性，如果功率控制中采用下垂控制无疑可以实现功率的解耦控制。
从图2中可以看出***总电压降落表达式为：
为了保证供电的质量，减少***电压降落和环流，设动态虚拟阻抗为：
Zvir(s)＝[Δu/io-Zo(s)-ZL]]/G(s) (7)
式中：Δu为***在微电网负荷侧采样点的电压幅值与逆变器指令电压间的差值，i0为负载电流，ZL为线路阻抗。随着***状态的不断变化，固定的虚拟阻抗改善作用无法满足需要，而动态的虚拟阻抗可以实时监测***的电压、电流，通过公式(7)计算出相应的动态虚拟阻抗，自适应地自动调节***，有效地改善了电压降落，保证电能质量。
针对于功率环控制分析如下：经典下垂算法理论上己可以实现并联逆变器间良好的稳态均流效果。但是逆变器传统下垂控制本质上属于有差调节，考虑到负荷变动或者发电机投切时，需要更好的瞬时响应能力，本发明对功率控制环节进行改进。
对于图3所示***，线路阻抗ZL＝R+jX，从A点注入的功率S＝P+jQ，则：
通常情况下，功角差δ很小，cosδ≈1，如果X＞＞R，分析时候可以省略电阻，可以转化为：
由式(9)可知，在感性***中P与功角差δ、Q与电压差呈线性关系，在实际应用中常f替代功角，因此通过调节f和电压可实现对于并联分布式电源P、Q的合理分配控制，由此可以得到下垂控制特性曲线为：
式中：mn、nn分别为下垂系数，f*、u*分别为参考频率和参考电压。根据式(10)得到的传统的功率控制框图如4所示，图中Pset、Qset分别为功率的设定值，s为拉普拉斯算子。
根据图4可以得到微源输出的有功功率和无功功率的表达式为：
从式(11)可以看出，因积分项的存在，稳态时刻有功功率与等效连接阻抗Xn无关，多台微电源并联运行时候，可以实现有功功率的精确分配；而无功功率式子中并没有积分项，稳态时刻无功功率的输出受到外联等效阻抗的影响，根据相关文献可以得知仅通过比例环节稳态时电压存在静差，且鲁棒性较差。根据上述分析，为了实现稳态电压无静差，需要对无功功率控制环节构造积分环节，提高***稳态性能，新的表达式如式(12)，其结构图如图5所示。
另外，经典的droop控制中下垂特性是一条倾斜的直线，当负荷变化或者发电机投切时候，微电源输出的功率变化很大，不能适用于复杂多变的环境，常规的方法都只是简单地引入一个反馈变量改善这种情况，但由于下垂系数的数值很小，改善结果不明显。本发明在图5的基础上通过增加反馈环节、加入PI控制、修正反馈的下垂系数等技术构成一种新型的droop控制方法，实现***频率和电压的补偿，改善***的稳定性、适应性，相应的结构如图6所示。具体的表达式为：
式中：m*、n*为修正后的下垂系数，一般比m、n大；Kp、Ki为PI控制的比例系数、积分系数；。从式子可以看出，其实质上式将频率差额、电压差额通过PI控制环、修正的下垂系数环节作为功率控制的反馈信号，其中m*、n*用于增大反馈的补偿作用。
最后，本发明还提出一种带辅助主从控制策略的协调控制方法如下分析：
微电网层面的控制策略主要可分为对等控制、主从控制、分层控制控制。对等控制具有“即插即用”的特点，各微电源只需要各自接入点信息参与电压和频率的调控，并且微电网孤岛/并网切换中电源都不用改变控制方法，但是孤岛运行时，处于对等控制的微电网属于有差控制且灵敏度不高；主从控制的微电网可以在孤岛时保持电压和频率的维持给定值，但是这种控制模式对于主控单元的依赖程度较大，一旦主控单元出现故障，孤岛运行的微电网失去电压、频率的支持，微网将不能运行；所谓分层控制模式，一般都设有中央控制器用于发送控制信号，可以实现对微电源的负荷、功率预测，根据***各状态信息对运行计划进行调整，并能为***提高相关保护功能，但是分层控制的微电源以及中央控制器之间都需要通信线路，通信失败会影响***的运行。
主从控制微电网中存在主控制单元和从控制单元，其中主控制单元为孤岛运行的微电网提高电压和频率的参考，这类逆变器一般采用单个V/F控制，亦或是单个droop或多个droop控制，当采用单个的V/F控制或者droop控制时候，主控单元的容量以及灵活性直接关系到***稳定性，而多个droop控制作为主从部分，***属于有差调节，从控单元工作于PQ控制模式又不能辅助主控单元调节电压和频率。鉴于下垂控制的下垂特性可灵活调节功率分配，本发明提出可充分利用下垂控制逆变器的下垂特性，在传统主从控制的基础上，将下垂控制作为主控单元的辅助控制单元，可调高***的适用性。
为了验证本发明的有效性，还通过MATLAB/Simulink软件平台进行仿真模拟，主要验证改进型下垂控制以及基于改进型下垂控制辅助主从控制两个方面：
首先本发明基于MATLAB/Simulink软件平台搭建了本发明提出的改进型下垂控制以验证所提出的控制策略的有效性。仿真参数如图表1所示，fs为载波频率。负荷采用恒定功率P＝10kW，Q＝5kVar。表中，Rf为滤波电阻，Pset为有功功率的设定值。
图7(a)、7(b)为改进前后逆变器输出的电压波形对比图，改进之前逆变器输出的电压波幅值约311V，改进以后电压幅值变为340V左右，表明了改进的下垂控制有助于减少电压降落，为提高负荷供电电压质量提供了保障。
表1
图8(a)到图10(b)依次为改进前后逆变器输出的电流、功率、频率，从图像中可以看出在***刚开始运行时候，改进后的下垂控制趋于稳定的速度更快，***能更快地进入稳态运行，改进之前的有功和无功均分效果不好，稳定性不佳，由此可见，改进的下垂控制在电压、电流、功率、频率调节时候效果更优。
其次，利用MATLAB/Simulink软件搭建图11所示的微电网结构仿真模型，由此仿真验证本发明提出的基于改进型droop控制的微电网带辅助主从协调控制方法。图11中，微电网包括DG1、DG2、DG3两个微电源，其中：主控微电源(也称主控单元)DG1在孤岛运行时采用V/F控制，在并网运行时采用PQ控制，而从控微电源(也称从控单元)DG2则一直采用PQ控制，DG2作为主控单元DG1的辅助单元则采用改进下垂控制。
仿真参数选取如下：V/F控制模块中Uref＝300V，f＝50Hz，电压环Kp＝10，Ki＝2000，电流环Kp＝0.5；PQ控制控制模块中Pref＝10kW，Qref＝0kVar，电流环环Kp＝0.5，Ki＝20输电线路中，微电源低压线路参数R1＝R2＝R3＝0.0642Ω/km，X1＝X2＝X3＝0.00083Ω/km，负荷采用恒定功率负荷：P1＝P3＝10kW，P2＝20kW，Q1＝Q3＝5kVar、Q2＝10kVar。公共负荷、PQ控制、改进型droop、配电网参数同上述传统主从一致。
为了验证所提出的带辅助的主从控制策略的可行性与稳定性，采取仿真时间2s，其中0～1s期间微电网孤岛运行，1s时微电网并网，1～2s为并网运行时间。仿真操作如表2所示，仿真曲线如图12(a)～(d)所示。
1)0～1s微电网孤岛运行，其中0～0.5s为带辅助主从控制运行，0.5～1s期间为经典主从控制状态运行，可以通过两个线段的比较，可以分析孤岛条件下两个控制模式的不同：图12(a)表明带辅助主从控制电压刚开始为320V，切除公共负荷3期间升为340V，而经典主从控制正常运行时电压为250V，切除公共负荷3期间升高到280V，可以看出改进型droop有助于补偿电压降落；图12(b)为仿真电流波形图，带辅助主从控制电流波形与并网时候更接近在100A左右，有利于***在并网/孤岛模式切换的稳定性；图12(c)为负荷2侧处的功率图形，对比而言带辅助主从控制的波形更加平稳，且与并网时候波形更接近，在并网/孤岛模式中对于功率分配的实现更容易；图12(d)为频率波形，明显可以看到带辅助主从控制更接近于额定频率50Hz，而在切除公共负荷3时候，经典主从的波形有很大的波动，不利于***中设备寿命与稳定性。通过比较可以看出，在孤岛运行模式中，无论是电流电压波形还是功率频率波形，明显看出带辅助的主从控制更加稳定。
2)微电网并网运行，与孤岛运行操作过程类似，分别经历了带辅助主从控制(1～1.5s)与经典主从控制(1.5～2s)两个过程，这两个过程中也进行哦公共负荷3的投切，从图12(a)～(d)的波形可以看出，整个并网模式下电压维持在320V左右，频率在50Hz附近变化不大，电流与功率也基本维持不变，可见两种主从控制都能够很好地运行在并网模式当中，这时候的带辅助主从微电网已经可以看作对等微网(droop为主)并网运行，而droop的加入使得在***并网/模式切换中更加稳定。
表2
本实施例首先根据电压型逆变器并网等效电路推导出逆变器闭环结构、功率方程，得到逆变器闭环传递函数、功率解耦控制方法，然后从下垂控制的拓扑结构入手，从电压电流双环控制和功率控制环节分析了经典下垂控制的逆变器基本原理，最后提出了新型下垂控制逆变器控制方法：通过采用动态虚拟阻抗实现功率解耦，同时对功率控制进行改进，提高***的稳定性与适应性。另外，本发明针对于主从控制对于主控单元依赖性过大，提出将一个或多个改进后的下垂控制逆变器作为主控单元的辅助微电源，充分利用下垂控制的有差特性，提高主从控制的稳定性。仿真结果验证了本发明控制方法应用于多主从混合协调控制***上的有效性和可行性。

Claims (6)

1.一种基于改进型下垂控制的微电网辅助主从控制方法，用于维持微电网的电压和功率稳定，所述的微电网包含多个分别与交流母线连接的DG，其特征在于，所述的DG包括主控DG、辅助DG和从控DG，所述的主控DG和从控DG分别作为主从控制法中的主控单元和从控单元运行，所述的辅助DG中的逆变器采用电压电流双环控制，并将负载电流io乘以动态虚拟阻抗Zvir作为反馈信号加入到电压环的指令电压，令逆变器输出阻抗呈感性，所述的辅助DG中的逆变器传递函数为：
式中，unref为电压环指令电压，uo为电压环输出电压，KPWM代表PWM等效环节，Kip为电流环比例系数，Kup为电压环PI控制的比例系数，Kui为电压环PI控制的积分系数，L为逆变器滤波电感，C为逆变器滤波电容，s为拉普拉斯算子。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进型下垂控制的微电网辅助主从控制方法，其特征在于，所述的动态虚拟阻抗Zvir计算式为：
Zvir(s)＝[Δu/io-Zo(s)-ZL]/G(s)
式中，Δu为微电网负荷侧采样电压幅值与电压外环指令电压幅值间的差值，io为负载电流，ZL为DG与母线之间线路阻抗，ZO(s)代表逆变器的等效输出阻抗，G(s)代表电压比例增益传递函数，ZO(s)、G(s)表达式分别为：
3.根据权利要求1所述的一种基于改进型下垂控制的微电网辅助主从控制方法，其特征在于，所述的辅助DG采用改进的droop控制，对droop控制中的无功功率控制环节引入积分环节，有功功率P(s)、无功功率Q(s)表达式分别为：
式中，Xn为等效连接阻抗，ω*(s)为参考频率，ωo(s)为公共连接点母线频率，u*(s)为设定参考电压，uo为电压环输出电压，mn、nn分别为下垂控制系数，K为引入积分环节的增益。
4.根据权利要求1所述的一种基于改进型下垂控制的微电网辅助主从控制方法，其特征在于，所述的辅助DG设置多个。
5.根据权利要求1所述的一种基于改进型下垂控制的微电网辅助主从控制方法，其特征在于，所述的主控DG在孤岛模式下运行于VF控制模式，在并网模式下运行于PQ控制模式。
6.根据权利要求1所述的一种基于改进型下垂控制的微电网辅助主从控制方法，其特征在于，所述的从控DG运行于PQ控制模式。
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