一种提高微电网中多逆变器并联功率分配精度的控制方法与流程

本发明涉及可再生能源发电微电网领域，特别地涉及一种提高微电网中多逆变器并联功率分配精度的控制方法。

背景技术：

近年来，以太阳能和风能为代表的可再生能源快速发展，带动了基于电力电子装置的分布式系统大规模应用。而逆变器作为能量传输的桥梁，其运行性能的可靠和稳定，是髙质量的电能输出以及电网安全运行的有力保障。微电网可运行在并网或孤岛模式下，通过上层调度统一控制，将区域内的分布式系统进行集中管理，以降低间歇性分布式系统给配电网带来的不利影响，最大限度地利用可再生能源，提高供电可靠性和电能质量。

微电网是由内部众多相互独立的dg(distributedgeneration)单元，组建而成的区域电网形式，而dg由其自身的逆变器，按照上层调度指令，控制输出有功及无功功率。微电网在并网运行时，可由配电网为其提供电压和频率支撑。孤岛运行时由于缺乏配电网提供的电压支撑，因此必需由逆变器建立稳定可靠的电压和频率，以保证微电网的正常运行。微电网中逆变器的本地控制器多采用dsp芯片，收集本地数据，如输入电压、电流、功率，逆变输出电压、电流以及有功、无功功率；具有通信、保护、电磁兼容等功能，同时接受上层调度指令，如并网、孤岛运行指令，以及接收输出有功及无功功率参考值。

当大电网由于故障与微电网解列，微电网运行在孤岛自治模式下，维持区域电网的电能供应。但由于微电网内部存在多种特性各异的分布式能源，以及新能源装机容量和渗透率的不断提高，微电网中逆变器的并联数目随之快速增长，如何解决多逆变器并联时的运行控制(包括功率的精确分配，电流环流抑制等)问题，是维持系统稳定运行的重要研究方向。采用下垂控制策略(droopcontrol)逆变器组成的微电网结构，可参与电网侧频率与电压幅值的主动控制，适用于多电压源型逆变器(vsis)并联的场合，因此已受到国内外研究者的广泛重视。但是，下垂控制理论有一些固有的缺陷，包括：下垂控制通过模拟同步发电机特性参与调频调幅，但同时也导致逆变器输出频率/电压与指令参考值的偏差；在带非线性负载的情况下其电能质量变差；电流环流抑制效果较差，甚至在相同容量等级的逆变器之间环流也较大；在由逆变器连接到负载的电能传输馈线上，由于输电距离各异，馈线上的阻抗不一致，此外，馈线阻抗实际包含电感和电阻分量，由于馈线中的阻性成分导致有功、无功功率耦合，感性成分导致系统无功功率分配不均，这都将使逆变器间的功率精确分配变得更加困难。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明的目的在于提供一种提高微电网中多逆变器并联功率分配精度的控制方法，针对微电网在多逆变器并联运行时功率分配不均及环流抑制变差的问题，提出了一种基于复合虚拟阻抗的自适应功率调整策略，该策略将各逆变器输出功率参考值与实际值进行比较，得出功率误差值，并对其进行比例积分运算，由此生成复合虚拟阻抗值，并结合输出电流得到电压幅值校正值，叠加在传统下垂控制方程上，从而减少甚至消除逆变器间电压的相位及幅值差，提高多逆变器并联时功率分配的精度，并有效降低逆变器之间的环流影响，该策略能够自适应调节功率分配，方便应用于具有复杂阻抗的电力网络结构。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种提高微电网中多逆变器并联功率分配精度的控制方法，用于在多逆变器并联的微电网系统中，该微电网系统包括并联的多个逆变器，各逆变器内部均设有一本地控制器，各本地控制器均通过通讯线和上层调度控制器通讯，各逆变器能够自适应地调节输出电压幅值和相位，按照逆变器自身额定容量精确分配有功、无功功率，该方法包括以下步骤：

步骤1：在所述系统中，各逆变器均通过其本地控制器，采集自身逆变器的瞬时输出电压v0和电流i0，通过锁相环pll确定相位角θ，得到d-q坐标轴下的输出电压直流分量vd、vq以及输出电流直流分量id、iq，计算出有功、无功功率并通过滤波处理，对于系统中的第i台逆变器，其滤波后的有功功率为无功功率为

步骤2：本地控制器根据自身逆变器装机容量，设置相角下垂系数mi，电压下垂系数ni，得到输出电压幅值参考值vdref、vqref＝0和角度参考值θref；

步骤3：各本地控制器将自身逆变器的下垂系数mi、ni，以及滤波后的有功功率无功功率汇总至上层调度控制器，上层调度控制器计算出各逆变器的有功、无功功率参考值pi^*、qi^*，并反馈回各本地控制器；

步骤4：在所述每个逆变器中，其本地控制器结合滤波后的有功功率无功功率以及上层调度控制器反馈回来的有功、无功功率参考值pi^*、qi^*，计算出其虚拟电阻值rvi和虚拟电感值xvi；

步骤5：根据步骤4的虚拟电阻值rvi和虚拟电感值xvi，结合逆变器在d-q坐标轴下的输出电流直流分量id、iq，经计算得到本逆变器在d-q轴下的输出电压幅值调节信号δvd、δvq；

步骤6：将步骤2的输出电压幅值参考值vdref、vqref和角度参考值θref，以及步骤5的输出电压幅值调节信号δvd、δvq，送入电压、电流双环控制环节，再经由svpwm算法得到本逆变器的输出驱动脉冲。

进一步地，所述步骤4中，通过公式：

计算出虚拟电阻值rvi和虚拟电感值xvi，其中kp_p、kp_q分别是有功、无功功率的比例项系数，ki_p、ki_q是积分项系数，通过上式得到的复合虚拟阻抗值，能够跟随有功、无功功率进行自适应调节。

进一步地，所述步骤5中，通过公式：

计算得到逆变器在d-q轴下的输出电压幅值调节信号δvd、δvq，调节信号与参考信号叠加，控制逆变器输出的有功、无功功率，最终使得各逆变器能够按照自身容量等比例为负载供电，提高了功率分配的精度。

本发明的有益效果是：微电网在孤岛模式下多逆变器并联运行时，需保证其功率匹配和环流抑制，现有技术针对逆变器并联运行问题，通常设定其馈线阻抗为感性，忽略其馈线中的阻性成分对功率耦合的影响，在引入“虚拟阻抗”并设计阻抗参数时，通常是利用其阻抗特性，经过综合考虑得到固定的虚拟电阻值以及电感值。本发明提出一种基于复合虚拟阻抗的自适应功率分配调整策略，各逆变器中的本地控制器利用瞬时功率值，与上层调度控制器传送的功率参考值进行比较得到误差值，通过比例积分环节得到自适应调节的复合虚拟阻抗值，并结合输出电流得到输出电压幅值校正值，通过在传统下垂控制方程中加入校正值，减少甚至消除逆变器间电压的相位及幅值差，从而实现微电网中逆变器的高精度功率分配，以及得到抑制环流的效果，减小了多源逆变器并联时对微电网系统稳定性的影响，为大规模可再生能源系统的运行示范提供借鉴。

附图说明

图1为本发明实施例的微电网框架结构示意图；

图2为本发明实施例的两台并联逆变器等效电路图；

图3为本发明实施例的本地控制器的控制框图；

图4为本发明实施例的基于复合虚拟阻抗的功率分配调整策略；

图5为本发明实施例的提高功率分配精度控制策略流程图；

图6为本发明实施例的使用所述方法前后的功率分配波形图；

图7为本发明实施例的使用所述方法前后的输出电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

多逆变器并联的微电网系统的运行框架结构如图1所示，其内部有众多微电源通过逆变器将电能输送至微网母线，逆变器自身内部的本地控制器，收集本地数据，如输入电压、电流、功率，逆变输出电压、电流以及有功、无功功率；具有通信、保护、电磁兼容等功能，同时多个逆变器通过通讯线接受上层调度控制器指令，按照给定值输出有功及无功功率。

下垂控制的主要功能是利用多电压源型逆变器(vsis)模拟电网中各发电机组并联运行时功率分配与各机组之间输出频率与端电压的静态下垂特性，即在线路阻抗为感性的情况下，机组输出有功功率增加导致系统频率下降，机组输出无功功率增加导致系统端电压下降，通过对该特性的模拟实现微电网内部间vsis输出功率均分。

下垂控制方程表达式如下：

式中，ω与vref——vsis输出的频率和电压幅值；ω^*与v^*——空载输出频率和电压幅值参考值；m与n——有功及无功功率下垂控制传递函数；p与q——vsis输出有功及无功功率；pref与qref——有功及无功功率参考值。

两台并联逆变器等效电路图如图2所示，其中，ei∠δi(i＝1，2)代表第i台逆变器的输出电压，δi表示的是ei(逆变输出电压值)与vpcc(公共耦合点电压)间的角度，ii代表逆变器输出电流，zi代表输出馈线的复合阻抗，包括电感分量xi和电阻分量ri。

针对单台逆变器而言，其输出有功、无功功率可由下式表示：

由上此可知，逆变器输出的功率受到包括电感分量xi和电阻分量ri在内的复合阻抗的综合影响，同时在实际应用中，由于传输距离的差异，传输馈线的阻抗不一致，馈线中的阻性成分导致有功、无功功率耦合，感性成分导致系统无功功率分配会产生较大的误差，影响微电网的稳定运行。

从功率传输的角度分析，在传输馈线上由于电感分量xi和电阻分量ri的存在，在传输有功、无功功率时，馈线上的压降可由下式表示：

结合式(5)的电压下降值，以及图2中的并联逆变器等效电路，可以推导出逆变器输出电压表达式如下式所示：

由上面的分析可知，要使得逆变器输出电压相等，则馈线上的压降需保持一致，而馈线阻抗(电感分量xi和电阻分量ri)不一致，同时在实际应用场合下很难测得精确值。因而，在系统中引入“复合虚拟阻抗”的概念，通过增加虚拟电感分量δxi和虚拟电阻分量δri，使逆变器间达到相同压降，减少甚至消除逆变器间电压的相位及幅值差，从而实现微电网中逆变器的高精度功率分配，以及得到抑制环流的效果。

图3是本地控制器的控制框图，逆变器自身的本地控制器接收来自上层调度控制器的功率参考值，同时自身计算输出的功率实际值，并运行基于虚拟复合阻抗的功率调整控制策略，将得到的输出指令值送入电压/电流双环控制环节，经由svpwm算法产生脉冲信号驱动功率开关管。

其中功率参考值的计算如下：

其中，mi为相角下垂系数、ni为电压下垂系数，分别是各逆变器输出的经滤波后的有功功率、无功功率。

图4是基于复合虚拟阻抗的功率分配调整策略控制框图，同时结合图5控制流程图，对复合虚拟阻抗及其功率调整过程进行说明。按照如下步骤进行：

步骤1：本地控制器采集瞬时输出电压v0、电流i0，通过锁相环pll确定相位角θ，得到d-q坐标轴下的输出电压直流分量vd、vq以及输出电流直流分量id、iq，计算出有功、无功功率并进行滤波处理，对于系统中的第i台逆变器，pi、qi表示滤波前的有功、无功功率，表示滤波后的有功、无功功率；

步骤2：根据自身逆变器装机容量，设置相角下垂系数mi，电压下垂系数ni，参考公式(3)，得到输出电压幅值参考值vdref、vqref＝0和角度参考值θref；

步骤3：将相角下垂系数mi，电压下垂系数ni，以及滤波后的有功功率无功功率通过通讯线汇总至上层调度控制器，上层调度控制器通过公式(7)计算出各逆变器的有功、无功功率参考值pi^*、qi^*，并反馈回各本地控制器；

步骤4：本地控制器将输出的有、无功功率值和反馈回的有功、无功功率参考值pi^*、qi^*比较，对差值做比例积分运算，得到虚拟电阻值rvi以及虚拟电感值xvi，其表达式为：

其中kp_p、kp_q分别是有功、无功功率的比例项系数，ki_p、ki_q是积分项系数，复合虚拟阻抗是由虚拟电阻值rvi和虚拟电感值xvi组成。

步骤5：根据逆变器在d-q坐标轴下的输出电流直流分量id、iq，结合虚拟电阻值rvi以及虚拟电感值xvi，由下述公式得到基于复合虚拟阻抗下的逆变器在d-q轴下的输出电压幅值调节信号δvd、δvq：

步骤6：根据输出电压参考值vdref、vqref＝0和角度参考值θref，叠加输出电压幅值调节信号δvd、δvq，送入电压、电流双环pi控制环节，经由svpwm算法得到逆变器的输出驱动脉冲。

经过上述步骤，各逆变器能够根据自身额定容量，自适应地调节输出电压幅值和相位，有效减少甚至消除各逆变器间电压的相位及幅值差，从而实现微电网中各逆变器的高精度功率分配，以及抑制环流的效果。

下面对照本发明实施例使用所述方法前后的功率分配波形图，对系统进行仿真验证。

图6(a)是采用传统下垂控制策略时的功率波形图，两台逆变器具有相同的功率等级，但由于阻抗的不一致，导致系统的无功功率存在较大的误差，在时间t＝2s时负载变化，此时由于有功功率和无功功率的耦合，导致有功功率也有短时的较大突变。

图6(b)是采用本发明的基于复合虚拟阻抗的功率分配调整策略后的波形图，在t＝1s时所述方法补偿开始，在经过0.3s时达到系统稳定点，此时系统的有功、无功功率达到精确的分配效果，并且在t＝2s负载变化时，有功功率能够快速实现无差跟踪，而无功功率在经历短时较低幅值变化后，也能够快速恢复到均分的效果。

图7(a)是采用传统下垂控制策略时的电流波形图，图中可知两台逆变器之间的电流存在较大幅值和相位误差。

图7(b)是采用本发明的基于复合虚拟阻抗的功率分配调整策略后的输出电流波形图，逆变器间的电流基本实现了等幅值、同相位。

经过上述相较可知，本发明的提高微电网中多逆变器并联功率分配精度的控制方法，通过采用所述基于复合虚拟阻抗的功率分配调整策略，提高了微电网中逆变器的功率分配精度，同时抑制系统间的电流环流，减小了多源逆变器并联时对微电网系统稳定性的影响。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。