基于“虚拟复阻抗”的低压微网下垂控制方法与流程

本发明涉及一种低压微网控制策略，尤其涉及一种基于“虚拟复阻抗”的低压微网控制策略。

背景技术：

近年来，微电网凭借着多样化的供能模式以及弹性的控制方式，逐渐成为国内外炙手可热的研究焦点。常规的下垂控制方法主要是应用于阻感比(r/x)较小的高压输电线路中，此时各并联逆变器的等效输出阻抗呈现纯感性，有功功率p对和无功功率q对电压u之间的关系近乎解耦。但在低压微网或线路阻抗呈阻性的系统中，高的阻感比将会使得逆变器功率耦合加强，系统稳定性降低从而难以实现对电能质量的有效控制。为降低线路的阻感比，可以在线路中串联些许电感并通过改造硬件电路来增加线路的电感量，使线路阻抗趋于感性化。目前，为优化微源控制策略，调节系统的等效输出阻抗更加有效，有利于线路趋于感性状态。

2014年第二期的《电工技术学报》中《改进型微源下垂控制策略研究》一文中针对传统无互联线微源“功率-电压-电流”三环下垂控制方法的功率分配效果受线路阻感比的影响较为严重，分析了参数调节以及利用虚拟阻抗串联两种方法的优缺点，提出改进微源虚拟阻抗下垂控制策略，将虚拟阻抗等效为虚拟同步发电机电抗，取代传统的q-v下垂控制环，利用虚拟阻抗压降实现微源输出电压的下垂特性，减小了微源的电压跌落。2017年第二期《电工技术学报》中《基于虚拟阻抗的恒压恒频微电源的故障控制策略》一文中就虚拟阻抗法设计了u/f-dg的故障控制策略，分析了基于虚拟阻抗的逆变型dg控制原理，并推导出dg在正、负序网络下的等效模型，设计了故障情况下dg的限流算法。考虑到u/f-dg对并网点电压的支撑效果，提出了一种虚拟阻抗阻感比的设计方法，使不对称故障时并网点电压不平衡度最小化。并提出一种u/f-dg与从属dg的协调控制策略，使得微电网平稳度过故障暂态阶段，提高微网在孤岛运行时的故障穿越能力。

目前，已有一些文献针对采取虚拟阻抗来调节系统等效输出阻抗控制方法后出现的电压跌落问题以及无功均衡问题提出了相应的控制方法。2018年《电工技术学报》中《基于下垂控制的逆变器无线并联与环流抑制技术》一文为了提高在感性连线阻抗条件下，并联单元间线路阻抗差异和输出电压偏差对系统无功功率的均分精度，提出自适应虚拟阻抗方法，在保证等效连线阻抗主要呈现感性的同时，可减小等效线路阻抗之间的差异，改善功率分配精度。同时在此基础上进一步提出一种改进型下垂控制策略，通过引入交流母线电压反馈，将等效下垂控制曲线设计为非线性函数，可有效协调功率均分精度与输出电压跌落之间的内在矛盾，抑制环流，提升并联系统的整体性能。2018年第12期的iet协会的gener.transm.distrib专栏中的“decentralizedcontrolforreactivepowersharingusingadaptivevirtualimpedance”一文提出一种无需外界通讯平台参与的无功功率虚拟阻抗q-v-i的控制策略。通过自适应虚拟阻抗实现无功均分，同时设置虚拟阻抗的系数为无功功率均分比的平方值来弥补电压下降的不足。该控制策略可适用于纯电感阻抗网络以及复杂的电阻阻抗网络，无功均分精度有所提升。

技术实现要素：

针对低压微网或线路阻抗呈阻性的系统中，高的阻感比将会使得逆变器功率耦合加强，系统稳定性降低问题，传统虚拟阻抗的引入会引起电压跌落的问题，提出了动态的虚拟复阻抗控制策略来解决常规虚拟阻抗值无法选定以及线路电压跌落大的问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种基于“虚拟复阻抗”的低压微网下垂控制方法，包括以下步骤：

s1.采用带有阻感的下垂控制方式，表达式为：

f-f0＝-m(p-p0)+rn(q-q0)

u1-u0＝-rm(p-p0)-n(q-q0)

其中，m，n为下垂系数，r为线路阻感比，且r＝r/x，f0为系统的参考频率，u0为系统参考电压，p0，q0有功功率和无功功率的参考值；

s2.设计虚拟复阻抗，构造虚拟复阻抗zd(s)的表达式，得到与阻感比r有关的虚拟复阻抗表达式：

其中，rv为虚拟负电阻，lv为虚拟电感；

s3.建立带有虚拟复阻抗的光伏并网逆变器数学模型，当虚拟阻抗为纯感性时，逆变器输出电压为：

其中，gu(s)，gi(s)为电压外环和电流内环，且gu(s)＝kup+kui/s,gi(s)＝kip；kpwm为pwm的等效增益，i0(s)为逆变器的输出电流，lf和cf为系统线路的感抗和容抗；vref为最终修正后的微源输出端电压指令；

逆变器的等效输出阻抗表达式为：

s4.根据系统总压降设置虚拟阻抗值：

其中，δe为系统在微电网负荷侧采样点的电压幅值与逆变器指令电压之间的差值，i0(s)为流经负载的电流；

s5.结合公式(5)和(6)，可得电压降落的参考值δu，由δu可得到逆变器新的电压值：

vref＝vref1+δu

其中，vref1为当微电网进入孤岛运行状态时系统的指令电压。

进一步地，在引入虚拟复阻抗后，电压环采用pi控制器追踪逆变器输出电压，电流环采用比例控制器调节电流。

进一步地，采用微源“功率-电压-电流”三环控制方法，电压和电流内循环实时更新，最终达到输出电压指令e^*对修正后的vref实时跟踪的目的。

进一步地，所述逆变器的电压值vref1为更新迭代值，电压和电流内循环实时更新，最终达到输出电压指令e^*对修正后的vref实时跟踪。

进一步地，采用自适应虚拟阻抗调节微网并联逆变器的等效输出阻抗，所述阻抗趋于感性状态。

进一步地，采用的虚拟阻抗可自适应调整取值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用自适应虚拟阻抗调节微网并联逆变器的等效输出阻抗，使阻抗趋于感性状态，虚拟阻抗可自适应调整取值，不仅减少了电压的跌落，也较好的实现了功率的均衡控制，降低了功率耦合，提高了微源运行时的电能质量。

附图说明

图1为改进的pq-fu下垂控制框图。

图2为基于“虚拟复阻抗”的低压微网下垂控制策略原理框图。

图3为“功率-电压-电流”三环控制框图。

图4为多逆变器并联系统结构图。

图5为基于“虚拟复阻抗”的低压微网下垂控制策略的输出电压示意图。

图6为采用传统虚拟阻抗的低压微网下垂控制策略的频率示意图。

图7为基于“虚拟复阻抗”的低压微网下垂控制策略的频率示意图。

图8为采用传统虚拟阻抗的低压微网下垂控制策略的有功功率示意图。

图9为基于“虚拟复阻抗”的低压微网下垂控制策略的有功功率示意图。

图10为采用传统虚拟阻抗的低压微网下垂控制策略的无功功率示意图。

图11为基于“虚拟复阻抗”的低压微网下垂控制策略的无功功率示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施进行详细说明。

如图1-11所示，一种基于“虚拟复阻抗”的低压微网下垂控制方法，包括以下步骤：

s1.分析了传统虚拟阻抗引入会造成较大的电压跌落问题，采用带有阻感的下垂控制方式，表达式为：

f-f0＝-m(p-p0)+rn(q-q0)(1)

u1-u0＝-rm(p-p0)-n(q-q0)(2)

其中，m，n为下垂系数，r为线路阻感比，且r＝r/x，f0为系统的参考频率，u0为系统参考电压，p0，q0有功功率和无功功率的参考值，通过调节m、n和r，便可对逆变器输出的频率和电压幅值的波动偏差进行补偿，当r＝0时上式即为传统下垂控制方程。

s2.设计虚拟复阻抗。

常规droop控制中逆变器输出端电压u0的表达式为：

u0(s)＝g(s)-i0(s)z(s)(3)

式中，g(s)用来描述受控电压源对逆变器输出电压的跟踪性能，z(s)为逆变器的等效输出阻抗。根据下垂特性曲线得到输出电压指令e*，与电流在虚拟阻抗两端产生的电压ud作差得到最终修正后的输出逆变器电压指令vref为：

vref＝e^*-ud(4)

构造虚拟复阻抗zd(s)的表达式为：

zd(s)＝slv+rv(5)

式中，rv为虚拟负电阻，lv为虚拟电感。系统阻抗由逆变器的输出阻抗和线路的虚拟阻抗构成。当微电网为低压微网时，有zline＝rline+slline。

则阻感比r可以表示为：

其中，rv为虚拟负电阻，lv为虚拟电感；

虚拟复阻抗等效电路由馈线阻抗zline(s)、引入的虚拟阻抗zd(s)、电压电流闭环等效输出阻抗z0(s)、交流母线电压ubus等组成，逆变器等效输出阻抗z(s)为虚拟阻抗与电压电流闭环等效输出阻抗z0(s)之和。

s3.建立带有虚拟复阻抗的光伏并网逆变器数学模型，当虚拟阻抗为纯感性时，有zd(s)＝sl，逆变器输出电压为：

其中，gu(s)，gi(s)为电压外环和电流内环，且gu(s)＝kup+kui/s,gi(s)＝kip；kpwm为pwm的等效增益，i0(s)为逆变器的输出电流，lf和cf为系统线路的感抗和容抗；vref为最终修正后的微源输出端电压指令；

逆变器的等效输出阻抗表达式为：

s4.根据系统总压降设置虚拟阻抗值，系统总压降为：

为保证供电质量、减少系统电压降落和功率耦合，设虚拟阻抗值为：

其中，δe为系统在微电网负荷侧采样点的电压幅值与逆变器指令电压之间的差值，i0(s)为流经负载的电流；

s5.结合公式(9)和(10)，可得电压降落的参考值δu，由δu可得到逆变器新的电压值：

vref＝vref1+δu(11)

其中，vref1为当微电网进入孤岛运行状态时系统的指令电压。

当微电网进入孤岛运行状态时，先将指令电压vref1赋给电压控制环节，与此同时采集微网母线电压。逆变器的电压指令值随着负载反馈后的电压值响应增大，更新迭代后的指令电压使得系统的输出电压得到提升，供电电压相比之前回归正常水平范围内，降低了虚拟阻抗引入后电压跌落大的影响。相比于传统的下垂控制策略，在减少电压降落的同时，降低了功率耦合，保证了电能质量。

在引入虚拟复阻抗后，电压环采用pi控制器追踪逆变器输出电压，电流环采用比例控制器调节电流。

采用微源“功率-电压-电流”三环控制方法，得到对应的下垂特性曲线，并计算得出修正后的微源输出端电压vref，电压和电流内循环实时更新，最终达到输出电压指令e^*对修正后的vref实时跟踪的目的。

在本实施例中，利用matlab/simulink搭建了仿真系统并进行结果分析，选取系统参数直流电压为udc＝700v，vref＝380v。引入改进型虚拟阻抗前，系统的输出端电压约为290v，额定电压为311v，相比之下电压出现了明显的电压跌落。如图5所示，相比于引入虚拟复阻抗后，逆变器输出电压幅值有所回升(约为310v)。电压跌落差值明显降低。

在逆变器输出阻抗呈阻感性的情况下，系统的频率趋于稳定的速度加快，且更加稳定，偏差保持在±0.1hz内。而采用常规的下垂控制策略且未加入虚拟复阻抗频率在1s时开始偏离额定值，在0.2s时才开始进入稳定状态。如图6、图7对比可知，采用改进型的下垂控制虚拟阻抗的下垂控制策略具有更好的控制性能。

如图8-11，当系统输出等效阻抗呈现复杂的阻感特性时，在引入虚拟复阻抗后的控制策略则控制性能良好，当t＝0.02s时，系统趋于稳定控制状态，而且功率波动幅度小。引入之前则需要0.2s才可以进入稳定状态，快速性得到提升。故改进后的虚拟控制策略可以更好的对有功和无功功率进行解耦，实现均分。

本发明采用自适应虚拟阻抗调节微网并联逆变器的等效输出阻抗，使阻抗趋于感性状态，虚拟阻抗可自适应调整取值，不仅减少了电压的跌落，也较好的实现了功率的均衡控制，降低了功率耦合，提高了微源运行时的电能质量。

上述实施例仅仅是为了清楚的说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式限定，对所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，凡在本发明的精神和原则之内做出任何修改、等同替换和改进，均属本发明的保护范围。