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】
[0001] 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】
[0002] 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OG)进行协调管理，是分布式能源高效利用的重 要途径。
[0003] 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 阻抗的微电网系统具有一定的矛盾。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。
[0004] 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】
[0005] 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OG)输出的无功功率按照下垂系数进行分配，不需要在通讯系统中传输各分布 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。
[0006] 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：
[0007] (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_;
[0008] (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1?和 母线电压的额定有效值V。。：，通过比例-积分（PI)控制器计算母线电压补偿信号EMP，并将 电压补偿信号EMP以广播方式通过通信网络传输给各个分布式电源；
[0009] (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;
[0010] (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 到的电压补偿信号E"p，通过所提出的改进下垂控制算法确定参考电压的幅值EJP角频率 wi;
[0011] (5)各个分布式电源根据所述的参考电压的幅值EJP角频率《凋行闭环反馈控 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。
[0012] 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_:
[0013]
[0014] 其中：ab，b。和v_。3分别为当前采样周期内的母线ab线电压、be线电压和ca线电压值。
[0015] 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"p:
[0016]
[0017] 其中：kpv和kiV分别为PI控制器的比例参数和积分参数；V。。_:为母线电压的额定 有效值。
[0018] 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:
[0019]
[0020]
[0021] 其中：va，vb和V。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；ia，ib和i。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；《。为一阶 低通滤波器的转折频率。
[0022] 所述的步骤（4)中，改进下垂控制算法基于以下表达式：
[0023]
[0024] 其中：mpi和nqi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，和E。为分布式电源额定输出电压角频率和幅值，《JPEi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；EMP为母线电压补偿信号；t为时间；kE为积分 系数。
[0025] 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：
[0026]
[0027] 0 = /q
[0028] 其中：vid和viq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；E 参考电压的角频率和幅值；GPISPI控制器的传递函数；9i为 abc坐标系和dq坐标系变换矩阵的角度；did和diq为dq坐标系下的调制信号。
[0029] 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。
[0030] 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 系统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，使通讯系统得到了简化。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】
[0031] 图1为微电网的一般结构。
[0032] 图2为分布式电源并联的等效模型示意图。
[0033] 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。
[0034] 图4(a)为分布式电源有功、无功功率波形图。
[0035] 图4(b)为微电网交流母线电压有效值的波形图。
[0036] 图5为二次电压控制过程波形图。
[0037] 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】
[0038] 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。
[0039] 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。
[0040]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Pi和无功功率qi分别为
[0041]
[0042]
[0043] 其中：总阻抗Zf 为分布式电源中逆变器等效输出阻抗，馈线阻 抗值，总阻抗可表示为Zi=Ri+jXi。
[0044] 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_:
[0045]
[0046] 式中：v__ab，vram_b。和v。。^分别为当前采样周期内的母线线电压值。
[0047] 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Emp:
[0048]
[0049] 式中：kpv和kiV分别为PI控制器的比例参数和积分参数。:为母线电压的额定 有效值。
[0050] 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emp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EMP实现功率 分配功能。
[0051] 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