母线电压偏差自动补偿的下垂控制方法与下垂控制器

摘要

本发明涉及母线电压偏差自动补偿的下垂控制方法与下垂控制器，利用下垂控制的变换器输出有功功率和无功功率，结合下垂控制的阻抗参数计算母线电压；计算所得母线电压与母线电压额定值进行比较，得到母线电压偏差；采用比例控制器对母线电压偏差进行调节并将补偿量叠加到下垂控制U‑Q输出的电压幅值。本发明方法无需互联通信，节省了在母线处额外安装电压测量装置以及通信系统的投资和运行维护费用。

说明书

技术领域

本发明涉及分布式发电领域，特别是一种母线电压偏差自动补偿的下垂控制方法。

背景技术

包含分布式发电系统的微电网在运行模式上具有较大的灵活性，可以并网运行也可以孤岛运行。当微电网孤岛运行时，微电网内的分布式发电系统需要承担起负荷的电能需求。下垂控制作为微电网孤岛运行时分布式电源的一种重要控制方式，可以合理控制各分布式电源间的功率输出而得到广泛应用。

现有技术中还有增加虚拟阻抗控制的下垂控制方式。通过在控制指令中叠加虚拟阻抗控制的指令，从而为了获得更好的控制特性，

电压-无功功率下垂控制使得输出电压幅值随着负荷无功需求的增加而不断下降，并且功率传输会在线路阻抗上产生压价，容易引起母线电压低于微电网允许的最低电压，造成微电网电能质量下降，影响微电网内负荷的正常运行。

通常，为了解决上述问题，借鉴大电网二次电压调整的方法，可以利用通信系统将电压调整指令发送到各分布式电源进行控制，以保证母线电压偏差维持在允许范围内。

但是，利用通讯系统的调压方法，需要在母线处额外安装测量装置并且需要额外的通信系统以实现测量信号和控制指令的通讯，大大增加了微电网的建设成本；并且该控制方法依赖于通讯系统的对测量信号和控制指令的实时和准确通讯，从而降低了整个系统的可靠性。因此，微电网需要一种无需借助通信，而实现母线电压偏差自动补偿的控制方法，以降低微电网基础设施建设投资和运行维护成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种母线电压偏差自动补偿的下垂控制方法，用以解决的为了保证母线电压偏差维持所带来的成本和稳定性问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

母线电压偏差自动补偿的下垂控制方法，步骤如下：

步骤1：提取分布式发电系统下垂控制本地控制所需变换器的输出的有功功率P_DG和无功功率Q_DG；

步骤2：利用有功功率P_DG和无功功率Q_DG，结合下垂控制本地控制器所需参数等效阻抗，计算产生的等效阻抗电压降向量

$>\left(\begin{array}{c}{\overrightarrow{V}}_{drop\_E}=2(\frac{P_{DG}{R}_E+Q_{DG}{X}_E}{V_{rev}}+j\frac{P_{DG}{X}_E-Q_{DG}{R}_E}{V_{rev}})\\ ={\mathrm{\Delta V}}_{drop\_E}+{\mathrm{j\delta V}}_{drop\_E}\end{array}\right)$>

其中，为等效阻抗压降的向量，ΔV_{drop_E}和δV_{drop_E}分别为等效阻抗压降向量的实部和虚部，V_rev为调整后的电压指令幅值，R_E和X_E分别为下垂控制本地控制器所需的等效阻抗和等效电抗；

步骤3：根据所得的等效阻抗压降，计算母线电压偏差的补偿量；

步骤4：将母线电压偏差的补偿量叠加到下垂控制U-Q控制输出的电压幅值，得到调整后的电压指令幅值V_rev＝V_DG+δV_rev；将调整后的电压指令幅值和下垂控制f-P控制输出的角频率合成下垂控制器输出电压参考量；V_DG为调整前的电压指令的幅值；

步骤5：电压参考量用于变流器的电压参考值生成，以对变流器进行PWM控制。

进一步的，根据等效阻抗压降，计算母线电压偏差的补偿量的过程为：

计算母线电压向量：

计算母线电压幅值：

计算母线电压偏差：ΔV_Bus＝V₀-V_Bus；

计算补偿量：δV_rev＝G(s)ΔV_Bus＝K_p(V₀-V_Bus)，其中，K_p为比例控制器系数。

进一步的，所述电压参考量叠加虚拟阻抗控制产生的电压指令生成所述变流器的电压参考值。

本发明还提供了一种母线电压偏差自动补偿的下垂控制器，包括：

模块1：提取分布式发电系统下垂控制本地控制所需变换器的输出的有功功率P_DG和无功功率Q_DG；

模块2：利用有功功率P_DG和无功功率Q_DG，结合下垂控制本地控制器所需参数等效阻抗，计算产生的等效阻抗电压降向量

$>\left(\begin{array}{c}{\overrightarrow{V}}_{drop\_E}=2(\frac{P_{DG}{R}_E+Q_{DG}{X}_E}{V_{rev}}+j\frac{P_{DG}{X}_E-Q_{DG}{R}_E}{V_{rev}})\\ ={\mathrm{\Delta V}}_{drop\_E}+{\mathrm{j\delta V}}_{drop\_E}\end{array}\right)$>

其中，为等效阻抗压降的向量，ΔV_{drop_E}和δV_{drop_E}分别为等效阻抗压降向量的实部和虚部，V_rev为调整后的电压指令幅值，R_E和X_E分别为下垂控制本地控制器所需的等效阻抗和等效电抗；

模块3：根据所得的等效阻抗压降，计算母线电压偏差的补偿量；

模块4：将母线电压偏差的补偿量叠加到下垂控制U-Q控制输出的电压幅值，得到调整后的电压指令幅值V_rev＝V_DG+δV_rev；将调整后的电压指令幅值和下垂控制f-P控制输出的角频率合成下垂控制器输出电压参考量；V_DG为调整前的电压指令的幅值；

模块5：电压参考量用于变流器的电压参考值生成，以对变流器进行PWM控制。

进一步的，根据等效阻抗压降，计算母线电压偏差的补偿量还包括如下模块：

计算母线电压向量的模块：

计算母线电压幅值的模块：

计算母线电压偏差的模块：ΔV_Bus＝V₀-V_Bus；

计算补偿量的模块：δV_rev＝G(s)ΔV_Bus＝K_p(V₀-V_Bus)，其中，K_p为比例控制器系数。

进一步的，所述电压参考量叠加虚拟阻抗控制产生的电压指令生成所述变流器的电压参考值。

本发明方法无需互联通信，仅利用下垂控制器本地控制参数实现母线电压偏差补偿，使母线电压在系统允许范围内，保证了母线电能质量，节省了在母线处额外安装电压测量装置以及通信系统的投资和运行维护费用。

附图说明

图1是母线电压偏差自动补偿的带虚拟阻抗控制的下垂控制方法控制结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1为一种母线电压偏差自动补偿的带虚拟阻抗控制的下垂控制方法，该方法主要包括三部分：主体为传统的下垂控制部分，还包括虚拟阻抗控制部分和母线电压偏差控制部分。

实际上，下垂控制部分和虚拟阻抗控制部分均属于现有技术。下面对这两部分进行简要的介绍。

在单相系统中，分布式电源变换器本地测量的输出电压和输出电流通过延时1/4周期转换为αβ坐标系下的变量。在αβ坐标系下，分布式电源输出的有功功率和无功功率可由下列公式计算得到：

$>P_{DG}=\frac{{\omega }_{LPF}}{2(s+{\omega }_{LPF})}(v_{C\_\alpha }{i}_{O\_\alpha }+v_{C\_\beta }{i}_{O\_\beta })---\left(1\right)$>

$>Q_{DG}=\frac{{\omega }_{LPF}}{2(s+{\omega }_{LPF})}(v_{C\_\beta }{i}_{O\_\alpha }-v_{C\_\alpha }{i}_{O\_\beta })---\left(2\right)$>

其中，v_{C_α}和v_{C_β}分别为αβ坐标系下分布式电源的输出电压分量，i_{O_α}和i_{O_β}分别为αβ坐标系下的分布式电源的输出电流分量，ω_LPF为低通滤波器的截止频率。

式(1)和(2)计算所得的有功功率和无功功率，经过下垂控制策略，即f-P和V-Q下垂控制，分别得到电压指令的角频率ω_DG和幅值V_DG，经过电压指令合成生成电压参考量v_rev。

虚拟阻抗控制部分，利用αβ坐标系下的分布式电源的输出电流分量，经过相应的控制器，产生v_V指令，v_V指令与下垂控制产生的v_rev叠加，用于生成变流器(通常为电压外环)的参考值v_ref，参考值v_ref与直流母线电压反馈的偏差送入电压外环，经电流内环，最终生成PWM控制脉冲，控制变流器的各开关管。

本发明的主要贡献在于，增加了母线电压偏差自动补偿控制，而且该母线电压偏差自动补偿控制不依赖于任何通信系统，仅依靠本地变流器的控制器完成，即通过等效阻抗计算出母线电压偏差，具体方式如下：

本发明的母线电压偏差自动补偿策略中，式(1)和(2)计算所得的有功功率和无功功率，一方面用于传统的下垂控制以产生分布式电源变换器输出电压指令的幅值和相角(即角频率)；另一方面用来计算等效阻抗上的压降。以补偿后的电压向量为参考向量，结合计算所得的有功功率P_DG和无功功率Q_DG，等效阻抗产生的电压降向量可由下列公式计算得到：

$>\begin{array}{c}{\overrightarrow{V}}_{drop\_E}=2(\frac{P_{DG}{R}_E+Q_{DG}{X}_E}{V_{rev}}+j\frac{P_{DG}{X}_E-Q_{DG}{R}_E}{V_{rev}})\\ ={\mathrm{\Delta V}}_{drop\_E}+{\mathrm{j\delta V}}_{drop\_E}\end{array}---\left(3\right)$>

其中，为等效阻抗压降的向量，ΔV_{drop_E}和δV_{drop_E}分别为等效阻抗压降向量的实部和虚部，V_rev为调整后的电压指令幅值。R_E和X_E分别为下垂控制本地控制器所需的等效阻抗和等效电抗。

母线电压向量可由下列公式计算得到：

$>{\overrightarrow{V}}_{Bus}={\overrightarrow{V}}_{rev}-{\overrightarrow{V}}_{drop\_E}=V_{rev}-({\mathrm{\Delta V}}_{drop\_E}+{\mathrm{j\delta V}}_{drop\_E})---\left(4\right)$>

进而，母线电压幅值可由下列公式计算得到：

$>V_{Bus}=\sqrt{{(V_{rev}-{\mathrm{\Delta V}}_{drop\_E})}^2+{\left({\mathrm{\delta V}}_{drop\_E}\right)}^2}---\left(5\right)$>

为了减少母线电压偏差，母线电压偏差自动补偿控制策略采用比例调节器产生补偿量。

δV_rev＝G(s)(V₀-V_Bus)＝K_p(V₀-V_Bus)(6)

其中，G(s)为比例控制器的传递函数，V₀和V_Bus分别为母线电压的额定值和计算所得值，K_p为补偿系数。

引入母线电压偏差补偿后，上述下垂控制的电压指令的幅值V_DG需要根据补偿量进行调整，调整为V_rev：

V_rev＝V_DG+δV_rev(7)

将补偿后的电压指令的幅值和下垂控制f-P控制输出的角频率ω_DG合成下垂控制器输出电压参考量：

v_rev＝V_revsin(∫ωtdt)

从以上实施方式可以看出，本发明的关键在于将下垂控制的电压指令幅值V_DG需要根据补偿量进行调整，调整为V_rev；而补偿量是依据公式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)得到，其中公式(4)、(5)、(6)、(7)皆是在公式(3)基础上按照一般处理过程得到的，公式(6)可以选择采用或者不采用。另外V_rev；还作为前馈量，加入了公式(3)的计算，使电压偏差能够根据电压指令幅值的大小动态变化。公式(3)中的等效阻抗和等效电抗，在系统阻抗电抗给定的情况下，本领域技术人员根据比例关系能够计算得到。

上述补偿策略根据分布式电源输出功率实时计算电压偏差，并通过比例控制器动态调整补偿量，从而动态调整电压指令以减少母线电压偏差。

作为其他实施方式，本发明还可以应用于不带有虚拟阻抗控制的下垂控制方法。

需要指出，上面的实施方式是以单相系统为例说明的，对于三相系统，该控制策略同样适用。

综上，本发明的下垂控制方法的关键步骤为：

步骤1：提取分布式发电系统下垂控制本地控制所需变换器的输出的有功功率P_DG和无功功率Q_DG；

步骤2：利用有功功率P_DG和无功功率Q_DG，结合下垂控制本地控制器所需参数等效阻抗，计算产生的等效阻抗电压降向量

$>\left(\begin{array}{c}{\overrightarrow{V}}_{drop\_E}=2(\frac{P_{DG}{R}_E+Q_{DG}{X}_E}{V_{rev}}+j\frac{P_{DG}{X}_E-Q_{DG}{R}_E}{V_{rev}})\\ ={\mathrm{\Delta V}}_{drop\_E}+{\mathrm{j\delta V}}_{drop\_E}\end{array}\right)$>

其中，为等效阻抗压降的向量，ΔV_{drop_E}和δV_{drop_E}分别为等效阻抗压降向量的实部和虚部，V_rev为调整后的电压指令幅值，R_E和X_E分别为下垂控制本地控制器所需的等效阻抗和等效电抗；

步骤3：根据所得的等效阻抗压降，计算母线电压偏差的补偿量；

步骤4：将母线电压偏差的补偿量叠加到下垂控制U-Q控制输出的电压幅值，得到调整后的电压指令幅值V_rev＝V_DG+δV_rev；将调整后的电压指令幅值和下垂控制f-P控制输出的角频率合成下垂控制器输出电压参考量；

步骤5：电压参考量用于变流器的电压参考值生成，以对变流器进行PWM控制。

依照上述下垂控制方法编制的程序，运行于分布式电源的下垂控制器中，构成一种新的下垂控制器，该下垂控制器包括如下模块：

模块1：提取分布式发电系统下垂控制本地控制所需变换器的输出的有功功率P_DG和无功功率Q_DG；

模块2：利用有功功率P_DG和无功功率Q_DG，结合下垂控制本地控制器所需参数等效阻抗，计算产生的等效阻抗电压降向量

$>\left(\begin{array}{c}{\overrightarrow{V}}_{drop\_E}=2(\frac{P_{DG}{R}_E+Q_{DG}{X}_E}{V_{rev}}+j\frac{P_{DG}{X}_E-Q_{DG}{R}_E}{V_{rev}})\\ ={\mathrm{\Delta V}}_{drop\_E}+{\mathrm{j\delta V}}_{drop\_E}\end{array}\right)$>

其中，为等效阻抗压降的向量，ΔV_{drop_E}和δV_{drop_E}分别为等效阻抗压降向量的实部和虚部，V_rev为调整后的电压指令幅值，R_E和X_E分别为下垂控制本地控制器所需的等效阻抗和等效电抗；

模块3：根据所得的等效阻抗压降，计算母线电压偏差的补偿量；

模块4：将母线电压偏差的补偿量叠加到下垂控制U-Q控制输出的电压幅值，得到调整后的电压指令幅值V_rev＝V_DG+δV_rev；将调整后的电压指令幅值和下垂控制f-P控制输出的角频率合成下垂控制器输出电压参考量；

模块5：电压参考量用于变流器的电压参考值生成，以对变流器进行PWM控制。

上述模块为与上述方法步骤相对应的程序进程或代码，为软件功能模块。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。