分布式系统并网传输线等效阻抗比率获取方法

摘要

本发明公开了一种分布式系统并网传输线等效阻抗比率获取方法，其步骤包括针对分布式系统逆变器带本地恒阻抗负载并网的情形，建立其整体戴维南等效电路；在分布式系统工作稳定后，通过给逆变器给定电压幅值施加小的正扰动，同时维持其输出相角以及频率恒定，通过检测逆变器扰动前后输出有功功率变化量ΔP、无功功率的变化量ΔQ，取其比值获取所述的并网传输线等效阻抗比率：

说明书

技术领域

本发明涉及一种阻抗比率获取方法，尤其是一种适用于考虑本地恒阻 抗负载的分布式系统并网传输线等效阻抗比率获取方法。所检测的阻抗比 率能够应用于逆变器的自适应解耦下垂控制策略，提高系统运行稳定性。

背景技术

由于电力电子技术等一些新兴技术的成功运用，加之一次能源的日渐 枯竭以及环境问题的日益突出，使得分布式发电技术(DG)相比较传统的集 中式发电系统技术，变得越来越有竞争力。分布式发电系统一般运行在低 压配电网中，并网传输线包含阻感成分，因此基于感性或者阻性传输线理 论的传统下垂控制策略，实际控制时会由于有功、无功之间的耦合作用而 使得系统响应速度变慢，稳态性能变差。同时考虑传输线阻感特性的有功、 无功解耦控制策略是基于线路阻抗参数所得的解耦转换矩阵来实现，同时， 由于本地负载的不确定因素可能使得传输线的阻抗特性发生改变。本发明 建立了包括本地恒阻抗负载在内的分布式系统整体戴维南等效电路，通过 扰动获取分布式系统并网传输线的等效阻抗比率。

发明内容

本发明的目的是考虑分布式系统中的恒阻抗负载对并网传输线阻抗特 性的影响，在线检测得到系统并网传输线的等效阻抗比率，用于逆变器自 适应解耦下垂控制，提高逆变器运行的稳定性。

本发明采用的技术方案为：一种分布式系统并网传输线等效阻抗比率 获取方法，它包括以下步骤：

步骤1：针对分布式系统逆变器带本地恒阻抗负载并网的情形，建立其 整体戴维南等效电路；

基于戴维南定理推导出分布式系统整体等效电路，针对单个分布式系 统建立包含传输线Z₁∠α₁、Z₂∠α₂以及本地恒阻抗负载Z_L∠β、电网在内 的戴维南等效电路，其中等效电压U_e∠Ψ以及等效阻抗Z_e∠γ求解分别如式：

$U_e<\psi =\frac{Z_L<\beta }{Z_2<{\alpha }_2+Z_L<\beta }{U}_2<0$

$Z_e<\gamma =\frac{Z_2<{\alpha }_2·Z_L<\beta }{Z_2<{\alpha }_2+Z_L<\beta }+Z_1<{\alpha }_1$

根据等效电压U_e∠Ψ与等效阻抗Z_e∠γ可以构建出戴维南等效电路，其 中Z_e∠γ是DG带本地恒阻抗负载时所需要求解的并网传输线等效阻抗；

在戴维南等效电路中，功率由电网流向逆变器，考虑到Ze∠γ=R+jX， 电网流向逆变器侧的有功功率P、无功功率Q的表达式分别如下：

$P=\frac{U_e}{R^2+X^2}\left\{R\right[U_e-U_o\cos (\psi +\delta )]+{\mathrm{XU}}_o\sin (\psi +\delta )\}$

$Q=\frac{U_e}{R^2+X^2}\{-{\mathrm{RU}}_o\sin (\psi +\delta )+X[U_e-U_o\cos (\psi +\delta )\left]\right\};$

步骤2：在分布式系统工作稳定后，通过给逆变器给定电压幅值施加小 的正扰动，同时维持其输出相角以及频率恒定，通过检测逆变器扰动前后 输出有功功率变化量ΔP、无功功率的变化量ΔQ，取其比值获取所述的并 网传输线等效阻抗比率：

$\frac{\mathrm{\Delta P}}{\mathrm{\Delta Q}}=\frac{R}{X}$

给逆变器的输出电压给定值施加一个小的扰动，同时保持相角恒定， 扰动后电网流向逆变器侧的有功功率P、无功功率Q的表达式分别如下：

$P+\mathrm{\Delta P}=\frac{U_e}{R^2+X^2}\left\{R\right[U_e-(U_o+\hat{V})\cos (\psi +\delta )]+X(U_o+\hat{V})\sin (\psi +\delta )\}$

$Q+\mathrm{\Delta Q}=\frac{U_e}{R^2+X^2}\{-R(U_o+\hat{V})\sin (\psi +\delta )+X[U_e-(U_o+\hat{V})\cos (\psi +\delta )\left]\right\}$

相对比扰动前后，电网流向逆变器侧的有功功率变化量ΔP、无功功率 变化量ΔQ的表达式分别如下：

$\mathrm{\Delta P}=\frac{U_1[-R\hat{V}\cos (\psi +\delta )+X\hat{V}\sin (\psi +\delta )]}{R^2+X^2}$

$\mathrm{\Delta Q}=\frac{U_1[-R\hat{V}\sin (\psi +\delta )-X\hat{V}\cos (\psi +\delta )]}{R^2+X^2}$

考虑到角度Ψ跟恒阻抗负载与传输线的阻抗比值有关，角度δ跟逆变器 输出的无功功率大小有关系，实际系统中，以上两个角度均很小，因此得 到分布式系统并网传输线等效阻抗比率关系式如下：

$\frac{\mathrm{\Delta P}}{\mathrm{\Delta Q}}\approx \frac{-R\hat{V}}{-X\hat{V}}=\frac{R}{X}.$

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种分布式系统并网传输线等 效阻抗比率获取方法，具有这样的有益效果：

本发明用于分布式系统并网传输线等效阻抗比率识别的检测，能够精 确地识别出分布式系统带本地恒阻抗负载并网运行时，系统等效传输线的 阻抗比率，所检测的阻抗比率能够应用于逆变器的自适应解耦下垂控制策 略，提高系统运行稳定性。本发明综合考虑了本地恒阻抗负载对分布式并 网传输线的影响，因此所识别出的阻抗比率与实际值更接近，用其构建解 耦转换矩阵进行有功、无功功率自适应解耦控制时，可以使系统稳定性更 好，控制更精确。

附图说明：

图1是单个DG单元带本地恒阻抗负载并网的结构框图；

图2是DG系统带恒阻抗负载时整体等效电路图；

图3是DG系统戴维南等效电路；

图4是DG逆变器下垂控制策略图示；

图5是电压幅值扰动前后DG逆变器带恒阻抗负载时输出的有功功率、 无功功率波形；

图6是功率角的检测值图示。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细的说明。

一种分布式系统并网传输线等效阻抗比率获取方法，它包括以下步骤：

步骤1：针对分布式系统逆变器带本地恒阻抗负载并网的情形，建立其 整体戴维南等效电路；

基于戴维南定理推导出分布式系统整体等效电路，针对单个分布式系 统建立包含传输线Z₁∠α₁、Z₂∠α₂以及本地恒阻抗负载Z_L∠β、电网在内 的戴维南等效电路，其中等效电压U_e∠Ψ以及等效阻抗Z_e∠γ求解分别如式：

$U_e<\psi =\frac{Z_L<\beta }{Z_2<{\alpha }_2+Z_L<\beta }{U}_2<0$

$Z_e<\gamma =\frac{Z_2<{\alpha }_2·Z_L<\beta }{Z_2<{\alpha }_2+Z_L<\beta }+Z_1<{\alpha }_1$

根据等效电压U_e∠Ψ与等效阻抗Z_e∠γ可以构建出戴维南等效电路，其 中Z_e∠γ是DG带本地恒阻抗负载时所需要求解的并网传输线等效阻抗；

在戴维南等效电路中，功率由电网流向逆变器，考虑到Ze∠γ=R+jX， 电网流向逆变器侧的有功功率P、无功功率Q的表达式分别如下：

$P=\frac{U_e}{R^2+X^2}\left\{R\right[U_e-U_o\cos (\psi +\delta )]+{\mathrm{XU}}_o\sin (\psi +\delta )\}$

$Q=\frac{U_e}{R^2+X^2}\{-{\mathrm{RU}}_o\sin (\psi +\delta )+X[U_e-U_o\cos (\psi +\delta )\left]\right\};$

步骤2：在分布式系统工作稳定后，通过给逆变器给定电压幅值施加小 的正扰动，同时维持其输出相角以及频率恒定，通过检测逆变器扰动前后 输出有功功率变化量ΔP、无功功率的变化量ΔQ，取其比值获取所述的并 网传输线等效阻抗比率：

$\frac{\mathrm{\Delta P}}{\mathrm{\Delta Q}}=\frac{R}{X}$

给逆变器的输出电压给定值施加一个小的扰动，同时保持相角恒定， 扰动后电网流向逆变器侧的有功功率P、无功功率Q的表达式分别如下：

$P+\mathrm{\Delta P}=\frac{U_e}{R^2+X^2}\left\{R\right[U_e-(U_o+\hat{V})\cos (\psi +\delta )]+X(U_o+\hat{V})\sin (\psi +\delta )\}$

$Q+\mathrm{\Delta Q}=\frac{U_e}{R^2+X^2}\{-R(U_o+\hat{V})\sin (\psi +\delta )+X[U_e-(U_o+\hat{V})\cos (\psi +\delta )\left]\right\}$

相对比扰动前后，电网流向逆变器侧的有功功率变化量ΔP、无功功率 变化量ΔQ的表达式分别如下：

$\mathrm{\Delta P}=\frac{U_1[-R\hat{V}\cos (\psi +\delta )+X\hat{V}\sin (\psi +\delta )]}{R^2+X^2}$

$\mathrm{\Delta Q}=\frac{U_1[-R\hat{V}\sin (\psi +\delta )-X\hat{V}\cos (\psi +\delta )]}{R^2+X^2}$

考虑到角度Ψ跟恒阻抗负载与传输线的阻抗比值有关，角度δ跟逆变器 输出的无功功率大小有关系，实际系统中，以上两个角度均很小，因此得 到分布式系统并网传输线等效阻抗比率关系式如下：

$\frac{\mathrm{\Delta P}}{\mathrm{\Delta Q}}\approx \frac{-R\hat{V}}{-X\hat{V}}=\frac{R}{X}.$

单个DG单元带本地恒阻抗负载并网的结构框图如图1所示，DG系 统带恒阻抗负载时整体等效电路如图2所示，建立其整体戴维南等效电路 如图3所示；

1初始状态下，系统并网结构图如图1所示，系统中分布式并网逆变器 采用P-V下垂控制策略，其控制框图如图4所示。系统参数如表1所示。

表1DG带本地恒阻抗负载时仿真参数设置

2逆变器运行稳定后，在0.6s时给分布式电源额定电压幅值施加一个小 的扰动，同时维持其输出相角、频率恒定，并记录扰动前后逆变器输出有 功功率、无功功率的稳态值，逆变器输出有功和无功功率的波形如图5所示，

3根据图5求其有功功率变化量ΔP=929W、无功功率变化量 ΔQ=180var，进而可得分布式系统并网传输线等效阻抗比率如下：同时得到 功率角Ψ+δ的波形如图6所示，此时Ψ+δ的具体数值为3.265°，并且在电 压幅值扰动前后，功率角Ψ+δ维持不变。

$\frac{R}{X}\approx \frac{\mathrm{\Delta P}}{\mathrm{\Delta Q}}=\frac{929}{180}=6.277$

将表1中的参数，带入到等效电压和等效阻抗的求解式中，可以得出 实际的等效电压角度Ψ=3.197°，以及实际的等效阻抗比率Re/Xe=6.3062。 相比较检测出的功率角度Ψ+δ与实际的等效电压角度Ψ，可知DG逆变器在 采取图下垂控制策略时，逆变器输出电压的角度δ很小为0.068°，由恒阻 抗负载与传输线阻抗所决定的等效电压角度Ψ也很小，因此验证了式 获取的合理性；进一步比较检测的阻抗比率值与理论分析的 实际等效阻抗比率，可得此时的相对误差率仅为0.463%，进而验证了检测 DG带本地恒阻抗负载时传输线阻抗比率值的准确性。