一种基于等效馈线理论的微电网无功均分控制方法

摘要

本发明公开了一种基于等效馈线理论的微电网无功均分控制方法，可以准确的实现微网中的无功均衡。微电网中本地负载的不一致及馈线参数的不匹配，是导致逆变器输出无功不均衡的主要因素。本发明首先借助等效馈线概念将引起无功均衡误差的网络不匹配因素参数化，并利用馈线电流传感实时计算等效馈线参数；其次根据所得参数设定虚拟阻抗，通过补偿连接线路中的不匹配因素，有效消除无功均衡误差。相比于常规虚拟阻抗方法，本发明不仅考虑了本地负载因素，且针对负载的变化能够实时做出参数调节，实现准确功率均衡。

说明书

【技术领域】

本发明属于微电网功率分配领域，特别涉及一种微电网中无功功率均衡分配的控制方法。

【背景技术】

当今世界对新能源的关注度日益提高，诸如光伏发电，风力发电，微型燃气轮机，燃料电 池等绿色能源均以分布式电源(distributedgeneration，DG)的形式入驻大电网。随着分布式电源 渗透率的增加，给大电网带来了新的问题，如电网稳定性，DG单元的控制等。

为解决这类问题，微网概念应运而生。它通过协调DG单元的工作方式，将分散的DG单 元控制成统一的整体，并通过公共连接点(pointofcommoncoupling，PCC)和大电网连接。微 网可工作在并网和孤岛两种模式下：并网时，其作为可调控源；孤岛时，其为网内负荷提供电 力支撑。在孤岛模式下，各DG单元必须均衡分配网内的负荷功率。下垂控制方法是实现功率 均衡的重要手段之一。下垂控制虽然能有效实现有功均衡，但它始终存在无功均衡问题。这是 由于微网中馈线压降的不匹配造成的；此外，DG单元连有本地负载时，无功均衡问题会进一 步加重。作为下垂控制的改进方法，虚拟阻抗能够较好的解决无功均分问题。

通过文献检索发现，针对虚拟阻抗解决无功均分的问题，有研究人员提出多种方案。一种 是通过设定虚拟阻抗补偿馈线间的不匹配以消除无功均衡误差，但本地负载情况没有考虑在内。 一种是通过预设虚拟阻抗对馈线压降进行估算，以修正下垂控制系数，但中间的压降估算并非 实时过程，其时效性较差。因此，目前利用虚拟阻抗解决无功均分的下垂控制策略都具有局限 性。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种基于等效馈线理论的微电网无功均分控制方法，在无通讯形式 下很好解决馈线参数不匹配与本地负载不一致的问题，并且有很好的控制时效性；以克服目前 虚拟阻抗解决无功均分问题的局限性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于等效馈线理论的微电网无功均分控制方法，包括以下步骤：

步骤1，当微电网系统中各DG单元安装后，测量出各DG单元的对应馈线阻抗值R_fi与 X_fi；

步骤2，通过各DG单元输出电压和输出电流计算得到DG单元有功功率P_i、DG单元无 功功率Q_i，通过输出电压和馈线电流计算得到公共负载消耗的有功功率P_fi、公共负载消耗的 无功功率Q_fi；

步骤3，将功率计算公式中的未知参数U₀利用已知量替代，公式如下：

$\left(\begin{array}{c}{U}_i{U}_0{\mathrm{sin\delta }}_i=-P_{fi}\frac{B_{fi}}{G_{fi}^2+B_{fi}^2}-Q_{fi}\frac{G_{fi}}{G_{fi}^2+B_{fi}^2}=A_i\\ U_i\left(U_i-U_0{\mathrm{cos\delta }}_i\right)=P_{fi}\frac{G_{fi}}{G_{fi}^2+B_{fi}^2}-Q_{fi}\frac{B_{fi}}{G_{fi}^2+B_{fi}^2}=B_i\end{array}\right)$

根据阻抗与导纳的转换关系，上式简化为：

$\left(\begin{array}{c}{A}_i=P_{fi}{X}_{fi}-Q_{fi}{R}_{fi}\\ B_i=P_{fi}{R}_{fi}+Q_{fi}{X}_{fi}\end{array}\right)$

得到两个由已知量P_fi、Q_fi、R_fi、X_fi表示的参数A_i、B_i；

步骤4，等效馈线模型使用的参数G_efi、B_efi、R_efi、X_efi由上述几个已知参数计算得到，公 式如下：

$\left(\begin{array}{c}{G}_{efi}=\frac{P_i{B}_i-Q_i{A}_i}{A_i^2+B_i^2}\\ B_{efi}=\frac{-P_i{A}_i-Q_i{B}_i}{A_i^2+B_i^2}\end{array}\right)$

其余两个参数R_efi、X_efi由阻抗与导纳的转换关系得出；

步骤5，利用计算得到的参数G_efi、B_efi、R_efi、X_efi，通过等效馈线电阻R_efi与等效馈线电抗 X_efi得到等效馈线阻抗Z_ef，设定虚拟阻抗值Z_v＝Z_ref-Z_ef，实现实时的无功功率均分控制；其中， Z_ref为馈线参考值，根据工程需要设定。

进一步的，公共负载消耗的有功功率计算公式为：公共负载消耗的无功功率计算公式为：$Q_{fi}=U_i{U}_0{B}_{fi}{\mathrm{cos\delta }}_i-U_i^2{B}_{fi}-U_i{U}_0{G}_{fi}{\mathrm{sin\delta }}_i.$

进一步的，$P_i=U_i^2{G}_{efi}-U_i{U}_0{G}_{efi}{\mathrm{cos\delta }}_i-U_i{U}_0{B}_{efi}{\mathrm{sin\delta }}_i;Q_i=U_i{U}_0{B}_{efi}{\mathrm{cos\delta }}_i-U_i^2{B}_{efi}-U_i{U}_0{G}_{efi}{\mathrm{sin\delta }}_i;$其中，G_efi和B_efi为DG单元i的等效馈线导纳。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：微电网中本地负载的不一致及馈线参数的不 匹配，是导致逆变器输出无功不均衡的主要因素；本发明首先借助等效馈线概念将引起无功均 衡误差的网络不匹配因素参数化，并利用馈线电流传感实时计算等效馈线参数；其次根据所得 参数设定虚拟阻抗，通过补偿连接线路中的不匹配因素，可有效消除无功均衡误差。相比于常 规虚拟阻抗方法，本发明不仅考虑了本地负载因素，且针对负载的变化能够实时做出参数调节， 实现准确功率均衡。

【附图说明】

图1为微网结构示意图。

图2为微网模型示意图。

图3为单个DG单元的等效运行模型示意图。

图4为实施等效馈线测量示意图。

图5为DG单元本地控制策略示意图。

图6为常规虚拟阻抗方法下各逆变器的功率均衡表现示意图。其中，图6(a)为有功功率 输出示意图；图6(b)为无功功率输出示意图。

图7为基于等效馈线理论的微电网等效模型仿真结果示意图。其中，图7(a)为有功功率 输出示意图；图7(b)为无功功率输出示意图。

图8为自适应虚拟阻抗方法下各逆变器的功率均衡表现示意图。其中，图8(a)为有功 功率输出；图8(b)为无功功率输出。

【具体实施方式】

本发明分为以下几个部分：

1.通过建模得到各DG单元所对应外电路的参数不匹配情况，并引入等效馈线理论将各 不匹配参数统一化，用以设定相应的虚拟阻抗。

2.计算基于等效馈线理论需要用到的控制参数。

3.利用上述控制参数实现自适应虚拟阻抗调节的无功均分控制方法。

为解决影响微电网不平衡的两个主要因素：馈线参数不匹配与本地负载不一致，本发明将 如图1所示微电网的各DG单元建立等效馈线模型，形式上消除了本地负载，得到简化DG单 元的运行模型，参见图2。基于此模型，提出无功均分控制方法，具体如下：

(一)微网等效运行模型

微电网进入孤岛模式时，各DG单元相互协调，均衡分配网内的负荷功率。容量较大的 DG单元输出的有功功率较大。而在无功输出方面，馈线压降不匹配等使得各DG单元不能实 现按容分配网内无功需求。

对于每个DG单元，输出功率包括两部分：本地负载消耗功率与经馈线传输由公共负载消 耗的功率。公共负载消耗的有功功率计算公式如下：无 功功率计算公式如下：其中G_fi和B_fi为馈线的电导分量 和电纳分量，U_i为DG单元的输出电压幅值，U₀表示公共交流母线电压幅值，δ_i为两电压的 相角差。由于功率包含两组成分，DG单元间的运行差异不能直观地进行分析。为了实现功率 整合，本发明提出等效馈线理论，将本地负载消耗功率与公共负载消耗功率整合到一起，得到 形式上与公共负载消耗功率一致的结果，有功功率计算公式如下： 无功功率计算公式如下： 其中G_efi和B_efi为DG单元i的等效馈线的电导分量和电 纳分量。在微电网系统已知的情况下，等效馈线参数可以被唯一确定。

(二)等效馈线参数计算

在下垂控制应用的微网中，无功不均衡问题有外部连接电路参数不匹配造成。传统的虚拟 阻抗方法解决无功不均衡问题时，直接匹配不包含本地负载信息的馈线参数。本发明从等效运 行模型的角度出发，将虚拟阻抗匹配等效馈线，解决无功均衡问题。其中虚拟阻抗的设定值 Z_v是参数补偿标准值Z_ref与等效馈线虚拟阻抗Z_ef的差值。

通过DG单元输出电压和输出电流可计算得到P_i、Q_i，通过输出电压和馈线电流可得到 P_fi、Q_fi。通常情况下，微电网PCC点的电压幅值U₀未知，因此本发明利用馈线功率信息P_fi与Q_fi间接计算等效馈线参数。每个DG单元安装后，其所对应馈线的电阻值R_fi与电抗值X_fi固定可测，因此通过计算，可将公式中的未知信息通过P_fi、Q_fi、R_fi、X_fi表示。结合微网系统 的已知参数P_i、Q_i，可以得到微电网的等效馈线参数G_efi、B_efi、R_efi、X_efi，进而可求出虚拟阻 抗的设定值。

(三)自适应无功均分控制方法

等效馈线模型的参数都是从DG单元的本地测量中获取的，且参数之间的测量互不影响， 因此等效馈线计算在DG单元运行时，可以实时进行。

参看图5，DG单元运行时系统的馈线电流发生变化，会影响P_i、Q_i等参数。这样系统可 以实时得到等效馈线参数G_efi、B_efi、R_efi、X_efi等的变化，影响虚拟阻抗的设定值与虚拟电压， 从而实现自适应无功均衡控制。

稳态时，各DG单元根据馈线电流信息实时计算等效馈线阻抗，并相应设定虚拟阻抗以 补偿外部物理连接电路的不匹配。当负载变化时，不论是本地负载还是公共负载，新的不匹配 信息会立即反馈至等效馈线计算中，从而引起虚拟阻抗的自适应变化。通过这种方式，无功均 衡始终保持准确。

请参阅图5所示，本发明一种基于等效馈线理论的微电网无功均分控制方法，通过实时测 量微电网系统的功率情况，利用等效馈线模型，计算出不同情况下的虚拟阻抗值，实现微电网 的无功功率均分。具体包括以下步骤：

步骤1，当微电网系统中各DG单元安装后，测量出各DG单元的对应馈线阻抗值R_fi与 X_fi；R_fi为电阻，X_fi为电抗；

步骤2，参见图4，通过DG单元输出电压和输出电流计算得到DG单元有功功率P_i、DG 单元无功功率Q_i，通过DG单元的输出电压和馈线电流计算得到公共负载消耗的有功功率P_fi、 公共负载消耗的无功功率Q_fi。等效馈线计算在DG单元运行时，可以同时进行。

步骤3，将功率计算公式中的未知参数U0利用已知量替代，公式如下：

$\left(\begin{array}{c}{U}_i{U}_0{\mathrm{sin\delta }}_i=-P_{fi}\frac{B_{fi}}{G_{fi}^2+B_{fi}^2}-Q\frac{G_{fi}}{G_{fi}^2+B_{fi}^2}=A_i\\ U_i\left(U_i-U_0{\mathrm{cos\delta }}_i\right)=P_{fi}\frac{G_{fi}}{G_{fi}^2+B_{fi}^2}-Q_{if}\frac{B_{fi}}{G_{fi}^2+B_{fi}^2}=B_i\end{array}\right)$

其中G_efi、B_efi、R_efi、X_efi表示等效馈线模型的导纳与阻抗参数。根据阻抗与导纳的转换关 系，上式可简化为：

$\left(\begin{array}{c}{A}_i=P_{fi}{X}_{fi}-Q_{fi}{R}_{fi}\\ B_i=P_{fi}{R}_{fi}+Q_{fi}{X}_{fi}\end{array}\right)$

此时可以得到两个由已知量公共负载有功功率P_fi、公共负载无功功率Q_fi、R_fi、X_fi表示的 参数A_i、B_i。

步骤4，等效馈线模型使用的参数G_efi、B_efi、R_efi、X_efi可由上述几个已知参数计算得到， 公式如下：

$\left(\begin{array}{c}{G}_{efi}=\frac{P_i{B}_i-Q_i{A}_i}{A_i^2+B_i^2}\\ B_{efi}=\frac{-P_i{A}_i-Q_i{B}_i}{A_i^2+B_i^2}\end{array}\right)$

其余两个参数R_efi、X_efi由阻抗与导纳的转换关系得出。

步骤5，利用计算得到的参数G_efi、B_efi、R_efi、X_efi，通过等效馈线电阻R_efi与等效馈线电抗 X_efi得到等效馈线阻抗Z_ef，设定虚拟阻抗值Z_v＝Z_ref-Z_ef，实现实时的无功功率均分控制；其中， Z_ref为馈线参考值，根据工程需要设定。

本发明提出的基于等效馈线理论的微电网无功均分控制方法，考虑了馈线参数不匹配与本 地负载不一致等情况，能够实时的调节微电网中无功功率的分配情况。仿真结果如附图8所示， 在2s时刻，三台逆变器同时引入自适应虚拟阻抗控制。通过虚拟阻抗补偿等效馈线间的不匹 配度，外部连接电路的不匹配度得到了等效补偿。由仿真结果可知，该策略很好的消除了无功 均衡误差，实现准确的无功均衡。在6s时刻，网内负载发生变化。可以看出，基于馈线电流 传感的等效馈线计算能够快速反馈网络不匹配度，迅速调整虚拟阻抗，在极短的时间内恢复无 功均衡准确度。