本發(fā)明涉及微電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種分布式微電網(wǎng)無功均分控制方法及控制裝置。

背景技術(shù)：

微電網(wǎng)作為分布式電源的有效載體，是分布式能源合理利用的有效途徑。對于含有公共非線性負(fù)荷的孤島微電網(wǎng)，非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波將影響微電網(wǎng)的電能質(zhì)量，而各微電源輸出的無功功率及線路參數(shù)的差異又將導(dǎo)致諧波環(huán)流，過大的諧波環(huán)流則會影響系統(tǒng)的同步和穩(wěn)定。

目前，為減小各微電源輸出的無功功率之間的差異，通常調(diào)節(jié)下垂增益的方式，而在交流微電網(wǎng)中，由于非線性負(fù)荷及物理線路阻抗不匹配等因素的影響，傳統(tǒng)的下垂控制難以實現(xiàn)合理地分配無功功率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的分布式微電網(wǎng)無功均分控制方法及控制裝置，能夠解決分布式微電網(wǎng)中無功均分問題。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種分布式微電網(wǎng)無功均分控制方法，包括：

S1，計算分布式微電網(wǎng)中第i個微電源的輸出無功功率Q_i與該微電源的線路阻抗X_i之間的關(guān)系式；

S2，計算分布式微電網(wǎng)中的第i個微電源的無功功率Q_i和第j個微電源的無功功率Q_j之間的無功相對偏差ΔQ_err；

S3，向第i個微電源的線路阻抗X_i和第j個微電源的線路阻抗X_j中分別增加自適應(yīng)虛擬阻抗X_vi＝X_vo+K·Q_i和X_vj＝X_vo+K·Q_j，其中，X_vo為初始虛擬阻抗，K為自適應(yīng)系數(shù)；

S4，通過調(diào)整自適應(yīng)系數(shù)K，使得所述無功相對偏差ΔQ_err處于預(yù)定范圍內(nèi)。

另一方面，本發(fā)明還提供了一種分布式微電網(wǎng)無功均分控制裝置，包括：

第一計算模塊，用于計算分布式微電網(wǎng)中第i個微電源的輸出無功功率Q_i與該微電源的線路阻抗X_i之間的關(guān)系；

第二計算模塊，用于計算分布式微電網(wǎng)中的第i個微電源的無功功率Q_i和第j個微電源的無功功率Q_j之間的無功相對偏差ΔQ_err；

自適應(yīng)調(diào)整模塊，用于向第i個微電源的線路阻抗X_i和第j個微電源的線路阻抗X_j中分別增加自適應(yīng)虛擬阻抗X_vi＝X_vo+K·Q_i和X_vj＝X_vo+K·Q_j，其中，X_vo為初始虛擬阻抗，K為自適應(yīng)系數(shù)；還用于通過調(diào)整自適應(yīng)系數(shù)K，使得所述無功相對偏差ΔQ_err處于預(yù)定范圍內(nèi)。

本發(fā)明的有益效果為：建立每一個微電網(wǎng)中的無功功率與線路阻抗之間的關(guān)系，并分別計算分布式微電網(wǎng)中的任意兩個微電網(wǎng)的無功相對偏差，可以看出無功偏差與微電網(wǎng)的線路阻抗有關(guān)，因此，通過向每一個微電網(wǎng)中增加自適應(yīng)虛擬阻抗來調(diào)節(jié)各微電網(wǎng)輸出的無功功率，使得分布式微電網(wǎng)中的各個微電網(wǎng)的無功輸出偏差處于一定范圍內(nèi)，從而增加整個分布式微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個實施例的分布式微電網(wǎng)無功均分控制方法流程圖；

圖2為分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖；

圖3為分布式微電網(wǎng)中單個微電網(wǎng)的等效電路圖；

圖4為輸出線路阻抗不一致時各分布式微電網(wǎng)的無功出力情況示意圖；

圖5-a為未引入自適應(yīng)虛擬阻抗時PCC1點電壓波形圖；

圖5-b為未引入自適應(yīng)虛擬阻抗時PCC2點電壓波形圖；

圖5-c為未引入自適應(yīng)虛擬阻抗時PCC電壓波形圖；

圖6為為引入自適應(yīng)虛擬阻抗時兩個微電源DG_i和微電源DG_j承擔(dān)的公共負(fù)載電流單相波形圖；

圖7-a為加入自適應(yīng)虛擬阻抗時PCC1點電壓波形圖；

圖7-b為加入自適應(yīng)虛擬阻抗時PCC2點電壓波形圖；

圖7-c為加入自適應(yīng)虛擬阻抗時PCC點電壓波形圖；

圖8為引入自適應(yīng)虛擬阻抗后兩個微電源DG_i和DG_j承擔(dān)的公共負(fù)載電流單相波形圖；

圖9為引入自適應(yīng)虛擬阻抗后的兩個微電源DG_i和DG_j輸出無功功率示意圖；

圖10為引入自適應(yīng)虛擬阻抗后的三個微電源的輸出無功功率示意圖；

圖11為本發(fā)明另一個實施例的分布式微電網(wǎng)無功均分控制裝置示意圖；

圖12為分布式微電網(wǎng)無功均分控制裝置中第一計算模塊的內(nèi)部連接框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

參見圖1，為本發(fā)明一個實施例的一種分布式微電網(wǎng)無功均分控制方法，包括：S1，計算分布式微電網(wǎng)中第i個微電源的輸出無功功率Q_i與該微電源的線路阻抗X_i之間的關(guān)系；S2，計算分布式微電網(wǎng)中的第i個微電源的無功功率Q_i和第j個微電源的無功功率Q_j之間的無功相對偏差ΔQ_err；S3，向第i個微電源的線路阻抗X_i和第j個微電源的線路阻抗X_j中分別增加自適應(yīng)虛擬阻抗X_vi＝X_vo+K·Q_i和X_vj＝X_vo+K·Q_j，其中，X_vo為初始虛擬阻抗，K為自適應(yīng)系數(shù)；S4，通過調(diào)整自適應(yīng)系數(shù)K，使得所述無功相對偏差ΔQ_err處于預(yù)定范圍內(nèi)。

微電網(wǎng)作為分布式電源的有效載體，是分布式能源合理利用的有效途徑。對于含有公共非線性負(fù)荷的孤島微電網(wǎng)，非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波將影響微電網(wǎng)的電能質(zhì)量，而各微電源及線路參數(shù)的差異又將導(dǎo)致諧波環(huán)流，多大的諧波環(huán)流會影響整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的同步和穩(wěn)定，因為，針對含非線性負(fù)荷的微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題，研究微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點的諧波補償策略是重要途徑之一。大多數(shù)分布式微電網(wǎng)以電力電子中的逆變器作為接口，在參與功率均分的同時還可以進(jìn)行一定的電能質(zhì)量補償。

本實施例中通過兩個計算關(guān)系建立分布式微電網(wǎng)中的每一個微電源的無功功率與線路阻抗之間的關(guān)系，并分別計算分布式微電網(wǎng)中的任意兩個微電源的無功相對偏差，可以看出無功偏差與微電源的線路阻抗有關(guān)，因此，通過向每一個微電源中增加自適應(yīng)虛擬阻抗來調(diào)節(jié)各微電源輸出的無功功率，使得分布式微電網(wǎng)中的各個微電源的無功輸出偏差處于一定范圍內(nèi)，從而增加整個分布式微電網(wǎng)的穩(wěn)定性，以及減小整個分布式微電網(wǎng)的環(huán)流。

其中，在一個實施例中，所述步驟S1進(jìn)一步包括：

S11，根據(jù)每一個微電源的輸出電壓E_i、交流母線處的電壓V以及該微電源的線路阻抗X_i，計算該微電源的無功功率Q_i；

S11，根據(jù)微電源的無功功率Q_i、無功下垂增益n_i以及微電源在空載負(fù)荷時的電壓幅值E^*,計算微電源在實際工作時的電壓幅值E_i；

S12，結(jié)合步驟S11和步驟S11，計算得到微電源無功功率Q_i與微電源的線路阻抗X_i之間的關(guān)系式。

在本發(fā)明的一個實施例中，可參見圖2，為傳統(tǒng)具有恒定虛擬阻抗的微電網(wǎng)等效電路圖，引入虛擬阻抗前，第i個微電源的輸出線路阻抗為Z_outi為：

Z_outi＝R_i+jX_i；(1)

引入了恒定的虛擬阻抗后，第i個微電源的輸出線路阻抗Z_o'_uti為：

Z'_outi＝Z_outi+Z_v＝(R_i+R_n)+j(X_i+X₁)；(2)

上述式(2)中，加入的恒定的虛擬阻抗Z_v＝R_n+jX₁,其中R_n為在n次諧波的虛擬電阻，X₁為基波的虛擬電抗。

參見圖3，為單個微電源的等效電路圖，上述步驟S11可根據(jù)單個微電源的等效電路計算得出第i個微電源的有功功率P_i和無功功率Q_i：

式中，E_i為微電網(wǎng)的輸出電壓，V為交流母線處的電壓，φ_i為微電源的輸出電壓E_i與交流母線處電壓V之間的角度差，X_i表示微電源的線路阻抗。

通過情況下，功角φ_i很小，根據(jù)數(shù)學(xué)等效可知，微電源的有功功率P_i可由功角φ_i控制，無功功率Q_i可由輸出電壓幅值E_i調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的下垂控制正是基于這一原理，步驟S11中利用上述公式(3)中計算的有功功率和無功功率來調(diào)節(jié)微電源的輸出電壓頻率和輸出電壓幅值：

式中，ω^*為微電源在空載負(fù)荷式的電壓頻率，m_i為第i個微電源的有功下垂增益，E^*為微電源在空載負(fù)荷時的電壓幅值，n_i為第i個微電網(wǎng)的無功下垂增益，E_i為第i個微電網(wǎng)的實際輸出電壓，P_i、Q_i分別是第i個微電源在實際頻率ω_i和電壓E_i條件下輸出的有功功率和無功功率值。

微電源處于穩(wěn)態(tài)時，輸出電壓頻率為全局變量，因此，各微電源的有功功率可以根據(jù)下垂增益精確分配，而輸出電壓幅值是局部變量，需要對無功功率分配問題進(jìn)行分析，下面僅對無功功率的分配進(jìn)行分析，步驟S12通過聯(lián)立公式(3)和公式(4)，得到：

在又一個實施例中，為了分析分布式微電網(wǎng)中的各個微電源的無功功率偏差的大小，有必要分析分布式微電網(wǎng)中的兩個微電源的無功功率的相對偏差。為了簡化分析，可以假設(shè)兩個分布式微電網(wǎng)DG_i和DG_j具有相等容量，其下垂增益也一致。功角φ_i很小，因此，所述步驟S2可通過上述公式(5)計算得到的任意兩個微電源的無功功率Q_i和Q_j之間的無功相對偏差ΔQ_err為：

式中，X_j為第j個微電網(wǎng)的線路阻抗，n_j為第j個微電源的無功下垂增益。

從公式(6)中可以看出，減小各個微電源之間的線路阻抗差異(X_j-X_i)、增大無功下垂增益n_j和增加線路阻抗X_j可以減少無功偏差。增加線路阻抗或者減少線路阻抗差異可通過虛擬阻抗的方法調(diào)節(jié)，但在一定程度上會影響輸出電壓幅值。

可參見圖4，為輸出阻抗不一致時各分布式微電網(wǎng)的無功出力情況示意圖，當(dāng)輸出線路阻抗越大時，增加其線路壓降，從而輸出無功越小。

現(xiàn)有研究大多是恒虛擬阻抗，而實施例提出含自適應(yīng)虛擬阻抗的下垂控制策略，即引入無功信息構(gòu)造變虛擬阻抗，采用自適應(yīng)方法重新構(gòu)造微電源的輸出線路阻抗，從而進(jìn)一步減少環(huán)流。

又一個實施例中，根據(jù)微電源的新線路阻抗X_i^new＝X_i+X_vi＝X_i+X_vo+K·Q_i和公式(6)計算得到新無功相對偏差：

調(diào)節(jié)自適應(yīng)系數(shù)K值，使得在預(yù)定范圍內(nèi)。

其中，自適應(yīng)K值得取值范圍為：0<K<5*10^-4。

又一個實施例中，根據(jù)前述實施例引入自適應(yīng)虛擬阻抗后得到的微電源的新線路阻抗X_vo、X_vi分別是微電源的虛擬初始電抗和虛擬總電抗；Q_i分別為微電源測量的無功功率；K為與無功相關(guān)的虛擬電抗系數(shù)，若無無功負(fù)荷，可置系數(shù)K為零?？紤]到適當(dāng)?shù)奶摂M電阻可改善系統(tǒng)的阻性特性，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，本實施例提出的自適應(yīng)虛擬阻抗可描述為：

Z_vir＝R_vir+j[X_vo+K·Q_i]；(8)

為便于分析，不妨假設(shè)兩同等容量的微電源DG_i和DG_j并聯(lián)運行，下垂增益n應(yīng)設(shè)置一致；另外，本實施例中設(shè)置虛擬系數(shù)一致：

K_i＝K_j＝K＞0；(9)

則本實施例提出的自適應(yīng)虛擬電抗可簡化為：

X_vir＝X₀+K·Q；(10)

根據(jù)公式(6)和公式(7)，計算向微電源中引入自適應(yīng)虛擬阻抗前后的無功功率偏差比值：

對公式(11)進(jìn)行簡化處理可得：

又根據(jù)公式(5)可得：

聯(lián)立公式(12)和公式(13)，可得：

由戴維南等效電路得：

E_i＝V+Z_eqi_i；(15)

式(15)中，Z_eq為微電源等效電壓源內(nèi)阻，包含了線路阻抗和虛擬阻抗，且呈阻感性，i_i為等效電壓源輸出電流，又由于E_i＝E^*-n_i·Q_i＜E^*，結(jié)合式(15)有：

E^*-V＞E_i-V＞0；(16)

結(jié)合式(13)和式(16)：

于是有：

由此，可看出，向分布式微電網(wǎng)中的各個微電源中引入自適應(yīng)虛擬阻抗后，可以改善整個微電網(wǎng)無功分配精度，適當(dāng)選擇自適應(yīng)系數(shù)K值，可使得無功偏差保持在一定精度范圍內(nèi)。

本發(fā)明提供的分布式微電網(wǎng)無功功率均分的控制方法進(jìn)行了仿真驗證，下面主要介紹了兩個仿真案例。

仿真案例1：采用本發(fā)明提出的控制策略，控制兩個容量相同的微電源并聯(lián)運行。在該案例中，本地線性負(fù)載Load1、Load2和公共非線性負(fù)載Load都接入分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)。不引入自適應(yīng)虛擬阻抗時，PCC1、PCC2和PCC電壓波形分別如圖5-a、5-b和5-c所示。由FFT分析可知PCC1點電壓基波幅值為39.5V，諧波失真THD為3.63％；PCC2點電壓基波幅值為39.8V，THD為3.68％；PCC點電壓基波幅值為308.6V，THD為3.86％電壓幅值和THD值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。未引入自適應(yīng)虛擬阻抗時兩個微電源DG1/DG2承擔(dān)的公共負(fù)載電流單相波形如圖6所示。

加入自適應(yīng)虛擬阻抗后，PCC1、PCC2、PCC點電壓波形分別如圖7-a、7-b和7-c所示。由FFT分析可知PCC1點電壓基波幅值為306.2V，THD為4.35％；PCC2點電壓基波幅值為306.4V，THD為4.9％；PCC點電壓基波幅值為304.8V，THD為4.25％，電壓幅值和THD值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

圖8為引入只適應(yīng)虛擬阻抗后的兩個微電源DG1/DG2承擔(dān)的公共負(fù)載電流單相波形。對比加入虛擬阻抗前后的公共點電壓波形及各微電源承擔(dān)的公共負(fù)載電流單相波形可知，雖然加入虛擬阻抗后，電壓諧波畸變率有一定的增大，但是仍能保證在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，所以不會影響對電壓敏感的負(fù)載正常運行，但是加入虛擬阻抗后，各微電源對公共負(fù)載諧波電流的均分精度明顯提高，減小了諧波環(huán)流，提高了系統(tǒng)的同步性和穩(wěn)定性。

圖9為兩個微電源的無功出力分配情況。由于采用的兩個微電源輸出功率容量相同，因此由圖可知兩個微電源輸出的有功功率實現(xiàn)了精確均分，而由于輸出線路阻抗及本地負(fù)載的差異，無功功率均分精度不高。

仿真案例2

采用本發(fā)明提出的自適應(yīng)虛擬阻抗提高無功功率均分的精度，本算例采用三個微電源，且0-2s采用傳統(tǒng)的下垂控制，2-4s采用含虛擬阻抗的下垂控制，4-6s采用本發(fā)明提出的自適應(yīng)虛擬阻抗下垂控制策略，圖10為3個微電源的無功功率分配情況示意圖。

參見圖11，為本發(fā)明另一個實施例的分布式微電網(wǎng)無功均分控制裝置，包括第一計算模塊21、第二計算模塊22和自適應(yīng)調(diào)整模塊23。

其中，第一計算模塊21，用于計算分布式微電網(wǎng)中第i個微電源的輸出無功功率Q_i與該微電源的線路阻抗X_i之間的關(guān)系；

第二計算模塊22，用于計算分布式微電網(wǎng)中的任意兩個微電源的無功功率Q_i和Q_j之間的無功相對偏差ΔQ_err；

自適應(yīng)調(diào)整模塊23，用于向第i個微電源的線路阻抗X_i和第j個微電源的線路阻抗X_j中分別增加自適應(yīng)虛擬阻抗X_vi＝X_vo+K·Q_i和X_vj＝X_vo+K·Q_j，其中，X_vo為初始虛擬阻抗，K為自適應(yīng)系數(shù)；還用于通過調(diào)整自適應(yīng)系數(shù)K，使得所述無功相對偏差ΔQ_err處于預(yù)定范圍內(nèi)。

參見圖12，所述第一計算模塊21進(jìn)一步包括：

無功功率計算單211，用于根據(jù)每一個微電源的輸出電壓E_i、交流母線處的電壓V以及該微電源的線路阻抗X_i，計算該微電源的無功功率Q_i；

電壓幅值計算模塊單元212，用于根據(jù)微電源的無功功率Q_i、無功下垂增益n_i以及微電源在空載負(fù)荷時的電壓幅值E^*,計算微電源在實際工作時的電壓幅值E_i；

關(guān)系式獲得單元213，用于結(jié)合無功功率Q_i的計算公式和電壓幅值E_i的計算公式，計算得到微電源無功功率Q_i與微電源的線路阻抗X_i之間的關(guān)系式。

本發(fā)明提供的一種分布式微電網(wǎng)無功均分控制方法及控制裝置，建立每一個微電源中的無功功率與線路阻抗之間的關(guān)系，并分別計算分布式微電網(wǎng)中的任意兩個微電源的無功相對偏差，可以看出無功偏差與微電源的線路阻抗有關(guān)，因此，通過向每一個微電網(wǎng)中增加自適應(yīng)虛擬阻抗來調(diào)節(jié)各微電網(wǎng)輸出的無功功率，使得分布式微電網(wǎng)中的各個微電網(wǎng)的無功輸出偏差處于一定范圍內(nèi)，從而增加整個分布式微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。