一种基于下垂控制的孤岛交流微电网无功均分方法

1.本发明涉及领域，特别是涉及一种基于下垂控制的孤岛交流微电网无功均分方法。


背景技术：

2.全球电力需求的快速增长和利用环境友好能源的需求加速了电力电子系统的发展。分布式发电系统的数量每年都会大幅增加。此外，小规模发电机组的集群形成微电网，为基于逆变器的分布式发电系统提供可靠和最佳集成，因为它们可以在并网或孤岛模式。
3.传统的频率和电压降控制技术被广泛应用于孤岛微电网的控制。分布式发电系统的这种控制方法模拟了同步发电机的运行。传统的下垂控制虽然可以实现适当的有功均分，但在低压孤岛微电网中无功均分方面存在严重的局限性。这主要是由于馈线阻抗不匹配和逆变器设计参数的差异造成的。在微电网中，馈线阻抗不匹配对无功分担的不利影响一直是一个主要问题。在孤岛交流微电网中，当采用传统的频率和电压降控制技术时，逆变器与负载母线之间的接口线路阻抗不匹配导致无法实现无功功率均分。这种操作会危及整个微电网的可靠性，因为它可能导致某些逆变器过载，从而触发保护继电器并导致级联故障。
4.在许多旨在增强孤岛微电网无功功率均分的建议方法中，虚拟输出阻抗方法因其简单的实现而获得了极大的普及。这种技术依赖于通过建立一个额外的控制回路来重塑逆变器输出阻抗的特性。因此，有功和无功之间的耦合被最小化。因此，即使在馈线阻抗不匹配的情况下，也可以提高无功共享精度。尽管文献中有大量可用的工作来解决使用虚拟阻抗方法的无功功率共享，但对每个逆变器的虚拟阻抗分配最优值的过程尚未进行彻底的研究。因此，找到一种合适的方法对虚拟阻抗分配最优值进行研究尤为重要。


技术实现要素：

5.发明目的：为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于下垂控制的孤岛交流微电网无功均分方法。通过递归最小二乘算法得到线路阻抗的辨识值，然后对所有线路阻抗辨识值进行比较，得到最大值作为基准虚拟复阻抗。然后得出每个线路阻抗辨识值与基础虚拟复阻抗之间的差值，将这个差值取负作为每个逆变器的最优虚拟复阻抗。将最优虚拟复阻抗与输出电流相乘作为虚拟电压，来补偿微电网下垂控制生成的电压参考值，得到最终控制dq轴电压的电压基准值，从而实现无功功率均分。此方法不仅解决了实践工程中线路阻抗难得到的问题，同时研究了虚拟阻抗分配最优值。
6.技术方案：本发明公开了一种基于下垂控制的孤岛交流微电网无功均分方法，包括以下步骤：
7.步骤1：获取逆变器的电压和负载母线的电压，并取得逆变器与负载母线之间得的输出电流，通过递归最小二乘法，得到逆变器与负载母线之间的接口线路阻抗辨识值；
8.步骤2：根据步骤1得到线路阻抗辨识值，对所有线路阻抗辨识值进行比较，得到最
大值作为基准虚拟复阻抗；
9.步骤3：根据步骤2的基准虚拟复阻抗，得出每个线路阻抗辨识值与基准虚拟复阻抗之间的差值，将这个差值取负作为每个逆变器的最优虚拟复阻抗；
10.步骤4：根据步骤3得到最优虚拟复阻抗与输出电流相乘作为虚拟电压，来补偿微电网下垂控制生成的电压参考值，得到最终控制dq轴电压的电压基准值，最终实现无功功率的均分。
11.进一步地，步骤1得到逆变器与负载母线之间的接口线路阻抗辨识值的具体操作如下：
12.首先推导出第j个逆变器的稳态运行的数学模型：
[0013][0014]
其中，vj和ij分别为第j个逆变器的输出电压和电流测量值，v
pcc
是负载母线电压；
[0015]
设vj和v
pcc
为系统输入变量，ij为状态变量，得到连续时间状态空间模型：
[0016][0017]
将上述公式以离散时间形式写成如下式：
[0018][0019]
考虑测量的采样间隔ts，通过映射输入输出，得到以离散时间形式写成的状态方程的解：
[0020][0021]
将上述公式写成线性回归形式为：
[0022][0023]
其中y(k)是包含i(k)的输出向量，是由两个变量组成的输入向量，即一个样本的延迟电压vj(k-1)和电流ij(k-1)向量；θ为未知参数(r
fj
,l
fj
)的回归向量；
[0024]
使用的递归最小二乘算法在采样实例k处的方程表示为：
[0025][0026][0027]
[0028][0029]
其中，ρ是遗忘因子，取值在0到1之间；
[0030]
根据估计的回归向量θ，直接计算第j个线路的电阻和电感分量，表示为：
[0031][0032]
进一步地，所述步骤2中基准虚拟复阻抗表示为：
[0033][0034]
其中，表示线路阻抗的辨识值，r
v-base
、x
v-base
分别表示基准虚拟复阻抗的电阻和电抗，j表示线路个数。
[0035]
进一步地，步骤3利用基准虚拟复阻抗，得出每个线路阻抗辨识值与基准虚拟复阻抗之间的差值，将这个差值取负作为每个逆变器的最优虚拟复阻抗：
[0036][0037][0038]
其中，r
v-base
、x
v-base
分别表示基准虚拟复阻抗的电阻和电抗，表示第一个线路电阻的辨识值，表示第一个线路电抗的辨识值。
[0039]
进一步地，所述步骤4利用得到最优虚拟复阻抗与输出电流相乘作为虚拟电压，来补偿微电网下垂控制生成的电压参考值，得到最终控制dq轴电压的电压基准值：
[0040]
首先给出abc坐标系下虚拟阻抗的数学模型：
[0041][0042]
其中，u
refa
，u
refb
，u
refc
分别表示a,b,c三相的实际输出电压，分别表示a,b,c三相的参考输出电压，rv,lv分别表示虚拟电阻值和虚拟电感值，i
oa
,i
ob
,i
oc
分别表示a,b,c三相的输出电流值；
[0043]
可得dq旋转坐标系下虚拟阻抗的实现方程为：
[0044][0045]
其中，u
refd
,u
refq
分别表示d轴和q轴的实际输出电压，分别表示d轴和q轴的参考输出电压，rv,lv分别表示虚拟电阻值和虚拟电感值，ω表示额定角频率，i
od
和i
oq
分别表示d轴和q轴的输出电流。
[0046]
有益效果：
[0047]
1.本发明首先加入递归最小二乘算法对线路阻抗进行辨识，估算技术很简单，它利用现有的测量方法，确保高精度和低计算负担。
[0048]
2.本发明提出了各逆变器虚拟复阻抗的最优调谐方法，根据线路阻抗辨识值，对所有线路阻抗辨识值进行比较获取最大值作为基准虚拟复阻抗，每个线路阻抗辨识值与基准虚拟复阻抗之间的差值，将这个差值取负作为每个逆变器的最优虚拟复阻抗。它具有物理意义，考虑了物理馈线阻抗中的精确不匹配值。
[0049]
3.本发明避免了微电网中不必要的电压退化，在实际线路阻抗的不匹配值与每个逆变器的虚拟复阻抗分配值之间建立了明确的关系。因此，微电网电压的进一步降低被阻止了。其次，在设计阶段不需要预先了解实际线路阻抗，因为它们是根据可用的测量在线估计的。最后，在虚拟复阻抗部分避免了输出电流微分带来的电流高频扰动，同时不使用低通滤波器，不影响系统的动态性能。
附图说明
[0050]
图1为本发明基于下垂控制的孤岛交流微电网无功均分控制框图；
[0051]
图2为本发明线路电阻辨识图；
[0052]
图3为本发明线路电感辨识图；
[0053]
图4为本发明虚拟电阻最优值图；
[0054]
图5为本发明虚拟电感最优值图；
[0055]
图6为本发明无功功率图；
[0056]
图7为本发明逆变器输出电压图。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围
[0058]
本发明公开了一种基于下垂控制的孤岛交流微电网无功均分方法，包括以下步骤：
[0059]
步骤1：通过电压表与电流表，测得逆变器的电压和负载母线的电压，并测得逆变器与负载母线之间得的输出电流，通过递归最小二乘法，得到逆变器与负载母线之间的接口线路阻抗辨识值。
[0060]
步骤1首先推导出第j个逆变器的稳态运行的数学模型：
[0061][0062]
其中，vj和ij分别为第j个逆变器的输出电压和电流测量值，v
pcc
是负载母线电压。
[0063]
设vj和v
pcc
为系统输入变量，ij为状态变量，可以得到连续时间状态空间模型：
[0064]
[0065]
将上述公式以离散时间形式写成如下式：
[0066][0067]
考虑测量的采样间隔ts，通过映射输入输出，得到上述所示状态方程的解：
[0068][0069]
将上述公式可以写成线性回归形式为：
[0070][0071]
其中，y(k)是包含i(k)的输出向量。是由两个变量组成的输入向量，即一个样本的延迟电压vj(k-1)和电流ij(k-1)向量。θ为未知参数(r
fj
,l
fj
)的回归向量。
[0072]
现在可以应用递归最小二乘算法基于三个测量值(vj,ij,v
pcc
)来估计线路阻抗。
[0073]
上述公式中使用的递归最小二乘算法在采样实例k处的方程表示为：
[0074][0075][0076][0077][0078]
其中，ρ是遗忘因子，取值在0到1之间。
[0079]
根据估计的回归向量θ，直接计算第j个线路的电阻和电感分量，表示为：
[0080][0081]
步骤2：根据步骤1得到线路阻抗辨识值，对所有线路阻抗辨识值进行比较，得到最大值作为基准虚拟复阻抗。基准虚拟复阻抗表示为：
[0082][0083]
其中，表示线路阻抗的辨识值，r
v-base
、x
v-base
分别表示基准虚拟复阻抗的电阻和电抗，j表示线路个数。
[0084]
步骤3：根据步骤2的基准虚拟复阻抗，得出每个线路阻抗辨识值与基准虚拟复阻抗之间的差值，将这个差值取负作为每个逆变器的最优虚拟复阻抗。
[0085]
[0086][0087]
其中，r
v-base
、x
v-base
分别表示基准虚拟复阻抗的电阻和电抗，表示第一个线路电阻的辨识值，表示第一个线路电抗的辨识值。
[0088]
步骤4：根据步骤3得到最优虚拟复阻抗与输出电流相乘作为虚拟电压，来补偿微电网下垂控制生成的电压参考值，得到最终控制dq轴电压的电压基准值，最终实现无功功率的均分。
[0089]
首先给出abc坐标系下虚拟阻抗的数学模型：
[0090][0091]
其中，u
refa
，u
refb
，u
refc
分别表示a,b,c三相的实际输出电压，分别表示a,b,c三相的参考输出电压，rv,lv分别表示虚拟电阻值和虚拟电感值，i
oa
,i
ob
,i
oc
分别表示a,b,c三相的输出电流值。
[0092]
对上述公式进行clark变换得：
[0093][0094]
假设逆变器输出的三相电流为：
[0095][0096]
式中，i
om
为线路电流的幅值。
[0097]
将上述三相电流变换到αβ坐标系下可得：
[0098][0099]
得到虚拟阻抗在αβ坐标系下的表达式：
[0100][0101]
将上述公式进行park变换最终可得dq旋转坐标系下虚拟阻抗的实现方程为：
[0102]
[0103]
其中，u
refd
,u
refq
分别表示d轴和q轴的实际输出电压，分别表示d轴和q轴的参考输出电压，rv,lv分别表示虚拟电阻值和虚拟电感值，ω表示额定角频率，i
od
和i
oq
分别表示d轴和q轴的输出电流。
[0104]
参见图1，图1为基于下垂控制的孤岛交流微电网无功均分控制框图，其结构主要包括lc滤波器，pi控制器，功率计算模块，下垂控制模块，虚拟阻抗模块，在线估计线路阻抗模块，虚拟阻抗最优值模块。首先估计线路阻抗，然后通过虚拟阻抗最优值模块输出虚拟阻抗，再通过虚拟阻抗模块输出虚拟电压，来补偿微电网下垂控制生成的电压参考值，得到最终控制dq轴电压的电压基准值。
[0105]
图2为线路电阻辨识图，本实验所提出的辨识方法在3s时刻开始的，将线路电阻设置为0.04ω，实际电阻为0.04ω。从图中可以看出，当启用所提出的辨识方法时，识别的电阻可以很准确收敛到实际值，证明递归最小二乘算法的可行性。
[0106]
图3为线路电感辨识图，本实验所提出的辨识方法在3s时刻开始的，将线路电感设置为0.4mh,实际电阻为0.4mh。从图中可以看出，当启用所提出的辨识方法时，识别的电感可以很准确收敛到实际值，证明递归最小二乘算法的可行性。
[0107]
图4为虚拟电阻最优值图，本实验所提出的方法在3s时刻开始的。虚拟电阻最优值与理论最优值一致，为-0.016ω，证明本方法的可行性。
[0108]
图5为虚拟电感最优值图，本实验所提出的方法在3s时刻开始的。虚拟电感最优值与理论最优值一致，为-0.094mh，证明本方法的可行性。
[0109]
图6为无功功率图，本实验所提出的方法在3s时刻开始的。无功功率从由于线路阻抗不匹配无法均分到可以实现无功功率均分，证明本方法的可行性。
[0110]
图7为逆变器输出电压图，本实验所提出的方法在3s时刻开始的。图中可以看出避免了微电网中不必要的电压退化。由于采用了所提出的虚拟阻抗的最优值，微电网中的电压降减小了。
[0111]
了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于下垂控制的孤岛交流微电网无功均分方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取逆变器的电压和负载母线的电压，并取得逆变器与负载母线之间得的输出电流，通过递归最小二乘法，得到逆变器与负载母线之间的接口线路阻抗辨识值；步骤2：根据步骤1得到线路阻抗辨识值，对所有线路阻抗辨识值进行比较，得到最大值作为基准虚拟复阻抗；步骤3：根据步骤2的基准虚拟复阻抗，得出每个线路阻抗辨识值与基准虚拟复阻抗之间的差值，将这个差值取负作为每个逆变器的最优虚拟复阻抗；步骤4：根据步骤3得到最优虚拟复阻抗与输出电流相乘作为虚拟电压，来补偿微电网下垂控制生成的电压参考值，得到最终控制dq轴电压的电压基准值，最终实现无功功率的均分。2.根据权利要求1所述的基于下垂控制的孤岛交流微电网无功均分方法，其特征在于，步骤1得到逆变器与负载母线之间的接口线路阻抗辨识值的具体操作如下：首先推导出第j个逆变器的稳态运行的数学模型：其中，v
j
和i
j
分别为第j个逆变器的输出电压和电流测量值，v
pcc
是负载母线电压；设v
j
和v
pcc
为系统输入变量，i
j
为状态变量，得到连续时间状态空间模型：将上述公式以离散时间形式写成如下式：考虑测量的采样间隔t
s
，通过映射输入输出，得到以离散时间形式写成的状态方程的解：将上述公式写成线性回归形式为：其中y(k)是包含i(k)的输出向量，是由两个变量组成的输入向量，即一个样本的延迟电压v
j
(k-1)和电流i
j
(k-1)向量；θ为未知参数(r
fj
,l
fj
)的回归向量；使用的递归最小二乘算法在采样实例k处的方程表示为：
其中，ρ是遗忘因子，取值在0到1之间；根据估计的回归向量θ，直接计算第j个线路的电阻和电感分量，表示为：3.根据权利要求1所述的基于下垂控制的孤岛交流微电网无功均分方法，其特征在于，所述步骤2中基准虚拟复阻抗表示为：其中，表示线路阻抗的辨识值，r
v-base
、x
v-base
分别表示基准虚拟复阻抗的电阻和电抗，j表示线路个数。4.根据权利要求3所述的基于下垂控制的孤岛交流微电网无功均分方法，其特征在于，步骤3利用基准虚拟复阻抗，得出每个线路阻抗辨识值与基准虚拟复阻抗之间的差值，将这个差值取负作为每个逆变器的最优虚拟复阻抗：个差值取负作为每个逆变器的最优虚拟复阻抗：其中，r
v-base
、x
v-base
分别表示基准虚拟复阻抗的电阻和电抗，表示第一个线路电阻的辨识值，表示第一个线路电抗的辨识值。5.根据权利要求1所述的基于下垂控制的孤岛交流微电网无功均分方法，其特征在于，所述步骤4利用得到最优虚拟复阻抗与输出电流相乘作为虚拟电压，来补偿微电网下垂控制生成的电压参考值，得到最终控制dq轴电压的电压基准值：首先给出abc坐标系下虚拟阻抗的数学模型：其中，u
refa
，u
refb
，u
refc
分别表示a,b,c三相的实际输出电压，分别表示a,b,c三相的参考输出电压，r
v
,l
v
分别表示虚拟电阻值和虚拟电感值，i
oa
,i
ob
,i
oc
分别表示a,b,c三相的输出电流值；
可得dq旋转坐标系下虚拟阻抗的实现方程为：其中，u
refd
,u
refq
分别表示d轴和q轴的实际输出电压，分别表示d轴和q轴的参考输出电压，r
v
,l
v
分别表示虚拟电阻值和虚拟电感值，ω表示额定角频率，i
od
和i
oq
分别表示d轴和q轴的输出电流。

技术总结
本发明公开了一种基于下垂控制的孤岛交流微电网无功均分方法，包括以下步骤：首先利用递归最小二乘法对逆变器与负载母线之间的接口线路阻抗进行辨识，其次对所有线路阻抗辨识值进行比较，求出最大值作为基准虚拟复阻抗，然后求出每个线路阻抗辨识值与基础虚拟复阻抗之间的差值，将这个差值取负作为每个逆变器的最优虚拟复阻抗，最后，将最优虚拟复阻抗与输出电流相乘作为虚拟电压来补偿微电网下垂控制生成的电压参考值，得到最终控制dq轴电压的电压基准值，最终实现无功功率的均分。与现有技术相比，本发明微电网电压的进一步降低被阻止，在设计阶段不需要预先了解实际线路阻抗，根据可用的测量在线估计，避免了输出电流微分带来的电流高频扰动。微分带来的电流高频扰动。微分带来的电流高频扰动。


技术研发人员：王业琴 冯晓龙 阚宵宵 杨艳 李正豪 林嶒 卢智强
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/19