基于自适应虚拟电感的微电网并联逆变器功率调节方法

技术领域

本发明涉及领域，特别是涉及一种基于自适应虚拟电感的微电网并联逆变器功率调节方法。

背景技术

微电网孤岛运行控制方法主要分为3类，主从控制、对等控制和分层控制。当前实现孤岛模式下微电网多机并联运行的控制策略以下垂控制为主，下垂控制属于对等控制方法，采用这种控制方法时，微电网中各个DG(逆变器)根据本地信息实现调节，在不改变系统现有控制和保护策略情况下，随时可以将分布式电源接入微电网，实现“即插即用”。

下垂控制原理是通过有差调节特性曲线实现负荷功率按容量分配，传统P-f与P-U下垂控制广泛应用于逆变器的控制中，它们具有各自的控制特点。在传统有功功率/频率(P-f)下垂控制中,逆变器输出有功功率与输出频率成比例，输出无功功率与输出电压成比例。在与之对应的有功功率/电压(P-U)下垂控制中,输出无功功率与输出频率成比例，输出有功功率与输出电压成比例。由于现有各分布式电源地理位置的随机性，使得线路阻抗并不相等，采用下垂控制的微源不能完全依照额定容量成比例输出功率，这会导致部分微源过载、储能电池过放问题，造成系统环流大，甚至对系统的稳定运行产生影响。

为了减小输出功率的偏差，目前利用通信手段获取逆变器功率和母线电压数据来进行补偿控制，这增加了微电网的建设成本，并且会有通信延迟等问题，降低了整个系统的可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于自适应虚拟电感的微电网并联逆变器功率调节方法，具有的优点。

一方面，本发明提供了一种基于自适应虚拟电感的微电网并联逆变器功率调节方法，包括以下步骤：

S1、根据微电网预设的本地逆变器的传递函数，加入虚拟电感，使得本地逆变器的等效输出阻抗呈感性，实现功率的解耦控制；

S2、利用本地逆变器输出的无功功率和电压幅值的比值与虚拟电感系数相乘，得到自适应虚拟电感；

S3、将步骤S1加入的虚拟电感和步骤S2得到的自适应虚拟电感相加，得到总的自适应虚拟电感；

S4、根据总的自适应虚拟电感与本地逆变器输出的三相电流的dq轴电流分量，生成dq轴虚拟电压；

S5、利用dq轴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。

进一步地，所述步骤S2具体为：

式中，k

进一步地，所述步骤S3具体为：

L

式中，L

进一步地，所述步骤S5中dq轴电压的电压参考值的表达式为：

式中，U

进一步地，所述基于自适应虚拟电感的微电网并联逆变器功率调节方法还包括以下步骤：

S6、求解加入虚拟电感后并联的各逆变器的相对输出无功误差，并将该相对输出无功误差与传统未加入虚拟电感的并联的各逆变器的相对输出无功误差进行比较。

进一步地，设定并联逆变器的数量为两台，分别为DG

式中，e

所述传统未加入虚拟电感的DG

式中，e

另一方面，一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现其上所述的基于自适应虚拟电感的微电网并联逆变器功率调节方法的步骤。

再一方面，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现其上所述的基于自适应虚拟电感的微电网并联逆变器功率调节方法的步骤。

本发明首先，根据微电网本地逆变器的传递函数，加入虚拟电感，使得本地逆变器的等效输出阻抗呈感性(即基于虚拟电感将等效线路阻抗设计成感性)，实现功率的解耦控制；其次，利用本地逆变器输出的无功功率和电压幅值的比值与虚拟电感系数相乘，得到自适应虚拟电感；再次，将前述的虚拟电感和自适应虚拟电感相加，得到总的自适应虚拟电感；接着，根据总的自适应虚拟电感与本地逆变器输出的三相电流的dq轴电流分量，生成dq轴虚拟电压；最后，利用dq轴虚拟电压来补偿下垂控制得到的电压参考值，得到最终的电压基准值。通过上述过程，本发明利用虚拟电感来消除线路阻抗差异引起的无功功率均分误差，减小环流，即先基于虚拟电感将等效线路阻抗设计成感性，以实现功率解耦；再根据无功功率均分机理，得出线路阻抗与相对无功功率误差之间存在的关系，引入虚拟感抗的自适应环节，达到在不检测线路阻抗参数的条件下，实现补偿线路阻抗差异造成的输出电压差的目的，进而提高无功功率均分精度。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为传统微电网多个微源逆变器并联等效结构图。

图2为图1中输出无功功率Q与电压U关系曲线。

图3为传统下垂控制结构框图。

图4为传统逆变器等效传递函数框图。

图5为本发明一种基于自适应虚拟电感的微电网并联逆变器功率调节方法。

图6为本发明引入虚拟阻抗后的逆变器传递函数框图。

图7为本发明G

图8为本发明引入自适应虚拟电感前后输出无功功率Q与电压U关系曲线。

图9为自适应虚拟阻抗补偿控制结构图。

图10为引入自适应虚拟电感前后仿真实验图。

图11为仿真实验引入自适应虚拟电感前后相电流波形图。

图12为应用本发明改进方法前后逆变器输出的功率波形。

图13为应用本发明改进方法前后逆变器输出的电流波形。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为更好地阐述本发明一种基于自适应虚拟电感的微电网并联逆变器功率调节方法，本发明先对传统孤岛模式下微电网中多个微源逆变器并联的情形展开论述。

图1为孤岛模式下微电网多个微源逆变器并联等效结构图。参见图1，可以将各个微源等效为电压源，其中U

根据图1计算可得逆变器输出的有功、无功功率分别为：

在一般的微电网研究中，通常认为线路阻抗呈感性，则Z

由上式可知逆变器输出的有功功率与逆变器输出电压的相位差有关，无功功率与逆变器输出电压的幅值有关。电压相位差δ

f＝f

U＝U

式中f

由公式(4)可得到逆变器输出电压的另一种形式为：

考虑相同下垂系数的两台逆变器并联，图2为采用传统下垂控制时两台逆变器的无功功率分配情况,两台逆变器分别为DG

为实现精确的无功功率分配，多个并联DG的下垂系数满足以下关系：

其中，Q

由于线路阻抗的不同，导致逆变器输出无功功率均分误差。ΔQ

结合公式(6)和(7)得：

通过公式(9)和(10)得：

多台逆变器并联运行稳定时，总输出无功功率是恒定的。因此，对于多个并联的DG，因此无功功率分配误差的总和满足：

ΔQ

根据式(8)-(12)，可计算出各并联DG的相对输出无功误差e

图3为传统下垂控制结构框图，将分布式发电单元等效成恒定电压源U

逆变器完整的运行控制过程如下所述：首先由功率计算环节测量逆变器输出的三相电压和电流量并计算得到实际输出的有功功率与无功功率；然后下垂控制环依据下垂控制曲线自动调节逆变器的电压和频率期望值，并得到三相静止坐标系下的电压瞬时值，再通过派克变换得到dq坐标轴下的电压期望值；再经过电压电流双环控制器后得到所需的调制信号；最后由SPWM控制器控制逆变器的晶闸管开断输出交流电压。

图4为逆变器等效传递函数框图。图4是在图3的基础上，将图3体现的双环控制原理图化简为控制框图。

根据图4所示的逆变器传递函数框图，可以推导出逆变器的戴维南等效模型为：

U

式中，U

理想情况下，期望通过参数的设计使得G

在实际中低压微电网中线路阻抗为阻感性，这使得有功功率和无功功率的解耦控制难以实现。为了满足低压微网中线路阻抗为感性的假设，本发明引入了“虚拟阻抗”。

具体地，参见图5，在一个实施例中，提供了一种基于自适应虚拟电感的微电网并联逆变器功率调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据微电网预设的本地逆变器的传递函数，加入虚拟电感，使得本地逆变器的等效输出阻抗呈感性，实现功率的解耦控制；

S2、利用本地逆变器输出的无功功率和电压幅值的比值与虚拟电感系数相乘，得到自适应虚拟电感；

S3、将步骤S1加入的虚拟电感和步骤S2得到的自适应虚拟电感相加，得到总的自适应虚拟电感；

S4、根据总的自适应虚拟电感与本地逆变器输出的三相电流的dq轴电流分量，生成dq轴虚拟电压；

S5、利用dq轴虚拟电压来补偿微电网下垂控制生成的电压参考值，得到最终的电压基准值。

即本发明，首先，根据微电网预设的本地逆变器的传递函数，加入虚拟电感，使得本地逆变器的等效输出阻抗呈感性(即基于虚拟电感将等效线路阻抗设计成感性)，实现功率的解耦控制；其次，利用本地逆变器输出的无功功率和电压幅值的比值与虚拟电感系数相乘，得到自适应虚拟电感；再次，将前述的虚拟电感和自适应虚拟电感相加，得到总的自适应虚拟电感；接着，根据总的自适应虚拟电感与本地逆变器输出的三相电流的dq轴电流分量，生成dq轴虚拟电压；最后，利用dq轴虚拟电压来补偿下垂控制得到的电压参考值，得到最终的电压基准值。

图6为引入“虚拟阻抗”后的逆变器传递函数框图，虚线部分为虚拟电感环节，该方法用测量电流与虚拟电感的乘积作为参考电压的负反馈信号。逆变器的新的戴维南等效模型为：

U

Z

U'

图7为G

在进一步地技术方案中，为了提高无功功率分配的精度，本发明将本地逆变器输出的无功功率和输出电压幅值引入自适应虚拟电感控制器。每个DG的自适应虚拟电感可计算为：

式中，k

将自适应虚拟电感代入公式(13)，可得逆变器DG

式中，e

为验证本发明基于自适应虚拟电感的微电网并联逆变器功率调节方法的可靠性，根据公式(13)与(21)可知，通过逆变器的相对输出无功误差进行验证。即本发明还包括以下步骤：

S6、求解加入虚拟电感后并联的各逆变器的相对输出无功误差，并将该相对输出无功误差与传统未加入虚拟电感的并联的各逆变器的相对输出无功误差进行比较。

具体地，对比公式(13)与(21)可知,e'

为简化分析，假设DG

综上所述应用虚拟电感的方法，可以得到每个DG的总虚拟电感如下：

L

式中，L

在d轴和q轴上引入总虚拟电感后的电压基准值可以如下所示：

式中，U

参见图9，本发明利用本地逆变器输出的无功功率和电压幅值的比值与虚拟电感系数相乘，得到自适应虚拟电感。将前面得到的虚拟电感和自适应虚拟电感相加得到总的自适应虚拟电感。逆变器输出口测量得到三相电流经过派克变换得dq轴电流分量i

为了验证本文所提出的自适应虚拟阻抗策略的可行性，在MATLAB/Simulink中搭建微电网系统仿真模型。设计2台容量相等的逆变器并联运行，共同为线性负载(包括负载1、负载2和负载3)供电，具体的参数如表1所示。

表1建微电网系统的相关参数表

在t＝0～3.0s期间，微电网接入负载1和负载2运行。负载2在t＝3.0s时断开，负载3在t＝4.0～5.0s时接入。在t＝0～2.0s时，采用传统的下垂控制策略，在t＝2.0s时，采用所提出的自适应虚拟电感控制策略。

在稳态时，可以得到图10中(a)所示的准确的有功功率分配，图10中(b)显示了无功功率分配的效果。结果表明，在t＝2.0s时，采用所提出的自适应虚拟电感控制策略，无功功率分配精度显著提高，在不同的负载条件和微网结构下，可以保证有功功率和无功功率的准确分配。在图10中(c)采用传统的下垂控制策略，DG1和DG2的无功功率分配误差Q

DG1和DG2的输出电流仿真结果如图11所示，i

图12和图13分别为在加入自适应虚拟电感控制前后逆变器输出功率分配精度变化和系统环流大小变化的实验波形。在t1之前，微电网接入负载1和负载2运行。负载2在t2时断开，负载3在t3时接入。在t1之前，采用传统的下垂控制策略，在t1之后，采用所提出的自适应虚拟电感控制策略。实验参数在表1中列出。图12中Q

由图12和13可以看出，t

在一个实施例中，一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现基于自适应虚拟电感的微电网并联逆变器功率调节方法的步骤。

在一个实施例中，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现基于自适应虚拟电感的微电网并联逆变器功率调节方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上对本发明所提供的一种基于自适应虚拟电感的微电网并联逆变器功率调节方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。