基于下垂系数自适应切换的微电网环流抑制和状态恢复方法

1.本发明属于微电网环流抑制领域，具体涉及一种自适应切换微电网下垂系数的环流抑制和状态恢复方法。


背景技术：

2.微电网需要通过逆变器将新能源发电产生的直流电逆变为交流电，逆变器以相互并联的方式接入微电网，组成了微电网逆变器并联系统。然而由于系统各模块输出电压的频率和幅值等参数并不完全相同，以及等效输出阻抗及线路阻抗的差异，各模块之间会产生电压差，由于线路阻抗很小，所以很小的电压差就会产生很大的环流，影响微电网的稳定运行。现有的环流抑制方法主要采用虚拟阻抗法，该方法会降低输出电压和频率的幅值，环流损耗大，并且难以实现功率的精确分配。下垂控制是通过模拟传统电力系统中同步发电机下垂外特性对逆变器实施控制的一种方法，通过调节微网逆变器输出电压的相位和幅值来调节其输出的有功功率和无功功率。
3.本发明提出了一种通过自适应切换微电网下垂系数的环流抑制和状态恢复方法，其中微电网以下垂控制为核心，通过自适应切换下垂系数来降低逆变器之间的环流。下垂控制会使微电网的频率和电压产生偏差，通过下垂系数的设计使其具备washout滤波器功能，则可以在自适应切换过程中，实现对频率和电压运行状态的恢复。该方法与传统的下垂控制和环流抑制方法相比，有效降低了逆变器之间的环流，同时实现了状态恢复的效果，并且微电网输出的有功功率和无功功率得到了良好的均分，输出电压品质得到了良好的提升。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于下垂系数自适应切换的微电网环流抑制和状态恢复方法，能够自适应切换微电网的下垂系数，进而实现抑制环流和状态恢复。
5.针对现有技术的不足，本发明采用下述技术方案。
6.一种基于下垂系数自适应切换的微电网环流抑制和状态恢复方法，包括以下步骤：
7.步骤1：微电网内多逆变器系统并联运行，输出阻抗为感性的情况下，采用以下公式的基于下垂控制的功率分配算法：
[0008][0009]
其中，fi和ei分别为第i个逆变器系统的输出频率和输出电压，f
*
和e
*
分别为额定频率和额定电压，mi和ni均为下垂系数，pi和p
*
分别为输出有功功率和有功功率参考值，qi和q
*
分别为输出无功功率和无功功率参考值，δpi和δqi分别为有功功率差值和无功功率差值；
[0010]
步骤2：微电网内两个逆变器系统之间的环流通过以下公式来计算：
[0011][0012]
其中，i
l1
和i
l2
分别为两个逆变器的输出电流；
[0013]
而微电网内的电压和频率由锁相环测量得出；
[0014]
步骤3：针对下垂系数mi和ni，采用以下公式来实现自适应切换：
[0015][0016][0017]
其中，和分别为预设的有功功率和无功功率区间值，分别表示对δpi和δqi的幅值进行了k和l段的分割，α
1i
,α
2i
,
…
,α
ki
和β
1i
,β
2i
,
…
,β
li
分别为缩放因子；
[0018]
步骤4：在每一个控制周期内检测外在干扰和负载增减，触发对应区间内下垂系数的计算，设置缩放因子的大小，从而抑制微电网环流大小和恢复微电网内母线的电压和频率状态。
[0019]
本发明所采用的环流抑制方法只是对下垂系数进行简单快捷的自适应切换改变，没有直接改变原有的功率分配。对有功功率差值和无功功率差值的分段非常灵活，可以采用最直接的二段分法。而缩放因子也可以通过简单的均值平均法进行设置。在对下垂系数的设计过程中，可以使整个数学表达式具备washout滤波器功能，则在自适应切换的过程中，就可以对微电网系统内的频率和电压运行状态进行恢复。
附图说明
[0020]
图1为本发明的微电网内逆变器系统并联的简化结构图。
[0021]
图2为本发明的下垂系数自适应切换的控制框图。
[0022]
图3为本发明的使用下垂系数自适应切换的环流效果图。
[0023]
图4为本发明的对比使用传统环流抑制方法的环流效果图。
[0024]
图5为本发明的使用下垂系数自适应切换的母线电压幅值图。
[0025]
图6为本发明的对比使用传统环流抑制方法的母线电压幅值图。
[0026]
图7为本发明的使用下垂系数自适应切换的系统频率图。
[0027]
图8为本发明的对比使用传统环流抑制方法的系统频率图。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图和具体施例对本发明做进一步的说明。
[0029]
图1为本发明的微电网内逆变器系统并联的简化结构图，在此考虑两个逆变器的并联。输出阻抗为感性的情况下，每个逆变器的功率分配算法采用下垂控制方法，而电力变换控制信号的产生采用基于pi控制器的双环控制方法。采用的下垂控制方法如下：
[0030][0031]
其中，fi和ei分别为第i个逆变器系统的输出频率和输出电压，f
*
和e
*
分别为额定频率和额定电压，mi和ni均为下垂系数，pi和p
*
分别为输出有功功率和有功功率参考值，qi和q
*
分别为输出无功功率和无功功率参考值，δpi和δqi分别为有功功率差值和无功功率差值。
[0032]
而两个逆变器系统之间的环流通过以下公式来计算：
[0033][0034]
其中，i
l1
和i
l2
分别为两个逆变器的输出电流，分别通过公式：计算；其中ui(i＝1,2,
…
,n)是第i个逆变器的空载电压，e为母线电压，zi为第i个逆变器系统的线路阻抗，z0为负载阻抗；微电网内的电压和频率由锁相环测量得出，同时为环流的抑制效果和状态恢复效果提供参考数值。
[0035]
针对下垂系数mi和ni，采用以下公式来实现自适应切换：
[0036][0037][0038]
其中，和分别为预设的有功功率和无功功率区间值，分别表示对δpi和δqi的幅值进行了k和l段的分割，α
1i
,α
2i
,
…
,α
ki
和β
1i
,β
2i
,
…
,β
li
分别为缩放因子。
[0039]
在每一个控制周期内检测外在干扰和负载增减，触发对应区间内下垂系数的计算，设置缩放因子的大小，从而抑制微电网环流大小和恢复微电网内母线的电压和频率状态。本发明的下垂系数自适应切换的控制框图如图2所示。
[0040]
搭建两个逆变器系统并联的微电网模型，设计自适应切换控制器，应用于微电网下垂系数处，观测环流大小，并与使用传统环流抑制方法的微电网环流大小形成对比，传统方法的下垂控制系数固定不变。微电网在孤岛模式下运行，将负荷于t＝1秒时并入微电网，
于t＝2秒时再从微电网中分离，并观测这一期间微电网的环流和母线电压幅值与系统频率的运行状态变化情况，其中该负荷的功率为20kw。
[0041]
在该实施例中，k和l均设为6，缩放因子α和β均设为2。本发明的使用下垂系数自适应切换的环流效果图如图3所示，可见环流的大小数量级仅为1e-8a，约等于0。图4为本发明的对比使用传统环流抑制方法的环流效果图，相比较图3而言，该环流大小在10a左右，远远高于本发明公开的方法。针对系统运行状态，图5和图7分别为本发明的使用下垂系数自适应切换的微网逆变器dg1与dg2的母线电压幅值图和系统频率图，可见系统母线电压幅值和系统频率大小均维持在额定值附近(380v和50hz)，差距很小。相比而言，图6和图8分别为本发明的对比使用传统环流抑制方法的微网逆变器dg1与dg2的母线电压幅值图和系统频率图，可见传统方法下的母线电压幅值和系统频率大小与额定值之间呈现明显的偏差。
[0042]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于下垂系数自适应切换的微电网环流抑制和状态恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：微电网内多逆变器系统并联运行，输出阻抗为感性的情况下，采用以下公式的基于下垂控制的功率分配算法：其中，f
i
和e
i
分别为第i个逆变器系统的输出频率和输出电压，f
*
和e
*
分别为额定频率和额定电压，m
i
和n
i
均为下垂系数，p
i
和p
*
分别为输出有功功率和有功功率参考值，q
i
和q
*
分别为输出无功功率和无功功率参考值，δp
i
和δq
i
分别为有功功率差值和无功功率差值；步骤2：微电网内两个逆变器系统之间的环流通过以下公式来计算：其中，i
l1
和i
l2
分别为两个逆变器的输出电流；而微电网内的电压和频率由锁相环测量得出；步骤3：针对下垂系数m
i
和n
i
，采用以下公式来实现自适应切换：，采用以下公式来实现自适应切换：其中，和分别为预设的有功功率和无功功率区间值，分别表示对δp
i
和δq
i
的幅值进行了k和l段的分割，α
1i
,α
2i
,
…
,α
ki
和β
1i
,β
2i
,
…
,β
li
分别为缩放因子；步骤4：在每一个控制周期内检测外在干扰和负载增减，触发对应区间内下垂系数的计算，设置缩放因子的大小，从而抑制微电网环流大小和恢复微电网内母线的电压和频率状态。

技术总结
本发明公开了一种基于下垂系数自适应切换的微电网环流抑制和状态恢复方法，通过自适应调节下垂系数来抑制并联逆变器之间的环流同时实现状态恢复。由于微电网系统各模块输出电压以及线路阻抗的差异，并联逆变器之间会产生环流，影响微电网的稳定和高效运行。现有的基于虚拟阻抗法的环流抑制方法会降低输出电压和频率的幅值，环流损耗大，并且难以实现功率的精确分配。本发明通过简单快捷地对下垂系数进行自适应切换改变，有效降低了逆变器之间的环流，同时实现了状态恢复的效果，输出功率也得到了良好的均分。也得到了良好的均分。也得到了良好的均分。


技术研发人员：单英浩 王子平 沈波
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/14