基于虛擬阻抗與虛擬電源的低壓微電網逆變器控制體系的制作方法
本發明涉及智能電網控制領域，具體涉及一種基于虛擬阻抗與虛擬電源的低壓微電網改進下垂控制方法的設計及其完整的控制系統。
背景技術：
隨著新能源和可再生能源發電的不斷滲透，為有效解決分布式發電大規模并網狀態下所引發的諸多問題，充分發揮其潛能，在分布式發電技術領域產生了微電網。微電網以微源的形式整合如光伏發電、風力發電等各種類型可再生能源，提高了資源的使用效率，并通過熱電聯產來更好地協調各式微源。下垂控制法作為廣泛適用于微網中逆變器的控制方法之一，可實現微源的即插即用功能及點對點控制，在協調微源工作時對微源間的通信并無太大依賴，所以在微源的功率平衡及電壓穩定等方面，下垂控制表現得更加高效和可靠。
在低壓微網中，以阻性為主的線路阻抗會造成下垂控制中的功率耦合問題，目前針對上述問題通常采用以下幾種控制方法：(1)虛擬坐標轉換方法；(2)虛擬阻抗法。前者通過對功率進行虛擬坐標轉換可一定程度上解耦功率，但是微網穩定性降低。后者通過控制逆變器的輸出阻抗來使線路阻抗呈感性，進而達到功率解耦的目的，一般可分為兩類，一是取數值相對于線路阻抗較大的虛擬電感，使其線路整體阻抗大致呈感性，但增加了系統的諧波電感，同時阻性線路阻抗的依舊存在會使功率解耦的程度不徹底，二是取數值等于線路阻抗的虛擬負電阻，用來抵消線路阻抗，功率解耦效果較好，但抵消后的感性線路阻抗可能會加大無功功率均分的偏差。除功率耦合問題外，無功均分問題也影響著微網的穩定運行，因各微源線路阻抗壓降的不同導致各微源輸出電壓不同，所以微源間的無功均分會存在一定程度的偏差，可能會出現某些微源出力異常的現象。正是出于上述原因，所以急需一種既能解耦功率，又能改善無功功率均分的控制方法，來確保低壓微網的功率及電壓的穩定。
技術實現要素：
本發明目的在于提供一種確保低壓微電網的功率解耦、改善無功功率均分效果的基于虛擬阻抗與虛擬電源的低壓微電網逆變器控制體系。
為實現上述目的，采用了以下技術方案：本發明所述控制體系分為下垂控制器、虛擬控制器、電壓/電流雙環控制器；通過改進下垂參數，建立能模擬虛擬電源作用的下垂控制器，并對下垂控制器電壓采用分數階PID進行追蹤控制；通過分析虛擬負電感與微源無功均分的關系，確定精準的無功均分所需的虛擬負電感的數值，在虛擬控制器實現虛擬阻抗，并將虛擬控制器壓降反饋至下垂控制器，參與虛擬電源電壓的分數階PID跟蹤控制；在電壓/電流雙環控制器同樣采用分數階PID對逆變器電壓進行跟蹤控制，根據濾波器的傳遞函數確定控制器中的濾波參數，并采用差分遺傳算法對分數階PID控制器參數進行優化。
本發明所述控制體系的具體構建步驟如下：
步驟1，確定虛擬電源的下垂特性方程；
步驟2，設計虛擬電源下垂控制參數；
步驟3，設計虛擬電源實現的下垂控制器；
步驟4，提出精準的無功功率均分所需的條件；
步驟5，設計虛擬阻抗實現的虛擬控制器；
步驟6，設計基于分數階PID的電壓/電流雙環控制器；
步驟7，設計電壓/電流環控制器的參數。
進一步的，步驟1中，根據虛擬電源與微源間的功率關系，確定虛擬電源的下垂特性方程：
可得改進的下垂控制方程：
式中，Pξ和Qξ是虛擬電源的輸出有功功率及無功功率，P和Q是微源的輸出有功功率及無功功率，Io是線路電流幅值，Rξ是虛擬電阻，Xξ是虛擬電感，RL是線路電阻，XL是線路電感，δξ是虛擬電源的功率角，ES是公共耦合點電壓幅值，fξ和是虛擬電源的頻率及其基準值，Eξ和是虛擬電源的輸出電壓幅值及其基準值，mξ和nξ是虛擬電源的有功和無功下垂系數，P*和Q*是微源的有功和無功基準值。虛擬負電阻用來抵消低壓微網中線路電阻以解耦功率，虛擬負電感用于按比例協調各微源的線路阻抗，與虛擬電源一起改善無功功率均分。
進一步的，步驟2中，基于傳統的微源下垂控制參數，首先考慮虛擬阻抗壓降及線路阻抗壓降，確定虛擬電源的電壓基準值及其可允許的最小運行電壓，其次依據確定好的上述兩個參數確定虛擬電源的下垂系數，并對比分析了虛擬電源與微源的下垂特性曲線；具體如下：
確定虛擬電源的電壓基準值及其最小運行電壓：
其中，ω是微源的角頻率，是微源的實際電壓基準值及最小運行電壓值，E*,Emin是微源的理論電壓基準值及最小運行電壓值，與分別是微源在基準無功輸出時與最大無功輸出時的虛擬壓降值，線路壓降值及有功輸出值；
依據上述虛擬電源的電壓基準值及最小運行電壓值來確定虛擬電源的無功下垂系數：
式中，ni是微源的無功下垂系數。由于虛擬電源與公共耦合點之間的線路電感LLi+Lξi相對于基準電壓很小，所以虛擬電源的無功下垂系數近似等于微源的理論無功下垂系數。
進一步的，步驟3中，根據檢測的線路電流及微源輸出電壓，通過電流的Park轉換分別計算出微源的有功輸出及無功輸出，并通過切換角頻率為ωc的低通濾波器來減少諧波功率影響：
式中，vod,voq是微源的輸出電壓dq分量，iod,ioq是線路電流的dq分量。
將微源的輸出功率作為虛擬電源下垂控制器的輸入，并采用步驟2中的虛擬電源下垂參數，獲得虛擬電源的電壓指令經過參數改進的下垂控制器間接地模擬了虛擬電源的作用；為減小虛擬電源電壓的輸出誤差，采用分數階PID控制器對虛擬電源電壓進行追蹤控制，其實際電壓的選取是下級虛擬控制器中反饋的虛擬阻抗壓降值與檢測的微源輸出電壓值之和。
進一步的，步驟4中，依據下垂控制中微源嚴格按照各微源容量比來均分負荷無功的原理，構建精準無功均分的條件：使采用虛擬阻抗后的整體阻抗(線路電感與虛擬電感的總阻抗)也遵循各微源容量之比，以此得出滿足條件的虛擬電感的值，為避免增加濾波電感，取虛擬電感為負電感；依據虛擬電感的數值分析此時各虛擬電源的電壓基準值及最小運行電壓值，得知各虛擬電源輸出電壓一致，通過分析各虛擬電源的下垂特性曲線解釋無功均分的情況；具體如下：
各虛擬電源的電壓：
將式(9)代入式(4)可得各微源的無功輸出：
若使微源按各自容量比例來均分負荷無功，則應使：
由式(7)得nξi≈ni，則使上式成立的條件即為
此時的各虛擬電源的電壓基準值及最小運行電壓差值為：
將式(11)及(12)代入式(13)，(14)可得：再代入式(4)可得：
因此，在條件為式(12)的情況下，各虛擬電源的電壓相同。
進一步的，步驟5中，首先根據檢測的線路電流Park轉換計算出虛擬壓降值，因虛擬電感處的壓降計算包含電流的微分項，很容易使高頻噪聲放大，甚至破壞虛擬電源電壓瞬態穩定性，因此采用復數極坐標形式的Lξs來代替jωLξ，此時的虛擬壓降為
一方面可將其反饋至下垂控制器合成虛擬電源的實際輸出電壓；另一方面使下垂控制器輸出的虛擬電源電壓指令減去該壓降值生成下級電壓/電流雙環控制器的電壓指令，以此來實現虛擬阻抗。
進一步的，步驟6中，分數階PID可增加控制器的靈活性；構建了電壓環及電流環控制器的狀態方程和各自輸出，在電壓環控制器采用分數階PID控制器，根據上級虛擬控制器輸出的電壓指令來輸出電流環控制器的電流指令；電流環控制器同樣也采用分數階PID控制器，根據電壓環控制器輸出的電壓指令來輸出微源逆變器最終的PWM調制電壓信號；
電壓/電流雙環控制器的狀態方程如下：
其中，Φ,Ψ分別是電壓環及電流環分數階PID控制器的輸出量，λ,α是積分階數，μ,β是微分階數，Kvp,Kvi,Kvd是電壓環的比例、積分及微分系數，Kcp,Kci,Kcd是電流環的比例、積分及微分系數。
電壓環控制器可根據上級虛擬控制器輸出的電壓指令來輸出電流環控制器的電流指令：
式中，Ff是前饋系數，Cf是濾波器電容值。
電流環控制器根據電壓環控制器輸出的上述指令來輸出逆變器的PWM調制電壓信號：
式中，Lf是濾波器電感值。
進一步的，步驟7中，首先構建LC濾波器的傳遞函數，通過其截止頻率及濾波器壓降的范圍來確定濾波參數值；其次采用差分遺傳算法得出分數階PID控制器的最優參數，保證理想的微源電壓跟蹤控制效果；具體如下：
首先分析了濾波器的傳遞函數：
其中，vo,vi分別是逆變器輸出電壓及濾波電感電壓，ω1是微網的基波角頻率，ωL是LC濾波器的切換角頻率：
對于LC的切換頻率fL，一般規定
10f1≤fL≤fh(min)， (22)
其中fh(min)是最低次諧波頻率；
同時要求濾波器的壓降不低于3％vo，因此根據式(20)可得
依據式(20)至式(23)可確定濾波電感值，濾波電容值及切換頻率等濾波器參數；電壓/電流雙環控制器中分數階PID的傳遞函數為
式中，Kp,Ki,Kd為比例、積分及微分系數，則時域控制信號為
u(t)＝Kpe(t)+KiD-λe(t)+KdD-μe(t)， (25)
最后采用差分遺傳算法優化電壓/電流雙環控制器中的分數階PID的參數，即比例、積分、微分系數及積分、微分階數的等參數。
與現有技術相比，本發明具有如下優點：
1、在下垂控制器中，依據分析的虛擬電源下垂特性來改進傳統下垂控制器的控制參數，無需引進實際的電源設備即可實現虛擬電源控制，減少了引入實際電源的成本，即可行又有效。
2、在虛擬控制器中構建了由負電阻和負電感組成的虛擬阻抗，虛擬負電阻用來抵消引起功率耦合問題的線路電阻，在線路阻抗呈感性的情況下，再通過虛擬負電感來按比例地平衡線路電感，在解決功率均分問題的同時也避免增加了濾波電感。
3、在電壓/電流雙環控制器采用分數階PID對逆變器輸出電壓跟蹤控制，并采用差分遺傳算法優化分數階PID的控制參數。
附圖說明
圖1為所述微源控制系統的整體控制結構圖。
圖2為采用虛擬電源及虛擬阻抗的改進下垂系統的原理結構圖。
圖3為傳統下垂系統與改進下垂系統的下垂特性曲線圖。
圖4為基于虛擬電源實現的下垂控制器模型圖。
圖5為基于虛擬阻抗實現的虛擬控制器模型圖。
圖6為基于分數階PID的電壓/電流雙環控制器模型圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明：
本發明所述微源控制體系如圖1所示，其具體構建步驟如下：
步驟1，確定虛擬電源的下垂特性方程；
本發明中改進下垂系統的原理結構圖如圖2所示，eξ是虛擬電源的輸出電壓，eDG是微源的輸出電壓，eS是公共耦合點電壓，Sξ是虛擬電源的輸出功率，S是微源的輸出功率，Rξ是虛擬電阻，Xξ是虛擬電感，RL是線路電阻，XL是線路電感。虛擬負電阻用來抵消低壓微網中線路電阻以解耦功率，虛擬負電感用于按比例協調各微源的線路阻抗，與虛擬電源一起改善無功功率均分。針對虛擬阻抗的取值，虛擬負電阻的值與線路電阻的值相同，負電感部分的取值則在步驟4中作進一步討論。圖2.(b)中改進系統的虛擬電源與公共耦合點之間的線路阻抗由線路電感與虛擬電感構成，主要呈感性，因此可視為虛擬電源的輸出功率是解耦的，但如果直接對虛擬電源采取下垂控制，其輸出功率的計算不便會增加控制器的設計難度，因此本發明考慮依據計算方便的微源功率來控制虛擬電源的輸出電壓，進而構造新的下垂控制方程，所以需確定圖2.(b)中的虛擬電源與微源功率間的關系：
因此可得改進的下垂控制方程：
式中，Pξ和Qξ是虛擬電源的輸出有功功率及無功功率，P和Q是微源的輸出有功功率及無功功率，Io是線路電流幅值，Rξ是虛擬電阻，Xξ是虛擬電感，RL是線路電阻，XL是線路電感，δξ是虛擬電源的功率角，ES是公共耦合點電壓幅值，fξ和是虛擬電源的頻率及其基準值，Eξ和是虛擬電源的輸出電壓幅值及其基準值，mξ和nξ是虛擬電源的有功和無功下垂系數，P*和Q*是微源的有功和無功基準值。
步驟2，設計虛擬電源下垂控制參數；
本發明基于微源的傳統下垂控制參數，首先考慮虛擬阻抗壓降及線路阻抗壓降，確定虛擬電源的電壓基準值及其最小運行電壓：
其中，ω是微源的角頻率，Ei-min是微源的實際電壓基準值及最小運行電壓值，E*,Emin是微源的理論電壓基準值及最小運行電壓值，與分別是微源在基準無功輸出時與最大無功輸出時的虛擬壓降值，線路壓降值及有功輸出值。
其次依據上述虛擬電源的電壓基準值及最小運行電壓值來確定虛擬電源的無功下垂系數：
式中，ni是微源的無功下垂系數。由于虛擬電源與公共耦合點之間的線路電感LLi+Lξi相對于基準電壓很小，所以虛擬電源的無功下垂系數近似等于微源的理論無功下垂系數。由圖3看出，與微源的實際無功下垂特性曲線l3,l4不同，虛擬電源的無功下垂特性曲線l5,l6比較接近微源的理論無功下垂特性曲線l1,l2，將有助于微源的無功均分。
步驟3，設計虛擬電源實現的下垂控制器；
本發明中虛擬電源實現的下垂控制器如圖4所示，其設計過程如下：
首先根據檢測的線路電流及微源輸出電壓，通過電流的Park轉換分別計算出微源的有功輸出及無功輸出，并通過切換角頻率為ωc的低通濾波器來減少諧波功率影響：
式中，vod,voq是微源的輸出電壓dq分量，iod,ioq是線路電流的dq分量。
其次，將微源的輸出功率作為虛擬電源下垂控制器的輸入，并采用步驟2中的虛擬電源下垂參數，獲得虛擬電源的電壓指令經過參數改進的下垂控制器間接地模擬了虛擬電源的作用。為減小虛擬電源電壓的輸出誤差，采用與步驟6中原理相同的分數階PID控制器對虛擬電源電壓進行追蹤控制，其實際電壓的選取是下級虛擬控制器中反饋的虛擬阻抗壓降值與檢測的微源輸出電壓值之和。
步驟4，提出精準的無功功率均分所需的條件；
一般而言，微網中各微源的運行頻率幾乎一致，因此有功均分比較精準，而線路阻抗的存在使得理論上本該一致的各微源的輸出電壓實際上存在偏差，因此無功均分偏差較大。本發明中因采用的是虛擬電源的電壓，可避開不一致的微源電壓，通過實現各虛擬電源電壓的一致，即可改善微源的無功均分。根據圖2.(c)可得各虛擬電源的電壓：
將式(9)代入式(4)可得各微源的無功輸出：
若使微源按各自容量比例來均分負荷無功，則應使：
由式(7)得nξi≈ni，則使上式成立的條件即為
此時的各虛擬電源的電壓基準值及最小運行電壓差值為：
將式(11)及(12)代入式(13)，(14)可得：再代入式(4)可得：
因此在條件為式(12)的情況下，各虛擬電源的電壓相同，依據圖3可看出此時的各微源無功輸出由直線l3,l4上的實際值Q′1,Q′2回調至直線l5,l6上的理論值Q1,Q2，無功均分理想。本發明為避免增加濾波電感，取虛擬電感為負電感，在滿足式(12)的前提下，又能減少濾波器負擔。
步驟5，設計虛擬阻抗實現的虛擬控制器；
本發明中虛擬阻抗實現的虛擬控制器如圖5所示，其設計過程如下：
首先根據檢測的線路電流Park轉換計算出虛擬壓降值，因虛擬電感處的壓降計算包含電流的微分項，很容易使高頻噪聲放大，甚至破壞虛擬電源電壓瞬態穩定性，因此采用復數極坐標形式的Lξs來代替jωLξ，如圖5所示，此時的虛擬壓降為
一方面可將其反饋至下垂控制器合成虛擬電源的實際輸出電壓；另一方面使下垂控制器輸出的虛擬電源電壓指令減去該壓降值生成下級電壓/電流雙環控制器的電壓指令，以此來實現虛擬阻抗。除此之外，虛擬控制器也對微源的無功均分發揮著及其重要的作用。
步驟6，設計基于分數階PID的電壓/電流雙環控制器；
本發明構建了多環的逆變器電壓控制方案，如圖6所示，因分數階PID可增加控制器的靈活度，因此在電壓環控制器及電流環控制器均采用分數階PID控制器，電壓/電流雙環控制器的狀態方程如下：
其中Φ,Ψ分別是電壓環及電流環分數階PID控制器的輸出量，λ,α是積分階數，μ,β是微分階數，Kvp,Kvi,Kvd是電壓環的比例、積分及微分系數，Kcp,Kci,Kcd是電流環的比例、積分及微分系數。
電壓環控制器可根據上級虛擬控制器輸出的電壓指令來輸出電流環控制器的電流指令：
式中，Ff是前饋系數，Cf是濾波器電容值。
電流環控制器根據電壓環控制器輸出的上述指令來輸出逆變器的PWM調制電壓信號：
式中，Lf是濾波器電感值。
步驟7，設計電壓/電流環控制器的參數；
因電壓/電流雙環控制器中含有濾波器的參數，所以必須確定這些參數的取值，本發明首先分析了濾波器的傳遞函數：
其中vo,vi分別是逆變器輸出電壓及濾波電感電壓，ω1是微網的基波角頻率，ωL是LC濾波器的切換角頻率：
對于LC的切換頻率fL，一般規定
10f1≤fL≤fh(min)， (22)
其中fh(min)是最低次諧波頻率。
同時要求濾波器的壓降不低于3％vo，因此根據式(20)可得
依據式(20)至式(23)可確定濾波電感值，濾波電容值及切換頻率等濾波器參數。
電壓/電流雙環控制器中分數階PID的傳遞函數為
式中，Kp,Ki,Kd為比例、積分及微分系數，則時域控制信號為
u(t)＝Kpe(t)+KiD-λe(t)+KdD-μe(t)， (25)
最后采用差分遺傳算法優化電壓/電流雙環控制器中的分數階PID的參數，即比例、積分、微分系數及積分、微分階數的等參數。
以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。
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