一種額定頻率補償?shù)母倪M下垂法在分布式微電網(wǎng)中的應用

王 岳 ，楊國華 ，2

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力負荷不斷增加，能源和環(huán)境問題日益突出，基于風電、光伏等可再生能源的分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）已得到世界各國的重視并快速發(fā)展，但大量DG單元直接并網(wǎng)會給電網(wǎng)帶來一系列的新問題。為了充分發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢，削弱DG對電網(wǎng)的沖擊和負面影響，提高供電的可靠性，一種由分布式電源、儲能系統(tǒng)、負荷和保護控制裝置構(gòu)成的微電網(wǎng)已成為DG單元與電網(wǎng)連接的有效模式［1-2］。

微電網(wǎng)誕生之后，如何對其進行有效控制成為研究熱點之一。微電網(wǎng)有兩種穩(wěn)定運行狀態(tài)，即并網(wǎng)運行和孤島運行。微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，電壓、頻率受大電網(wǎng)的鉗制作用，當負載發(fā)生變化時能夠穩(wěn)定在規(guī)定范圍之內(nèi)。為了實現(xiàn)間歇性電源的最大利用率，并網(wǎng)模式下主要選擇P/Q控制方式。微電網(wǎng)孤島運行時，沒有大電網(wǎng)的鉗制作用，一般用下垂控制保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，與此同時，微電網(wǎng)電壓頻率會有穩(wěn)定偏差，這使得微電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，不利于再次并網(wǎng)運行。文獻［3、4］基于傳統(tǒng)下垂控制器對DG單元逆變器進行控制，其在孤島運行時，頻率極易產(chǎn)生偏差。文獻［5］提出了一種基于同步發(fā)電機模型的逆變器控制策略，當負荷有功功率變化時，采用了一次調(diào)頻和二次調(diào)頻實現(xiàn)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。文獻［6］通過切負荷實現(xiàn)無差調(diào)頻，這種策略只有在緊急情況下使用，只能減小頻率靜差。文獻［7、8］采用綜合控制策略，由儲能裝置根據(jù)電網(wǎng)電壓頻率的變化，使V/F控制和下垂控制互相切換，且為了實現(xiàn)平滑切換，還設計了控制器狀態(tài)跟隨器，更有效地實現(xiàn)了頻率的穩(wěn)定，但其控制過程過于復雜。

本文依據(jù)低壓微電網(wǎng)下垂控制，利用比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制器設計了靈活性較強的額定頻率補償器，在簡化了控制過程的同時，實現(xiàn)了DG單元孤島運行在有功功率發(fā)生變化時頻率無靜差。最后通過Matlab/Simulink仿真平臺對改進的下垂控制系統(tǒng)進行了仿真，仿真結(jié)果表明了改進策略的有效性和可行性。

2 下垂控制原理

下垂控制是對等控制的典型控制方法。當系統(tǒng)的負荷發(fā)生變化時，多個并聯(lián)的分布式電源間不需要通訊互聯(lián)線，就能實現(xiàn)負荷的分配。對于逆變電源等效電路阻抗為感性的系統(tǒng)，當逆變電源輸出的有功功率較大時，利用有功功率和頻率的下垂特性，增大輸出頻率，從而減小輸出的有功功率；當逆變電源輸出的有功功率較小時，則利用有功功率和頻率的下垂特性，減小輸出頻率，從而增大輸出的有功功率。同理，可利用無功功率和電壓幅值的下垂特性，調(diào)節(jié)逆變電源輸出的無功功率。下垂控制方程如式（1）所示［11、12］。

式中，m為有功功率和頻率的下垂系數(shù)，n為無功功率和電壓的下垂系數(shù)，fn為電網(wǎng)額定頻率，Pn為微電源在額定頻率下的有功功率輸出，U0為微電源輸出無功功率為0時的電壓幅值，P、Q分別為逆變電源輸出的平均有功功率和無功功率。

3 改進下垂控制

3.1 改進下垂控制原理

在微電網(wǎng)孤島運行方式下，若所有逆變器都采用下垂控制，當負荷發(fā)生變化時，微電網(wǎng)電壓與頻率會隨著負荷增加而減小。當系統(tǒng)穩(wěn)定后，電壓和頻率會產(chǎn)生穩(wěn)定偏差，降低電能質(zhì)量，不利于再次并網(wǎng)運行。

圖1 P/f下垂特性

P/f下垂特性如圖1所示。假設微電網(wǎng)初始穩(wěn)定工作點為點A，當系統(tǒng)內(nèi)有功功率增加時，根據(jù)下垂控制原理，微電網(wǎng)為保證穩(wěn)定運行，頻率會隨之下降，如圖中由點A運行至點B。為了改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量，盡可能地做到頻率無靜差，可將下垂特性線向上平移，即給下垂控制參考額定頻率進行補償，得到虛擬額定頻率fn′，運行狀態(tài)由點B運行至點C。同理可分析微電網(wǎng)內(nèi)有功負荷降低的工作過程。虛擬額定頻率可表示為：

式中，fn′是經(jīng)過補償后所得的虛擬額定頻率，fn是電網(wǎng)額定頻率，Kp、Ki、Kd是PID控制器參數(shù)，f是微電網(wǎng)實時測量頻率。采用PID控制，比例環(huán)節(jié)可以增加系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)態(tài)精度，積分環(huán)節(jié)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為0，微分環(huán)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖2 改進下垂控制結(jié)構(gòu)

3.2 額定頻率補償器設計

根據(jù)上述改進下垂控制原理，可設計出如圖2所示的額定頻率補償控制結(jié)構(gòu)。

改進后的下垂控制方程如下：

4 模型分析與算例仿真

4.1 模型分析

圖3 下垂控制原理圖

基于Matlab/Simulink軟件搭建了如圖3所示的控制原理圖。Lf是濾波電感，Cf是濾波電容，其連接阻感性負荷。為了抑制LC濾波器發(fā)生振蕩，串入了較小阻尼電阻Rf。濾波電容電壓（即負載電壓）為u0，濾波后的輸出電流為i0，流向濾波電容的電流為ic。電容電流內(nèi)環(huán)相比于電感電流內(nèi)環(huán)，其外部特性更硬，而且其電容電流能更好地反應輸出電壓和負載的瞬時擾動變化，可以更好地適應負載變化并對負載擾動進行抑制［14］，因此本文選擇電容電流作為電流內(nèi)環(huán)的控制量。

由圖3可知，首先通過測量模塊，測得逆變器經(jīng)LC濾波器后的輸出電流和負荷電壓；再應用坐標變換，將三相交流電壓和電流變?yōu)閮上嗤叫D(zhuǎn)的直流量，由功率計算單元和低通濾波器得到逆變器電源輸出的平均有功功率和無功功率P、Q；再經(jīng)過改進下垂控制器對額定頻率進行補償，并利用電壓合成模塊，合成雙閉環(huán)控制中電壓外環(huán)的參考控制電壓，而電流內(nèi)環(huán)的控制量選取線路電容電流；最后利用坐標旋轉(zhuǎn)，合成出逆變器的三相調(diào)制信號。

4.2 算例仿真

某系統(tǒng)運行在孤島模式下，其初始負荷的有功功率為200kW，無功功率為10kVar。當系統(tǒng)運行0.4s時給系統(tǒng)加入一個有功功率為20kW、無功功率為5kVar的負荷，系統(tǒng)再運行0.4s時切除該加入的負荷，使系統(tǒng)繼續(xù)運行至1s，然后結(jié)束仿真。仿真參數(shù)設置如下：微電源參數(shù)為Vdc＝600V，Pn＝200kW，fn＝50Hz，U0＝311V，m＝1.2e-5，n＝3e-4；濾波器參數(shù)為 Rf＝0.01Ω，Lf＝0.6e-3H，Cf＝1500e-6F；電壓電流雙閉環(huán)控制參數(shù)為電流內(nèi)環(huán)K＝5，電壓外環(huán)Kup＝1，Kui＝100；額定功率補償器參數(shù)為 Kp＝1，Ki＝100，Kd＝0.01。

仿真結(jié)果如下圖所示：

圖4 改進下垂控制逆變器有功功率輸出

圖5 改進下垂控制逆變器無功功率輸出

圖6 改進下垂控制負載端電壓

圖7 改進下垂控制負載端電壓電流

圖8 改進前微電網(wǎng)頻率

圖9 改進后微電網(wǎng)頻率

5 結(jié)束語

應用本文所提出的基于額定頻率補償?shù)母倪M下垂控制方法，在簡化了頻率調(diào)節(jié)過程的同時，既保證了逆變電源功率的正常輸出，又保證了當微電網(wǎng)負載增加時電壓的小范圍變動，并依靠電流變化調(diào)節(jié)輸出功率，最重要的是保證了微電網(wǎng)頻率的無靜差，提高了微電網(wǎng)的電能質(zhì)量，有利于其平滑并網(wǎng)運行。

參考文獻：

［1］鄭永偉，陳民鈾，李 闖，等.自適應調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的微電網(wǎng)控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，4（7）：6-11.

［2］張明銳，杜志超，王少波.微網(wǎng)中下垂控制策略及參數(shù)選擇研究［J］.電工技術(shù)學報，2014，29（2）：136-144.

［3］王成山，肖朝霞，王守相.微網(wǎng)綜合控制與分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32（7）：98-103.

［4］王成山，肖朝霞，王守相.微網(wǎng)中分布式電源逆變器的多環(huán)反饋控制策略［J］.電工技術(shù)學報，2009，24（2）：100-107.

［5］吳蓓蓓，蘇建徽，張軍軍，等.用于微電網(wǎng)孤島運行的逆變電源控制方法［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2011，23（1）：1-5.

［6］林湘寧，李正天，薄志謙.適用于微網(wǎng)孤島運行的低頻減載方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（3）：16-20.

［7］趙冬梅，張 楠，劉艷華，張 旭.基于儲能的微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運行模式平滑切換綜合控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013，2（2）：301-306.

［8］鄭競宏，王燕廷，等.微電網(wǎng)平滑切換控制方法及策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，9（18）：17-24.

［9］王 鶴，李國慶.含多種分布式電源的微電網(wǎng)控制策略［J］.電力自動化設備，2012，5（5）：19-23.

［10］李 聰.基于下垂控制的微電網(wǎng)運行仿真及小信號穩(wěn)定性分析［D］.成都：西南交通大學，2013.

［11］呂婷婷.微電源控制方法與微電網(wǎng)暫態(tài)特性研究［D］.山東：山東大學，2010.

［12］周 晨.基于虛擬阻抗的微電網(wǎng)下垂控制策略及諧波抑制方法研究［D］.成都：西南交通大學，2014.

［13］葉 楠，孟憲會，邢 巖.逆變器電感電流和電容電流反饋控制方式的比較研究［A］.航空電源航空科技重點實驗室學術(shù)年會論文集［C］.2005.169-174.

［14］閆 炎.微電網(wǎng)逆變器多環(huán)反饋控制研究［D］.秦皇島：燕山大學，2012.

［15］程志江，謝永流，等.風力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)測逆變器雙閉環(huán)控制策略研究［J］.電測與儀表，2016，53（9）：40-46.

［16］呂 義.基于下垂控制的并聯(lián)逆變器建模與分析［J］.電氣工程學報，2016，11（5）：21-29.

［17］馬玉娟，楊國華，等.基于改進下垂法的微網(wǎng)并網(wǎng)控制策略研究［J］.電測與儀表，2015，52（16）：61-66.

［18］姚 俊，杜紅彪，等.微網(wǎng)逆變器并聯(lián)運行的改進下垂控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（4）：932-938.