賈磊磊

摘 要：由于傳統(tǒng)下垂控制會使電壓幅值和頻率產(chǎn)生偏移，瞬時響應(yīng)速度受限，以及由于線路阻抗不匹配所造成的環(huán)流等問題，提出了基于線路壓降補(bǔ)償?shù)目蓽p小微網(wǎng)母線電壓幅值偏移的下垂控制理論，并且該方法可維持逆變電源本地輸出電壓幅值和頻率的穩(wěn)定。針對實際低壓微網(wǎng)系統(tǒng)中線路阻抗為阻性，首先忽略線路阻抗中感抗成分，修正傳統(tǒng)下垂控制模型，改進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)；其次基于傳統(tǒng)電網(wǎng)中二次調(diào)頻理論，控制器增加電壓幅值和頻率的無差調(diào)節(jié)，維持逆變電源本地輸出電壓幅值和頻率的穩(wěn)定；再次，考慮逆變器到微網(wǎng)母線之間傳輸線上的電壓降，控制器再加入傳輸線路壓降補(bǔ)償。最后通過仿真驗證了所提出方法的正確性。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)母線；下垂控制；電壓穩(wěn)定；頻率恒定；分布式發(fā)電

中圖分類號：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

化石燃料是現(xiàn)階段人類所需能源的主要來源，但化石能源的不可再生性及其大規(guī)模使用造成的環(huán)境問題使其面臨著雙重壓力。因而人們在尋求一種可再生環(huán)境友好型的綠色能源來補(bǔ)充化石能源，甚至是替代化石能源。風(fēng)能，太陽能生物能源都是解決的途徑，但現(xiàn)今上述可再生能源的使用通常是以分布式能源出現(xiàn)的，分布式能源又通過微電網(wǎng)的形式間接的接入主電網(wǎng)，因而微網(wǎng)中分布式能源的控制方式成為研究的熱點。

為了使并行逆變器能夠體現(xiàn)電源特性，并且均分負(fù)載，逆變器通常采用傳統(tǒng)的下垂控制。下垂控制基于檢測本地信號，真正實現(xiàn)了分布式控制，并且具有很高的穩(wěn)定性及冗余性，使系統(tǒng)易于擴(kuò)展。但是其缺點是使電壓和頻率造成了一定的偏移，基于功率檢測的作用會降低系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度，以及逆變器之間由于線路阻抗特性的不同所造成的環(huán)流等問題。

但下垂控制一系列的改進(jìn)方法將上述不足做了很大的改善。本文研究的情況為低壓微電網(wǎng)。

1.下垂控制分析

1.1 傳統(tǒng)下垂控制

接入微網(wǎng)的分布式電源可以通過如圖1所示的電路進(jìn)行等效。

X，R為線路的等效感抗和阻抗。其傳輸?shù)墓β士捎上率竭M(jìn)行表示：

（1）

（2）

當(dāng)線路阻抗中，忽略阻抗R的作用時，其表達(dá)式可得到如下表達(dá)式：

（3）

（4）

通過上式可以看出，有功功率主要和DG與微網(wǎng)母線電壓的相位差有關(guān)，無功功率主要DG與微網(wǎng)的電壓差值有關(guān)系，由于頻率信號便于檢測因而，傳統(tǒng)下垂控制采用下列式子進(jìn)行控制：

（5）

（6）

fref為額定頻率，Vref為額定電壓幅值，kp，kq為下垂系數(shù)，P、Q為逆變器輸出的有功和無功功率。當(dāng)逆變器輸出的有功功率增大時，頻率會有一定的下降，當(dāng)輸出的無功增大時，電壓會有微小的降低，這樣最終實現(xiàn)了供電與負(fù)載的平衡和逆變器之間的功率分配。

1.2 反下垂控制

反下垂控制在（1）、（2）式的基礎(chǔ)上，將線路組抗中的感抗成分X忽略掉，得到如下的控制方式：

（7）

（8）

此時電壓和頻率的控制入下式所示：

（9）

（10）

其控制框圖如下所示：

反下垂控制在穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)方面比傳統(tǒng)下垂控制有很大的改進(jìn)，其原因是其控制部分采用的模型與實際模型更加接近。但是當(dāng)輸出功率增大時，反下垂控制的電壓和頻率會產(chǎn)生顯著的偏移。因而進(jìn)一步采用能夠維持本地輸出電壓和頻率穩(wěn)定的改進(jìn)的下垂控制。

1.3 改進(jìn)的下垂控制

基于傳統(tǒng)電網(wǎng)中二次調(diào)頻的理論，衍生出了改進(jìn)的下垂控制。

當(dāng)負(fù)荷引起頻率偏移時，一般利用發(fā)電機(jī)組上裝設(shè)的調(diào)速器來控制和調(diào)整原動機(jī)的輸入功率，以維持系統(tǒng)的頻率水平，這稱為頻率的一次調(diào)整。當(dāng)負(fù)荷變化引起的頻率偏移較大，僅靠調(diào)速器的作用往往不能將頻率偏移限制在允許的范圍之內(nèi)，此時必須由調(diào)頻器參與控制與調(diào)整，這種調(diào)整稱為頻率的二次調(diào)整。其控制框圖如圖3所示。

改進(jìn)的下垂控制達(dá)到的效果是能夠維持本地輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。由于分布式電源通過一定的傳輸線路連接到微網(wǎng)母線上，由于逆變器輸出點頻率保持在額定值，因而微網(wǎng)母線電壓的頻率也能維持在額定值，因而消除了下垂控制在頻率上產(chǎn)生的偏移。微網(wǎng)中電壓幅值存在如下關(guān)系：

（11）

Vo為逆變器本地輸出，?V為線路壓降，Vbus為微網(wǎng)母線電壓。當(dāng)輸出的功率增大時，逆變器雖然能夠維持本地輸出的電壓幅值保持恒定，即Vo恒定，但是功率增大，電流也增大，逆變器到微網(wǎng)母線之間的傳輸線上的電壓降也隨之增大，?V增大，最后造成微網(wǎng)母線電壓的幅值出現(xiàn)降低，即Vbus降低因而下垂控制在電壓幅值上產(chǎn)生的偏移沒有被完全消除。針對這一不足，本文進(jìn)一步改進(jìn)提出了基于線路壓降補(bǔ)償可減小微網(wǎng)母線電壓幅值的偏移并維持本地輸出電壓和頻率的穩(wěn)定下垂控制。

2.加入線路壓降補(bǔ)償?shù)南麓箍刂?/p>

在上述維持本地輸出電壓和頻率的穩(wěn)定下垂控制的基礎(chǔ)上，再考慮?V的作用，當(dāng)傳輸線路中的電流增大時，線路壓降也隨之增大， ?V的大小我們可以通過檢測逆變器本地輸出的電流信號，通過令其與估算的傳輸線阻抗Z相乘可得，我們可以通過下式來控制：

（12）

（13）

通過以上式子，我們可以維持Vo穩(wěn)定，此時Vo與Vbus相等。

令電壓環(huán)節(jié)電壓的參考值按輸出電流的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，如下所示：

（14）

電壓環(huán)節(jié)控制的結(jié)構(gòu)圖4所示：

Io為逆變器輸出電流，通過令電壓給定信號跟隨輸出電流的變化而變化，從而達(dá)到消除線路壓降?V變化的影響。

3.仿真過程驗證

基于本文提出的理論，在PSCAD軟件中進(jìn)行了仿真驗證。endprint

仿真過程中，0.5s時微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)由并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行。如圖5所示為兩種方案在相同情況下微網(wǎng)母線電壓的對比，分別為改進(jìn)的下垂控制和加入線路壓降補(bǔ)償?shù)南麓箍刂啤?/p>

從圖5中可看出，微網(wǎng)在由0.5s由并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行時，改進(jìn)的下垂控制電壓有明顯的降低，原因是輸出功率增大，線路壓降增大，加入線路壓降補(bǔ)償后，微網(wǎng)母線電壓的下降大為減少。通過加入傳輸線壓降的補(bǔ)償，大大提高了微網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定。圖中當(dāng)相同的功率增加時，電壓下降的量由0.012（pu）降低為0.002。

加入線路阻抗后，會不會影響逆變器之間的功率分配，通過圖6可以看出，雖然加入線路壓降補(bǔ)償后，兩臺逆變器輸出的功率還是達(dá)到了很好的功率分配的要求。

通過以上仿真對比證明了加入線路壓降補(bǔ)償后，微網(wǎng)母線電壓在負(fù)載發(fā)生變化的情況下波動更小，且達(dá)到了很好的功率分配的要求。

結(jié)語

本文首先介紹了主從控制，平均電流法及下垂控制各自的優(yōu)缺點，之后詳細(xì)介紹了下垂控制中的傳統(tǒng)下垂控制，反下垂控制以及改進(jìn)的下垂控制。低壓系統(tǒng)中，反下垂控制提高了快速性和穩(wěn)定性，改進(jìn)的下垂控制實現(xiàn)了消除頻率偏移的目標(biāo)，但沒有實現(xiàn)消除微網(wǎng)微網(wǎng)母線電壓偏移的目的，本文提出的線路壓降補(bǔ)償?shù)姆椒?，在很大程度上減小了微網(wǎng)母線電壓幅值由于下垂控制所產(chǎn)生的下降偏移，很好的維持了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，且達(dá)到了功率分配的要求。最后通過仿真驗證了其正確性。

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