微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)基于逆變器的新型功率控制

張 軒，劉進(jìn)軍

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049）

1 引言

近年來(lái)，分布式發(fā)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展對(duì)現(xiàn)有的電力市場(chǎng)帶來(lái)了益處，同時(shí)也帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。分布式能源的管理與控制技術(shù)的進(jìn)步為微網(wǎng)的形成鋪平了道路[1]。微網(wǎng)是一種由分布式電源和負(fù)載構(gòu)成的，有能力獨(dú)立運(yùn)行的配電網(wǎng)系統(tǒng)[2]。微網(wǎng)可以平滑地過(guò)渡并運(yùn)行于如下兩種方式[3，4]：

正常并網(wǎng)模式——微網(wǎng)與一主干中壓電網(wǎng)相連，既可以向電網(wǎng)輸送能量，也可以從電網(wǎng)中獲得能量。

緊急模式——微網(wǎng)與上級(jí)電網(wǎng)斷開(kāi)，獨(dú)立運(yùn)行。

大多數(shù)分布式能源由于其特性，不能直接接入微網(wǎng)。因此，需要電力電子接口（dc/ac或ac/dc/ac）從而使逆變器控制成為微網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵[3，5]。在文獻(xiàn)[6，7]中，已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了微網(wǎng)孤島運(yùn)行及重新連網(wǎng)技術(shù)，并且展示了逆變器在該過(guò)程中如何自動(dòng)地將控制模式由電流源型轉(zhuǎn)換為下垂控制特性。但微網(wǎng)一般運(yùn)行在低壓配電網(wǎng)中，這樣線路就不能近似為一純電感，而有著較高的R/L比率。因此在這種情況下，頻率-有功（P-f）、幅值-無(wú)功(Q-U)下垂特性就必須有所修正[8～10]。

通過(guò)以上修正，傳統(tǒng)的下垂特性在純阻性電路下變?yōu)轭l率-無(wú)功、幅值-有功下垂特性，在高R/L比值下則變?yōu)镻-P’-f和Q-Q’-U下垂特性。這樣，只要知道傳輸線路的阻抗特性，就可以精確地控制微網(wǎng)中逆變器之間的功率分配。但負(fù)載在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，頻率大幅偏移所帶來(lái)的穩(wěn)定性問(wèn)題依然存在。在文獻(xiàn)[11]中，這種問(wèn)題得到了關(guān)注，但解決的方法是通過(guò)信號(hào)傳輸線從微網(wǎng)的總控制器中發(fā)出指令來(lái)設(shè)置某些逆變器的工作點(diǎn)，而不是對(duì)逆變器的無(wú)傳輸線獨(dú)立控制。

在本文中，用于微網(wǎng)孤島模式下逆變器并聯(lián)的一種新型的無(wú)傳輸線動(dòng)態(tài)下垂控制策略被提出。通過(guò)動(dòng)態(tài)地改變某類逆變器的下垂曲線位置，將頻率偏移控制到了設(shè)定的范圍內(nèi)，極大地增強(qiáng)了微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文首先對(duì)這種控制方法進(jìn)行了分析，并提出了設(shè)計(jì)方法，最后通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真對(duì)這種控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 理論分析

2.1 傳統(tǒng)的下垂控制

對(duì)于如圖1所示的輸電線，從A點(diǎn)流入的有功P和無(wú)功Q可由下式表示：

圖1 通過(guò)傳輸線的有功與無(wú)功功率

在一般的線路長(zhǎng)度下，傳輸線兩端的電壓相差δ 很小，因此有 sinδ≈δ,cosδ≈1,則上式可等效為：

式（3）、式（4）說(shuō)明了在純感性傳輸線下，傳輸?shù)挠泄β实拇笮∮啥穗妷合辔徊瞀臎Q定，而無(wú)功功率的大小則由端電壓的幅值差決定。而對(duì)頻率的控制可以自動(dòng)地控制相角。因此，如果負(fù)載消耗的有功和無(wú)功確定的話，微網(wǎng)中逆變器電源的電壓頻率和幅值就被確定了。通過(guò)上述結(jié)論，可以得到傳統(tǒng)的P-f和Q-U下垂特性：

其中f0和U0分別為逆變器輸出電壓的額定頻率和幅度。而P0和Q0則分別為逆變器輸出的額定有功和無(wú)功。kp和kq分別為有功-頻率下垂特性斜率和無(wú)功-幅值下垂特性斜率。逆變器輸出電壓功率的下垂特性可以由圖（2）表示。

圖2 P-f與Q-U下垂特性

2.2 新型動(dòng)態(tài)有功管理

圖3 所示為兩臺(tái)逆變器的P-f下垂控制。在圖3（a）中，對(duì)A1和A2兩點(diǎn)輸出電壓的頻率通過(guò)圖3（c）所示的控制框圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。在圖3（b）中，曲線sum為逆變器inv1和inv2輸出的總功率與頻率的下垂特性，當(dāng)負(fù)載從“l(fā)oad0”變?yōu)椤發(fā)oad1”，系統(tǒng)的頻率會(huì)從f0移至f1。這種控制策略可以使得逆變器之間有好的功率分配特性。但是當(dāng)f1距f0較遠(yuǎn)時(shí)，會(huì)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生不良影響，甚至使整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖3 P-f下垂特性用于逆變器并聯(lián)

當(dāng)頻率上升或下降到設(shè)定的閾值時(shí)，如50.0±0.2 Hz，通過(guò)改變P-f下垂曲線的位置，則可以使頻率重新回到50.0 Hz。如圖4（a）所示，在初始狀態(tài)，逆變器和負(fù)載的P-f曲線分別為曲線a和L0，當(dāng)負(fù)載突增時(shí)，負(fù)載的P-f曲線變?yōu)長(zhǎng)1，所以逆變器的工作點(diǎn)開(kāi)始從A向C移動(dòng)。但當(dāng)工作點(diǎn)移動(dòng)至B點(diǎn)時(shí)，出于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，系統(tǒng)頻率不能再降低。 這時(shí) P-f曲線開(kāi)始由 a向 a'，a''，a'''…移動(dòng)，在這期間，工作點(diǎn)由B向D移動(dòng)。當(dāng)下垂曲線由a移至b的同時(shí)，逆變器的工作點(diǎn)也由B點(diǎn)到達(dá)D點(diǎn)，這樣形成最終的P-f曲線，并且系統(tǒng)的頻率重新回到了50.0 Hz。在此之后，當(dāng)負(fù)載再發(fā)生變化時(shí)，只要不使得頻率變動(dòng)再次超過(guò)閾值，逆變器之間仍由傳統(tǒng)的方式分配功率。

圖4 動(dòng)態(tài)有功管理示意圖

這種動(dòng)態(tài)能量管理的控制框圖由圖4（b）所示,其中 H(s)為調(diào)節(jié)器，S為開(kāi)關(guān)。 當(dāng)|Δf|達(dá)到閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)S閉合。通過(guò)調(diào)節(jié)Δf可以得到δP，這樣就改變了P-f曲線的位置，最終的曲線可由下式表示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

當(dāng)微網(wǎng)處于孤島模式下，微網(wǎng)中什么樣的逆變器可以應(yīng)用這種動(dòng)態(tài)有功管理？在對(duì)確定的逆變器進(jìn)行控制時(shí)，如何控制開(kāi)關(guān)S的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻？當(dāng)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，如何使系統(tǒng)頻率重新回到50.0 Hz？這一節(jié)中將對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行討論。

3.1 對(duì)逆變器的選擇

微網(wǎng)的運(yùn)行由幾個(gè)基本技術(shù)構(gòu)成。這些包括：分布式發(fā)電（DG）、分布式儲(chǔ)能（DS）、連網(wǎng)開(kāi)關(guān)以及系統(tǒng)控制[2]。其中，分布式發(fā)電和分布式儲(chǔ)能都需要通過(guò)逆變器才能與微網(wǎng)連接。

在分布式儲(chǔ)能技術(shù)中，儲(chǔ)能能力可分為中長(zhǎng)期能量需要和短期能量需要。由于這種新型動(dòng)態(tài)有功管理的特性，逆變器需要在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其輸出功率和較大的能量密度。因此這種控制策略可應(yīng)用于微網(wǎng)中提供中長(zhǎng)期能量的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，其輸出功率由自然環(huán)境決定，但當(dāng)由負(fù)載下降有需要?jiǎng)討B(tài)有功管理時(shí)，分布式發(fā)電系統(tǒng)仍可參與，其多余的能量可提供至與之相連或相近的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

3.2 開(kāi)關(guān)及調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)的控制框圖如圖5所示，ABS表示求絕對(duì)值，ABS輸出后的框圖中橫坐標(biāo)表示頻率偏差的絕對(duì)值，縱坐標(biāo)表示開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，1為開(kāi)通，0為關(guān)斷。其功用為當(dāng)負(fù)載的大幅變化使得系統(tǒng)的頻率偏移高于或達(dá)到設(shè)定的0.2 Hz時(shí)[12]，開(kāi)關(guān)S閉合，這時(shí)P-f曲線的位置開(kāi)始移動(dòng)。當(dāng)輸出功率與負(fù)載在50.0 Hz處平衡時(shí)，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)。

圖5 對(duì)開(kāi)關(guān)S的控制

當(dāng)P-f曲線開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器H(s)的目的是使頻率偏移為零。調(diào)節(jié)器可表述為如下形式：

式中：k1表示積分系數(shù)；k2表示比例系數(shù)；s為傳遞函數(shù)自變量。

調(diào)節(jié)器的效果可由圖6說(shuō)明。

圖6 調(diào)節(jié)器H(s)對(duì)Δf的作用

4 仿真驗(yàn)證

本文中應(yīng)用圖3（a）的電路拓?fù)?，以及圖7所示的控制方式進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真軟件為PSCAD/EMTDC，其中電路主要參數(shù)列于表1中。首先對(duì)傳統(tǒng)的功率下垂控制進(jìn)行了仿真，然后用動(dòng)態(tài)有功管理進(jìn)行控制，并將二者進(jìn)行比較。

表1 兩逆變器的P-f控制參數(shù)

圖7 兩臺(tái)逆變器并聯(lián)控制框圖

圖8 為在傳統(tǒng)P-f下垂控制下負(fù)載變動(dòng)所引起的頻率變動(dòng)，其中上部分P1為第一臺(tái)逆變器的輸出有功功率，P2為第二臺(tái)逆變器的輸出有功功率，Pload為負(fù)載吸收的總有功功率，單位為兆瓦；下部分f1為第一臺(tái)逆變器的輸出頻率，f2為第二臺(tái)逆變器的輸出頻率，單位為赫茲。在0.1 s后系統(tǒng)穩(wěn)定，在0.3 s時(shí)，負(fù)載增加，兩臺(tái)逆變器按比例分配負(fù)載功率，系統(tǒng)頻率降至49.92 Hz，在0.7 s時(shí)，負(fù)載再次增加，這時(shí)系統(tǒng)頻率再次下降，低于頻率的設(shè)定下限49.8 Hz。

圖8 傳統(tǒng)P-f下垂控制的仿真結(jié)果

圖9 為對(duì)其中一臺(tái)逆變器進(jìn)行動(dòng)態(tài)有功管理后的P-f特性，各變量意義同圖（8）。從圖中可以看出，在0.7 s負(fù)載又一次增加時(shí)，頻率下降，當(dāng)被控制的逆變器頻率（f）降至49.8 Hz時(shí)，頻率回升，最終在1.2 s處使得整個(gè)系統(tǒng)的頻率恢復(fù)至50.0 Hz，在1.5 s處負(fù)載又一次發(fā)生變化，逆變器之間又可以按比例分配負(fù)載。

圖9 采用動(dòng)態(tài)有功管理的仿真結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了針對(duì)微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的一種新型控制策略——?jiǎng)討B(tài)功率平衡。通過(guò)動(dòng)態(tài)地調(diào)整微網(wǎng)中某些逆變器的P-f曲線位置，使得在負(fù)載波動(dòng)時(shí)大部分電源工作在額定功率附近，尤其使新能源電源在負(fù)載降低時(shí)仍保持高功率輸出，并緩解了逆變器間好的功率分配特性與大的頻率偏移之間的矛盾。顯著改善了負(fù)載大范圍波動(dòng)時(shí)的微網(wǎng)穩(wěn)定性。本文對(duì)應(yīng)用該控制策略的逆變器類型，以及控制思想和設(shè)計(jì)思路均進(jìn)行了論述。并通過(guò)仿真證實(shí)了該控制策略的有效性。

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