低壓微電網(wǎng)逆變器頻率電壓協(xié)調(diào)控制

孫孝峰 呂慶秋

（燕山大學(xué)電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 秦皇島 066004）

1 引言

近幾年，國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究分布式發(fā)電技術(shù)[1-3]，分布式發(fā)電（DG）是指直接布置在配電網(wǎng)或負(fù)荷附近的發(fā)電設(shè)施，它們能夠提供可靠、經(jīng)濟(jì)和高效的電能[4]。分布式電源包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏發(fā)電裝置和風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。分布式電源結(jié)合儲(chǔ)能設(shè)備（蓄電池、高速飛輪等）以及本地負(fù)載等可構(gòu)成微型電網(wǎng)，微電網(wǎng)向關(guān)鍵負(fù)荷不間斷地提供高質(zhì)量電能[5,6]。微電網(wǎng)有兩種運(yùn)行模式：并網(wǎng)運(yùn)行模式與孤島運(yùn)行模式。無論是并網(wǎng)模式還是孤島模式，都需要對(duì)微網(wǎng)中的各個(gè)分布式電源進(jìn)行有效地控制。由于微網(wǎng)內(nèi)的分布式電源通常通過電力電子裝置（如逆變器）接入常規(guī)電網(wǎng)，所以對(duì)逆變器控制的研究是分布式發(fā)電技術(shù)中的重要組成部分。

微網(wǎng)中逆變器的控制策略可分為兩種：①主從控制策略：它需要將各分布式逆變電源的相關(guān)信息集中到控制中心，控制中心經(jīng)分析計(jì)算后對(duì)各逆變器下發(fā)控制信息，這樣它需要有相應(yīng)的通信線路以傳遞信息；②分散控制策略：每個(gè)分布式逆變電源根據(jù)本地輸出量進(jìn)行獨(dú)立控制，它不需要通信環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了分布式電源的即插即用。相比而言，分散控制策略更有優(yōu)勢(shì)。在分散控制中采用下垂控制是常見的方法。很多文獻(xiàn)直接把常規(guī)高壓系統(tǒng)的下垂特性應(yīng)用到了低壓微網(wǎng)中，缺乏對(duì)其應(yīng)用可行性分析[7]。文獻(xiàn)[8，9]分析了逆變器輸出阻抗受控制器參數(shù)的影響，在此基礎(chǔ)上將高壓系統(tǒng)的下垂特性應(yīng)用于低壓微電網(wǎng)中并行的分布式電源，并進(jìn)行了多環(huán)反饋控制器設(shè)計(jì)，由于考慮逆變器等效輸出阻抗問題，使調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。

本文首先對(duì)下垂控制理論[10,11]進(jìn)行分析，得出低壓微電網(wǎng)逆變器應(yīng)該采用有功電壓（PV），無功頻率（Qf）下垂控制，但由于PV 下垂控制為有差調(diào)節(jié)，本文提出一種改進(jìn)的PV 下垂控制（NPV）。在控制環(huán)路中加入對(duì)頻率和電壓的前饋控制單元構(gòu)成NPV 下垂控制，以提高并網(wǎng)逆變器的性能。

2 頻率電壓與負(fù)荷特性協(xié)調(diào)分析

圖1 為逆變器并網(wǎng)示意圖。圖中，逆變器簡化為一個(gè)電壓源Us∠δ，通過阻抗為R+jX的連接線連到電網(wǎng)E∠0°上。

圖1 電壓型逆變器并網(wǎng)原理圖Fig.1 Voltage source inverter connected to grid schematic

逆變器輸出的有功P和無功功率Q分別為

聯(lián)立式（1）和式（2）可得

對(duì)于低壓微電網(wǎng)，導(dǎo)線電感一般較小，因此線路阻抗主要呈阻性，即XR?，這種情況下X可以忽略，功率角δ也很小，即有sinδ=δ，cosδ=1，式（3）和式（4）就變?yōu)?/p>

因而可得到有功電壓和無功頻率的PV 下垂控制策略，見式（7）與式（8）。由圖2 看出，該控制符合負(fù)荷調(diào)節(jié)特性，逆變器控制結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 PV 下垂控制曲線與負(fù)荷曲線Fig.2 Control and load curve of PV

圖3 PV 下垂控制器Fig.3 Controller of PV

3 微電網(wǎng)逆變器頻率電壓協(xié)調(diào)控制

本文采用的低壓微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。微電網(wǎng)采用單母線結(jié)構(gòu)，兩個(gè)分布式發(fā)電單元分別為光伏（Photo Voltaic，PV）發(fā)電系統(tǒng)和燃料電池，分布式電源都帶有儲(chǔ)能裝置。微電網(wǎng)經(jīng)過智能靜態(tài)開關(guān)（Intelligent static Bypass Switch,IBS[12]）連接到主網(wǎng)上，IBS 時(shí)刻監(jiān)測(cè)主網(wǎng)側(cè)與微電網(wǎng)側(cè)電壓，當(dāng)主網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，IBS 斷開，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行為本地負(fù)載供電；當(dāng)主網(wǎng)電壓恢復(fù)后，IBS 閉合，微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。

圖4 仿真所采用的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Micro-grid structure used by simulation

微網(wǎng)主要有以下幾種運(yùn)行模式。

（1）聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式：在這種模式下，微電網(wǎng)通過IBS 連接到主網(wǎng)上。通過下垂控制，微電網(wǎng)輸出指定的功率。

（2）孤島運(yùn)行模式：在這種模式下，兩個(gè)分布式電源分散分別為負(fù)荷供電，此時(shí)兩個(gè)分布式電源均分負(fù)荷。

（3）從孤島模式到聯(lián)網(wǎng)模式的切換：微電網(wǎng)工作在孤島模式，IBS 檢測(cè)到主電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行無故障，此時(shí)可以進(jìn)行并網(wǎng)操作。為減小并網(wǎng)時(shí)的沖擊，當(dāng)檢測(cè)到微電網(wǎng)與主網(wǎng)相位差在一定范圍內(nèi)再閉合IBS 實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。

（4）從聯(lián)網(wǎng)模式到孤島模式的切換：當(dāng)主網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，IBS 斷開，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行。由于微電網(wǎng)中負(fù)荷不會(huì)與分布式電源并網(wǎng)時(shí)給定的額定功率嚴(yán)格相等，所以此時(shí)微電網(wǎng)內(nèi)的電壓的頻率和幅值相對(duì)于額定值會(huì)有一定的偏移量，為了維持電能質(zhì)量，這一偏移量要盡可能小。

從以上分析可以看出，微電網(wǎng)中的逆變器需要實(shí)現(xiàn)能量的并網(wǎng)傳遞，要滿足負(fù)荷特性要求，而且在孤島-并網(wǎng)兩種模式及切換控制中，應(yīng)具有同樣控制特性。從以上的PV 控制曲線和負(fù)荷特性曲線可以看出PV 下垂控制可以實(shí)現(xiàn)逆變器輸出的功率與負(fù)荷功率在一點(diǎn)上平衡，但其控制目標(biāo)是功率，同時(shí)是有差調(diào)節(jié)，它對(duì)功率的平衡作用是以產(chǎn)生電壓和頻率的偏移為代價(jià)的，這必將影響系統(tǒng)頻率、電壓的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能。為此將電壓與頻率的協(xié)調(diào)控制特性加入到系統(tǒng)的控制環(huán)中。

在NPV 下垂控制中，式（9）和式（10）中右面第二項(xiàng)實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷變化時(shí)逆變器控制曲線的平移，使逆變器的輸出電壓和頻率均在額定值上或是偏移很小，這一前饋控制起到了類似于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)中的二次調(diào)整的作用。從圖5 可以看出，NPV 下垂控制曲線滿足負(fù)荷特性曲線要求，圖6 所示為其控制結(jié)構(gòu)圖。

圖5 NPV 下垂控制曲線與負(fù)荷曲線Fig.5 Control and load curve of NPV

圖6 NPV 下垂功率控制器Fig6 Controller of NPV

4 仿真分析

基于圖4 所示的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用PSCAD 軟件對(duì)微電網(wǎng)逆變器控制策略進(jìn)行對(duì)比仿真。其中兩個(gè)逆變器的給定有功功率均為10kW，無功功率均為2kvar，總的負(fù)荷量為有功功率15kW，無功功率為零。

4.1 從孤島模式到聯(lián)網(wǎng)模式的切換

開始微電網(wǎng)孤島運(yùn)行，運(yùn)行5s 以后，檢測(cè)到微電網(wǎng)側(cè)和主網(wǎng)側(cè)相位差小于2°時(shí)IBS 閉合實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，仿真圖如圖7 所示。

圖7 聯(lián)網(wǎng)過程功率與頻率特性Fig.7 The output power of inverters and the frequency of A point while connecting to grid

從圖7 可以看出：從孤島到聯(lián)網(wǎng)切換時(shí)，PV 下垂控制有功功率存在一個(gè)正向的0.2kW 沖擊波，無功功率存在正向0.3kvar 和反向1.6kvar的沖擊波，而改進(jìn)的NPV 下垂控制有功功率幾乎沒有沖擊，無功功率存在一個(gè)0.5kvar的正向沖擊不存在反向沖擊波，NPV 下垂控制的并網(wǎng)沖擊比PV 下垂控制小很多，且NPV 下垂控制的調(diào)節(jié)速度更快。穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)NPV 下垂控制有功功率輸出為9.25kW，PV下垂控制的有功功率輸出為9.05kW，兩者無功功率輸出都穩(wěn)定在2kvar，可以看出并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)NPV 下垂控制功率穩(wěn)態(tài)誤差比 PV 下垂控制要稍大，且NPV 下垂功率紋波較大。

4.2 從聯(lián)網(wǎng)模式到孤島模式的切換

當(dāng)主網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，IBS 斷開，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行為本地負(fù)載供電。仿真波形如圖8 所示。

圖8 斷網(wǎng)時(shí)，逆變器輸出無功功率與A 點(diǎn)頻率Fig8 The output power of inverters and the frequency of A point while disconnecting to grid

從圖8 中可以看出，從聯(lián)網(wǎng)到孤島的切換幾乎是沒有沖擊的，孤島運(yùn)行時(shí)NPV 下垂的有功功率輸出為7.9kW，電壓標(biāo)幺值為1.017，PV 下垂控制有功功率輸出為8.25kW，電壓標(biāo)幺值為1.036，二者的無功功率輸出均為零，NPV 下垂控制逆變器輸出頻率為50Hz，PV 下垂控制的頻率為49.85Hz。從而說明NPV 下垂控制能夠在微網(wǎng)脫網(wǎng)前后維持電壓和頻率的穩(wěn)定。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

逆變器是由三相IGBT 半橋電路以及LC 濾波電路組成，其中開關(guān)頻率為20kHz。并網(wǎng)阻抗Z選為阻性，阻值為1Ω，逆變器電路如圖9 所示。逆變器的給定有功功率650W，無功功率130var，總的負(fù)荷量為有功功率400W，無功功率為零。電路結(jié)構(gòu)如圖9 所示，實(shí)驗(yàn)中有功功率為P，無功功率為Q，逆變器端電壓幅值Um，頻率f都是通過DSP的DA 輸出觀測(cè)的，由于電壓幅值和頻率的偏差相對(duì)于額定值來說很小，為了能夠明顯的看到偏差量，令Um=Un+10(U-Un)，f=fn+50(f-fn)，則實(shí)驗(yàn)波形中電壓偏移量為實(shí)際電壓偏移量10 倍，實(shí)驗(yàn)波形中頻率偏移量為實(shí)際頻率偏移量50 倍。

圖9 逆變器為接口的微電源并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.9 The micro-source interfaced by inverter connected to grid structure

從孤島模式到聯(lián)網(wǎng)模式的切換實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10 和圖11 所示。從圖10 可以看出：從孤島到聯(lián)網(wǎng)切換中PV 下垂控制有功和無功都存在較大沖擊，而NPV 下垂控制有功功率和無功功率均無沖擊。穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí) NPV 下垂控制有功功率輸出為600W，PV 下垂控制有功功率輸出為590W，兩者無功功率輸出都穩(wěn)定在128var，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)NPV 下垂控制的穩(wěn)態(tài)誤差比 PV 下垂控制稍大一些，且NPV 下垂功率紋波較大。圖11 中并網(wǎng)時(shí)NPV 下垂控制的電流沒有沖擊，而PV 下垂控制存在沖擊，且穩(wěn)態(tài)時(shí)NPV 下垂控制電流紋波比PV 下垂控制小。通過實(shí)驗(yàn)可以看出，NPV 下垂控制并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下功率控制效果相對(duì)于PV 下垂控制較差，但從孤島到聯(lián)網(wǎng)暫態(tài)切換時(shí)NPV 下垂控制沖擊更小，可以實(shí)現(xiàn)無縫切換。

圖10 聯(lián)網(wǎng)時(shí)，逆變器輸出無功功率與頻率Fig.10 The output reactive power and the frequency of

圖11 聯(lián)網(wǎng)時(shí)，逆變器輸出電流Fig.11 The output current of inverters

從聯(lián)網(wǎng)模式到孤島模式的切換實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖12 和圖13 所示。從圖12 可以看出：從聯(lián)網(wǎng)到孤島的切換幾乎是沒有沖擊的，孤島運(yùn)行時(shí)NPV 下垂的有功功率輸出為 408W，電壓的標(biāo)幺值為 1.010 45，PV 下垂控制的有功功率輸出為430W，電壓的標(biāo)幺值為1.022，兩者的無功功率輸出均為零，NPV下垂控制的頻率為49.95Hz，PV 下垂控制逆變器輸出頻率為49.757Hz。圖13 中穩(wěn)態(tài)時(shí)NPV 下垂控制的電流紋波比PV 下垂控制要小。通過仿真和實(shí)驗(yàn)可以看出，在孤島運(yùn)行時(shí)NPV 下垂控制實(shí)現(xiàn)了電壓和頻率的二次調(diào)節(jié)，使微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)電壓和頻率偏差很小，NPV 下垂控制的頻率穩(wěn)態(tài)誤差更小。

圖12 斷網(wǎng)時(shí)，逆變器并網(wǎng)時(shí)輸出無功功率與頻率Fig.12 The output reactive power and the frequency of inverter while disconnecting to grid

圖13 斷網(wǎng)時(shí)，逆變器并網(wǎng)時(shí)輸出電流Fig.13 The output current of inverters

6 結(jié)論

本文通過分析下垂控制，對(duì)微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤島運(yùn)行及其切換進(jìn)行仿真，結(jié)合實(shí)驗(yàn)得出低壓微電網(wǎng)中，微電源采用PV 下垂控制可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)的能量管理，但它為有差調(diào)節(jié)，在孤島運(yùn)行中微電網(wǎng)的電壓和頻率存在較大的偏差。本文對(duì)PV 下垂控制進(jìn)行改進(jìn)，在控制環(huán)路中加入對(duì)頻率和電壓的直接調(diào)節(jié)單元，構(gòu)成NPV 下垂控制。在并網(wǎng)與孤島穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及兩者之間暫態(tài)切換中，采用NPV 下垂控制可以實(shí)現(xiàn)微電源并網(wǎng)時(shí)的能量管理以及電壓和頻率的二次調(diào)節(jié)。NPV 下垂控制在并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下功率控制效果相對(duì)于PV 下垂控制差一點(diǎn)，但它能使微電網(wǎng)從孤島到聯(lián)網(wǎng)之間暫態(tài)切換的沖擊更小，可以實(shí)現(xiàn)無縫切換。在孤島運(yùn)行時(shí)NPV 下垂控制實(shí)現(xiàn)了電壓和頻率的二次調(diào)節(jié)，使微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)電壓和頻率維持在額定值上，或偏差很小。

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