逆變電源在微網(wǎng)中的控制策略仿真研究*

張 淳，潘再平

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

0 引 言

微網(wǎng)將一定區(qū)域內(nèi)的分布式電源組織起來，形成了一個(gè)微型電網(wǎng)為本地區(qū)的負(fù)載供電或與大電網(wǎng)連接。而在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或島嶼上，則更希望能充分利用各個(gè)分布式電源，實(shí)現(xiàn)能量的自給自足。在獨(dú)立運(yùn)行期間，微網(wǎng)中風(fēng)能、光伏等所占比例較大時(shí)，因其自身的不穩(wěn)定性，會(huì)出現(xiàn)能量供需不平衡的情況，引起微網(wǎng)電壓的變化。因此，系統(tǒng)中需要有功率可調(diào)的電源，隨時(shí)根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況增大或減小輸出功率，維持系統(tǒng)能量平衡。

微網(wǎng)的典型工作方式分并網(wǎng)運(yùn)行、孤島運(yùn)行以及二者切換幾個(gè)狀態(tài)，構(gòu)成微網(wǎng)的分布式電源多通過電力電子器件與電網(wǎng)連接。逆變器的控制方法主要包括恒壓恒頻（V/f）、恒功率（PQ）和下垂（droop）控制。3種控制方法各有特點(diǎn)：V/f 控制能直接控制輸出電壓和頻率，適用于主從策略中主要發(fā)電單元的控制；PQ 控制能夠直接控制有功功率和無功功率，使其按照指定的參考值向微網(wǎng)傳遞能量，但需電網(wǎng)自身能維持電壓，適合于功率比例較小的分布式電源應(yīng)用；而droop控制利用感性線路阻抗下并聯(lián)電源輸出有功功率與頻率、無功功率與電壓幅值近似呈下垂曲線的特性，根據(jù)輸出功率改變電壓和頻率或者反向應(yīng)用。其中，droop 控制是借鑒了以SPWM 逆變器為接口的不間斷電源（UPS）的均流控制方法，能夠在各發(fā)電單元無相互通信前提下，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行，合理分配負(fù)載功率，保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

針對(duì)微網(wǎng)控制策略已有多篇文章論述。文獻(xiàn)[1-3]分別從小信號(hào)和向量等角度建立數(shù)學(xué)模型，為控制參數(shù)優(yōu)化等微網(wǎng)研究提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[4]針對(duì)以并網(wǎng)運(yùn)行為常態(tài)的微網(wǎng)在孤島運(yùn)行強(qiáng)制發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)如何自動(dòng)維持穩(wěn)定以及其中儲(chǔ)能元件的作用加以分析；文獻(xiàn)[5]則針對(duì)傳統(tǒng)V/f 下垂控制的不足，基于V/δ加以改進(jìn)修正，在孤島運(yùn)行中有效跟蹤功率變化動(dòng)態(tài)特性，優(yōu)化微網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷分配，但僅限于對(duì)有功功率的研究；文獻(xiàn)[6]介紹了微網(wǎng)工作模式切換中電源網(wǎng)側(cè)變流器的控制方式，即在PQ 和V/f 兩種方式中選擇切換，但對(duì)象只針對(duì)單一電源；文獻(xiàn)[7]則針對(duì)低壓電網(wǎng)中因線路阻抗近似呈阻性而導(dǎo)致電源輸出有功無功不解耦的情況，采取了適當(dāng)變換進(jìn)行解耦，并完成了基于小信號(hào)的穩(wěn)定性分析。

本研究則基于線路阻抗等效為感性條件下，針對(duì)微網(wǎng)處于孤島運(yùn)行中電壓頻率的維持，以及各電源輸出的有功和無功分配，進(jìn)行仿真分析。

1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)與控制原理

1.1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示[8]，由直流源代替分布式發(fā)電電源中整流后的輸出，經(jīng)三相逆變器和LC 濾波后逆變成三相交流電與交流母線相連，連結(jié)成微網(wǎng)獨(dú)立為負(fù)載供電。此時(shí)，微網(wǎng)與大電網(wǎng)間的開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)[9]。

1.2 下垂控制原理與公式

對(duì)于并聯(lián)電源，其輸出功率存在以下關(guān)系式[10]：

圖1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

式中：i—電源編號(hào)，U—微網(wǎng)電壓，Ui—電源端口輸出電壓，δi—電源端口電壓Ui與微網(wǎng)電壓U 的相位差，Li—輸出阻抗。

因?yàn)槟孀兤鞯妮敵鲎杩勾蠖酁楦叨雀行?，筆者將其等效為感抗。一般相位差δ都很小，可有sinδ≈ δ，而相位差 δ與頻率 f 成正比，故存在P 與 f 之間的下垂特性關(guān)系，同理Q/U 下垂特性也存在。本研究考慮微網(wǎng)中分布式電源與內(nèi)部負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化，還增加了下垂控制修正項(xiàng)，用以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。下垂控制公式為：

式中：a,b—頻率和電壓幅值的下垂系數(shù)，其值為負(fù)；a′,b′—修正項(xiàng)系數(shù)；f0，U0—額定條件下的頻率與電壓幅值；P0，Q0—額定條件下電源的輸出有功功率和無功功率，大小由電源容量不同而異，其非零值的設(shè)置保證即使在微網(wǎng)內(nèi)功率平衡或者與大電網(wǎng)并網(wǎng)狀態(tài)下電源仍保持一定功率輸送；P，Q—由當(dāng)前輸出電壓、電流經(jīng)計(jì)算而得到的有功功率和無功功率；f*，U*—當(dāng)前狀態(tài)下，頻率和電壓幅值的參考值。

可調(diào)電源功率參考值的計(jì)算由幾部分構(gòu)成：頻率波動(dòng)反映的功率補(bǔ)償值，輸出端電壓跌落反映的功率補(bǔ)償值和額定功率。系統(tǒng)內(nèi)其他電源功率偏差造成了頻率波動(dòng)，可反向利用下垂特性，估算出一個(gè)功率補(bǔ)償值；而同時(shí)由公式（1）可知，電源輸出功率不僅與頻率近似成正比，且與輸出端電壓Ui也呈正相關(guān)，電源的輸出端電壓的差值也能夠一定程度上反映出當(dāng)前微網(wǎng)中功率的缺失狀況，用于可調(diào)電源有功功率參考值的計(jì)算中。無功功率則可由下垂特性曲線，根據(jù)端電壓差值獲得。故用于估算可調(diào)電源功率參考值的公式為：

式中：m2—電壓與有功的比例系數(shù)；m1，n—下垂系數(shù)的倒數(shù)，但此處的下垂系數(shù)與其他電源無關(guān)，而是針對(duì)整個(gè)微網(wǎng)內(nèi)部中有功與頻率、無功與電壓幅值間的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定的。

一般來說，每單位赫茲頻率的偏差所反映的整個(gè)微網(wǎng)內(nèi)有功功率的偏差應(yīng)大于單個(gè)電源，電壓幅值與無功功率的關(guān)系情況相同，故具體數(shù)值應(yīng)另行設(shè)置。

2 控制策略與方案

2.1 綜合控制方案

在微網(wǎng)孤島運(yùn)行中，下垂控制的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了各并聯(lián)電源的均流，避免了環(huán)流，同時(shí)共同參與了微網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)。但對(duì)于一個(gè)實(shí)際的微網(wǎng)，一般會(huì)令風(fēng)電、光伏等處于最大功率狀態(tài)工作，此時(shí)電源的輸出有功功率受電源側(cè)（如風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)變流器、光伏DC/DC 電路）的控制結(jié)果直接影響。由于自然環(huán)境中風(fēng)速、光照強(qiáng)度的不確定性，加之負(fù)載的變化，微網(wǎng)系統(tǒng)中需要由可調(diào)電源隨時(shí)根據(jù)電壓頻率情況調(diào)節(jié)輸出功率。文獻(xiàn)[4]與文獻(xiàn)[9]的方法是通過中央控制器輸出可調(diào)電源功率的參考值，令可調(diào)電源以恒功率方式工作，該方法對(duì)通訊要求較高，不適合基層分布式電源的自動(dòng)化控制。如果不依賴中央控制器，而是在可調(diào)電源控制器處就根據(jù)輸出端電壓的情況將下垂特性曲線反向應(yīng)用，自動(dòng)修正輸出功率參考值，則理論上可以彌補(bǔ)微網(wǎng)能量的不平衡，減小電壓和頻率的浮動(dòng)。

故本研究提出一個(gè)微網(wǎng)綜合控制方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，令一部分電源（DG1、DG2）以最大功率輸出，逆變器采用下垂控制，有功功率參考值就采用當(dāng)前電源的最大功率，無功功率參考值根據(jù)各電源容量設(shè)定；而可調(diào)電源（DG3）則通過檢測(cè)電網(wǎng)電壓的頻率和幅值，先根據(jù)微網(wǎng)整體的下垂曲線估計(jì)得到功率參考值，再依據(jù)電源自身容量所具有的下垂特性調(diào)整輸出電壓幅值和頻率。該方案使逆變電源全部參與了微網(wǎng)系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)，適用于多個(gè)逆變電源并聯(lián)但缺少大比例穩(wěn)定電源的情況。

2.2 逆變器控制策略

下垂控制環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)檢測(cè)的電壓、電流值濾波后，可計(jì)算出電源實(shí)際輸出的有功功率P，經(jīng)過低通濾波器后，通過下垂系數(shù)調(diào)節(jié)可得到頻率參考值 f*；無功功率Q 通過下垂公式調(diào)節(jié)后可得到電壓幅值參考值。實(shí)質(zhì)上，下垂控制也是一種恒壓、恒頻控制，只不過其電壓、頻率的參考值不是固定的指令值，而是跟隨功率變化而定的。

頻率參考值 f*經(jīng)過積分后得到相位角θ，以此定向；本研究將電壓參考值U*設(shè)定為d 軸電壓參考值，而將q 軸電壓參考值設(shè)為0。電壓參考值經(jīng)過電壓電流雙閉環(huán)控制得到PWM 觸發(fā)脈沖。電壓電流環(huán)采用“電壓外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)”的方式，因?yàn)橄噍^于電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)，前者的輸出特性更硬，更適合作為恒壓源逆變器來支撐微網(wǎng)電壓。

可調(diào)電源功率補(bǔ)償控制框圖如圖2 所示，系統(tǒng)檢測(cè)到的三相電壓Uabc，經(jīng)過鎖相環(huán)可計(jì)算出當(dāng)前電源輸出端電壓的幅值和頻率，再利用公式（3）將兩部分補(bǔ)償功率值與電源額定功率相疊加，可估算出此時(shí)可調(diào)電源應(yīng)輸出的功率參考值。再通過針對(duì)可調(diào)電源自身設(shè)置的下垂系數(shù)作為電壓源輸出，與微網(wǎng)內(nèi)其他電源共同維持電網(wǎng)電壓和頻率。其中，頻率和端電壓分別與有功功率的比例系數(shù)根據(jù)未進(jìn)行補(bǔ)償前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得的波動(dòng)狀況計(jì)算得到。

圖2 可調(diào)電源功率補(bǔ)償控制框圖

3 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其中，DG1 和DG2 均以下垂控制方式工作，DG3 作為可調(diào)電源同時(shí)加入?yún)⒖脊β恃a(bǔ)償環(huán)節(jié)。仿真二系統(tǒng)與之作為對(duì)比，結(jié)構(gòu)與圖1 相同，只是其中DG3 也以下垂控制方式工作，缺少參考功率補(bǔ)償?shù)沫h(huán)節(jié)。兩種比較方法的下垂參數(shù)除功率補(bǔ)償環(huán)節(jié)之外均一致，系數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 控制參數(shù)設(shè)置

仿真初始，設(shè)定各電源參考功率分別為：Pref1=200 kW，Qref1=100 kvar；Pref2=300 kW，Qref2=100 kvar；Pref3=400 kW，Qref3=100 kvar。系統(tǒng)負(fù)載功率初始值為Pload=900 kW，Qload=300 kvar。在平穩(wěn)運(yùn)行后的第4 s，DG1 有功功率參考值減小為100 kW；第7 s，負(fù)載功率增加200 kW，100 kvar。

仿真一的結(jié)果如圖3 所示，在DG1 輸出有功減少的情況下，DG3 輸出有功隨之增加；在負(fù)載增加時(shí)，DG3 增大有功輸出。電壓幅值與頻率變化情況如圖4所示：微網(wǎng)負(fù)載處電壓幅值先不變，然后在第7 s 跌落近5 V；頻率則先降低0.02 Hz，再降低0.03 Hz。而仿真二的結(jié)果如圖5 所示，電壓一次變化1 V、11 V，頻率依次減小0.035 Hz、0.11 Hz。對(duì)比圖4、圖5 可見，仿真一的電壓幅值和頻率波動(dòng)更小，由此可以證明DG3 的功率補(bǔ)償環(huán)節(jié)在其中起到了一定的作用。

4 結(jié)束語

圖3 各電源輸出有功功率與無功功率（仿真一）

圖4 電壓幅值與頻率（仿真一）

圖5 電壓幅值與頻率（仿真二）

本研究在Matlab/Simulink 平臺(tái)上仿真驗(yàn)證了基于下垂特性的功率補(bǔ)償方法，即在下垂控制的基礎(chǔ)上，反向利用下垂特性估計(jì)出可調(diào)電源應(yīng)發(fā)出功率的參考值，再與系統(tǒng)中其他電源一起通過下垂控制共同維持微網(wǎng)電壓和頻率。該過程在發(fā)電單元控制器中完成，減少了與中央控制層以及電源之間的通訊強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了“即插即用”的對(duì)等控制。仿真結(jié)果表明，該方法能夠在一定程度上減小因負(fù)載和電源波動(dòng)造成的電壓跌落與頻率波動(dòng)，具有較好的可行性。

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