微網(wǎng)中多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)下垂控制策略研究

，，，

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室，浙江 杭州 310014；2.杭州師范大學(xué) 錢江學(xué)院，浙江 杭州 310036)

近年來，微網(wǎng)以其環(huán)境友好性及其控制智能靈活性等特點，成為許多國家未來若干年電力發(fā)展戰(zhàn)略重點之一[1-2].若要保證微網(wǎng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，需要對分布式電源進(jìn)行有效的控制[3-5]，以保證電壓和頻率在允許的范圍內(nèi)變化.微網(wǎng)中分布式電源一般通過控制靈活的電力電子裝置接入電網(wǎng)，一種常見的選擇就是分布式電源通過電壓源逆變器接口接入電網(wǎng)[6-8].為了給負(fù)載高質(zhì)量的供電，分布式電源一般都要配備儲能裝置，若分布式電源和儲能裝置的容量足夠大，則可假定逆變器直流側(cè)電源電壓保持不變，因此，對分布式電源的控制就轉(zhuǎn)換成對逆變器的控制.下垂控制方法[9]結(jié)構(gòu)簡單，不需要互聯(lián)線，可方便靈活的組網(wǎng)，并能實現(xiàn)功能冗余以及分布式電源的即插即用，研究人員將其應(yīng)用于低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)中.但大多數(shù)文獻(xiàn)都將高壓系統(tǒng)的下垂特性直接應(yīng)用于低壓微網(wǎng)系統(tǒng)，缺乏對其應(yīng)用可行性的分析[10].而另一些文獻(xiàn)則直接在逆變器的輸出端加入大電感以保證輸出阻抗呈感性[11]，這樣帶來了線路壓降增大和費用增加的問題.還有一些文獻(xiàn)通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)使輸出阻抗成感性[12]，但如果引人虛擬阻抗，則可以更好的改變工頻條件下輸出阻抗的幅頻特性.文獻(xiàn)[13]提出在負(fù)載電流處引人虛擬阻抗，對其可行性進(jìn)行了分析，且未對逆變器負(fù)載功率變化，分布式電源即插即用等情況進(jìn)行驗證.

以低壓微網(wǎng)多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)為研究對象，詳細(xì)分析了分布式電源的下垂控制策略以及逆變器等效輸出阻抗對功率傳輸特性的影響，提出在電感電流處引入虛擬阻抗的方法，確保逆變器等效輸出阻抗為感性，設(shè)計出適合低壓微網(wǎng)多逆變并聯(lián)系統(tǒng)的雙環(huán)下垂控制器，實現(xiàn)了負(fù)載變化時微網(wǎng)仍能夠穩(wěn)定運(yùn)行，以及分布式電源的即插即用.算例仿真結(jié)果驗證了所提控制策略的有效性.

1 微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

圖1為將分布式電源構(gòu)成微網(wǎng)后接入低壓配電網(wǎng)的示意圖.

圖1 微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖

如前所述，若分布式電源和儲能裝置容量足夠大，則假定逆變器直流側(cè)電源電壓不變.微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖1中每條支路可由圖2的電路等效替代.

圖2 微網(wǎng)中分布式電源下垂控制示意圖

2 輸出阻抗對輸出功率特性的影響

圖3為逆變器并入交流母線的示意圖.

圖3 逆變器并入交流母線示意圖

逆變器輸出有功功率和無功功率分別為

(1)

(2)

式中：U為逆變器空載輸出電壓幅值；E為交流母線電壓幅值；Z為逆變器等效輸出阻抗與線路阻抗和的模值；R為逆變器等效輸出電阻與線路電阻之和；X為逆變器等效輸出感抗與線路感抗之和；φ為逆變器空載輸出電壓與母線電壓相角差；θ為阻抗角.

實際中負(fù)載阻抗要比逆變器等效輸出阻抗和線路阻抗之和大很多，因此很小，可近似認(rèn)為：sinφ=φ；cosφ=1.因此式(1，2)可分別寫為

(3)

(4)

1) 當(dāng)逆變器輸出阻抗為感性，即X?R時，式(3，4)可簡化為

(5)

(6)

2) 當(dāng)逆變器輸出阻抗為阻性，即R?X時，式(3，4)可簡化為

(7)

(8)

由此可見：有功功率P主要取決于逆變器輸出電壓幅值U；無功功率Q主要取決于逆變器輸出電壓與母線電壓之間的相位差φ.此時不可采用PQ下垂控制.

綜上可知：不對逆變器輸出阻抗進(jìn)行分析，直接采用PQ下垂控制是不合理的，如果想采用PQ下垂控制必須調(diào)節(jié)逆變器的輸出阻抗，使其為感性.

3 下垂控制特性

PQ下垂控制方法的下垂特性，如圖4所示.

(a) P/f下垂特性 (b) Q/U下垂特性

下垂特性方程為

f=fn-m(Pn-P)

(9)

U=Un-nQ

(10)

其中參數(shù)m，n為

(11)

(12)

式中：Pmax為分布式電源在頻率下降時所允許輸出的最大有功功率；Pn為分布式電源在額定頻率運(yùn)行時的輸出有功功率；fn為電網(wǎng)額定頻率；fmin為分布式電源輸出最大功率時所允許的最小頻率；Qmax為分布式電源在電壓下降時所允許的最大輸出無功功率；Un為分布式電源輸出無功功率為0時所輸出的電壓幅值；Umin為所允許的最小電壓幅值.

下垂控制器見圖5，下垂控制器的輸入為逆變器的輸出功率，輸出功率必須滿足：0≤P≤Pmax，-Qmax≤Q≤Qmax.

圖5 下垂控制器控制框圖

4 逆變器輸出阻抗的設(shè)計

如圖6所示，微網(wǎng)逆變器采用電壓電流雙環(huán)下垂控制，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電感電流控制環(huán).電壓環(huán)采用PI控制，目的是穩(wěn)定負(fù)載電壓，提高穩(wěn)態(tài)精度，Kvp為比例系數(shù)，Kvi為積分系數(shù).電感電流環(huán)采用P控制，比例控制器為K，目的是提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng).

圖6 逆變器雙環(huán)控制框圖

加入虛擬阻抗后，電壓環(huán)傳遞函數(shù)為

(13)

即

(14)

式中：G(s)為電壓比例增益,Z0(s)為逆變器等效輸出阻抗.

因為濾波電容C的值相對較小，因此可以忽略C對電壓環(huán)傳遞函數(shù)分母的影響，則式(13)可等效為

(15)

則等效輸出阻抗

(16)

由式(16)可知，若虛擬阻抗

則等效輸出阻抗

Z0(s)=Ls

(17)

由此可見：引入虛擬阻抗Zv(s)后，工頻條件下逆變器等效輸出阻抗值近似為LS，輸出電阻可以忽略不計，逆變器等效輸出阻抗可看作為純感性，通過濾波電感值L即可確定各逆變器等效輸出阻抗的值.

利用圖6對逆變器進(jìn)行控制時，圖3中R僅為線路電阻，X為等效輸出感抗和線路感抗之和，雖然低壓微網(wǎng)系統(tǒng)中線路阻抗比為7.70，但是對于微網(wǎng)中分布式電源，彼此距離一般較近，因此加入虛擬阻抗使等效輸出阻抗為感性后，系統(tǒng)具有圖4所示的下垂特性，可以采用圖5所示的下垂控制器.

5 算例仿真

為了驗證筆者所提控制方法的有效性和正確性，在matlab/simulink仿真平臺中搭建了由兩個分布式電源(DG1和DG2)組成微網(wǎng)的仿真模型，電路結(jié)構(gòu)如圖7所示，分布式電源由直流源進(jìn)行代替.

圖7 由兩個分布式電源組成的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

其中，逆變器直流側(cè)電壓Vdc1=Vdc2=800 V,兩逆變器額定功率都為20 kW,采用SPWM調(diào)制，載波頻率為8 kHz,L1=L2=3 mH,C1=C2=53 uF,線路阻抗分別設(shè)定為(0.128 4+j0.016 6) Ω，(0.064 2+j0.008 3) Ω，負(fù)載load1設(shè)定為30 kW+j2 kVAR,load2設(shè)定為10 kW+j2 kVAR.

下面分別對微網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下增減負(fù)荷及某一分布式電源突然退出及重新并入微網(wǎng)這兩種種情況進(jìn)行仿真分析.

情況1初始時K1，K2，K3都閉合，0.4 s時斷開K2，卸掉load2，0.8 s時K2重新閉合，接入load2.

此種情況微網(wǎng)的運(yùn)行特性如圖8所示.

圖8 增減負(fù)荷時微網(wǎng)的運(yùn)行特性

圖8(a,b)反映了微網(wǎng)孤島運(yùn)行增減負(fù)荷時，有功功率和無功功率的變化情況，從圖中曲線可以看出：各DG可以實現(xiàn)負(fù)載功率的均分，在負(fù)載功率發(fā)生變化時，能夠迅速調(diào)整功率輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)功率的平衡.圖8(b)顯示DG輸出的無功功率要大于負(fù)載無功功率，這是由于負(fù)載功率較大，電路電流較大，線路阻抗消耗無功功率較多.圖8(c,d)則表明：負(fù)載功率發(fā)生變化時，微網(wǎng)電壓仍能夠保持穩(wěn)定，0.4 s時無功功率減小，此時電壓有很小幅度的增加，0.8 s時無功功率增加，此時電壓有很小幅度的減小，符合下垂控制的Q/U理論分析.圖8(e)則表明：負(fù)載功率發(fā)生變化時，系統(tǒng)頻率仍能保持在(50±0.5) Hz范圍內(nèi).0.4 s時有功功率減小，系統(tǒng)頻率有所增大，0.8 s時有功功率增加，系統(tǒng)頻率有所減小，符合下垂控制的P/f理論分析.

情況2初始時K2閉合，K1，K3斷開，0.4 s時K3閉合，DG2并入微網(wǎng)，0.8 s時K3斷開，DG2退出微網(wǎng).

此種情況微網(wǎng)的運(yùn)行特性如圖9所示.

圖9(a,b)為DG1，DG2輸出的有功功率和無功功率，由圖9可知：筆者提出的控制方法可以實現(xiàn)分布式電源的即插即用，但DG2并入微網(wǎng)時的沖擊電流很大，這是由于并入微網(wǎng)時DG2和DG1兩端的輸出電壓不等造成的，因此有必要對分布式電源進(jìn)一步進(jìn)行同步并網(wǎng)控制.圖9(c,d)則表明：微網(wǎng)電壓和頻率都能保持穩(wěn)定，在DG2并入微網(wǎng)的瞬間，頻率有所波動，但很快保持穩(wěn)定，和圖8(e)的頻率相比，圖9(d)的頻率有所增大，這是由于圖8所帶負(fù)載有功功率小，仿真結(jié)果符合下垂特性.

6 結(jié)束語

通過對逆變器等效輸出阻抗對輸出功率特性影響的分析，提出在電感電流處引人虛擬阻抗的方法，使逆變器等效輸出阻抗為感性，進(jìn)而使用傳統(tǒng)的下垂控制方法，實現(xiàn)微網(wǎng)分布式電源間的無互聯(lián)線控制，仿真結(jié)果驗證了控制方法的有效性，并能實現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)分布式電源的即插即用功能.

參考文獻(xiàn)：

[1] 王成山,李鵬.分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34(2):10-16.

[2] GEORGAKIS D, PAPATHANASSIOU S, HATZIARGYRIOU N, et al. Operation of a prototype microgrid system based on micro-sources quipped with fast-acting power electronics interfaces[C]//Power Electronics Specialists Conference. New York: IEEE,2004:2521-2526.

[3] 何通能,安康,逯峰.基于模糊PI控制的三相船用逆變電源研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,41(2):222-227.

[4] 曾國偉,趙國軍,刑海藻,等.基于模糊控制技術(shù)的電梯群控系統(tǒng)設(shè)計[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,37(1):115-118.

[5] 劉國越,梅一珉.電壓控制移相電路設(shè)計[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,38(6):679-682.

[6] BARSALI S, CERAOLO M, PELACCHI P, et al. Control techniques of dispersed generators to improve the continuity of electricity supply[C]//Power Engineering Society Winter Meeting. Ann Arbor: IEEE,2002:789-794.

[7] CHEN J F, CHU C L. Combination voltage-controlled and current-controlled PWM inverters for UPS parallel operation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,1995,10(5):547-558.

[8] 肖嵐,胡文斌,蔣渭忠，等.基于主從控制的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2002,32(1):133-137.

[9] GUERRERO J M, GARCIA D, MATAS J, et al. A wireless controller to enhance dynamic performance of parallel inverters in distributed generation systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(5):1205-1213.

[10] ILLINDALA M S, PIAGI P, ZHANG H, et al. Hardware development of a laboratory-scale microgrid phase 2: operation and control of a two-inverter microgrid[R]. Madison: National Renewable Energy Lab,2004.

[11] PIAGI P, LASSETE R H. Autonomous control of microgrids[C]//Power Engineering Society General Meeting. Ann Arbor: IEEE,2006:2365-2370.

[12] 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(xué)報,2009,24(2):100-107.

[13] 張慶海,彭楚武,陳燕東，等.一種微電網(wǎng)多逆變器并聯(lián)運(yùn)行控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2012,32(25):126-132.