微網(wǎng)中分布式電源基于下垂控制的設(shè)計(jì)

郭鐵峰

（國(guó)網(wǎng)天津東麗供電公司，中國(guó) 天津 300300）

0 引言

微電網(wǎng)作為一個(gè)大小可以改變的智能負(fù)載，為本地電力系統(tǒng)提供了可調(diào)度負(fù)荷，可以在數(shù)秒內(nèi)做出響應(yīng)以滿足系統(tǒng)需要，適時(shí)向大電網(wǎng)提供有力支撐；可以在維修系統(tǒng)同時(shí)不影響客戶的負(fù)荷；可以減輕(延長(zhǎng))配電網(wǎng)更新?lián)Q代；同時(shí)，可作為一個(gè)可定制的電源，可以滿足用戶多樣化的需求，提高負(fù)載電壓供電可靠性。本文針對(duì)組成微網(wǎng)的分布式電源間并聯(lián)運(yùn)行的控制展開(kāi)了研究工作，研究了多個(gè)分布式電源的并行控制策略，提出了多種控制策略，經(jīng)過(guò)相互比較，選定一種易于實(shí)現(xiàn)控制的P-f和Q-V下垂控制策略，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了P-f和Q-V下垂控制的正確性與可行性。

1 下垂控制

為了更簡(jiǎn)單的控制分布式電源的接口逆變器，使不同類型分布式電源形成微網(wǎng)，一種常見(jiàn)的方法是模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)控制器使分布式電源的接口逆變器按照下垂特性曲線運(yùn)行。常見(jiàn)的分布式電源接口逆變器控制方法分為恒功率控制、下垂控制和恒壓恒頻控制。本文采用的控制方法是下垂控制。

常用的分布式電源接口逆變器的下垂控制原理如圖1所示，它利用分布式電源輸出有功功率和頻率呈線性關(guān)系而無(wú)功功率和電壓幅值成線性關(guān)系的原理而進(jìn)行控制。例如，當(dāng)分布式電源輸出有功和無(wú)功功率分別增加時(shí)，分布式電源的運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)向B點(diǎn)移動(dòng)。該控制方法由于其具有不需要分布式電源之間通信聯(lián)系就能實(shí)施對(duì)整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)控制的潛力，所以一般用于對(duì)等策略中的分布式電源接口逆變器的控制。

2 外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

本文外環(huán)為功率控制器，采用下垂特性,通過(guò)調(diào)節(jié)有功功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率和無(wú)功功率調(diào)節(jié)電壓幅值。分布式電源向微網(wǎng)輸出的有功功率和無(wú)功功率分別為：

由式（1）可知，分布式電源輸出的有功功率與電壓矢量間功角差δp成線性關(guān)系，無(wú)功功率與逆變器電壓的幅值V成線性關(guān)系。因此，針對(duì)分布式電源輸出的功率控制，逆變器可采用模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)控制特性的P-f下垂特性與Q-V下垂特性的控制方法，對(duì)分布式電源輸出功率進(jìn)行靈活控制。

多環(huán)反饋控制器中的外環(huán)控制器即下垂控制器主要是為實(shí)現(xiàn)多個(gè)分布式電源無(wú)通信聯(lián)系的負(fù)荷功率共享。式（2）表達(dá)了圖2所示有功功率和頻率的關(guān)系無(wú)功功率和電壓的關(guān)系

式中 ω、ωref、P、Pref、V、Vn、Q、m 和 n 分別表示系統(tǒng)的頻率、 參考頻率、分布式電源輸出的有功功率、分布式電源參考功率、分布式電源輸出電壓幅值，輸出電壓參考幅值、分布式電源輸出的無(wú)功功率、P-f下垂增益和Q-V下垂增益。

在工頻fN=50Hz下，分布式電源輸出的額定有功功率為Pref，分布式電源輸出的無(wú)功為0時(shí)，其輸出的電壓幅值均為Vn。由于微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)各分布式電源的輸出頻率，即可確定下垂增益。本文設(shè)計(jì)的下垂控制器m=0.00001，n=0.0005，頻率變化的范圍為±2%，電壓幅值的變化范圍為±5%。Matlab設(shè)計(jì)下垂控制如圖 3所示，圖中Pref、Qref、P、Q分別表示分布式電源的參考有功功率、參考無(wú)功功率，輸出有功功率和無(wú)功功率，Vref、Fref分別表示分布式電源的參考頻率和參考電壓幅值，m、n分別表示P-f下垂增益和Q-V下垂增益。

3 內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

通過(guò)設(shè)計(jì)P-f和Q-V多環(huán)反饋控制器中內(nèi)環(huán)控制器可以減少負(fù)荷擾動(dòng)對(duì)接口逆變器輸出電壓的影響，保證逆變器輸出端口電壓等于外環(huán)控制器的參考電壓。同時(shí)通過(guò)對(duì)內(nèi)環(huán)控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)，使逆變器閉環(huán)輸出阻抗城感性，可減少傳輸?shù)挠泄蜔o(wú)功控制受線路阻抗影響的耦合程度。

通過(guò)外環(huán)功率控制器產(chǎn)生內(nèi)環(huán)控制器的參考電壓，內(nèi)環(huán)為電壓和電流控制器，電壓控制器采用PI控制器主要起穩(wěn)定接口逆變器輸出端口作用，而電流控制器采用比例控制器主要為提高響應(yīng)速度，如圖4所示。

若忽略濾波電阻Rf(值很小)，則濾波電感電壓方程為：

Iinv表示逆變器輸出電流矢量Iinv=[iinvaiinvbiinvc]T；

Vo示逆變器輸出電壓矢量。

相應(yīng)濾波電容的電流方程為：

式中：If表示流向微網(wǎng)的電流矢量。

根據(jù)式（3）～（4），設(shè)計(jì)內(nèi)雙環(huán)控制器如圖所示，其外環(huán)為電壓控制器，內(nèi)環(huán)為電流控制器。由于電壓控制器的主要目的是穩(wěn)定逆變器輸出端口電壓，為了使負(fù)載電壓穩(wěn)態(tài)誤差為0，采用PI控制器，圖4中Kvp為比例系數(shù)，Kvi為積分系數(shù)。電流控制器的主要目的是提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，所以采用比例控制器K。

當(dāng)Kvp時(shí)，Kvp越小逆變器的輸出阻抗在50Hz處越呈阻性；當(dāng)Kvp＜1時(shí)，其50Hz處輸出阻抗呈感性，Kvp越大其感性阻抗的頻帶越寬。但由于高頻段輸出阻抗呈阻性能有效抑制諧波，所以應(yīng)該選擇使50Hz處輸出阻抗呈感性。積分參數(shù)越大輸出阻抗越呈阻性。當(dāng)Kvi=1時(shí)，50Hz處輸出阻抗為感性阻抗，但當(dāng)Kvi=5000時(shí)，50Hz處輸出阻抗完全為阻性阻抗。同樣，為了抑制高頻段的諧波，應(yīng)選擇使50Hz處輸出阻抗呈感性，使高頻段輸出阻抗呈阻性的控制器參數(shù)Kvi。取Kvp=10，Kvi=100,保證了50Hz處輸出阻抗呈感性，同時(shí)高頻段輸出阻抗呈阻性。

4 仿真驗(yàn)證

本文采用Matlab仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的多環(huán)反饋控制器，系統(tǒng)外環(huán)功率控制環(huán)采用P～f和Q～V下垂控制，通過(guò)此控制器產(chǎn)生內(nèi)環(huán)控制器的參考電壓，內(nèi)環(huán)為電壓和電流控制器，電壓控制器采用PI控制器主要起穩(wěn)定接口逆變器輸出端口電壓作用，而電流控制器采用P控制器主要是為了提高響應(yīng)。

在工頻fn=50Hz的工作條件下，逆變器輸出的電壓和電流的波形如圖5所示。內(nèi)環(huán)控制器將控制分布式電源輸出端口的電壓幅值和相角在穩(wěn)態(tài)時(shí)等于外環(huán)下垂控制器產(chǎn)生的參考電壓幅值和相角，電壓環(huán)的PI控制器將使電壓相角在穩(wěn)態(tài)時(shí)與外環(huán)下垂控制器產(chǎn)生的參考電壓相角相同，動(dòng)態(tài)變化會(huì)有輕微不同。

內(nèi)環(huán)控制器可以減少負(fù)荷擾動(dòng)對(duì)接口逆變器輸出電壓的影響，保證逆變器輸出電壓等于外環(huán)控制器的參考電壓。

在設(shè)計(jì)好的多環(huán)反饋控制器的主電路中加入一個(gè)斷路器和一個(gè)相同的負(fù)載，在t=0.3s時(shí)逆變器輸出的電壓減小，在t=0.7s時(shí)，斷路器打開(kāi)，切掉另一個(gè)負(fù)荷，逆變器輸出電壓恢復(fù)。逆變器輸出的電壓和電流的波形如圖6所示。圖7所示為有負(fù)載變化時(shí)功率控制器輸出的功率和電壓波形，圖8所示為有負(fù)載變化時(shí)功率控制器的頻率和電壓幅值，仿真結(jié)果說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的多環(huán)反饋控制器能夠保證系統(tǒng)的供電可靠性和運(yùn)行穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文利用下垂特性對(duì)微網(wǎng)中的微型源進(jìn)行了多環(huán)反饋控制器的設(shè)計(jì)研究。外環(huán)功率控制器主要是為實(shí)驗(yàn)多個(gè)分布式電源無(wú)通信聯(lián)系的負(fù)荷功率共享，內(nèi)環(huán)控制器的主要目的是改善以電力電子接口的分布式電源的控制性能。此多環(huán)反饋控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)用有效，為硬件實(shí)施提供可能性。仿真結(jié)果證明了控制方法的合理性和有效性。

［1］魯宗相,王彩霞,閔勇,周雙喜,呂金祥,王云波.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2007,19：100-107.

［2］趙宏偉,吳濤濤.基于分布式電源的微網(wǎng)技術(shù)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2008,01：121-128.

［3］羅建中.分布式微型電網(wǎng)并網(wǎng)研究[D].湖南大學(xué),2009.

［4］張玲,王偉,盛銀波.基于清潔能源發(fā)電系統(tǒng)的微網(wǎng)技術(shù)[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,01：40-43.

［5］王鶴,李國(guó)慶.含多種分布式電源的微電網(wǎng)控制策略[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2012,05：19-23.

［6］肖朝霞.微網(wǎng)控制及運(yùn)行特性分析[D].天津大學(xué),2009.

［7］Y.Li and M.Viathgamuwa.Design,analysis,and real-time testing of a controller for multi-bus MicroGrid system[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(05)：1195-1204.

［8］Benjamin Kroposki,Robert Lasseter,et al.A Look at Microgrid Technologies and Testing,Projects from Around the World[J].IEEE power and energy magazine,2008.

［9］Lassetter R,Akhil A,Marnay C,et al.The CETRS MicroGrid Concept[EB/OL].CERTS.http：//certs.lb.l gov/pdf/50829.pdf,2006-09-12.