基于下垂特性的微電網(wǎng)電壓與頻率恢復(fù)控制

雷鵬娟，錢欣

(承德石油高等?？茖W(xué)校電氣與電子工程系，河北承德067000)

基于下垂特性的微電網(wǎng)電壓與頻率恢復(fù)控制

雷鵬娟，錢欣

(承德石油高等?？茖W(xué)校電氣與電子工程系，河北承德067000)

針對(duì)低壓微電網(wǎng)中線路阻抗呈阻性的特征，建立了三相逆變器的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，采用電壓與頻率的恢復(fù)控制來保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。其中，電壓恢復(fù)部分采用主從控制，在主控單元引入電壓補(bǔ)償控制項(xiàng)，頻率恢復(fù)部分采用對(duì)等控制，引入了無功慣性項(xiàng)，使系統(tǒng)在負(fù)載突變等情況下的電壓與頻率仍能維持在額定值附近，并理論分析了所研究控制方法的合理性。然后基于MATLAB/Simulink仿真軟件完成了所研究的控制策略的仿真，驗(yàn)證了所研究控制方法的可行性。

微電網(wǎng);下垂控制;恢復(fù)控制;無功慣性項(xiàng)

近幾年，隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)的廣泛使用，交流微電網(wǎng)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。微電網(wǎng)中的微源主要包括光伏電池、風(fēng)電及燃料電池等。所以，微電網(wǎng)的控制需要達(dá)到以下幾點(diǎn)要求［1］:任何一個(gè)微源的接入或者退出不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行;微源可以自己選擇運(yùn)行點(diǎn);微電網(wǎng)可以平滑地并網(wǎng)運(yùn)行或者離網(wǎng);分開進(jìn)行有功和無功功率的控制;微電網(wǎng)可以自主校正電壓的跌落等問題。此外，在微電網(wǎng)中，電壓和頻率的偏差是兩個(gè)重要的電能質(zhì)量指標(biāo)，它直接反映了有功功率和無功功率的產(chǎn)生與消耗之間的平衡關(guān)系，所以電壓與頻率的偏移問題是不可忽略的，必須采用可靠的控制方法使系統(tǒng)在額定電壓與頻率值附近運(yùn)行。近年來，學(xué)者們提出了不少下垂算法中頻率的優(yōu)化控制策略，但涉及電壓恢復(fù)的控制策略比較少。其中，2009年Ritwik Majumder等人提出了用相角下垂取代頻率下垂的控制策略［2］;文獻(xiàn)［3］認(rèn)為受線路阻抗影響，逆變器輸出的有功與無功功率均與電壓幅值和相位有關(guān)系;文獻(xiàn)［4］提出了多段式下垂斜率的控制方案;文獻(xiàn)［5］提出了一種自動(dòng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的控制方法。這些方法各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。由于微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以需要進(jìn)一步研究更加適合微電網(wǎng)控制的方法。本文以微電網(wǎng)中的三相逆變電源為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了電壓電流環(huán)的控制器參數(shù)，分析了三相逆變器的數(shù)學(xué)模型及下垂控制原理。由于傳統(tǒng)下垂存在的固有缺陷，本文采用電壓與頻率恢復(fù)控制策略，電壓控制部分采用主從控制，當(dāng)電壓偏差過大時(shí)主單元進(jìn)行調(diào)節(jié);頻率恢復(fù)部分采用對(duì)等控制，所有的微源共同參與調(diào)節(jié)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后，使用MATLAB/Simulink仿真軟件進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　微電網(wǎng)的基本控制及其分析

1．1微電網(wǎng)的控制策略

目前，從整體控制角度考慮，微電網(wǎng)的控制策略主要分為主從型和對(duì)等型兩種。主從控制方法指由一個(gè)主單元來協(xié)調(diào)其他的分布式電源，該主控單元采用不同于其它控制單元的方法，負(fù)責(zé)不同的職能。在對(duì)等控制方法中，各分布式發(fā)電單元采用相同的控制方法來進(jìn)行控制，所有的微源都同時(shí)參與功率的調(diào)節(jié)，以維持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1．2分布式電源接口逆變器的控制

分布式電源一般分為傳統(tǒng)發(fā)電模式、新興發(fā)電模式和可再生能源發(fā)電模式，這些分布式電源需要通過電力電子接口連接到電網(wǎng)。所以，必須合理選擇逆變器的控制策略，才能保證微電網(wǎng)系統(tǒng)可靠運(yùn)行。分布式電源接口的控制方式通常有［6］:恒功率控制、恒壓恒頻控制和下垂控制三種，其中，下垂控制［7］類似于發(fā)電機(jī)的特性，利用輸出功率的變化來控制逆變器輸出的電壓與頻率。下垂控制原理圖如圖1所示。

1．3逆變器的建模及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2為三相逆變器的拓?fù)洹Ｆ渲蠷1、L1、C1為濾波部分的參數(shù)，R3和L3為線路阻抗，u1a、u1b、u1c與u2a、u2b、u2c分別為逆變器的輸出電壓和負(fù)載電壓，i1a、i1b、i1c和i2a、i2b、i2c分別為電感和電容中的電流。

由于逆變器的輸出側(cè)為隨時(shí)間變化的量，所以三相逆變器的數(shù)學(xué)模型采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，使其與基波頻率保持同步旋轉(zhuǎn)，下面兩式是經(jīng)過計(jì)算得到的三相逆變器的數(shù)學(xué)模型。

公式(1)三相逆變器的數(shù)學(xué)模型是在(d，q)坐標(biāo)系中得到的，在(d，q)坐標(biāo)系中，d軸和q軸是相互耦合的，這種耦合會(huì)嚴(yán)重影響控制器的設(shè)計(jì)，因此，在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，需要進(jìn)行解耦控制。通過對(duì)不同控制方式的分析，電流內(nèi)環(huán)采用比例調(diào)節(jié)器，以提高系統(tǒng)的快速性;電壓環(huán)利用比例積分調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。將d軸、q軸進(jìn)行解耦，其控制方程分別表示如下:

為了保證等效輸出阻抗在工頻處為阻性，本文選擇的參數(shù)為:電壓與電流環(huán)的小慣性時(shí)間常數(shù)50 μs，開關(guān)頻率10 kHz，電感3 mH，濾波電容15 μF，電流環(huán)的比例系數(shù)0．4，電壓環(huán)的比例系數(shù)和積分系數(shù)分別為0．036和100。在此情況下系統(tǒng)電壓閉環(huán)的單位階躍響應(yīng)如圖4所示。由圖4可知，此參數(shù)不僅可以保證系統(tǒng)輸出阻抗近似為阻性，同時(shí)也保證了系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。

2　微電網(wǎng)電壓與頻率恢復(fù)控制研究

2．1基于功率控制理論的下垂特性分析

下垂控制的實(shí)質(zhì)為［8］:在整個(gè)控制系統(tǒng)內(nèi)，每個(gè)微源根據(jù)自己輸出的有功和無功功率，通過下垂控制的原理可以得到電壓與頻率的給定值，然后通過調(diào)節(jié)自身的電壓和頻率使有功功率和無功功率可以達(dá)到合理的輸出值。采用下垂控制的微源在與主網(wǎng)連接時(shí)具有類似于發(fā)電機(jī)的工作特性，孤島工作時(shí)，電壓與頻率需要通過下垂控制來維持。但是，當(dāng)重載、輕載或者網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，下垂曲線的斜率會(huì)很大，下垂曲線平緩時(shí)能夠減小電壓與頻率的偏差，卻會(huì)使各微源之間的功率難以平均分配。因此如何緩解功率均分和電壓與頻率的偏移之間的矛盾具有重要意義。

2．2基于電壓補(bǔ)償?shù)奈㈦娋W(wǎng)電壓恢復(fù)控制

從上面分析可知，下垂控制可使功率合理分配，卻犧牲了電壓與頻率的穩(wěn)定性。若采用主從控制，當(dāng)電壓偏移超過一定范圍后，可通過改變其中一臺(tái)大容量微源的下垂曲線使電壓恢復(fù)到額定值附近。當(dāng)偏差沒有超過閾值時(shí)，各微源按下垂方式均分，當(dāng)偏差超過閾值后，主控微源參與調(diào)節(jié)，其它微源仍按下垂方式均分。通過這樣的控制方法，就可以使電壓很快恢復(fù)到額定值附近。

2．3基于無功慣性的微電網(wǎng)頻率恢復(fù)控制

為了增加系統(tǒng)的慣性，提高穩(wěn)定性，本文在下垂控制環(huán)中加入了慣性環(huán)節(jié)。圖5為加入慣性環(huán)節(jié)后的頻率恢復(fù)控制。其中，有功-電壓部分用于實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)整和有功功率的平衡，通過該部分可以得到參考電壓;頻率-無功部分實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)和無功功率的平衡;慣性環(huán)節(jié)加在無功部分，無功功率的輸出與參考值做差經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)后能夠得到頻率的偏差，擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，慣性環(huán)節(jié)的作用可以使頻率緩慢過渡，并且能使偏差減小。圖中，表示轉(zhuǎn)子方程的時(shí)間常數(shù)，D'表示阻尼系數(shù)。

3　仿真分析

3．1微電網(wǎng)電壓與頻率恢復(fù)控制方法仿真

為了驗(yàn)證本文所研究的電壓與頻率恢復(fù)控制策略的有效性，采用MATLAB/Simulink軟件對(duì)多個(gè)微源組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

該微電網(wǎng)系統(tǒng)包括三臺(tái)微源，其中，DG1與DG2可為光伏等微源，DG3為包含儲(chǔ)能系統(tǒng)的大容量微源。在仿真分析中，DG1與DG2容量相等，開關(guān)頻率為10 kHz，輸入電壓為700 V，輸出電壓有效值220 V，額定有功功率均為2 000 W，無功功率均為200 Var。為了模仿微電網(wǎng)環(huán)境，三臺(tái)微源的線路阻抗不等，分別為ZL1=0．4+j0．3Ω，ZL2=0．3+j0．2Ω，ZL3=0．2+j0．1Ω，并且?guī)в泄簿€路阻抗:ZL= 0．2+j0．1Ω，符合微電網(wǎng)中線路阻抗呈阻性的特征，在系統(tǒng)中兩個(gè)位置帶有阻感性負(fù)載。下垂系數(shù)分別為:幅值下垂部分3e-2，頻率下垂部分3e-4。頻率恢復(fù)控制中，各微源均參與調(diào)節(jié)，而電壓恢復(fù)控制中，只有一臺(tái)微源作為主控單元來對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。0．5 s前在額定功率時(shí)工作，0．5 s時(shí)負(fù)載突變。下面為采用基于下垂特性的微電網(wǎng)電壓與頻率恢復(fù)控制方法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行的仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，主控單元DG3中電壓偏移達(dá)到15 V時(shí)電壓開始調(diào)節(jié)，很快電壓幅值便恢復(fù)到了額定311 V附近，而頻率偏移恢復(fù)到了50．045 Hz，電壓與頻率均得到了良好的恢復(fù)，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)也驗(yàn)證了在微電網(wǎng)中本文所用控制策略的有效性。

3．2微電網(wǎng)系統(tǒng)中微源不等容量時(shí)的仿真

本文對(duì)三臺(tái)不等容量的微源進(jìn)行了仿真分析，DG1、DG2與DG3的額定功率比為2∶3∶4。其中，DG3作為主控單元。0．45 s時(shí)使負(fù)載增加，仿真波形如圖8所示。從圖8可以看出，在不等容量時(shí)該控制策略仍能保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

3．3微電網(wǎng)系統(tǒng)熱插拔仿真

在下面的仿真中，采用電壓與頻率恢復(fù)控制策略。初始狀態(tài)時(shí)，三臺(tái)微源在額定狀態(tài)下正常工作，0．4 s時(shí)DG2從系統(tǒng)中退出，0．7 s時(shí)DG2又重新進(jìn)入系統(tǒng)。圖9顯示了在DG2切入和退出系統(tǒng)過程中整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的工作情況。從仿真圖可知，即使在熱插拔時(shí)本文所用的控制策略仍然適用，在減小電壓與頻率偏移的同時(shí)保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4　結(jié)論

為了保證微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，本文對(duì)下垂控制進(jìn)行了改進(jìn)，以減小微電網(wǎng)系統(tǒng)中電壓與頻率的偏移。首先建立了三相逆變器的數(shù)學(xué)模型，緊接著在功率傳輸理論的基礎(chǔ)上分析了傳統(tǒng)下垂控制與微電網(wǎng)中的下垂控制的區(qū)別以及下垂控制中存在的電壓與頻率的偏移問題。在此基礎(chǔ)上介紹了本文所研究的微電網(wǎng)電壓與頻率恢復(fù)控制策略，最后在MATLAB/Simulink軟件的基礎(chǔ)上組建了由三個(gè)不同容量的微源組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)，并進(jìn)行了電壓與頻率恢復(fù)控制的仿真分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所研究的電壓與頻率恢復(fù)控制策略的正確性和有效性。

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Research on Voltage and Frequency Recovery Control in Energy Micro-Grid Based on Droop Characteristic

LEI Peng-juan，QIAN Xin
(Department of Electrical and Electronic Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Based on the resistance characteristics of the line impedance in micro-grid，the mathematical model of the three-phase inverter was established，and the voltage and frequency recovery contrl was used to guaratee the stability of the whole system in this paper．In the voltage recovery part，the master-slave control was adopted and the voltage compensation control items was joined in the main unit．In the meantime，the peer control and inertial element of reactive power were adopted by the frequence recovery part．So the voltage and frequency can be ensured to be close to the rated values when load mutation occurs，and the rationlity of the method was analyzed in this paper．The simulation of the control strategy has been completed based on the MATLAB/Simulink platform，which was used to confirm the feasibility of the sutdy in this paper．

microgrid;droop control;recovery control;inertial element of reactive power

TM712

A

1008-9446(2015)02-0037-06

2014-12-24

雷鵬娟(1986－)，女，山西省汾陽市人，承德石油高等?？茖W(xué)校電氣與電子工程系助教，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)方面的教學(xué)和科研工作。