逆變器參數(shù)不匹配微電網(wǎng)改進下垂策略

朱艷萍，　李欽欽，　孫孝峰，　王寶誠，　李昕

(燕山大學 電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

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逆變器參數(shù)不匹配微電網(wǎng)改進下垂策略

朱艷萍，李欽欽，孫孝峰，王寶誠，李昕

(燕山大學 電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

摘要:針對逆變器線路阻抗和逆變器參數(shù)不匹配以及本地負載不均衡的微電網(wǎng)系統(tǒng)，提出一種改進的P-V控制策略，該策略計算各個分布式發(fā)電單元輸出有功功率的平均值，然后將平均值與本地有功功率測量值作差，利用該差值的積分項對輸出電壓幅值進行補償，從而實現(xiàn)高精度的功率均分。該方法使系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，在復(fù)雜的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中也能得到很好的功率均分效果，能夠?qū)崿F(xiàn)不同功率等級逆變器間功率的精確分配。仿真和實驗結(jié)果證明了方案的正確性。

關(guān)鍵詞:復(fù)雜微電網(wǎng)；逆變器；下垂控制；功率均分；功率平均值

0引言

隨著人們對環(huán)境污染和能源消耗的日益關(guān)注，光伏、風力和渦輪機等新能源以分布式發(fā)電(distributed generation,DG)單元的形式，通過電力電子變換器和儲能裝置連接到電網(wǎng)中組成了一個新的結(jié)構(gòu)—微電網(wǎng)[1-8]。

與單個DG單元相比，微電網(wǎng)具有更大的容量，并且能夠提供高質(zhì)量、高可靠性的電能。微電網(wǎng)有兩種工作模式，當電網(wǎng)正常運行時，微電網(wǎng)可工作在并網(wǎng)模式下實現(xiàn)高級的能量管理；而電網(wǎng)發(fā)生故障時，微電網(wǎng)在孤島運行模式下為敏感負荷提供可靠的電能。

傳統(tǒng)的下垂控制以其無互聯(lián)線、本地性等特點被廣泛應(yīng)用于微電網(wǎng)的控制中，然而由于線路阻抗等影響，無功功率不能實現(xiàn)準確的功率均分，許多文獻基于傳統(tǒng)下垂控制提出了改進方案。文獻[1]估算了線路阻抗產(chǎn)生的壓降來補償逆變器輸出電壓，改進下垂系數(shù)，提高無功功率均分效果，但對線路阻抗壓降的精確估計較難實現(xiàn)。文獻[2]采用耦合的下垂控制方程來進行功率控制，同時通過檢測系統(tǒng)阻抗來加入相應(yīng)的虛擬阻抗使輸出阻抗角為45°，配合耦合的下垂方程來實現(xiàn)無功功率的均分。在文獻[3]中，虛擬的頻率電壓下垂控制概念被提出，通過對有功功率和無功功率進行解耦，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，實現(xiàn)功率均分。但是文獻[2]和[3]的控制策略需知道線路阻抗信息，而線路阻抗的檢測一直是一個難題。文獻[4-5]中的虛擬PQ控制也存在線路阻抗檢測困難的問題。文獻[6-7]加入虛擬阻抗來達到功率均分，虛擬阻抗越大，均分效果越好，但過大的虛擬阻抗會引起嚴重的輸出電壓幅值下降問題。

文獻[8]提出一種注入有功擾動并利用積分補償來實現(xiàn)功率均分的方法。該方法不需要知道電網(wǎng)配置，但擾動的注入使系統(tǒng)在補償調(diào)節(jié)的過程中產(chǎn)生明顯的功率振蕩，而且達到穩(wěn)定運行的調(diào)節(jié)時間較長。此外，由于耦合項的存在，下垂系數(shù)的選取也較麻煩。本文提出了一種基于功率平均值的改進P-V(power-voltage)下垂控制方案，無需微電網(wǎng)配置詳細信息且適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)，避免了功率擾動注入問題，同時縮短系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間。

1下垂控制理論分析

微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。微電網(wǎng)由多個DG單元和負載組成，它通過一個靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(static transfer switching,STS)連接到主網(wǎng)。中心控制器控制STS完成并網(wǎng)模式和孤島模式的實時切換，并通過低帶寬通信線路與各DG單元的本地控制器完成信息交換，傳輸功率、電壓、頻率等信息[9-12]。

圖1　微電網(wǎng)配置圖Fig.1　Microgrid configuration

DG單元通過線路阻抗連接到公共連接點(common connection point,PCC)，功率流向如圖2所示，其中E∠δ是逆變器輸出電壓，V∠0是PCC點電壓，R是線路電阻，X是線路電感。DG輸出的有功功率和無功功率分別是

(1)

(2)

在低壓系統(tǒng)中，線路阻抗主要呈阻性，即R>>X，因而可忽略電感影響，且相角δ較小，故可認為sinδ≈δ，cosδ≈1。上述有功功率和無功功率的表達式(1)和式(2)可以簡化為

(3)

(4)

圖2　單個DG單元的等效電路Fig.2　Equivalent circuit of one DG unit

此時有功功率主要受輸出電壓幅值的影響，無功功率主要受輸出電壓相位的影響。從而可以得到P-V下垂控制方程[12]

E=E0-KPP，

(5)

f=f0+KQQ。

(6)

在傳統(tǒng)P-V下垂控制方式下，整個系統(tǒng)頻率相對一致[13]，與頻率相關(guān)的無功功率能夠在孤島運行中實現(xiàn)均分，但是由于系統(tǒng)中線路阻抗的存在，會使DG輸出電壓與PCC電壓之間產(chǎn)生電壓幅值差。此外系統(tǒng)參數(shù)不匹配和本地負載等影響，都會使相同容量DG單元間的有功功率產(chǎn)生差值，不能達到準確均分。

2改進的下垂控制

針對傳統(tǒng)P-V下垂存在的功率不均分問題，本文提出了改進的下垂控制方案。

2.1相同容量下系統(tǒng)策略分析

在相同容量的逆變器系統(tǒng)中，控制方程如下

(7)

f=f0+KQQ，

(8)

(9)

其中KC表示有功功率差的積分常數(shù)，PAVE表示N臺逆變器有功功率的平均值。在傳統(tǒng)P-V下垂控制中，由于Q-f控制存在積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行時頻率會拉入同步，各單元的頻率相等，無功功率能實現(xiàn)較為準確的負荷均分，故此處對能均分的無功功率下垂控制不做改進，而對電壓幅值通過積分作用進行補償，消除有功誤差。

當系統(tǒng)運行在下垂控制方式下，中心控制器通過低帶寬通信線接收各本地控制器發(fā)出的有功功率信息，計算平均值PAVE，并將其傳送至各DG單元。本地控制器接收到平均有功功率信息后，自身有功功率在積分調(diào)節(jié)下跟隨平均功率，同時產(chǎn)生電壓偏移量對電壓額定幅值進行補償，最終達到功率均分。

圖3說明了線路阻抗不匹配情況下的有功功率調(diào)節(jié)過程。在理想的阻性線路情況下，逆變器輸出電壓和PCC點電壓的幅值差與DG單元的輸出有功存在線性關(guān)系[8]。傳統(tǒng)下垂控制下，兩個DG單元容量相同且具有相同的下垂曲線KP，由于線路電阻R1>R2，DG1輸出的有功功率P1小于DG2的功率P2。為消除有功差，加入式(7)中的積分補償，DG1的電壓額定值引入正向偏移量，下垂曲線由KP抬升到KP1；反之DG2引入負向電壓偏移量，下垂曲線由KP下移到KP2。電壓額定值偏移后，兩個DG單元的線路特性曲線SP1和SP2從實線位置移到虛線處，經(jīng)過積分調(diào)節(jié)，最終達到新的穩(wěn)態(tài)工作點，有功功率為P1和P2的平均值。

圖3　不同線路阻抗下的有功功率Fig.3　Active power with unequal feeder impedance

該方案不需要線路阻抗信息且適用于各種結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)，在本地負荷與不匹配的線路阻抗影響下，依然能夠達到準確的功率均分效果。

2.2不同容量下策略分析

不同容量的DG系統(tǒng)運行在孤島模式下實現(xiàn)按比例均分功率負荷的條件是等效輸出阻抗與容量成反比，但實際中由于參數(shù)漂移、諧波注入和采集誤差的存在很難精確設(shè)計等效輸出阻抗[14-15]。為實現(xiàn)DG系統(tǒng)按容量分配負載，下垂系數(shù)的選取需滿足以下關(guān)系：

KP1P01=..=KPiP0i=...=KPnP0n。

(10)

KQ1Q01=...=KQiQ0i=...=KQnQ0n。

(11)

按照式(7)和式(8)的控制方程可以消除電壓偏差，實現(xiàn)有功和無功功率的比例分配，此時，式(9)改為

(12)

2.3小信號建模與性能分析

下面對提出的策略進行小信號建模，分析系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。

給DG輸出電壓加入小的擾動，通過式(1)和式(2)的功率表達式可以得到功率的小信號為

ΔP=kpeΔE+kpδΔδ，

(13)

ΔQ=kqeΔE+kqδΔδ。

(14)

(15)

(16)

其中τ是低通濾波器的時間常數(shù)。

當控制過程出現(xiàn)較小的功率擾動，根據(jù)提出的控制方程式(7)和式(8)，可以得到頻率和電壓幅值的小信號響應(yīng)為

(17)

Δf=KQΔQ。

(18)

s4Δδ+As3Δδ+Bs2Δδ+CsΔδ+DΔδ=0。

(19)

則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

(20)

根據(jù)上述開環(huán)傳函，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性可以通過策略的根軌跡圖來進行評估，參數(shù)如表1和表2所示。圖4為下垂系數(shù)KP，KQ分別在0.000 1到0.005和0.000 01到0.01范圍內(nèi)變化的根軌跡圖，以及積分系數(shù)KC在0.01到1變化的圖形。箭頭指向參數(shù)增大的方向。

圖4　小信號模型下的根軌跡Fig.4　Root locus diagram for the small signal model

圖4(a)所示，隨著有功功率下垂系數(shù)KP的增加，四個極點都向?qū)嵼S方向靠近，其中兩個極點最終變?yōu)閷崝?shù)根，系統(tǒng)阻尼增大，振蕩幅度減小。當KP增大到一定程度，λ3沿著實軸向無窮遠處延伸，與其他三個極點距離較遠，此時可以忽略λ3的影響，而λ2向虛軸靠近使動態(tài)響應(yīng)速度變慢。在0.000 1≤KP≤0.005的變化范圍內(nèi)，所有極點一直位于左半平面，系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)呈收斂性，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當KQ從0.000 01變化到0.01，λ1和λ4從實軸向虛軸方向延伸，λ2和λ3變化不大，系統(tǒng)阻尼系數(shù)減小，超調(diào)量增大。KQ較小時，λ4為主導(dǎo)極點，系統(tǒng)性能主要由λ4決定，隨著KQ增加，λ4離虛軸越來越遠，逐漸失去主導(dǎo)極點的地位，系統(tǒng)的快速性更好?？梢园l(fā)現(xiàn)，在整個KQ變化范圍內(nèi)，極點均處于左半平面，系統(tǒng)穩(wěn)定，如圖4(b)。隨著積分系數(shù)KC從0.01增大到1，系統(tǒng)一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，阻尼減小，振蕩變大，動態(tài)響應(yīng)變快，調(diào)節(jié)時間減少，如圖4(c)所示。

根據(jù)以上分析可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，適當選取參數(shù)可以得到較好的阻尼特性和暫態(tài)性能。

2.4系統(tǒng)可靠性分析

由于該策略的實現(xiàn)主要受平均有功功率PAVE影響，若該數(shù)據(jù)在傳送過程中丟失或發(fā)生錯誤則會直接改變積分補償值，影響功率均分效果。為提高系統(tǒng)可靠性，在整個過程中不能一直加入積分補償項，可將式(7)改進為

(21)

3仿真和實驗結(jié)果

3.1仿真結(jié)果

在本策略中，主電路采用三相電壓源型逆變電路，濾波電路為LC濾波器，控制電路含三閉環(huán)，分別為：1)電流內(nèi)環(huán)，采用比例調(diào)節(jié)器；2)電壓中環(huán)，采用比例積分調(diào)節(jié)器；3)功率外環(huán)，采用下垂控制。微電網(wǎng)仿真模型包括三個DG單元，它們在孤島模式下分配負載，仿真參數(shù)見表1，具體線路和負載信息如圖5所示。

表1　DG系統(tǒng)參數(shù)

圖5　微電網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)Fig.5　Microgrid in the simulation

3.1.1相同容量的DG系統(tǒng)

3個DG系統(tǒng)按表2選取相同的下垂系數(shù)。圖6為孤島模式下3個DG單元的有功和無功功率波形，它們均分31 kW，12 kVar的負載。

如圖6(a)所示，1 s前系統(tǒng)運行在傳統(tǒng)下垂控制下，由于線路阻抗等影響，有功功率的分配中存在明顯的均分誤差；1 s后，系統(tǒng)采用改進策略，有功差積分項對電壓幅值進行補償，促使3個DG單元的有功功率實現(xiàn)均分。而頻率是全局變量，無功功率可以達到很好的均分。如圖6(b)所示，經(jīng)過0.2 s左右的調(diào)節(jié)時間，有功和無功功率都實現(xiàn)均分。P-V策略實際上是在電壓幅值僅與有功調(diào)節(jié)有關(guān)的假設(shè)下提出，但實際上電壓幅值的變化也會影響無功功率，故而從圖6(b)中可以看到，在1s時加入積分調(diào)節(jié)，電壓幅值的補償作用會引起無功功率的擾動。但該策略動態(tài)響應(yīng)較快，擾動持續(xù)時間較短，并不會對系統(tǒng)運行產(chǎn)生較大影響。

圖6　微電網(wǎng)功率波形 (系統(tǒng)在1 s時從傳統(tǒng)下垂　　　轉(zhuǎn)換到提出的策略下)Fig.6　Power sharing in the microgrid.(The microgrid　　　 transfers from traditional method to proposed 　　　sharing algorithm at t=1 s)

系統(tǒng)參數(shù)仿真數(shù)值實驗數(shù)值電壓下垂系數(shù)KP/(V/W)0.0010.0175頻率下垂系數(shù)KQ/(Hz/Var)0.00010.002

圖7為3個DG單元相電流波形。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)下垂控制下，3個電流在幅值和相位上都存在差值，如圖7(a)。系統(tǒng)在1 s時于提出的策略下進行控制調(diào)節(jié)，經(jīng)過0.2 s無功和有功功率都達到均分，此時的線路電流在幅值和相位上幾乎一致，如圖7(b)。

由于提出的策略需要通過低帶寬通信實現(xiàn)，為測試通信延遲對策略影響，考慮DG1的數(shù)據(jù)傳送有0.2 s的延遲時間，如圖8所示，經(jīng)過0.3 s左右的調(diào)節(jié)時間，有功和無功功率依然能實現(xiàn)均分。

圖7　3臺DG單元的相電流Fig.7　Phase current of three DG units

圖8　功率波形 (DG1存在0.2 s通信延遲)Fig.8　Power sharing in the microgrid.(0.2 s　　　 communication delay in DG1)

系統(tǒng)參數(shù)數(shù)值DG1電壓下垂系數(shù)KP1/(V/W)0.001DG1頻率下垂系數(shù)KQ1/(Hz/Var)0.0001DG2電壓下垂系數(shù)KP2/(V/W)0.00075DG2頻率下垂系數(shù)KQ2/(Hz/Var)0.000075DG3電壓下垂系數(shù)KP3/(V/W)0.0006DG3頻率下垂系數(shù)KQ3/(Hz/Var)0.00006

3.1.2不同容量的DG系統(tǒng)

在仿真模型中，3個DG系統(tǒng)按3∶4∶5的比值分擔負載，下垂系數(shù)與容量成反比，按表3選取。有功功率和無功功率的分配情況如圖9所示。1 s前系統(tǒng)運行在傳統(tǒng)下垂控制下，可以發(fā)現(xiàn)無功功率能夠按容量比進行分配，但有功功率不能實現(xiàn)準確分配。1 s后加入積分補償，經(jīng)過0.2 s調(diào)節(jié)，3個DG單元按3∶4∶5的比值分擔負荷。

圖9　微電網(wǎng)功率波形 (系統(tǒng)在1 s時從傳統(tǒng)下垂　　　轉(zhuǎn)換到提出的策略下)Fig.9　Power sharing in the microgrid(The microgrid　　　 transfers from traditional method to proposed 　　　sharingalgorithm at t=1 s)

3.2實驗結(jié)果

基于以上分析，搭建了兩臺相同容量的三相逆變器微網(wǎng)平臺，實驗參數(shù)見表1和表2，實驗結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10　微電網(wǎng)實驗結(jié)構(gòu)Fig.10　Microgrid in the experiment

如圖11(a)所示，4 s前系統(tǒng)運行在傳統(tǒng)下垂控制策略下，由于不一致的線路壓降影響，有功功率并不能達到準確均分，大部分的有功功率由線路阻抗較小的DG1提供，兩DG間存在明顯的功率差；4s后，系統(tǒng)運行在改進的下垂策略下，經(jīng)過較短時間的調(diào)節(jié)，有功功率的均分準確性明顯提高。

圖11(b)中的無功功率在電壓補償前后都能達到較好的均分效果。由于實驗中負荷較小，仿真中積分補償引起的無功擾動并未出現(xiàn)。

圖11　微電網(wǎng)功率波形 (系統(tǒng)在4 s時從傳統(tǒng)下垂　　　轉(zhuǎn)換到提出的策略下)Fig.11　Power sharing in the microgrid(The microgrid 　　　transfers from traditional method to proposed 　　　sharing algorithm at t=4 s)

圖12為兩個DG單元的相電流波形。補償前，從圖12(a)中可以看到，兩電流在幅值和相位上都存在差值，系統(tǒng)環(huán)流較大。積分補償后，兩臺DG單元的相電流在幅值和相位上的誤差減小，電流波形幾乎一致，如圖12(b)所示。圖13為改進策略下的相電壓波形，幅值和相位幾乎一致。

圖12　兩臺DG單元的相電流Fig.12　Phase current of two DG units

圖13　提出策略下的相電壓波形Fig.13　Phase voltage in the proposed method

4結(jié)論

本文提出了一種基于有功功率平均值的功率均分控制策略。為消除有功均分誤差，中央控制器計算所有DG單元的有功功率平均值，利用該平均值與本地有功功率的差值對電壓幅值進行積分補償，從而實現(xiàn)有功均分。系統(tǒng)在提出的方案下具有良好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，無需微電網(wǎng)配置詳細信息且適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)，對不同容量的DG系統(tǒng)也能實現(xiàn)按比例精確分擔功率負荷。

參 考 文 獻:

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(編輯：張楠)

Improved droop control strategy for inverters of mismatch parameters in microgrid

ZHU Yan-ping,LI Qin-qin,SUN Xiao-feng,WANG Bao-cheng,LI Xin

(Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province,Yanshan University，Qinhuangdao 066004,China)

Abstract:In view of inverters line impedance and inverters parameters mismatch as well as local loads imbalance in microgrid,an improved real power-voltage (PV) control strategy was proposed.Averaged output real power of all distributed generation (DG) units was calculated,and then locally measured real power was subtracted to get power error.An integral term for real power error was added to regulate DG output voltage.With this integral control,the high accurate sharing of both real power and reactive power was achieved.The control strategy makes system have good stability and dynamic performance,which is suitable for complex microgrid structure.Even in the system with different capacity,accurate proportional load sharing among DGs can be obtained.Simulation and experimental results validate the correctness of the proposed strategy.

Keywords:complex microgrid structure; inverters; droop control; power sharing; averaged power

中圖分類號:TM 464

文獻標志碼:A

文章編號:1007-449X(2016)04-0049-08

DOI:10.15938/j.emc.2016.04.007

通訊作者:孫孝峰

作者簡介:朱艷萍(1972—)，女，博士，副教授，研究方向為分布式發(fā)電系統(tǒng)控制、功率因數(shù)校正；

基金項目：國家自然科學基金(51077112)；河北省自然科學基金(E2015203407，13211907D-2)

收稿日期:2014-12-06

李欽欽(1990—)，男，碩士，研究方向為新能源及并網(wǎng)、電能質(zhì)量控制；

孫孝峰(1970—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子變換器拓撲與控制、新能源及并網(wǎng)、電能質(zhì)量控制；

王寶誠(1962—)，男，博士，教授，研究方向為電力電子電路故障診斷、新能源并網(wǎng)；

李昕(1970—)，女，博士，教授，研究方向為新能源與信息處理技術(shù)。