孤島微電網(wǎng)無通信功率均分和電壓恢復(fù)研究

孫孝峰　郝彥叢　趙　巍　李　昕　王寶誠(chéng)

（燕山大學(xué)電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　秦皇島　066004）

孤島微電網(wǎng)無通信功率均分和電壓恢復(fù)研究

孫孝峰郝彥叢趙巍李昕王寶誠(chéng)

（燕山大學(xué)電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室秦皇島066004）

首先分析了傳統(tǒng)下垂控制在功率均分中的局限性，并提出一種新型下垂控制。該控制策略利用本地脈沖高低電平分別實(shí)現(xiàn)電壓恢復(fù)和功率均分，且只采用DG單元本地信息，不存在各DG單元或控制層面之間的通信，繼承了傳統(tǒng)下垂控制無通信的優(yōu)點(diǎn)，保證了微電網(wǎng)“即插即用”。在兩臺(tái)三相逆變器組成的小型微電網(wǎng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證明了理論與方案的正確性。

微電網(wǎng)新型下垂控制功率均分即插即用

0　引言

近年來，微電網(wǎng)以其微型、清潔、友好、自治以及即插即用等特點(diǎn)得到快速發(fā)展，它是分布式發(fā)電單元、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、變流器及監(jiān)控系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合［1］，有效緩解了當(dāng)?shù)赜秒妷毫?，形成了環(huán)境友好型發(fā)電方式［2］。孤島微電網(wǎng)各分布式發(fā)電單元的功率均分對(duì)于保證其可靠、安全及長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行十分重要，下垂控制可實(shí)現(xiàn)DG（Distributed Generation，DG）單元的“即插即用”，因此受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)下垂控制功率分配的特點(diǎn)決定于兩個(gè)獨(dú)立變量:系統(tǒng)頻率和基波電壓幅值［3-5］。由于系統(tǒng)頻率為全局變量，所以受控于系統(tǒng)頻率的功率可獲得均分；由于各分布式發(fā)電單元的線路阻抗不一致，受電壓控制的功率存在偏差［6-10］。而傳統(tǒng)下垂控制只是提供了一定的功率分配方式，并不能消除功率偏差，實(shí)現(xiàn)功率均分。

文獻(xiàn)［10-20］在無通信的情況下達(dá)到控制目的，但仍有自身的局限性。文獻(xiàn)［10-12］添加與無功功率相關(guān)的主導(dǎo)虛擬阻抗，從而可忽略線路阻抗不一致性，獲得功率均分，該方案增大了電壓跌落，降低了DG單元的輸出能力。文獻(xiàn)［13］提出負(fù)值虛擬阻抗的概念，在獲得功率均分的同時(shí)降低線路阻抗壓降，當(dāng)電流中含有諧波成分時(shí)，添加虛擬阻抗勢(shì)必會(huì)引入諧波電壓，威脅DG單元的安全運(yùn)行，此外，虛擬阻抗會(huì)影響基波功率的計(jì)算準(zhǔn)確度［14］。采用中央控制器（Microgrid Central Controller，MGCC）中的次級(jí)控制將中央信號(hào)通過低帶寬通信送入分布式的初級(jí)控制，實(shí)現(xiàn)功率均分和電壓恢復(fù)，集中次級(jí)控制可靠性差，一旦MGCC或是低帶寬通信出現(xiàn)故障，整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)便無法正常運(yùn)行［15］。為了克服集中次級(jí)控制的缺陷，文獻(xiàn)［16］提出了分布式次級(jí)控制，在本地進(jìn)行電壓頻率補(bǔ)償和功率均分控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，該方案仍需低帶寬通信影響微電網(wǎng)的可靠性和即插即用。文獻(xiàn)［17］提出了一種小信號(hào)注入方式，在獲得功率均分的同時(shí)減小系統(tǒng)頻率的偏差，該方案增加了控制的復(fù)雜程度，引起電壓畸變。文獻(xiàn)［18，19］調(diào)節(jié)下垂系數(shù)獲得功率均分，然而下垂系數(shù)和系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)相關(guān)，調(diào)節(jié)下垂系數(shù)會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［20］定義了虛擬矢量即電壓的積分，通過控制虛擬矢量間接控制電壓來實(shí)現(xiàn)功率均分，這種間接控制降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

本文提出一種無需改變系統(tǒng)阻抗或下垂系數(shù)，便可實(shí)現(xiàn)無互聯(lián)線功率均分的方案，該方案控制過程完全無通信，保證了微電網(wǎng)“即插即用”，算法簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)功率均分和電壓恢復(fù)，彌補(bǔ)了下垂控制電壓準(zhǔn)確度低的缺陷，保證了DG單元輸出電壓在額定值附近。

1　傳統(tǒng)下垂控制及其功率調(diào)整

微電網(wǎng)近似等效為DG單元經(jīng)過三相接口逆變器并聯(lián)運(yùn)行于公共耦合點(diǎn)（Point of Common Coupling，PCC）的結(jié)構(gòu)。低壓微電網(wǎng)中，線路阻抗以阻性為主，忽略線路感性成分和負(fù)載阻抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)替代定理，等效電路如圖1所示。

圖1　電壓型逆變器與總線等效電路Fig.1　Equivalent circuit of an voltage source inverter connected to bus

低壓微電網(wǎng)中有功功率和無功功率傳輸特性分別為

式中，VPCC和E分別為PCC和DG單元輸出電壓幅值，V；RL為低壓微電網(wǎng)線路阻抗，Ω；δ為輸出電壓和PCC電壓相角差，（°）；P為DG單元輸出有功功率，kW；Q為DG單元輸出無功功率，kvar。

采用P-V傳統(tǒng)下垂控制［3-5］

式中，ω和ωref分別為下垂控制器輸出頻率和下垂曲線參考點(diǎn)頻率，rad/s；E和Eref分別為下垂控制器輸出電壓幅值和下垂曲線參考點(diǎn)電壓幅值，參考點(diǎn)即為額定工作點(diǎn)，V；DQ和DP均為下垂系數(shù)。

圖2　傳統(tǒng)下垂控制Fig.2　Conventional droop control

2　新型下垂控制及功率調(diào)整

新型下垂控制方式是指每個(gè)采樣周期均采用傳統(tǒng)下垂控制，該新型下垂控制可在完全沒有通信的情況下獲得有功功率和無功功率的均分，下面從3方面進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1時(shí)序分析

新型下垂控制如式（7）所示，即第n+1個(gè)采樣周期的空載電壓幅值為第n個(gè)采樣周期的輸出電壓幅值，用額定電壓表示如式（8）所示。

式中，n為第n個(gè)采樣周期；E0為傳統(tǒng)下垂控制時(shí)DG單元輸出電壓幅值，V；P0為傳統(tǒng)下垂控制時(shí)DG單元輸出有功功率，kW。

以微電網(wǎng)中任意兩臺(tái)DG單元（DG1、DG2）為例，輸出功率分別為P1、P2，輸出電壓幅值分別為E1、E2。具體工作過程為:第n個(gè)采樣周期時(shí)，兩臺(tái)DG單元分別運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)（E1n，P1n）和（E2n，P2n），且P1n＞P2n、E1n＜E2n，根據(jù)式（7）得

則ΔE1（n+1）＜ΔE2（n+1）＜0，即DG1電壓降落大于DG2。由式（1）可得該電壓降落對(duì)應(yīng)的功率降落為

則ΔP1（n+1）＜ΔP2（n+1）＜0，即DG1在第n+1個(gè)采樣周期輸出功率降落較DG2大，減小了兩者之間的功率偏差，以此類推，如圖3為調(diào)整過程時(shí)序圖。

圖3　新型下垂控制時(shí)序圖Fig.3　Timing diagram of innovative droop control

2.2數(shù)學(xué)解析分析

根據(jù)式（1）第n個(gè)采樣周期輸出功率為

由式（8）和式（11）得新型下垂控制下DG單元在第n個(gè)采樣周期輸出有功功率為

定義μn為功率傳輸比，微電網(wǎng)中任意兩臺(tái)DG單元（DG1，DG2）輸出有功功率（P1，P2），則其功率傳輸比μ1n如式（13）所示，由式（12）和式（13）得功率傳輸比μ1n如式（14）所示。

以含有C臺(tái)DG單元的微電網(wǎng)為例，任意編號(hào)為DGL（L=1，2，3，…，C），第n個(gè)采樣周期對(duì)應(yīng)輸出功率為PLn，各臺(tái)DG單元滿足式（15）和式（16）。

結(jié)合式（15）和式（16）得P1n和P2n，如式（17）和式（18）所示。

以DG1和DG2功率調(diào)整為例，圖4為P1n、P2n隨μ1n變化曲線圖。當(dāng)P1n＞P2n，即μ1n＞1，功率傳輸比位于虛線右側(cè)，則由遞推公式（14）得μn+1＜μn，即功率傳輸比向左側(cè)移動(dòng)，由圖4可知此時(shí)兩者功率差減??；反之當(dāng)P1n＜P2n，即μ1n＜1，功率傳輸比位于虛線左側(cè)，則由遞推公式（14）得μn+1＞μn，即功率傳輸比向右側(cè)移動(dòng)，由圖4可知，在P1n＞P2n和P1n＜P2n兩種情況下，兩者功率差均減小，最終到達(dá)功率均分點(diǎn)。

圖4　有功功率和μ1n之間的關(guān)系Fig.4　Relationship between power and μ1n

2.3功率傳輸和下垂特性分析

式（7）和式（11）分別為第n個(gè)采樣周期的下垂控制方程和功率傳輸特性方程，采用下垂控制時(shí)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)由下垂控制曲線和功率傳輸特性曲線交點(diǎn)決定。由式（7）得，第n個(gè)采樣周期下垂曲線的空載電壓即為n-1個(gè)采樣周期的穩(wěn)態(tài)電壓，第n個(gè)采樣周期任意兩臺(tái)DG單元穩(wěn)定運(yùn)行于A1n、A2n，第n+1個(gè)采樣周期下垂控制空載電壓即為第n個(gè)采樣周期穩(wěn)定運(yùn)行電壓，穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)為B1（n+1）、B2（n+1），由下垂控制曲線和功率傳輸特性曲線決定的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)可得，第n+1個(gè)采樣周期時(shí)，輸出有功功率偏差小于第n個(gè)采樣周期，經(jīng)過若干采樣周期，輸出功率偏差進(jìn)一步減小，最終獲得功率均分，如圖5所示。

圖5　新型下垂控制功率調(diào)節(jié)原理圖Fig.5　Schematic digram for power regulation of innovative droop control

3　電壓恢復(fù)和功率均分的協(xié)調(diào)作用

下垂控制是以犧牲電壓準(zhǔn)確度為代價(jià)實(shí)現(xiàn)功率均分的，為此，引入電壓補(bǔ)償策略，恢復(fù)DG輸出電壓在額定值附近。進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)要保證功率均分的效果，所以本文采用高頻脈沖實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償和功率均分的協(xié)調(diào)作用，具體控制方法如式（19）和式（20）所示。

式中，H和L分別表示本地脈沖的高、低電平；EKdconst為第K個(gè)脈沖的低電平電壓下垂保留值；ΔE（K-1）const為K-1本地脈沖信號(hào)高電平時(shí)電壓補(bǔ)償?shù)谋Ａ糁?；K為本地脈沖信號(hào)的第K個(gè)脈沖序列，周期為Tc；n為該控制脈沖下的第n個(gè)采樣周期，采樣周期為Tsample；則有Tc≥Tsample。在本地脈沖信號(hào)高電平進(jìn)行電壓補(bǔ)償，如式（19）所示，由于系統(tǒng)頻率為全局變量，所以各DG單元輸出無功功率一致，由式（19）得在高電平期間的每個(gè)采樣周期內(nèi)，各DG單元電壓恢復(fù)程度均一致；在低電平期間的電壓下垂程度不同以實(shí)現(xiàn)功率均分，如式（20）所示，在低電平期間采用新型下垂控制，各DG單元進(jìn)行不同程度的電壓下垂，獲得功率均分，時(shí)序圖如圖6所示。

圖6　電壓恢復(fù)和功率均分時(shí)序圖Fig.6　Timing diagram of voltage restoration and power sharing

其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，第一部分為傳統(tǒng)下垂控制框圖；第二部分為無通信的改進(jìn)下垂控制和電壓恢復(fù)控制框圖；第三部分為控制策略選擇器，通過Switch來選擇控制策略。

圖7　控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.7　Control structure of this strategy

4　仿真分析

為了驗(yàn)證新型下垂控制及電壓恢復(fù)的有效性，本文基于3臺(tái)DG單元的孤島低壓微電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真，其仿真參數(shù)如表1所示。仿真過程:0～0.3 s采用傳統(tǒng)下垂控制；0.3～1.5 s采用新型下垂控制，其中0.8 s突增負(fù)載；1.5～2 s加入電壓補(bǔ)償策略，相關(guān)波形如圖8所示。

圖8a為3臺(tái)DG單元輸出有功功率，其中P1、P2、P3分別為第1、2、3臺(tái)逆變器輸出的有功功率；0～0.3 s傳統(tǒng)下垂控制，功率不均分，0.3～1.5 s加入改進(jìn)下垂控制，輸出有功功率均分，隨輸出電壓降低，有功功率降低；其中0.8 s時(shí)公共負(fù)載突變，輸出功率仍然均分。圖8b為3臺(tái)DG單元輸出無功功率，Q1、Q2、Q3分別為第1、2、3臺(tái)逆變器輸出的無功功率，可見無功功率始終是均分的，只是在調(diào)節(jié)過程中由于有功功率和無功功率的耦合存在振蕩。圖8c為3臺(tái)DG單元輸出電壓波形，V1、V2、V3分別為第1、2、3臺(tái)逆變器在傳統(tǒng)下垂控制時(shí)的輸出電壓；V1c、V2c、 V3c分別為第1、2、3臺(tái)逆變器在電壓恢復(fù)時(shí)的輸出電壓。由于下垂系數(shù)較小，傳統(tǒng)下垂控制下，輸出電壓接近額定值，其幅值分別為308.3 V、309.1 V、309.8 V；改進(jìn)下垂控制下，由于每個(gè)采樣周期均采用下垂控制，輸出電壓降低，偏離額定值；1.5～2 s加入電壓恢復(fù)，輸出電壓保持在額定值附近，其幅值分別為309.6 V、309.5 V、310.3 V。

表1　仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1　Simulation and experiment parameters

圖8　仿真波形Fig.8　Simulation waveform

5　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證新型下垂控制的有效性，本文對(duì)含有兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的三相逆變器的微電網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其具體參數(shù)如表1所示。

首先對(duì)新型下垂控制的功率均分進(jìn)行驗(yàn)證，如圖9a所示，PDG1、PDG2分別為第1、2臺(tái)逆變器輸出有功功率，QDG1、QDG2分別為第1、2臺(tái)逆變器輸出無功功率。0～14 s為傳統(tǒng)下垂控制，有功功率存在偏差，無功功率均分，實(shí)驗(yàn)中為容性無功功率，故為負(fù)值，14～40 s時(shí)切換控制模式為新型下垂控制，其中在28.4 s時(shí)有功負(fù)荷由205.93 W切換至300 W，輸出有功功率仍可均分。如圖9b所示，VDG1、VDG2分別為第1、2臺(tái)逆變器輸出電壓，傳統(tǒng)下垂控制第1、2臺(tái)逆變器輸出電壓幅值分別為30.6 V、31 V，接近于額定電壓，新型下垂控制下，輸出電壓降落，輸出電壓幅值分別為25.6 V、26.4 V，從而使得有功功率降低。

電壓恢復(fù)和功率均分協(xié)調(diào)控制下，輸出功率和電壓波形如圖10所示。為了說明控制策略的連續(xù)性，0～9.6 s采用傳統(tǒng)下垂控制，9.6～29.6 s為新型下垂控制方式，29.6～40 s為電壓恢復(fù)和功率均分協(xié)調(diào)控制策略。由圖10b可得，輸出電壓在第3階段恢復(fù)到額定值附近，其幅值分別為31.8 V和32.4 V；由圖10a可得，在由新型下垂控制切換為電壓恢復(fù)策略后，由于有本地脈沖控制，在高低電平分別進(jìn)行電壓恢復(fù)和功率均分，輸出有功功率和無功功率在電壓恢復(fù)后仍可保持均分。

圖9　新型下垂控制實(shí)驗(yàn)波形Fig.9　Experiment waveform of innovative droop control

圖10　電壓恢復(fù)下實(shí)驗(yàn)波形Fig.10　Experiment waveform of voltage restoration

6　結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)下垂控制根據(jù)各自線路阻抗進(jìn)行功率分配而不能對(duì)功率進(jìn)行均分調(diào)整的問題，本文提出了一種新型下垂控制。在每個(gè)采樣周期應(yīng)用下垂控制，按照自身輸出有功功率大小調(diào)節(jié)電壓下垂程度，使得輸出功率大的DG單元電壓降落較大，從而獲得功率均分；利用P-V下垂控制輸出無功功率均分的特點(diǎn)，對(duì)輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償，使其恢復(fù)到額定電壓附近；采用本地脈沖控制信號(hào)觸發(fā)控制算法，低電平進(jìn)行不同程度的電壓下垂控制，高電平進(jìn)行相同程度的電壓補(bǔ)償，在實(shí)現(xiàn)功率均分的同時(shí)維持電壓在額定值附近。該方案繼承了傳統(tǒng)下垂控制無通信的優(yōu)點(diǎn)，克服了其不能進(jìn)行功率均分調(diào)整的缺點(diǎn)，采用本地信息進(jìn)行控制，不存在DG單元之間及控制層面之間的通信，保證了微電網(wǎng)“即插即用”，算法簡(jiǎn)單，可靠性高。

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Research of Power Sharing and Voltage Restoration Without Communication for Islanded Microgrid

Sun XiaofengHao YancongZhao WeiLi XinWang Baocheng
（Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province Yanshan UniversityQinhuangdao066004China）

In this paper the limitation on power sharing of the conventional droop control is discussed.Then an innovative droop control is proposed，which uses the high and low level of a local pulse to achieve voltage restoration and power sharing，respectively.Furthermore，it is implemented only through the local variables without any communication between DG units or hierarchical control layers，which inherits the merit of conventional droop control and preserves the“plug and play”characteristic of microgrids.The experimental is implemented on the small microgrid formed by two parallel-connected three-phase inverters and the results verify the correctness of the theory and control strategy.

Microgrid，innovative droop control，power sharing，plug and play

TM464

國(guó)家自然科學(xué)基金（51077112）和河北省自然科學(xué)基金（2015203407、13211907D-2）資助項(xiàng)目。

2015-01-06改稿日期 2015-11-10

孫孝峰男，1970年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樽兞髌魍負(fù)浼安ㄐ慰刂萍夹g(shù)、功率因數(shù)校正與有源濾波技術(shù)和新能源變換與組網(wǎng)技術(shù)。

E-mail:sxf@ysu.edu.cn（通信作者）

郝彥叢女，1990年生，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電、逆變器控制及并聯(lián)。

E-mail:haoyancong@163.com