基于虛擬阻抗的微網(wǎng)下垂解耦改進(jìn)控制策略研究

王林川，魏 建，孫志龍

(東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

基于虛擬阻抗的微網(wǎng)下垂解耦改進(jìn)控制策略研究

王林川，魏 建，孫志龍

(東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

基于下垂控制的微網(wǎng)控制策略，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)信號(hào)互聯(lián)的多逆變型微源并聯(lián)運(yùn)行，運(yùn)行可靠性高，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但傳統(tǒng)的下垂控制基于線路的阻抗為感性為主，而實(shí)際中微網(wǎng)多并聯(lián)與中低壓配網(wǎng)當(dāng)中，其線路以電阻性為主，不滿足傳統(tǒng)下垂解耦控制的要求，影響下垂控制效果。針對(duì)這一問(wèn)題，首先對(duì)線路的功率傳輸特性進(jìn)行分析，得出下垂解耦控制的條件。其次，在傳統(tǒng)下垂控制中加入虛擬阻抗控制，優(yōu)化線路的阻感比，同時(shí)在下垂控制中加入線路阻抗壓降，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率精確分配。最后，在matlab/Simulink環(huán)境下搭建微網(wǎng)控制模型，驗(yàn)證控制策略的有效性。

微電網(wǎng)；分布式電源；下垂控制；電壓電流雙閉環(huán)；虛擬阻抗

1 引言

隨著全球能源枯竭，環(huán)境日益惡化，微網(wǎng)以其清潔、自制、友好等特點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。[1]微網(wǎng)是由分布式電源(DG)、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷以及監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)[2]，具有并網(wǎng)和孤網(wǎng)兩種運(yùn)行模式。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，為電網(wǎng)提供一定功率支撐。當(dāng)檢測(cè)到大電網(wǎng)或微網(wǎng)內(nèi)部故障時(shí)，微網(wǎng)通過(guò)靜態(tài)開關(guān)自動(dòng)與大電網(wǎng)斷開，形成孤網(wǎng)運(yùn)行模式，繼續(xù)為微網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷供電，從而提高供電的可靠性。

現(xiàn)有的微網(wǎng)的控制方式主要分為主從控制和對(duì)等控制兩大類[3]。前者利用全局信息實(shí)現(xiàn)控制，對(duì)通信的要求較高；后者通過(guò)模擬發(fā)電機(jī)的P-f，Q-V靜態(tài)下垂特性，利用本地信息實(shí)現(xiàn)控制，無(wú)需信號(hào)線互聯(lián)且魯棒性較好，有利于實(shí)現(xiàn)“即插即用”功能，因此被廣泛運(yùn)用于微網(wǎng)的控制中。傳統(tǒng)的發(fā)1電機(jī)運(yùn)行于感性的電網(wǎng)中，發(fā)出的有功功率與相角差強(qiáng)相關(guān)，無(wú)功功率與電壓差強(qiáng)相關(guān)，因此可以實(shí)現(xiàn)在感性環(huán)境下的PQ解耦控制。但微電網(wǎng)多為中低壓網(wǎng)絡(luò)，線路以阻性或阻感性為主，難以實(shí)現(xiàn)V/f下垂解耦控制，從而減弱了下垂控制的效果。

本文以微網(wǎng)中的逆變器并網(wǎng)型微源為研究對(duì)象，針對(duì)傳統(tǒng)下垂控制難于在中低壓微網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)功率解耦控制，在傳統(tǒng)的下垂控制的基礎(chǔ)上，加入了虛擬阻抗控制環(huán)節(jié)，優(yōu)化線路阻感比，實(shí)現(xiàn)PQ解耦控制。其次，在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上，加入了有功功率和無(wú)功功率的微分環(huán)節(jié)，改善下垂并聯(lián)控制的動(dòng)態(tài)性能。最后在仿真平臺(tái)Matlab/Simulink上對(duì)所提出的控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文研究的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。微網(wǎng)中的分布式電源認(rèn)為是直流電壓源或經(jīng)過(guò)整流器后得到的直流源，經(jīng)過(guò)逆變器變換為交流后經(jīng)饋線與微網(wǎng)交流母線相連。由于微網(wǎng)內(nèi)的DG與微網(wǎng)交流母線距離不等，因此饋線阻抗也各不相同。微網(wǎng)經(jīng)靜態(tài)開關(guān)與大電網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)并離網(wǎng)雙模式運(yùn)行。DG均采用無(wú)互聯(lián)線的下垂控制策略進(jìn)行控制，發(fā)出的功率首先供給本地負(fù)荷，多余的功率經(jīng)過(guò)饋線輸送給公共負(fù)荷。

圖1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3 下垂控制原理分析

為了分析單臺(tái)DG的功率傳輸特性，將其等效為如圖2所示的簡(jiǎn)化電路。圖中，DG輸出電壓和公共連接點(diǎn)(PCC)電壓分別為U0∠δ和UPCC∠0，逆變器與PCC之間的饋線阻抗ZL=R+jX。

圖2 單臺(tái)微源簡(jiǎn)化等效電路

逆變器輸出有功和無(wú)功功率表達(dá)式為：

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行情況下，功角δ較小，則有sinδδ和 cosδ=1。同時(shí)，假定線路以感性為主，則有X>>R，對(duì)上式化解得：

式中ΔU=U0-UPCC。由上式可以看出，微源可通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓相位δ來(lái)調(diào)節(jié)有功功率的輸出，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓幅值U0來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功功率的輸出，從而實(shí)現(xiàn)微源對(duì)輸出有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。由于電壓的相位不易測(cè)量，頻率與相角存在積分關(guān)系，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)頻率來(lái)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓相位的調(diào)節(jié)。由此構(gòu)造的下垂控制方程為：

ω=ω0-mP

U=E0-nQ

式中ω0和E0分別為微源空載時(shí)的角頻率和電壓幅值；m和n分別為電壓角頻率和幅值的下垂系數(shù)。當(dāng)微源輸出的有功功率突然增大，下垂控制使微源輸出電壓的頻率降低，減小其相角，從而減少有功輸出，反之則增加輸出；電壓幅值和輸出無(wú)功也有相同的特性。因此，下垂控制具有內(nèi)在負(fù)反饋的過(guò)程，若參數(shù)選取適當(dāng)，可最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷在微源間的共享[4]。

4 基于虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制

以上關(guān)于下垂控制的推導(dǎo)是以線路感性X>>R為前提的，實(shí)際中微網(wǎng)大多接于中低壓配電網(wǎng)中，線路阻抗以電阻性為主，因此對(duì)下垂解耦控制產(chǎn)生不利影響。為了解決這一問(wèn)題，有的學(xué)者提出通過(guò)串聯(lián)外接電感，調(diào)節(jié)線路的阻抗使其為感性，但這會(huì)使成本增加，降低經(jīng)濟(jì)性。因此，可以通過(guò)調(diào)整控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)微源輸出阻抗，優(yōu)化線路阻感比。

4.1 電壓電流雙閉環(huán)控制

微源采用的是傳統(tǒng)的電壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中外環(huán)為輸出電壓外環(huán)，采用PI控制，穩(wěn)定輸出電壓；內(nèi)環(huán)為電感電流內(nèi)環(huán)，采用比例控制，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[5]。

圖3 電壓電流閉環(huán)控制框圖

微源輸出電壓的傳遞函數(shù)為：

U0=G(s)Uref-Z0(s)·i0

其中G(s)為電壓增益，反映了受控電壓對(duì)電壓指令Uref的跟蹤性能；Z0為微源的等效輸出阻抗，由公式可以看出其大小不僅受濾波器參數(shù)的影響，還和控制器參數(shù)密切相關(guān)。由于上述微源控制參數(shù)的設(shè)計(jì)必須以保證控制器穩(wěn)定為前提，因此對(duì)微源輸出阻抗的調(diào)節(jié)范圍小，使得該方法在實(shí)際應(yīng)用中，存在相對(duì)較大的局限性[6]。

4.2 虛擬阻抗控制

虛擬阻抗控制是在原有的電壓參考值的基礎(chǔ)上減去輸出電流在虛擬阻抗Zv上的壓降，得到新的電壓參考值，等效外接電感對(duì)微源輸出電壓的影響，其表達(dá)式為：

代入輸出電壓的傳遞函數(shù)得：

U0=G(s)Uref-(Z0(s)+G(s)ZV)·i0=

圖4 基于虛擬阻抗的等效電路

4.3 下垂控制策略改進(jìn)

同時(shí)，為了提高下垂控制的動(dòng)態(tài)性能，在傳統(tǒng)的下垂控制當(dāng)中加入有功無(wú)功功率的微分項(xiàng)，改進(jìn)后的控制方程變?yōu)椋?/p>

式中md和nd為微分項(xiàng)下垂系數(shù)。

圖5 改進(jìn)后的下垂控制框圖

5 仿真分析

為了驗(yàn)證提出的控制策略的有效性，本文采用的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。兩臺(tái)逆變型微源經(jīng)過(guò)輸電線路與交流母線相連，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行。系統(tǒng)電壓為380V。兩臺(tái)DG的參數(shù)相同，容量均為30kVA，額定頻率50Hz，空載電壓幅值為311V。負(fù)荷1和負(fù)荷2為本地負(fù)荷，均為10kW+5kVar；負(fù)荷3為公共負(fù)荷，為20kW+10kVar。線路參數(shù)為0.64+j0.101Ω/km，線路1長(zhǎng)度為0.5km，線路2為1km。

仿真開始時(shí)，本地負(fù)荷投入，0.3s時(shí)公共負(fù)荷投入。仿真時(shí)間設(shè)為1s。首先，采用傳統(tǒng)下垂控制進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如6所示。

圖6 傳統(tǒng)下垂控制微源有功無(wú)功波形

如圖6所示，實(shí)線為DG1發(fā)出的功率，虛線為DG2發(fā)出的功率。由于線路阻抗不是以感性為主，有功無(wú)功間存在耦合，影響下垂控制的效果。采用本文提出的控制策略后，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 基于虛擬阻抗改進(jìn)后微源有功無(wú)功波形

圖8 PCC處電壓電流波形

由于虛擬阻抗的加入，優(yōu)化了線路的阻感比，降低了功率間的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了有功和無(wú)功的解耦控制，驗(yàn)證了控制策略的有效性。由于頻率是全局變量，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)各微源輸出頻率相等，均分有功負(fù)荷。但受饋線阻抗不等的影響，無(wú)功功率沒(méi)有在微源間實(shí)現(xiàn)均分。

6 結(jié)論

微網(wǎng)多并聯(lián)運(yùn)行與低壓配電網(wǎng)當(dāng)中，輸電線路以阻性為主，不滿足傳統(tǒng)下垂控制的解耦條件。虛擬阻抗的加入，可以在較大范圍靈活調(diào)節(jié)微源的等效輸出阻抗，從而優(yōu)化線路阻感比，實(shí)現(xiàn)基于傳統(tǒng)下垂特性的解耦控制。由于線路阻抗不匹配導(dǎo)致無(wú)功功率分配不均的問(wèn)題，將在下一階段進(jìn)行研究。

[1] 楊新法,蘇劍,呂志鵬,等.微電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,1:57-70.

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Research on Droop Decoupling Control Strategy of Microgrid Based on Virtual Impedance

WANG Lin-chuan,WEI Jian,SUN Zhi-long

(Northeast Powor University,Jilin 132012,China)

The control strategy based on droop control can realize the multi-microsource parallel operation with no signal interconnection,running reliability and simple structure control.But conventional droop control based on the line impedance is inductive mainly,and actual in microgrid multiple parallel and in the low voltage distribution network,the line with the resistive based,does not meet the requirements of the traditional droop decoupling control,influence droop control effect.In view of this problem,the power transmission characteristic of the line is analyzed firstly,and the condition of the droop decoupling control is obtained..Secondly,in the traditional droop control,the virtual impedance control is added,the impedance ratio of the optimized line is controlled,and the active reactive power is controlled independently.Finally,the microgrid control model is established under the simulation software matlab/Simulink.The simulation result verifies the effectiveness of the control strategy.

microgrid；distributed generation；droop control；voltage and current closed-loop；virtual impedance

1004-289X(2017)01-0041-04

TM71

B

2015-12-23

王林川(1955-)，男，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制。