改善微電源無功分配精度的分布式電壓調(diào)整方法

陳亞紅, 和軍平, 李 鑫, 李方正

(1.哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院 機電工程與自動化學院, 廣東 深圳 518055;2.南方電網(wǎng)公司 海口供電局, 海南 海口 570000)

?

改善微電源無功分配精度的分布式電壓調(diào)整方法

陳亞紅1, 和軍平1, 李 鑫1, 李方正2

(1.哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院 機電工程與自動化學院, 廣東 深圳 518055;2.南方電網(wǎng)公司 ?？诠╇娋? 海南 ?？?570000)

提出了一種根據(jù)可調(diào)度微電源無功出力信息,在線計算無功-電壓下垂曲線的斜率、電壓和無功參考值的算法.在一次電壓下垂控制基礎(chǔ)上,通過動態(tài)調(diào)整下垂曲線斜率、電壓和無功參考值,改善分布式可調(diào)度微電源無功輸出的均分能力.負載無功需求平衡后,通過分布式二次電壓調(diào)整將微電源端電壓恢復(fù)到允許范圍內(nèi),以提高電壓質(zhì)量,并實現(xiàn)分布式調(diào)壓和無功輸出均分.在Matlab/Simulink平臺上搭建微網(wǎng)動態(tài)模型,仿真驗證了所提策略的有效性.

微網(wǎng); 無功均分; 分布式電壓

隨著煤、石油等不可再生化石能源的逐漸枯竭以及世界各國對節(jié)能減排要求的提高,微網(wǎng)(Microgrids,MG)這種能利用風能、太陽能等可再生能源,并具有不間斷持續(xù)供電能力的發(fā)電技術(shù)逐漸發(fā)展起來.微網(wǎng)由多種形式的微源、儲能、負荷、控制及保護單元組成,可作為可控負荷或可控發(fā)電單元并入配電網(wǎng),在孤島或聯(lián)網(wǎng)模式下運行.微網(wǎng)的容量不同,可調(diào)度分布式電源(Distributed Generation,DG)的輸出阻抗、聯(lián)接線路阻抗、輸出電壓也會有所不同.加上微網(wǎng)中負荷的無功功率波動隨機性大,傳統(tǒng)的下垂控制很難使逆變器按照設(shè)定的Q-U下垂曲線分配無功功率,可調(diào)度DG的無功輸出實際上很難按容量均分,從而使得微網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定度受限.

本文設(shè)計了分層電壓控制來改善上述情況.可調(diào)度DG電壓源逆變器控制外環(huán)采用Q-U下垂控制,一次電壓先調(diào)整滿足負荷無功需求;針對Q-U有差調(diào)節(jié),微電網(wǎng)再通過二次調(diào)整,將電壓恢復(fù)到正常范圍.可調(diào)度DG一次、二次電壓調(diào)整相配合,保持微網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定.上述電壓調(diào)整可采用集中控制方式實現(xiàn),但這對上位機的性能和通信的可靠性要求較高,如果通信斷線或遭到干擾將有可能造成二次調(diào)壓功能無法實現(xiàn)[1-2].文獻[3]提出的分布式電壓調(diào)整方法,僅在逆變器控制環(huán)內(nèi)進行PI控制,沒有考慮負載無功需求變化時的DG無功輸出均分問題.文獻[4]中的分布式電壓調(diào)整方法考慮到了無功均分,但僅限于所有DG相同的情況,沒有考慮DG容量及性能不同時的無功均分問題.文獻[5]提出了基于多Agent分布式電壓調(diào)整方法,但沒有深入討論無功輸出均分問題.文獻[6]將負載無功功率進行了加權(quán)平均,但沒有考慮DG機端電壓的水平差異.

本文將測量、計算、控制功能集成到各分布式DG中,并考慮了DG的容量、性能、阻抗參數(shù)、機端電壓等多個因素,不僅可以實現(xiàn)對電壓的有效調(diào)節(jié),也大大提高了可靠性.對一次電壓調(diào)整提出了一種在線計算Q-U下垂曲線斜率、電壓和無功參考值的算法.通過動態(tài)調(diào)整下垂曲線斜率、電壓和無功參考值,使可調(diào)度DG的無功輸出按無功容量均分.同時,對各DG采用分布式二次電壓調(diào)整來減小穩(wěn)態(tài)偏差.本文利用Matlab/Simulink搭建了微網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型,仿真結(jié)果驗證了所提策略的有效性.

1 微網(wǎng)的電壓分層控制結(jié)構(gòu)

本文所研究的微網(wǎng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中包含微型燃氣輪機、鉛酸蓄電池組等可調(diào)度DG,以及風力發(fā)電機、光伏電池等不可調(diào)度DG.蓄電池通過雙向DC/DC升壓,經(jīng)直流電容穩(wěn)壓,再經(jīng)三相橋式逆變器并網(wǎng).光伏陣列和風機通過前級BOOST升壓,經(jīng)直流電容穩(wěn)壓,再經(jīng)三相橋式逆變器并網(wǎng).微燃機輸出高頻交流電經(jīng)整流后,通過三相橋式逆變器并網(wǎng)[7].

由圖1可以看出,本微網(wǎng)系統(tǒng)的可調(diào)度DG將DG主電路、通信系統(tǒng)、測量和控制電路等集合起來.測量電路使用GPS提供的全網(wǎng)統(tǒng)一時鐘信號,同步測量該DG端電壓、電流幅值及相位等信息,直接輸入至本地DSP以控制輸出有功、無功及電壓.可調(diào)度DG無功出力在一定范圍內(nèi)可調(diào),通過調(diào)節(jié)其無功出力可滿足負載的無功需求,進而調(diào)節(jié)并穩(wěn)定微網(wǎng)電壓.不可調(diào)度DG一般不參與無功-電壓調(diào)節(jié).可調(diào)度DG的接口逆變器控制內(nèi)環(huán)采用PQ解耦控制,分別控制輸出有功與無功.其控制外環(huán)采用Q-U下垂控制,控制輸出無功與電壓.

2 微網(wǎng)分布式一次調(diào)壓原理

一次調(diào)壓采用Q-U下垂控制[8-9],通過電壓下垂調(diào)節(jié)可調(diào)度DG的無功出力,以滿足負載的無功需求,維持電壓穩(wěn)定,如圖2所示.

由圖2a可以看出,第k臺可調(diào)度DG初始運行于A0點,即無功出力為零且電壓為允許最大值,電壓關(guān)系為:

(1)

式中:Ek——第k臺可調(diào)度DG的實際輸出電壓;Eref k——Q-U下垂曲線參考電壓;Emax——運行最高電壓;Erated——運行額定電壓.

輸出無功增加到Qk,運行到A1點,電壓降為Ek,則Qk與Ek間的關(guān)系為:

(2)

式中:Qk——第k臺可調(diào)度DG的實際輸出無功;Qref k——Q-U下垂曲線無功參考值;mk——下垂系數(shù).

一次Q-U下垂控制是通過降低可調(diào)度DG的輸出電壓增發(fā)無功,此處電壓起到傳遞負載無功需求信息的作用.

3 多臺不同容量可調(diào)度DG的無功均分

大規(guī)模微網(wǎng)通常包含多臺光伏、風機等不可調(diào)度DG及微燃機、雙向儲能等可調(diào)度DG,這些DG的額定容量與負載最大無功需求之間須滿足一定關(guān)系才能保證負載供電.為避免某臺可調(diào)度DG過載,當負載無功需求波動時,可調(diào)度DG必須按無功容量均分無功[10-12].DG容量配置:

(3)

式中:Pimax——可調(diào)度DG的額定容量;PPVjmax——光伏電池的額定容量;PWTkmax——風機的額定容量;PLoad max——最大負荷.

理想條件下,各DG的Q-U下垂曲線電壓參考值相等,輸出電壓相同,輸出無功與無功容量成正比:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:Qk max——第k臺可調(diào)度DG的無功額定容量;

QLoad——負載無功需求.

由一次下垂曲線式(2)可得:

(9)

(10)

(11)

為了方便計算,將下垂曲線與E軸交點作為電壓設(shè)定值,可得:

(12)

則有:

(13)

(14)

4 微網(wǎng)分布式二次調(diào)壓

一次下垂為有差控制,負載無功需求變化會導致DG端電壓幅值偏離額定值,需進行電壓二次調(diào)整,以提高電壓質(zhì)量[13].

圖2a中,第k臺可調(diào)度DG初始運行于A1點,修正下垂曲線后運行于A2點,此時DG端電壓實際值為Ek,電壓理想值為Erated.將電壓實際值與理想值之差進行PI比例積分計算,按計算結(jié)果對修正后的下垂曲線進行平移,可得:

δE=kEp(Ek-Erated)+kEi∫(Ek-Erated)dt

(15)

(16)

(17)

進行電壓二次控制,平移修正后的下垂曲線,該曲線與Q軸交點可能會超過可調(diào)度DG的額定無功容量,將該點稱為可調(diào)度DG虛擬無功容量Qk virtual max.在下個周期進行一次下垂控制和下垂曲線修正時,以Qk virtual max代替Qkmax即:

(18)

二次電壓調(diào)整過程中,電壓和電流是在本地測量的,修正下垂曲線后下垂系數(shù)已經(jīng)確定,并且電壓和無功參考值在選定DG時也已經(jīng)確定,因此二次電壓調(diào)整的實現(xiàn)也是分布式的.

5 仿真與結(jié)果分析

為驗證本文所提策略對提高可調(diào)度DG無功均分精度的有效性,在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建微網(wǎng)動態(tài)仿真模型進行檢驗.該模型含適量無功負載,兩臺微型燃氣輪機作為可調(diào)度DG,其接口逆變器參數(shù)如表1所示.微網(wǎng)單相額定電壓為220 V,頻率為50 Hz,可調(diào)度DG1無功容量為40 kW;可調(diào)度DG2無功容量為20 kW.

表1 Q-U下垂控制DG逆變器參數(shù)

在0.1 s時負荷無功從0 kW增為20 kW,可調(diào)度DG相應(yīng)改變其無功出力,可調(diào)度DG1無功出力從0 kW增至13.3 kW,端電壓從222.2 V降至221.3 V;可調(diào)度DG2無功出力從0 kW增至6.7 kW,端電壓從220 V降至219.3 V.在0.4 s時負荷無功從20 kW增至40 kW,可調(diào)度DG1無功出力從13.3 kW增至26.6 kW,端電壓降至220.5 V;可調(diào)度DG2無功出力從6.7 kW增至13.4 kW,端電壓降至218.5 V.在1.3 s時負荷無功降至20 kW,可調(diào)度DG1無功出力從26.6 kW降至13.3 kW,端電壓升至221.3 V;可調(diào)度DG2無功出力從13.4 kW降至6.7 kW,端電壓升至219.3 V.上述實驗結(jié)果如圖3所示.由于無二次調(diào)壓功能,可調(diào)度DG的無功出力發(fā)生變化時,機端電壓也相應(yīng)發(fā)生變化.

現(xiàn)從0.7 s開始二次調(diào)壓,負載無功需求仍按圖3a所示.1 s時可調(diào)度DG將端電壓恢復(fù)到正常范圍;1.3 s時負載無功降至20 kW,可調(diào)度DG端電壓上升,二次調(diào)壓持續(xù)作用,0.2 s內(nèi)將電壓恢復(fù)到正常范圍,如圖4所示.

圖3 無二次調(diào)壓時的仿真結(jié)果

綜上仿真結(jié)果,負載無功需求變化的過程中,采用本文提出的策略,兩臺可調(diào)度DG始終按其無功額定容量均分無功,且以分布式的方式在本地將電壓恢復(fù)到正常范圍.

圖4 有二次調(diào)壓時的可調(diào)度DG電壓

6 結(jié) 語

本文針對微網(wǎng)運行中負載無功需求變化導致母線電壓質(zhì)量下降,且在可調(diào)度DG調(diào)壓過程中無功輸出無法按無功容量均分的問題,提出了一種在線計算Q-U下垂曲線斜率、電壓和無功參考值新算法.仿真結(jié)果表明,通過動態(tài)調(diào)整下垂曲線斜率、電壓和無功參考值,很好地實現(xiàn)了可調(diào)度DG無功輸出按容量均分,在此基礎(chǔ)上分布式二次電壓調(diào)整將機端電壓恢復(fù)到允許范圍內(nèi),提高了電壓質(zhì)量.

[1] OLIVARES D E,MEHRIZI-SANI A,ETEMADI A H,etal.Trends in microgrid control[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2014,5(4):1 905-1 919.

[2] GUERRERO J M,VASQUEZ J C,TEDORESCU R.Hierarchical control of droop-controlled DC and AC microgrids—a general approach towards standardization[C].Industrial Electronics,2009.IECON’09.35th Annual Conference of IEEE,2009:4 305-4 310.

[3] SHAFIEE Q,STEFANOVIC C,DRAGICEVIC T,etal.Robust networked control scheme for distributed secondary control of islanded microgrids[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2014,61(10):5 363-5 374.

[4] SHAFIEE Q,VASQUEZ J C,GUERRERO J M.Distributed secondary control for islanded microgrids—A networked control systems approach[C]//IECON 2012-Conference on IEEE Industrial Electronics Society,2012:5 637-5 642.

[5] BIDRAM A,DAVOUDI A,LEWIS F L,etal.Secondary control of microgrids based on distributed cooperative control of multi-agent systems[J].Generation Transmission & Distribution Iet,2013,7(8):822-831.

[6] MICALLEF A,APAP M,STAINES C S,etal.Secondary control for reactive power sharing and voltage amplitude restoration in droop-controlled islanded microgrids[C]//IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems,2012:1 627-1 633.

[7] 楊向真,蘇建徽,丁明,等.面向多逆變器的微電網(wǎng)電壓控制策略[J].中國電機工程學報,2012(7):7-13.

[8] 陸曉楠,孫凱,黃立培,等.孤島運行交流微電網(wǎng)中分布式儲能系統(tǒng)改進下垂控制方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2013(1):180-185.

[9] VANDOORN T L,De KOONING J D M,MEERSMAN B,etal.Communication-based secondary control in microgrids with voltage-based droop control[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics,2012:1-6.

[10] LU X,GUERRERO J M,SUN K.Distributed secondary control for dc microgrid applications with enhanced current sharing accuracy[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics,2013:1-6.

[11] 時珊珊,魯宗相,閔勇,等.無差調(diào)頻過程中微電源功率分配策略設(shè)計[J].電力系統(tǒng)自動化,2011(19):23-27.

[12] 王旭斌,李鵬.微網(wǎng)孤島運行模式下的新型負荷分配控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù),2014(1):181-187.

[13] BIDRAM A,DAVOUDI A,LEWIS F L,etal.Distributed cooperative secondary control of microgrids using feedback linearization[J].IEEE Transactions on Power Systems,2013,28(3):3 462-3 470.

(編輯 白林雪)

Distributed Voltage Control of a Microgrid to Improve Reactive Power Sharing among Micro-sources

CHEN Yahong1, HE junping1, LI xin1, LI Fangzheng2

(1.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,ShenzhenGraduateSchool,HarbinInstituteofTechnology,Shenzhen518055,China; 2.HaikouPowerSupplyCompany,ChinaSouthernPowerGrid,Haikou570000,China)

An algorithm for online computing Q-U droop rate,voltage and reactive power reference values is proposed according to schedulable DGs reactive power output information.Based on the primary Q-U droop control,the ability DGs to share the reactive power is improved by dynamically adjusting the droop rate,voltage and reactive power reference values.After the load demands are satisfied,the distributed secondary voltage control restores the voltage amplitude of DGs to normal range and improves voltage quality.The strategy proposed can realize the distributed voltage stable control and reactive power sharing function.The dynamic simulation model of MG on Matlab/Simulink platform is built.Simulation results verify the effectiveness of the proposed strategy.

microgrid; distributed voltage control; reactive power sharing

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.03.004

2016-10-06

和軍平(1971-),男,博士,副教授,陜西寶雞人.主要研究方向為微電網(wǎng),電磁兼容,電力電子技術(shù).E-mail:hejunping@hitsz.edu.cn.

深圳市科技計劃項目(YCYJ20160531190745967).

TM732;TM76

A

1006-4729(2017)03-0229-05