使用自適應(yīng)虛擬阻抗的孤島微網(wǎng)無功均分控制

高長璧

（重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，重慶 402160）

使用自適應(yīng)虛擬阻抗的孤島微網(wǎng)無功均分控制

高長璧

（重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，重慶 402160）

當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行在孤島模式時(shí)，每個(gè)發(fā)電單元都需要實(shí)現(xiàn)較好的負(fù)載均分。針對這個(gè)問題，提出了一種結(jié)合通訊和虛擬阻抗的無功功率精確均分控制策略。該策略利用建立的通訊來促進(jìn)自適應(yīng)虛擬阻抗的調(diào)整，以補(bǔ)償不同饋線導(dǎo)致的電壓下降。在給定的負(fù)載工作點(diǎn)，如果虛擬阻抗調(diào)整完畢，即使通訊中斷也可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的無功功率均分。通訊中斷后，如果負(fù)載點(diǎn)變化，無功功率均分度有所下降，但仍好于傳統(tǒng)的下垂控制。此外，新型控制策略的無功功率均分度不受到通信延遲的影響，同時(shí)也不需要饋線阻抗的信息，易于實(shí)施。最后，通過2 kV·A微網(wǎng)試驗(yàn)平臺對控制策略的有效性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

分布式發(fā)電；微電網(wǎng)；虛擬阻抗；下垂控制；無功功率

分布式發(fā)電系統(tǒng)（distributed generation，DG）作為新興可再生能源接入的一種較好解決方案，近年來發(fā)展較快［1-4］。與此同時(shí)，微電網(wǎng)的概念也被提出，其能通過位于本地的能量管理系統(tǒng)有效地協(xié)調(diào)不同類型的DG和用電設(shè)備［5-6］。微網(wǎng)還允許DG單元工作在孤島模式，以此來提高給用戶終端的電能質(zhì)量，但也帶來各個(gè)DG單元的負(fù)載功率均分的問題［7-8］。

為了實(shí)現(xiàn)功率均分，頻率和電壓下垂控制技術(shù)被廣泛研究和采用［9-10］。下垂控制方案的優(yōu)點(diǎn)是無需外部的通訊鏈路，增加了系統(tǒng)的可靠性。雖然頻率下垂可以實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的無功功率均分，但是電壓下垂通常由于DG單元輸出阻抗和饋線阻抗差異，難以達(dá)到較為準(zhǔn)確的無功功率均分［10］。針對這個(gè)問題，很多控制方法被提出來用于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下的無功功率均分［11-20］。文獻(xiàn)［11］提出了一種全局虛擬阻抗的概念，以提高無功功率均分的程度，但其關(guān)注重點(diǎn)在于DG中逆變器的輸出阻抗的差異，沒有考慮DG饋線阻抗差異。文獻(xiàn)［12］提出了一種在系統(tǒng)中注入小交流電壓信號，從而精確地實(shí)現(xiàn)無功功率均分，但這降低輸出電能質(zhì)量［13］，同時(shí)提取和處理這個(gè)信號較為復(fù)雜［16］。文獻(xiàn)［13］提出了一種基于已知饋線阻抗參數(shù)的純感性虛擬阻抗技術(shù)，因此采用了饋線阻抗估計(jì)技術(shù)，但該技術(shù)要求系統(tǒng)先運(yùn)行在并網(wǎng)模式后才能進(jìn)行饋線阻抗估計(jì)，適應(yīng)能力一般。文獻(xiàn)［14］提出的控制方案中假設(shè)饋線阻抗是純阻性的，此時(shí)可精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)功率均分，但是實(shí)際系統(tǒng)中饋線阻抗是阻感性的［11］。文獻(xiàn)［15］提出當(dāng)多臺逆變器距離接近時(shí)可以設(shè)計(jì)一種互連型瞬時(shí)控制實(shí)現(xiàn)精確功率均分，但不符合實(shí)際微網(wǎng)中DG位置分布，局限性較大。文獻(xiàn)［16］提出了綜合分階段控制方法，初始為傳統(tǒng)下垂控制，然后轉(zhuǎn)為同步補(bǔ)償，在同步補(bǔ)償時(shí)采用了頻率下垂控制實(shí)現(xiàn)無功功率均分，但分階段控制將影響到有功功率均分。文獻(xiàn)［17］通過將公共耦合點(diǎn)PCC的電壓諧波數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜谼G控制器來估計(jì)饋線阻抗以實(shí)現(xiàn)精確的無功功率均分，這忽略了PCC端的電壓和DG單元輸出端的電壓相位差，故不能用于較長饋線的微網(wǎng)。文獻(xiàn)［18］提出了一種分布式二次控制技術(shù)以重置電壓和頻率，確保準(zhǔn)確的無功功率均分，該方案沒有對通信故障情況進(jìn)行分析。

在前述文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，本文提出一種結(jié)合通訊和虛擬阻抗的無功功率精確均分控制策略。在DG單元之間建立通訊來調(diào)整逆變器的虛擬阻抗，使其自適應(yīng)匹配不同饋線導(dǎo)致的壓降。一旦匹配成功，則在工作點(diǎn)不變的情況下即使通訊丟失也能實(shí)現(xiàn)無功功率的精確均分?？紤]負(fù)載變化，而通信依然沒有恢復(fù)，則控制性能也仍然優(yōu)于傳統(tǒng)下垂控制?？刂品桨覆恍枰伨€阻抗的信息，此外也對通訊鏈路延遲不敏感。最后通過試驗(yàn)對控制方案的效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 孤島式微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和控制方案

1.1 孤島式微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為孤島運(yùn)行模式下的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)DG單元通過一段饋線接入到微網(wǎng)，然后微網(wǎng)中所有負(fù)載直接接入到微電網(wǎng)的匯流排。本文研究重點(diǎn)為功率均分，因此負(fù)載可以等效為1個(gè)線性集總負(fù)荷。圖1中所示，每個(gè)DG單元由初始源、三相逆變器和LC濾波器構(gòu)成。而饋線阻抗包括接口電感、隔離變壓器和饋線電纜的阻抗。圖中通訊鏈路連接了每個(gè)DG單元的本地控制器和能量管理系統(tǒng)EMS。

圖1 帶通訊鏈路的孤島運(yùn)行微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the islanded microgridwith communication links

傳統(tǒng)的頻率和電壓下垂控制策略如下式：

式中：ω，U*分別為電壓頻率和幅值的參考值；Pm，Qm分別為DG單元輸出端測量后經(jīng)由濾波得到的有功和無功功率；ωo，Uo分別為額定電壓頻率和幅值；m為頻率下垂系數(shù)；n為電壓下垂系數(shù)。

為了方便應(yīng)用下垂控制，虛擬阻抗通常被增加到DG單元控制器中，以減少有功和無功功率間耦合。

1.2 無功功率均分分析

饋線阻抗不匹配將導(dǎo)致無功功率的不均分，下面將其對饋線上壓降，以及對無功功率均分的影響進(jìn)行分析，文獻(xiàn)［13］和文獻(xiàn)［16］給出了近似的表達(dá)式：

式中：ΔU為饋線上壓降；X，R分別為饋線電抗和電阻；P，Q分別為線路上的有功和無功功率。

不失一般性，以2個(gè)DG單元構(gòu)成的微網(wǎng)系統(tǒng)作為研究對象，如圖2所示。

圖2 含2臺逆變器的微網(wǎng)簡化模型Fig.2 Simplified model of the microgrid with two inverters

圖2中所示饋線1和饋線2上的壓降近似可以表示為

式中：ΔU1，ΔU2分別為DG1和DG2饋線上壓降；X1，R1，X2，R2分別為DG1和DG2饋線電抗和電阻；P1，Q1，P2，Q2分別為DG1和DG2線路上的有功和無功功率。

饋線阻抗之間的差異可以描述為

從DG1視角出發(fā)的網(wǎng)絡(luò)模型細(xì)節(jié)如圖3所示。

圖3 從DG1視角出發(fā)的網(wǎng)絡(luò)模型細(xì)節(jié)Fig.3 Detailed network model as seen from DG1

ΔX和ΔR對無功功率均分的不利影響可通過修改電壓參考U1*補(bǔ)償：

假設(shè)控制器可以設(shè)計(jì)滿足以下功能：

那么式（11）可以減化為

雖然ΔU1仍不等于ΔU2，但δU1能被補(bǔ)償，即每次由于負(fù)載調(diào)整導(dǎo)致δU1增加，控制器將相應(yīng)增加δU1*，這可由自適應(yīng)虛擬阻抗和通訊鏈路實(shí)現(xiàn)。

2 自適應(yīng)虛擬阻抗方案

2.1 控制器設(shè)計(jì)

如式（12）所示的控制率可以通過虛擬阻抗原理和式（3）來得到?？紤]1個(gè)虛擬阻抗產(chǎn)生電壓等于δ，從圖3可以得到：

利用式（3）、式（12）中的條件可近似為

如前所述，通過阻抗匹配來滿足式（15）是較難，但以下條件滿足后式（15）能被簡化：

將式（16）代入式（15）可以得到：

從式（17）中可以看出，對于任何給定的ΔX，ΔR，P1和 Q1，都有1個(gè)與之相對應(yīng)的，以滿足式（12）條件。

如果DG單元本地控制器可以正確地獲取Q1的信息，那么可以調(diào)整虛擬阻抗變量?v達(dá)到功率均分的控制目標(biāo)。首先每個(gè)DG單元通過通信鏈路與EMS共享其實(shí)際的無功功率，然后EMS計(jì)算每個(gè)DG單元合適的功率分配，并和1個(gè)控制器使能信號（EN）一起發(fā)送至每個(gè)DG單元的控制器。由于通訊鏈路不用于閉環(huán)控制，只是設(shè)置無功功率參考值，因此穩(wěn)態(tài)無功功率均分精度不受通訊延遲的影響。各個(gè)DG單元將利用收到的無功功率參考Q*來自適應(yīng)地調(diào)整?v，接收到的Q*也不會因?yàn)楦鱾€(gè)DG單元虛擬阻抗調(diào)整而變化，因?yàn)槠鋬H由總負(fù)載決定。對于給定的負(fù)載工作點(diǎn)，一旦K?v調(diào)整完成了，即使此時(shí)通訊丟失，也不會影響到功率均分，直到負(fù)載工作點(diǎn)發(fā)生變化。

圖4所示為自適應(yīng)虛擬阻抗控制器示意圖，對于無功功率Q和參考Q*的匹配采用了1個(gè)簡單的積分通路。圖4中可看出虛擬阻抗在d-q坐標(biāo)下實(shí)現(xiàn)，θ為輸出電壓的相角，控制器不直接調(diào)節(jié)無功，而是調(diào)整虛擬阻抗，以達(dá)到無功均分的目的。

圖4 自適應(yīng)虛擬阻抗控制器Fig.4 Proposed adaptive virtual impedance controller

積分控制器的參數(shù)選擇需滿足積分時(shí)間遠(yuǎn)大于信息更新周期，因此，即使存在信息更新延遲，也不會對穩(wěn)態(tài)無功功率均分產(chǎn)生影響。具體虛擬阻抗控制小信號建?？梢詤⒖嘉墨I(xiàn)［19-20］。

2.2 自適應(yīng)控制器對工作點(diǎn)的敏感性分析

考慮到通訊丟失后，負(fù)載工作點(diǎn)變化將導(dǎo)致功率均分下降，因?yàn)榇藭r(shí)的虛擬阻抗參數(shù)將不能適應(yīng)新的負(fù)載工作點(diǎn)。因此，需分析參數(shù)K?v對負(fù)載工作點(diǎn)的敏感度，為此將式（17）重新寫為

從式（18）可以明顯看出參數(shù)K?v與P和Q的比值相關(guān)，而不是單獨(dú)由P或Q決定。因此，在相同的功率因數(shù)下，任意新的負(fù)載工作點(diǎn)若具有相同的P/Q比值，將導(dǎo)致控制器設(shè)置相同參數(shù)。對式（18）在工作點(diǎn)附近線性化處理如下：

偏微分系數(shù)定義為敏感度Sv，可寫為

為了深入分析敏感度Sv，應(yīng)用試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行算例計(jì)算，參數(shù)為：DG額定功率S=1 kV·A，額定電壓Uo=208 V，輸出濾波電感Lf=5 mH，輸出濾波電容Cf=75 μF，開關(guān)頻率 fs=10 kHz，頻率下垂系數(shù)m=0.001 05 rad/（s·W），電壓下垂系數(shù)n=0.002 5 V/var，饋線1阻抗1.6+j2.450 Ω，饋線2阻抗1.1+j1.508Ω；實(shí)驗(yàn)負(fù)載功率1170W/1330var，Q*更新頻率 fc=5 Hz，積分器增益Ki=0.001 05 rad/（s·var），濾波時(shí)間常數(shù)T=0.016 rad/s。饋線1和饋線2的阻抗差值為ΔX=0.94，ΔR=0.5。從圖5a和式（18）可以看出，當(dāng)KPQ=0（功率因數(shù)為0），則 K?v=? ΔX 。但當(dāng)KPQ趨于無窮時(shí)（功率因數(shù)為1），則K?v=-ΔR。因此，較高的功率因數(shù)對應(yīng)較低敏感度Sv，如圖5b所示，當(dāng)功率因數(shù)大于0.74后，Sv小于0.1。

圖5 控制器敏感度分析Fig.5 Sensitivity analysis of the controller

2.3 能量管理系統(tǒng)

EMS的功能是將收集到的無功功率信息進(jìn)行加權(quán)計(jì)算后得到每個(gè)DG單元所應(yīng)分配的功率，通過通訊送到不同的DG單元進(jìn)行控制器輸入設(shè)置。DG的接收器需要能檢測通信超時(shí)，在這種情況下，積分器的輸出將保持不變，直到一個(gè)新的有效設(shè)定值再次被接收到。圖6所示為每個(gè)DG單元本地控制器的通訊超時(shí)檢測邏輯。當(dāng)EMS檢測到1個(gè)DG單元的通訊超時(shí)后，將停止所有DG單元的設(shè)置更新，直到通訊恢復(fù)。

圖6 無功功率設(shè)置使能邏輯Fig.6 Reactive power setpoint enable logic

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證前述自適應(yīng)虛擬阻抗控制方案，利用2臺帶以太網(wǎng)通訊接口的逆變器和運(yùn)行EMS的計(jì)算機(jī)，以及功率可調(diào)的負(fù)載構(gòu)成了試驗(yàn)系統(tǒng)，具體參數(shù)如前述試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)。試驗(yàn)微網(wǎng)中每個(gè)DG單元通過1個(gè)3 mH的電抗器和1個(gè)1.1 Ω的電阻器，以及漏感為1 mH的隔離變壓器接入到母排。此外，在原試驗(yàn)系統(tǒng)微網(wǎng)的基礎(chǔ)上，在DG1的端口額外接入2.4 mH和1.44 Ω的阻抗，以造成饋線阻抗的不匹配。試驗(yàn)過程中選取了2個(gè)負(fù)載工作點(diǎn)，較大負(fù)載工作點(diǎn)的有功功率Pload=1 170 W，無功功率Qload=1 330 var，功率因數(shù)cos φ=0.66。在較小負(fù)載工作點(diǎn)的有功功率Pload=1 136 W，無功功率Qload=890 var，功率因數(shù)cos φ=0.79。

3.1 傳統(tǒng)控制策略的試驗(yàn)結(jié)果

圖7所示為傳統(tǒng)控制作用下的功率和電流均分效果波形。

圖7 傳統(tǒng)控制作用下的功率和電流均分效果Fig.7 Power and current sharing under conventional droop control

圖7 a所示為當(dāng)不同負(fù)載工作點(diǎn)下，2個(gè)DG單元在傳統(tǒng)下垂控制策略作用下的有功功率和無功功率均分效果。從圖7a可以看出，由于饋線阻抗的差異，導(dǎo)致了無功功率均分度不好。在較大負(fù)載工作點(diǎn)時(shí)，Q1為498 var，Q2為825 var；在較小負(fù)載工作點(diǎn)時(shí)，Q1為298 var，Q2為522 var。圖7b所示為DG1和DG2輸出的A相電流。電流的測量點(diǎn)在隔離變壓器的輸出，從圖中可以清楚地看出2個(gè)單元輸出電流的不均。

3.2 新型控制策略的試驗(yàn)結(jié)果

如圖8a所示，當(dāng)新型控制策略施加后，2個(gè)DG單元的控制虛擬阻抗改變，從而功率均分效果變好，Q1從498 var調(diào)整至665 var，Q2也從825 var調(diào)整至665 var。圖8b所示為不同負(fù)載工作點(diǎn)下2個(gè)DG單元在新型控制策略作用下的有功功率和無功功率均分效果，當(dāng)系統(tǒng)從較高負(fù)載工作點(diǎn)下降到較低負(fù)載工作點(diǎn)時(shí)，穩(wěn)態(tài)無功均分效果依然保持較好，Q1和Q2均從665 var調(diào)整至445 var。

圖8 新型控制作用下的功率均分效果Fig.8 Power sharing under new control

3.3 通訊丟失后的試驗(yàn)結(jié)果

圖9 a所示為通訊丟失后負(fù)載工作點(diǎn)改變時(shí)的功率均分效果，圖9a中，下方高電平代表了通訊存在，變成低電平代表了通訊丟失。從圖9a可以看出在通信故障之前，虛擬阻抗已經(jīng)調(diào)整完畢，Q1和Q2均為665 var，此后通訊丟失，但由于負(fù)載工作沒有變化，功率均分效果依然較好。接著負(fù)載工作點(diǎn)發(fā)生改變，從較高負(fù)載工作點(diǎn)調(diào)整到較低負(fù)載工作點(diǎn)，Q1從665 var調(diào)整至439 var，而Q2從665 var調(diào)整至405 var，出現(xiàn)了一定程度的不均分，但是比圖7a中傳統(tǒng)控制效果好。此后負(fù)載工作點(diǎn)回到原來的工作點(diǎn)，則又可以實(shí)現(xiàn)均分。圖9b所示為通訊恢復(fù)后的功率均分效果，可以看出，當(dāng)EMS通信鏈路重新建立后，2個(gè)DG單元的無功功率精確均分又可以重新實(shí)現(xiàn)。

圖9 通訊丟失后的控制性能Fig.9 The performances of the controller when communication is lost

4 結(jié)論

本文對使用自適應(yīng)虛擬阻抗的孤島微網(wǎng)無功精確均分控制技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，并進(jìn)行了試驗(yàn)的驗(yàn)證，現(xiàn)總結(jié)主要結(jié)論如下：

1）應(yīng)用本文提出的新型控制策略，孤島運(yùn)行微網(wǎng)中不同的DG單元能夠自適應(yīng)地調(diào)整虛擬阻抗實(shí)現(xiàn)精確無功功率均分；

2）試驗(yàn)驗(yàn)證了即使通訊丟失，其控制性能仍好于傳統(tǒng)下垂控制策略，且無需饋線阻抗的信息，有利于工程實(shí)現(xiàn)。

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Reactive Power Sharing Control Using Adaptive Virtual Impedances in Islanded Microgrid

GAO Changbi
（Department of Electrical Engineering，Chongqing Water Resources and Electric Engineering College，Chongqing 402160，China）

When the microgrid is operating in the island mode，each distributed generation unit needs to achieve a good load sharing.Aiming at this problem，a method using communication and adaptive virtual impedances to control reactive power accurate sharing was proposed.The strategy used the established communication to facilitate the adjustment of the adaptive virtual impedance to compensate for the voltage drop caused by different feeders of the distributed generation units.At a given load operating point，if the virtual impedance adjustment was completed，even if the communication was interrupted，the precision of the reactive power still could be achieved.After the communication was interrupted，if the load point was changed，the reactive power was declined，but it was still better than the traditional droop controller.In addition，the new control strategy of reactive power was not affected by the impact of the communication delay，and also did not require the information of the feeder impedance.So，it was easy to implement.Finally，some tests had been done in a 2 kV·A microgrid network experiment platform.And the experimental results prove the effectiveness of the new control strategy.

distributed generation；microgrid；virtual impedance；droop control；reactive power

TM76

A

10.19457/j.1001-2095.20171009

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（973項(xiàng)目）（2012CB215103）

高長璧（1978-），女，碩士研究生，講師，Email：1850946062@qq.com

2016-05-18

修改稿日期：2016-11-22