黃素娟,竇曉波,焦陽,楊野青
(1.國(guó)電南瑞科技股份有限公司,南京211106;2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院,南京210096)
進(jìn)入21世紀(jì)以來,以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo),新能源技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)。其中,微電網(wǎng)技術(shù)不僅可以平抑分布式電源對(duì)大電網(wǎng)的不利影響,而且能夠最大限度發(fā)揮分布式電源靈活、易控制的優(yōu)勢(shì),尤其在海島、山區(qū)等實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)供電成本過高的地區(qū),采用獨(dú)立式微電網(wǎng)供電成為了最具經(jīng)濟(jì)性的選擇。
然而,使用不同的控制方式,會(huì)對(duì)離網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)的運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面的影響,目前應(yīng)用較多的控制方法有下垂控制、單主從控制和多主從控制。文獻(xiàn)[1-4]分析了在下垂控制方式下功率均分特性、電壓頻率穩(wěn)定性互為矛盾;在孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)中,主從控制系統(tǒng)應(yīng)用更多。對(duì)于主從控制策略,又分為單主從和多主從兩種電源控制模式[5],即系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)電源作為主電源,使用V/f控制時(shí),用于提供電壓和頻率支撐,其余電源作為從電源,采用PQ控制時(shí),則提供恒定功率輸出。其中單主從電源控制依賴一個(gè)主模塊,可靠性不高,多主從控制相對(duì)單主從控制具有多個(gè)主電源,因此可靠性高。
由于微電網(wǎng)中多數(shù)電源采用電力電子接口,系統(tǒng)的慣性較小,在受到干擾時(shí)容易發(fā)生失穩(wěn),因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是微電網(wǎng)技術(shù)中最令人關(guān)注的問題之一。微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的前提是具有小信號(hào)穩(wěn)定性[6-8]。在特定的控制方式下,微電網(wǎng)的小信號(hào)穩(wěn)定性受哪些參數(shù)影響,其受到干擾時(shí)的動(dòng)態(tài)過程特點(diǎn)如何均需要通過系統(tǒng)的小信號(hào)模型來分析。目前已有文獻(xiàn)做了相關(guān)研究:文獻(xiàn)[8]建立了分布式電源的微網(wǎng)小信號(hào)模型,包含了兩臺(tái)分布式電源,并通過特征值分析,找出了影響主低頻特征值的狀態(tài)變量;文獻(xiàn)[9]詳細(xì)推導(dǎo)了基于固態(tài)變壓器的環(huán)形微網(wǎng)的小信號(hào)模型,并通過特征值分析選擇了下垂系數(shù);文獻(xiàn)[10]所建立的微網(wǎng)小信號(hào)模型包含了直流側(cè)模型的光伏和儲(chǔ)能,并總結(jié)了系統(tǒng)遭受擾動(dòng)時(shí)的振蕩模式,具體為三種不同頻率的震蕩模式。
考慮到多主并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的情況,逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)需要對(duì)相互之間的環(huán)流進(jìn)行抑制,因此控制系統(tǒng)更為復(fù)雜。文中以含有兩臺(tái)主電源的孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用多主從控制方式通過建立系統(tǒng)的完整小信號(hào)模型,分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并根據(jù)特征根的參與因子,確定了影響系統(tǒng)主特征根的狀態(tài)變量。由于多主電源并聯(lián)系統(tǒng)控制較為復(fù)雜,控制器能否選取到合適的控制參數(shù)將直接影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性,因此文章在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行小信號(hào)穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上,提出了基于小信號(hào)模型的控制參數(shù)綜合優(yōu)化方案,將根軌跡法與粒子群算法相結(jié)合,以增大系統(tǒng)阻尼為原則,對(duì)系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行了協(xié)調(diào)優(yōu)化,以提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
對(duì)于多主電源并聯(lián)系統(tǒng),元件參數(shù)的差異會(huì)導(dǎo)致主電源之間會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。因此,多主從控制需要對(duì)主電源之間的環(huán)流進(jìn)行抑制。對(duì)于主電源之間的環(huán)流抑制方式,已有大量文獻(xiàn)進(jìn)行了研究[11-17]。但存在輸出外特性軟、動(dòng)態(tài)效果欠佳等問題。文章在總結(jié)以上文獻(xiàn)研究成果的基礎(chǔ)上,以雙主電源并聯(lián)系統(tǒng)為分析對(duì)象,采用功率環(huán)控制器抑制環(huán)流,在傳統(tǒng)雙環(huán)控制之前增加功率環(huán),對(duì)兩臺(tái)主電源均分輸出功率,以達(dá)到抑制環(huán)流的效果。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其中MGCC為微電網(wǎng)中央控制器,通過收集各臺(tái)逆變器的輸出功率數(shù)據(jù),對(duì)功率進(jìn)行均分處理并將指令發(fā)送給各臺(tái)逆變器的控制器??刂破鞲鶕?jù)指令對(duì)本臺(tái)逆變器微調(diào),系統(tǒng)等效電路如圖2所示。
圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of micro-grid
圖2 系統(tǒng)等效電路Fig.2 System equivalent circuit
其中V0乙φ0為母線電壓,Vi乙φi、Pi、Qi分別為第i臺(tái)逆變器輸出的電壓、有功功率和無功功率,Rlinei、Xlinei為第i臺(tái)逆變器與母線之間的連接線阻抗,Rload、Xload分別為等效的有功和無功負(fù)載(i=1,2)。
定義ΔV=V1-V2,Δφ=φ1-φ2,兩臺(tái)逆變器輸出的有功功率差ΔP=P1-P2,無功功率差ΔQ=Q1-Q2,設(shè)Rline1=Rline2=R,Xline1=Xline2=X,每臺(tái)逆變器的有功功率和無功功率調(diào)節(jié)量分別為PH、QH,則有[11]:
由式(1)可以看出,R與X共同影響有功和無功環(huán)流,在低壓微電網(wǎng)中,R/X的值較大[18],有功環(huán)流對(duì)幅值差比較敏感,無功環(huán)流對(duì)相角差比較敏感。因此兩臺(tái)逆變器的系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)其幅值和相位消除環(huán)流的控制原理圖如圖3所示。
圖3 逆變器控制原理圖Fig.3 Inverter control schematics
由于逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中環(huán)流產(chǎn)生的根本原因是輸出電壓幅值和相位不同[14],因此在文中,為了模擬實(shí)際逆變器由于各種因素造成的輸出電壓不相等的情況,將兩臺(tái)逆變器輸出電壓的幅值相位初始輸入量umref1與umref2、φref1與 φref2設(shè)為不同的值,以模擬實(shí)際系統(tǒng)中的環(huán)流產(chǎn)生過程。
逆變器模塊的控制策略如圖3示。其中濾波器為L(zhǎng)C濾波器,Lf、Cf為濾波器的濾波電感和濾波電容,Rc為與濾波電容串聯(lián)的電阻。設(shè)計(jì)功率環(huán)控制器如圖4所示。
圖4 功率環(huán)控制器框圖Fig.4 The controller block diagram of power loop
其中Pref、Qref為輸出功率的目標(biāo)值,本例中有將Pref、Qref代入式(2)中,當(dāng)i分別取1和2時(shí),方程組是線性相關(guān)的,即可得式(3)。
當(dāng)系統(tǒng)中有多臺(tái)電源且需要輸出的功率各不相同時(shí),為了便于分析,避免系統(tǒng)出現(xiàn)零特征值,文中將直接利用式(3)計(jì)算 Δφ2、Δu2:
電壓電流雙環(huán)控制框圖如圖5所示,其中電流環(huán)采用電感電流作為負(fù)反饋。
圖5 電壓電流雙閉環(huán)控制框圖Fig.5 Voltage and current double closed-loop control block diagram
式中 ωn為dq0坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)頻率;udi、uqi為濾波的輸出電壓;ucdi、ucqi為濾波電容上的電壓;ildi、ilqi為濾波電感電流;Rline、Lline為線路模擬電阻、電感值;idi、iqi為逆變器輸出端電流;ud、uq為母線電壓的 d、q軸分量。
由圖3可以得到節(jié)點(diǎn)電壓方程,結(jié)合式(2)~式(4)可得到全系統(tǒng)的完整數(shù)學(xué)模型,選?。?/p>
其中u=[umref1,umref2,φref1,φref2]T為全系統(tǒng)建模的輸入矩陣,將節(jié)點(diǎn)電壓方程式在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)處進(jìn)行泰勒展開,只保留展開方程的一階項(xiàng),可得到全系統(tǒng)的小信號(hào)模型為:
式中A矩陣即為系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣。
系統(tǒng)中兩臺(tái)并聯(lián)電源額定功率均為50 kVA,母線額定電壓220 V,額定頻率50 Hz。其余參數(shù)如表1所示。
表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters
結(jié)合表1利用仿真軟件計(jì)算得到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)處的參數(shù)值,求得A矩陣的特征值,其在復(fù)平面上的分布如圖6所示。
根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論,圖中系統(tǒng)所有特征值均具有負(fù)實(shí)部,系統(tǒng)是穩(wěn)定的。另外,特征值的虛部較為集中,高頻振蕩特征值虛部集中在314左右,相當(dāng)于50 Hz上下。圖中圈出的特征值距離虛軸較近,動(dòng)態(tài)過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響最大,為系統(tǒng)的主特征值。主特征值共有6個(gè),如表2所示。
圖6 系統(tǒng)特征值分布Fig.6 System eigenvalues distribution
表2 系統(tǒng)主特征值Tab.2 System main eigenvalues
參與因子pki表示特征值小對(duì)狀態(tài)矩陣對(duì)角元素akk的靈敏度,其值為左特征向量元素與右特征向量元素的φki乘積,即:
參與因子pki表示第i個(gè)特征值中第k個(gè)狀態(tài)變量的參與程度,可以作為狀態(tài)變量對(duì)特征值影響的一種度量。
對(duì)主特征值進(jìn)行參與因子分析,得出結(jié)論:λ1,2主要與 Δu01、Xud1、Xud2有關(guān);λ3,4主要與iloadld、iloadlq有關(guān),因此 λ3,4主要受無功負(fù)載和母線電壓影響;λ5、λ6則與 Δφ01、Xuq1、Xuq2有關(guān)。
由以上分析可以看出,系統(tǒng)是穩(wěn)定的,但是所有的主特征值都靠近虛軸,意味著系統(tǒng)抗干擾性能不佳,受擾動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng),且λ3,4的阻尼比過小,不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。因此下文中利用根軌跡法與粒子群算法相結(jié)合的算法對(duì)控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化,使系統(tǒng)的主特征值遠(yuǎn)離虛軸,以改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
在每臺(tái)逆變器中,均有三個(gè)控制器,電流環(huán)、電壓環(huán)和功率環(huán),每個(gè)控制器都采用PI控制,因此包括控制器參數(shù)全系統(tǒng)需要確定8個(gè)控制參數(shù)。粒子群算法適用于尋找最優(yōu)解問題,這里將用于尋找一組最優(yōu)控制器參數(shù)。粒子群算法中,合適的初始值可以極大提高運(yùn)算效率,也能避免算法陷入局部最優(yōu)解,因此,本文首先利用傳統(tǒng)根軌跡法選取一組參數(shù)作為起點(diǎn),同時(shí)確定每個(gè)參數(shù)的取值范圍,再利用粒子群算法對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化,最終得到最優(yōu)控制器參數(shù)。
文中需要優(yōu)化的參數(shù)為Kpv、Kiv、Kpi、Kii、Kpa、Kpu、Kia、Kiu共八個(gè)控制參數(shù),固定其中 7個(gè)參數(shù),使一個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí),系統(tǒng)特征值會(huì)發(fā)生改變,,變化規(guī)律會(huì)形成一個(gè)軌跡,即是系統(tǒng)的根軌跡。根據(jù)根軌跡變化趨勢(shì),可以選擇一個(gè)合適的值作為初始值,這里合適指的是可以使系統(tǒng)的主特征值遠(yuǎn)離虛軸,增加系統(tǒng)抗干擾能力。
圖7 Kpv變化時(shí)系統(tǒng)根軌跡Fig.7 System root locus when Kpv varies
首先令Kpv在[1,100]的范圍內(nèi)變化,繪出系統(tǒng)的根軌跡,結(jié)果如圖7所示,圖7(b)為圖7(a)中圓圈內(nèi)的放大圖。由根軌跡可以看出,隨著Kpv的增大,λ3,4逐漸靠近虛軸,并且有一對(duì)原本距離虛軸較遠(yuǎn)的特征值也迅速靠近虛軸。λ1,2變化不大,λ5、λ6則有靠近虛軸的趨勢(shì)。
由于λ3,4對(duì)應(yīng)高頻振蕩且阻尼比較小,因此在選取初始值的時(shí)候,應(yīng)首先考慮增大其阻尼比,且使得其他主特征值遠(yuǎn)離虛軸。根據(jù)所繪制根軌跡圖,確定Kpv初步優(yōu)化的值為10,取值范圍為[1,80]。
利用上述確定Kpv的優(yōu)化方案,得到其余參數(shù)與取值范圍如表3所示。
表3 初步優(yōu)化的結(jié)果Tab.3 Preliminary results of optimization
這樣便得到了采用根軌跡法初步優(yōu)化的結(jié)果,由于優(yōu)化過程還沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒?,因此控制器參?shù)的精度不是很高,因此下一階段將利用粒子群算法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力。
文中,每個(gè)粒子均為一個(gè)八維向量,其所在位置代表八個(gè)控制參數(shù)的一組取值。在粒子群算法中,若各個(gè)粒子的初始位置隨機(jī)確定,往往容易使算法陷入局部最優(yōu)解[19]。因此本文利用上一節(jié)中根軌跡法得到的控制參數(shù)作為一個(gè)粒子的初始位置,以避免算法陷入局部最優(yōu)解。
由初步優(yōu)化得到的參數(shù)取值范圍,可以確定粒子群算法的搜索空間。按照Kpv、Kiv、Kpi、Kii、Kpa、Kpu、Kia、Kiu的順序,確定八維搜索空間第一維到第八維分別為[1,80]、[100,1 000]、[1,100]、[100,1 000]、[0.1,10]、[1,1 000]、[0.8,2]、[1,2 000]。
初始化各粒子的位置向量xni=()和速度向量,取上一小節(jié)根軌跡法得到的控制器參數(shù),其余粒子在搜索空間內(nèi)隨機(jī)分布,vni在[-Vm,+Vm]范圍內(nèi)隨機(jī)選取。
在粒子群算法中,通過“適應(yīng)度”的概念判斷一個(gè)粒子所在位置是否優(yōu)劣,本文最終目標(biāo)是增大系統(tǒng)阻尼,從而使系統(tǒng)主特征值遠(yuǎn)離虛軸,進(jìn)而改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能,因此設(shè)定粒子的適應(yīng)度函數(shù)為:
式中p為適應(yīng)度,σ1~σ6為系統(tǒng)所有特征值中離虛軸最近的六個(gè)特征值的實(shí)部,且σ1≥σ2≥σ3≥σ4≥…σ8,7-i為 σi的權(quán)值,σi離虛軸越近,權(quán)值越大。優(yōu)化目標(biāo)為使p最小。
計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)度,將各個(gè)粒子的位置和適應(yīng)度儲(chǔ)存在pbesti中,將所有粒子中適應(yīng)度最好的粒子位置和適應(yīng)度儲(chǔ)存在gbest中。
用式(9)更新粒子的速度和位置,即:
計(jì)算更新各粒子的適應(yīng)度,若為最優(yōu)值則取代之前的pbesti,否則舍棄,最終將該最優(yōu)粒子和適應(yīng)度儲(chǔ)存在gbest中。返回式(9)繼續(xù)計(jì)算,直至最大迭代次數(shù)。
文中設(shè)定,ω=0.729 8,c1=c2=1.494 45,粒子個(gè)數(shù)d=50,最大速度Vm=5,迭代次數(shù)600。優(yōu)化后的參數(shù)如表4所示。
表4 優(yōu)化后的控制參數(shù)Tab.4 Optimized control parameters
圖8為系統(tǒng)優(yōu)化前與優(yōu)化后的根軌跡對(duì)比圖,由圖可見,優(yōu)化后系統(tǒng)的主特征值均有不同程度的左移。
圖8 優(yōu)化前與優(yōu)化后主特征值對(duì)比圖Fig.8 Eigenvalues comparison chart before and after optimization
為了驗(yàn)證系統(tǒng)的均流效果與控制參數(shù)優(yōu)化效果,設(shè)計(jì)了基于Simulink的仿真平臺(tái)進(jìn)行了時(shí)域仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)拓?fù)渑c圖2相同,系統(tǒng)參數(shù)與表1一致。
為了驗(yàn)證功率環(huán)對(duì)環(huán)流的抑制效果,令兩臺(tái)逆變器首先在電壓電流雙閉環(huán)控制下運(yùn)行,達(dá)到穩(wěn)態(tài)后加入功率環(huán),如圖9,圖10所示觀察兩臺(tái)逆變器輸出功率的變化情況,控制參數(shù)與表4一致。
圖9 加入功率環(huán)前后兩臺(tái)逆變器輸出的有功功率Fig.9 Output active power of two inverters before and after power loop added
圖10 加入功率環(huán)前后兩臺(tái)逆變器輸出的無功功率Fig.10 Output active power of two inverters before and after power loop added
由圖9、圖10可以看出,在t=6 s之前,系統(tǒng)中沒有加入功率環(huán),兩臺(tái)逆變器由于輸出電壓的幅值和相角存在差異,輸出的有功和無功功率相差很大,說明相互之間存在很大的環(huán)流。t=6 s時(shí),加入了功率環(huán)的控制作用,兩臺(tái)逆變器的輸出電壓被矯正,輸出功率經(jīng)歷一個(gè)動(dòng)態(tài)過程之后收斂,說明功率環(huán)對(duì)環(huán)流有較強(qiáng)的抑制作用。
在此基礎(chǔ)上,對(duì)控制參數(shù)的優(yōu)化效果進(jìn)行驗(yàn)證。將負(fù)荷突增一倍作為擾動(dòng),系統(tǒng)控制參數(shù)去三組,第一組是未優(yōu)化的,第二組是根軌跡優(yōu)化的,第三組是粒子群優(yōu)化之后的。觀察兩臺(tái)逆變器的輸出功率的波動(dòng)情況。
如圖11、圖12所示,第二臺(tái)逆變器的輸出有功/無功功率與第一臺(tái)結(jié)果相似,由仿真結(jié)果可以看出,優(yōu)化之前,遭受擾動(dòng)需要4 s左右才能恢復(fù)穩(wěn)態(tài),優(yōu)化之后,動(dòng)態(tài)過程只需要不足1 s,動(dòng)態(tài)過程時(shí)間大幅減少,驗(yàn)證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能得到顯著提升。
圖11 P1優(yōu)化前與優(yōu)化后對(duì)比圖Fig.11 Compared before and after optimization about P1
圖12 Q1優(yōu)化前與優(yōu)化后對(duì)比圖Fig.12 Compared before and after optimization about Q1
5.3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
為了驗(yàn)證最終選取出的控制參數(shù)的實(shí)際控制效果,搭建了基于RTDS的半仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。系統(tǒng)拓?fù)渑c圖1相同,逆變器直流側(cè)接儲(chǔ)能,提供穩(wěn)定直流電壓,單個(gè)模塊輸出功率為50 kVA,母線額定電壓220 V,額定頻率50 Hz,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與前文一致,系統(tǒng)參數(shù)見表1。在觸發(fā)時(shí)刻(0ms)處負(fù)荷突增100%作為擾動(dòng),使用錄波器記錄兩臺(tái)逆變器輸出的有功無功功率的波動(dòng)情況。
5.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
由圖13、圖14可見,在切除負(fù)荷時(shí),兩臺(tái)逆變器的輸出功率均迅速歸零,且整個(gè)過程中兩臺(tái)逆變器的輸出功率基本一致,沒有發(fā)生劇烈波動(dòng)或失穩(wěn),系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性,表明最終選取的控制參數(shù)具有很好的控制效果。
圖13 逆變器1和逆變器2的有功功率Fig.13 The active power of inverter 1 and inverter 2
圖14 逆變器1和逆變器2的無功功率Fig.14 The reactive power of inverter 1 and inverter 2
介紹了雙主電源并聯(lián)系統(tǒng)的控制方式,針對(duì)雙主電源并聯(lián)運(yùn)行的微電網(wǎng)建立了小信號(hào)模型分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在此基礎(chǔ)上提出了利用根軌跡法和粒子群優(yōu)化算法相結(jié)合的控制參數(shù)綜合優(yōu)化方案,對(duì)系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行了協(xié)調(diào)優(yōu)化,最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的有效性?;谝陨瞎ぷ?,得到了以下結(jié)論:
(1)雙主電源并聯(lián)系統(tǒng)中,控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的主特征根影響較大,若選取不當(dāng),會(huì)使特征根距離虛軸過近,惡化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能;
(2)所提的控制參數(shù)綜合優(yōu)化方案,能夠使主特征根遠(yuǎn)離虛軸,有效提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。
由于所建立的系統(tǒng)只考慮了主電源,而將采用PQ控制的從電源作為等效負(fù)載進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,忽略了從電源的動(dòng)態(tài)過程,在后續(xù)工作中,可以進(jìn)一步包含從電源的詳細(xì)系統(tǒng)模型,以研究在遭受擾動(dòng)時(shí),從電源對(duì)系統(tǒng)的影響。