獨立微電網(wǎng)中功率精確分配與頻率電壓恢復(fù)控制

劉海霞， 李 嵐， 葉吉亮， 王宇龍

(太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

0 引 言

近年來， 隨著環(huán)境污染問題的日益嚴峻和新能源技術(shù)的迅猛發(fā)展， 世界各國紛紛開始在配網(wǎng)及用戶側(cè)大力發(fā)展微電網(wǎng). 微電網(wǎng)作為一種中小型供電系統(tǒng)， 集合分布式電源、 負載、 儲能單元、 能量轉(zhuǎn)換裝置、 控制和保護裝置于一體， 具有清潔友好、 可靠性高、 安全性強和即插即用等諸多優(yōu)點， 因此在我國國家能源局頒發(fā)的《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確提出， 要加快推進以可再生能源為主體、 多種分布式電源互補的新能源微電網(wǎng)應(yīng)用示范工程的建設(shè)[1].

為了顯著提高微電網(wǎng)的容量和可靠性， 目前采用逆變器并聯(lián)技術(shù)， 因此多微源逆變器接口的群控技術(shù)成為了微電網(wǎng)控制的關(guān)鍵技術(shù)之一. 當(dāng)微電網(wǎng)因電網(wǎng)故障或其他原因斷開與電網(wǎng)的連接而處于獨立運行狀態(tài)時， 逆變器大多采用下垂控制策略， 即按照有功功率和無功功率下垂方程控制頻率和電壓[2]. 本文分析表明： 為了使各微源獲得精確的功率分配， 其有功下垂系數(shù)必須相等， 逆變器的總輸出阻抗也必須相同， 但是在實際微網(wǎng)系統(tǒng)中這一條件往往難以滿足[3]. 此外， 由于缺乏電網(wǎng)的支撐， 僅依靠傳統(tǒng)的下垂控制策略調(diào)節(jié)微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率和電壓， 電能質(zhì)量難以保證[4]. 因此， 傳統(tǒng)的下垂控制已經(jīng)滿足不了系統(tǒng)的要求.

為了提高傳統(tǒng)下垂控制中功率分配的精度， 文獻[5]采用了反向下垂控制， 但是這種方法與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機特性兼容性差. 文獻[6]提出一種自適應(yīng)下垂控制方法， 該方法雖然實現(xiàn)了無功功率的分配， 但是未對頻率和電壓進行補償控制， 從而造成系統(tǒng)輸出頻率和電壓精度的下降. 文獻[7]通過解耦后的虛擬功率來控制頻率和電壓， 這將增加控制的難度.

綜上所述， 現(xiàn)有文獻在精確分配功率和減小逆變器輸出頻率和電壓偏差方面有一定的局限性. 因此， 針對以上問題， 本文提出了一種微電網(wǎng)分層控制方法， 該方法可以在微網(wǎng)逆變器線路阻抗不同的情況下， 改善各微電源輸出的無功功率精度并且提高其輸出的頻率和電壓質(zhì)量. 最后， 通過仿真驗證了本文所述控制方法的正確性.

1 傳統(tǒng)下垂控制與功率分配

1.1 傳統(tǒng)下垂控制原理

微網(wǎng)中并聯(lián)逆變器功率傳輸原理如圖 1 所示[8]. 其中， 兩個微源逆變器的輸出電壓分別為E1∠θ1，E2∠θ2， 公共母線的電壓為U∠00， 其與各逆變器輸出電壓的相位差分別為θ1,θ2； 逆變器的等效輸出電阻分別為Ro1,Ro2， 等效輸出電抗分別為Xo1,Xo2； 線路電阻分別為RL1,RL2， 線路電抗分別為XL1,XL2. 對于微網(wǎng)中的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)， 定義第n臺逆變器的總阻抗為其等效輸出阻抗與線路阻抗之和， 即Zn∠φn=Rn+jXn=Ron+RLn+j(Xon+XLn).

圖 1 逆變器功率傳輸原理圖Fig.1 Power flow through a line of inverter

由圖 1 得到微源輸出的有功功率和無功功率分別為

(1)

(2)

在低壓微網(wǎng)中， 線路阻抗不感性， 傳統(tǒng)的下垂控制將無法使用[9]. 如果通過設(shè)置合適的虛擬阻抗， 使得逆變器的等效輸出阻抗為感性， 且確保Xn?Rn， 則逆變器的總阻抗變?yōu)閄n. 對于實際運行的微網(wǎng)系統(tǒng)， 功角差θn很小， 所以sinθn≈θn， cosθn≈1. 那么式(1)和式(2)可以簡化為

(3)

(4)

式(3)和式(4)表明， 如果線路阻抗為感性特征， 那么有功主要由相位差決定， 無功主要由電壓差決定. 因此， 通過調(diào)節(jié)相位和電壓， 即可控制有功功率和無功功率. 在實際應(yīng)用中， 通常用頻率代替相位進行控制[10]， 傳統(tǒng)的下垂特性方程為

fn=f*-mnPn,

(5)

En=E*-nnQn,

(6)

式中：fn和En分別為逆變器輸出的頻率和電壓；mn和nn分別為有功下垂增益和無功下垂增益；f*和E*分別為頻率參考值和電壓參考值.

1.2 功率分配原理

微電網(wǎng)獨立運行時負載功率的精確分配是指各微源逆變器能夠按額定容量比來分配負載功率[11]. 本文假設(shè)兩個微源逆變器的容量相同， 即饋入公共交流母線的功率分別滿足：P1=P2，Q1=Q2.

首先分析有功功率的分配情況， 當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行時， 因為頻率為全局變量， 所以系統(tǒng)中各逆變器工作頻率相同， 因此有功功率可以精確均分， 即m1P1=m2P2.

其次再來分析無功功率的分配， 聯(lián)立式(4)和式(6)可得逆變器穩(wěn)態(tài)運行時實際輸出的無功功率為

(7)

根據(jù)式(7)可得兩臺逆變器穩(wěn)態(tài)運行時輸出無功功率的比值為

(8)

由式(8)可知， 無功功率的合理分配不僅與無功下垂增益有關(guān)， 也與逆變器等效輸出阻抗有關(guān).

如果兩個逆變器的無功下垂增益相等， 那么兩個逆變器若想均分無功功率， 則根據(jù)式(8)可知， 兩個逆變器的總阻抗需滿足

X1=X2.

(9)

綜上所述， 系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后， 各微源要想實現(xiàn)按比例分配有功功率只需要有功下垂增益相同[12]. 但是對于實際的微網(wǎng)， 逆變器的總阻抗會隨著負載的切入和切出而發(fā)生改變， 因此， 實際中根據(jù)式(9)的阻抗匹配條件來實現(xiàn)無功功率的均分并不可行.

鑒于以上分析， 本文提出了一種改進的微網(wǎng)分層下垂控制方法. 第一層控制為添加虛擬阻抗的傳統(tǒng)下垂控制， 以實現(xiàn)低壓微網(wǎng)有功功率和無功功率的解耦； 第二層控制用于實現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)無功功率的均分， 以及逆變器輸出頻率和電壓的無差調(diào)節(jié).

2 微電網(wǎng)分層控制原理

2.1 第一層控制

微電網(wǎng)的第一層控制是在傳統(tǒng)的逆變器三環(huán)下垂控制中添加虛擬阻抗環(huán)， 以使逆變器輸出的等效阻抗遠大于其線路阻抗， 在逆變器的總阻抗中起到?jīng)Q定性作用， 下面具體來分析虛擬阻抗環(huán)的設(shè)計原理.

圖 2 逆變器雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Double closed loop control structure diagram of inverter

由圖 2 可知， 加入虛擬電抗后， 微源逆變器雙閉環(huán)控制的參考輸入電壓Uref可表示為

(10)

根據(jù)式(12)和圖 2 所示的控制策略， 可得加入虛擬電抗后， 逆變器的輸出電壓為

(11)

如果通過選取合適的電壓電流雙閉環(huán)控制參數(shù)， 使得G(s)在工頻特性附近為1， Zo(s)接近于0， 那么引入虛擬阻抗后， 逆變器的等效輸出阻抗近似為Zv(s).

2.2 第二層控制

雖然將虛擬阻抗引入逆變器的雙閉環(huán)控制中能改變逆變器的等效輸出阻抗， 但是電流流過虛擬阻抗所產(chǎn)生的壓降， 會造成逆變器輸出電壓的下降， 因此需要對引入虛擬阻抗所產(chǎn)生的電壓降落進行補償. 此外， 傳統(tǒng)下垂控制為有差調(diào)節(jié)， 當(dāng)負載增加時， 系統(tǒng)輸出的頻率和電壓均會偏離額定值.

為了實現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)無功功率的合理分配， 保證逆變器輸出的頻率和電壓恢復(fù)到額定值. 在第一層傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上， 加入第二層控制， 通過采集各逆變器輸出的無功功率、 頻率和電壓， 以低帶寬通信的方式發(fā)送給微網(wǎng)中央控制器， 計算得到逆變器所需的補償信號， 然后發(fā)送給每個微源逆變器， 對其進行補償控制.

首先考慮微網(wǎng)中央控制器產(chǎn)生的無功功率補償信號. 為了使無功功率精確均分， 現(xiàn)引入無功功率平均分配因子Qave， 當(dāng)無功功率合理分配時， 兩個逆變器輸出的無功功率相等， 均等于Qave. 無功功率平均分配因子可表示為

(12)

因此， 無功功率補償信號可表示為

(13)

式中： Kpq和Kiq分別為無功功率補償PI控制器的比例和積分系數(shù). 當(dāng)Qave≠Q(mào)n時， 無功功率補償控制信號開始對各逆變器輸出的無功功率進行調(diào)節(jié)， 直到系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時無功功率補償信號為0， Qave=Qn.

其次， 為了改善微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率和電壓偏差問題， 還需加入電壓補償信號和頻率補償信號. 因此， 改進下垂控制中添加的頻率和電壓的補償信號Δfn和ΔEn分別為

(14)

(15)

式中： 頻率平均分配因子和電壓平均分配因子分別為

(16)

(17)

式中： Kpf和Kif分別為頻率補償PI控制器的比例和積分系數(shù)； Kpe和Kie分別為電壓補償PI控制器的比例和積分系數(shù). 從式(14)和(15)可以看出， 穩(wěn)態(tài)時E=E*和fn=f*成立， 各微源逆變器輸出的頻率和電壓均恢復(fù)到額定值. 在此過程中， 微網(wǎng)系統(tǒng)可以按比例完成有功功率和無功功率的合理分配.

綜上所述， 增加了微網(wǎng)第二層控制后的改進下垂控制方程為

fn=f*-mnPn+Kpf(f*-fave)+

(18)

En=E*-nnQn+Kpq(Qave-Qn)+

(19)

圖 3 所示為逆變器加入分層控制后的結(jié)構(gòu)框圖.

圖 3 微電網(wǎng)分層控制策略框圖Fig.3 Block diagram of the microgrid hierarchical control strategy

從圖 3 所示控制策略中可以看出： 對微源逆變器進行分層控制， 不僅可以改善微網(wǎng)的無功功率分配性能， 而且還能彌補使用傳統(tǒng)下垂控制和引入虛擬阻抗后產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差， 避免了微源逆變器輸出頻率和電壓的跌落， 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

3 仿 真

為了驗證該控制策略的有效性， 搭建了獨立微電網(wǎng)并聯(lián)逆變器仿真模型， 并對其進行仿真.

該系統(tǒng)的仿真參數(shù)如下： 微源1和微源2的直流側(cè)電壓Udc均為800V， 濾波電感L和濾波電容C分別為0.6mH和1 500μF， 濾波電容串聯(lián)電阻R為0.01Ω. 其中， 微源1的線路阻抗Z1=(0.128 2+j0.020 2)Ω， 微源2的線路阻抗Z2=(0.193 2+j0.030 2)Ω. 該微電網(wǎng)的公共負荷為ZL1=(20+j10)KVA， ZL2=(12+j8)KVA. 參考頻率f*為50Hz, 參考電壓E*為311V. 系統(tǒng)的開關(guān)頻率為6kHz， 電流控制器中K=5， 電壓控制器中Kpu=10， Kiu=100. 本文中所添加虛擬電抗均為1mH， 有功下垂增益為1×10-5， 無功下垂增益為3×10-4. 無功功率補償項系數(shù)分別為Kpq=0.000 2， Kiq=0.5； 頻率補償項系數(shù)分別為Kpf=0.001， Kif=3； 電壓補償項系數(shù)分別為Kpe=0.002， Kie=0.2.

微網(wǎng)系統(tǒng)初始運行時帶負載1穩(wěn)定運行0.5s， 0.5s時投入公共負載2， 相應(yīng)的有功功率由20kW增加到32kW， 無功功率也由10KVar增加到18KVar. 仿真時間為1s.

圖 4 為傳統(tǒng)下垂控制仿真結(jié)果. 從圖 4(a) 和圖 4(b) 中可以看出， 無論負載如何變化， 系統(tǒng)穩(wěn)定后， 兩個微源都能均分有功功率， 但是由于線路阻抗的影響， 無功功率的分配并不準(zhǔn)確. 從圖 4(c) 和圖 4(d) 可以看到， 各逆變器輸出的頻率和電壓都與期望輸出值存在一定的偏差， 嚴重影響了系統(tǒng)供電的可靠性. 圖 4(e) 中兩臺微源逆變器輸出電流也不相同， 系統(tǒng)存在環(huán)流.

圖 4 傳統(tǒng)下垂控制仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of conventional droop control

圖 5 為微電網(wǎng)分層控制仿真結(jié)果. 圖 5(a) 的有功功率波形與圖 4(a) 有功功率波形大致相同. 通過圖 5(b) 與圖 4(b) 對比， 可以看出采用本文所述的微電網(wǎng)分層控制策略， 對無功功率進行補償控制， 消除了線路阻抗的影響， 實現(xiàn)了無功功率的均分. 通過圖 5(c) 和圖 5(d) 可以看出， 經(jīng)過頻率補償信號和電壓補償信號的調(diào)節(jié)， 各微源逆變器輸出的頻率和電壓在穩(wěn)態(tài)時均恢復(fù)到額定值. 因此， 本文所提控制方法不僅可以保證微網(wǎng)系統(tǒng)功率的精確分配， 而且還有效提高了系統(tǒng)的頻率和電壓質(zhì)量. 圖 5(e) 中兩個微源逆變器的均流效果較好， 避免了環(huán)流的產(chǎn)生.

圖 5 微電網(wǎng)分層控制仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of the microgrid hierarchical control

4 結(jié) 論

本文以獨立微電網(wǎng)中相同容量微源逆變器為研究對象， 詳細分析了負載功率的分配原理， 提出了一種微電網(wǎng)分層控制策略. 在第一層控制中， 通過添加感性的虛擬阻抗以減小線路阻抗的影響； 第二層控制是對微源逆變器輸出的無功功率、 頻率和電壓進行補償控制， 以使各逆變器精確分配無功功率， 同時保證頻率和電壓恢復(fù)至額定值. 該方案可以在線路阻抗不同的情況下， 依然能夠準(zhǔn)確分配無功功率， 并消除穩(wěn)態(tài)時的頻率和電壓誤差， 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性. 在理論分析的基礎(chǔ)上， 通過仿真證明了該分層控制策略的有效性.

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