基于下垂控制的微電網(wǎng)控制策略研究

王紅艷

(許昌學院 電氣工程學院，河南 許昌 461000)

隨著太陽能發(fā)電、風力發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)的微電網(wǎng)得到廣泛關(guān)注[1].微電網(wǎng)將分布式電源、負荷、儲能裝置、控制裝置等整合為一個獨立的發(fā)配電系統(tǒng)[2, 3]，可以在并網(wǎng)和孤島運行模式間靈活切換，利用分布式微源的出力，提高電能質(zhì)量.微電網(wǎng)應(yīng)具備靈活可靠的控制系統(tǒng)，下垂控制具有不需要互聯(lián)通信線、運行模式切換時不用改變控制策略等優(yōu)點[4, 5]，成為研究熱點.

1 下垂控制的基本原理

下垂控制是模擬傳統(tǒng)發(fā)電機的功角特性，采用P-f和Q-U下垂控制，使微電網(wǎng)得到穩(wěn)定的電壓和頻率[6].P-f和Q-U下垂控制的表達式為

(1)

其中，U為公共連接點處電壓的有效值，Ui為第i個分布式微電源輸出相電壓的有效值，θi為第i個分布式微電源的輸出電壓與公共連接點處電壓之間的相角差，Xi為第i個分布式微電源至負載間的傳輸線路的電抗，Pi和Qi分別為第i個分布式微電源輸出的有功和無功功率.

由式(1)可知，相角差θi決定分布式微電源有功功率Pi的傳輸，Pi與θi成正比，Pi由相位超前的點傳輸至相位滯后的點；分布式微源的輸出電壓與公共連接點處電壓的幅值差(Ui-U)決定分布式微電源無功功率Qi的傳輸，Qi與 (Ui-U)成正比，Qi由電壓高的點傳輸至電壓低的點.

頻率f和相角θ之間的關(guān)系為

(2)

由式(1)、(2)可知,通過控制分布式微源輸出的有功功率可以控制其輸出電壓的頻率和相角，通過控制分布式微源輸出的無功功率可以控制其輸出電壓的幅值.因此微電網(wǎng)下垂控制的表達式為

(3)

其中，f和U、P和Q分別為分布式微電源輸出電壓的頻率和幅值、輸出的有功和無功功率，f0和U0、P0和Q0分別為分布式微電源輸出電壓的頻率和幅值的額定值、輸出的有功和無功功率的額定值，m、n分別為有功和無功功率的下垂系數(shù).

2 基于下垂控制的微電網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計

圖1 基于下垂特性的微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)圖

2.1 功率控制模塊

功率控制模塊包括功率測量、下垂控制、電壓合成三個環(huán)節(jié).功率測量環(huán)節(jié)采集分布式微源輸出的三相電流信號ioabc和三相電壓信號uoabc，分別進行abc/dq坐標變換后得到兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的電流iodq和電壓uodq.根據(jù)瞬時無功功率理論可得，在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系下微源逆變器輸出的瞬時有功功率和瞬時無功功率分別為

(4)

為了提高輸出功率的穩(wěn)定性，應(yīng)采用低通濾波器濾除瞬時功率中的高頻紋波，將平均功率作為下垂控制環(huán)節(jié)的輸入信號.因此可得功率測量環(huán)節(jié)框圖如圖2所示.

圖2 功率測量環(huán)節(jié)框圖

圖3 下垂控制環(huán)節(jié)和電壓合成環(huán)節(jié)框圖

2.2 電壓電流控制模塊

為了合理設(shè)計電壓電流控制模塊，首先需要建立微源逆變器的數(shù)學模型.在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系下微源逆變器的數(shù)學模型為

(5)

(6)

電壓電流控制模塊采用最典型的雙閉環(huán)控制策略，以電感電流控制為內(nèi)環(huán)，以電容電壓控制為外環(huán).電壓電流雙閉環(huán)控制能夠?qū)﹄妷汉碗娏鬟M行精確地動態(tài)控制，改善微源逆變器輸出的三相電能.由公式(5)、(6)可知，dq坐標系下逆變器的d軸和q軸電量相互耦和，這將給控制系統(tǒng)的設(shè)計帶來困難.因此，需要首先對逆變器的d軸和q軸分量進行解耦，使其相互獨立，然后分別對d軸和q軸分量進行PI控制.

為了對電感電流進行解耦，令式(5)中微源逆變器的輸出電壓為

ud=uid+uod-ωLfiLq,uq=uiq+uoq+ωLfiLd.

(7)

對電容電壓進行解耦，令電感電流參考值為

(8)

將式(7)、(8)分別代入式(5)、(6)，可以看到逆變器的d軸和q軸分量實現(xiàn)了完全解耦.

電流內(nèi)環(huán)采用P控制，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，即

(9)

電壓外環(huán)釆用PI控制，使逆變器的輸出電壓保持穩(wěn)定，即

(10)

圖4 電壓電流控制框圖

3 MATLAB仿真

在MATLAB/Simulink中建立基于下垂控制的微電網(wǎng)仿真模型，如圖5所示.微源逆變器的輸出電壓幅值的額定值為311 V，額定頻率為50 Hz，額定有功功率為75 kW，額定無功功率為0，有功功率的下垂系數(shù)為10-5，無功功率的下垂系數(shù)為3×10-4，初始本地負載功率為25 kW.

圖5 基于下垂控制的微電網(wǎng)仿真模型

系統(tǒng)運行至0.2 s時由并網(wǎng)模式切換至孤島模式，0.4 s時本地負載突增50 kW，運行仿真模型可得如圖6和圖7所示的波形.圖6為微源逆變器的輸出電壓波形和輸出電流波形，可以看出：在微網(wǎng)從并網(wǎng)模式切換為孤島模式、負載突增的過程中，微網(wǎng)逆變器的輸出電壓能夠始終保持穩(wěn)定；微網(wǎng)逆變器的輸出電流在并網(wǎng)模式下比孤島模式下的幅值要大，即并網(wǎng)運行時微網(wǎng)在帶動本地負載的同時向大電網(wǎng)輸出功率.0.4 s時本地負載由25 kW突增至75 kW，微網(wǎng)逆變器的輸出電流由50 A迅速上升至150 A，與理論值完全一致.

圖7依次為微源逆變器輸出的有功功率波形和頻率波形. 從圖7可以看出：0.2 s之前并網(wǎng)運行時，微網(wǎng)輸出的有功功率大于本地負載功率25 kW，多出的功率輸送至大電網(wǎng)；孤島運行時，微網(wǎng)輸出的有功功率等于本地負載功率25 kW，頻率為50.5 Hz；0.4 s后本地負載突增至75 kW，微網(wǎng)輸出的有功功率迅速跟蹤負載功率升至額定功率75 kW，頻率迅速下降為額定頻率50 Hz.仿真結(jié)果證明了下垂控制策略的正確性和有效性.

4 結(jié)語

根據(jù)下垂控制的基本原理，將下垂控制與電壓電流雙環(huán)控制有機結(jié)合，設(shè)計微電網(wǎng)的控制系統(tǒng).通過搭建微電網(wǎng)及其控制系統(tǒng)的仿真模型，實現(xiàn)微電網(wǎng)的下垂控制策略.仿真結(jié)果表明所設(shè)計的基于下垂控制的微網(wǎng)系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)性能好、動態(tài)響應(yīng)速度快、適應(yīng)能力強等特點，驗證了基于下垂控制的微網(wǎng)控制策略的正確性和有效性，為后續(xù)微電網(wǎng)運行控制的研究打下了良好的基礎(chǔ).

圖6 微網(wǎng)逆變器的輸出電壓和電流波形

圖7 微網(wǎng)逆變器的輸出有功功率和頻率波形