微電網(wǎng)電源的虛擬慣性頻率控制策略初探

吳 萍

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

0 引言

分布式電源和可再生能源在電網(wǎng)中的有效接入，是當(dāng)前發(fā)電技術(shù)主要研究方向，而作為由分布式電源等裝置組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，微電網(wǎng)變得越來越常見，加快了我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)步伐。但是，在微電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中，仍存在較多的技術(shù)問題有待解決，尤其是在孤島運(yùn)行模式下，其頻率抗擾動(dòng)能力較差，而傳統(tǒng)下垂控制策略存在一定的局限性，發(fā)生擾動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)逆變器輸出頻率造成影響，無法保證其穩(wěn)定性，不利于微電網(wǎng)的有效應(yīng)用。所以，當(dāng)前亟需一種新型控制策略來增強(qiáng)微電網(wǎng)慣性，減弱功率振蕩的影響，提升微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行能力。

1 微電網(wǎng)簡(jiǎn)介

在對(duì)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式頻率穩(wěn)定性的有效控制展開研究之前，應(yīng)先提高對(duì)微電網(wǎng)的深刻認(rèn)識(shí)，為控制策略的優(yōu)化和改善提供理論依據(jù)。微電網(wǎng)又叫微網(wǎng)，其本質(zhì)為小型發(fā)配電系統(tǒng)，具體組成包括分布式電源、儲(chǔ)能裝置、監(jiān)控裝置、保護(hù)裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置等［1］。微電網(wǎng)可以更加靈活、高效地將分布式電源應(yīng)用到電網(wǎng)中，有效解決其并網(wǎng)問題，在節(jié)約非再生資源、推動(dòng)智能電網(wǎng)建設(shè)等方面發(fā)揮著重要作用，且具有成本低、污染小等優(yōu)點(diǎn)，在電力生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。

2 微電網(wǎng)電源下垂控制策略

下垂控制策略是微電網(wǎng)運(yùn)行較為常用的一種控制方式，當(dāng)電源輸出為有功功率和無功功率時(shí)，分別對(duì)頻率和電壓進(jìn)行控制會(huì)表現(xiàn)出下垂特性。具體操作過程中，通過下垂控制，根據(jù)電源輸出的有功功率和無功功率，結(jié)合其各自控制模塊中的下垂系數(shù)，可以分別得到參考頻率和參考電壓幅值。然后再利用參考頻率積分得到參考相位，借助參考電壓幅值得到其瞬時(shí)值。對(duì)于微電網(wǎng)電源控制來講，在采用下垂控制策略時(shí)，配合雙環(huán)控制策略，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制效果。在不考慮雙環(huán)控制響應(yīng)時(shí)間前提下，如果用ω表示電源頻率，用Δω表示頻率增量，用P表示電源功率，用ΔP表示電源功率增量時(shí)，則可以得到：

在微電網(wǎng)中接入電源時(shí)，基本都是借助逆變器實(shí)現(xiàn)的，而逆變器能夠瞬時(shí)完成響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間一般僅有幾十毫秒。如果微電網(wǎng)電源控制方式為下垂控制策略，則逆變器頻率會(huì)因?yàn)閿_動(dòng)而發(fā)生快速變化。根據(jù)上式的階躍特點(diǎn)可知，即便是逆變器發(fā)生輕微擾動(dòng)，也會(huì)造成較大影響，無法保證微電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性，難以實(shí)現(xiàn)良好控制效果。此時(shí)微電網(wǎng)的慣性仍然較弱，不利于其良好運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)，以及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮［2］。由此可見，下垂控制策略存在較大的局限性，必須探索一種新的控制方式，來改善微電網(wǎng)電源控制現(xiàn)狀。

3 微電網(wǎng)電源虛擬慣性頻率控制策略

此次研究中所提出的虛擬慣性頻率控制策略，是針對(duì)傳統(tǒng)下垂控制策略不足所提出的一種改良方法?？梢酝ㄟ^對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，盡可能地避免微電網(wǎng)電源振蕩現(xiàn)象的發(fā)生，能夠?qū)崿F(xiàn)更加理想的控制效果。虛擬慣性頻率控制策略在微電網(wǎng)中的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬慣性頻率控制策略示意圖

根據(jù)圖1可知，微電網(wǎng)電源虛擬慣性頻率控制方式主要分為4個(gè)模塊，除虛擬慣性控制模塊外，還包括兩個(gè)下垂控制模塊，分別為頻率有功功率模塊和無功功率電壓模塊，以及電壓信號(hào)生成模塊。4個(gè)模塊在微電網(wǎng)運(yùn)行控制過程中，分別發(fā)揮著不同作用。首先，虛擬慣性控制模塊的主要功能是對(duì)頻率變化動(dòng)態(tài)過程加以控制，根據(jù)有功功率參考值與電源實(shí)際輸出功率大小，在發(fā)生一個(gè)慣性環(huán)節(jié)后，利用兩者之間的差值，確定頻率偏差大小。如果功率大小出現(xiàn)瞬時(shí)變化，則其數(shù)值波動(dòng)可以在慣性作用下得到一定緩沖，通過過渡逐漸趨于穩(wěn)定，達(dá)到一個(gè)新的數(shù)值。在虛擬慣性控制模塊中，模擬發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程的時(shí)間常數(shù)用T′J表示，其阻尼系數(shù)用K′D表示。其次，借助微電網(wǎng)中的頻率有功功率模塊，可以得到電源參考有功功率，該模塊主要負(fù)責(zé)分配并列機(jī)組間的負(fù)荷，并對(duì)頻率進(jìn)行靜態(tài)調(diào)節(jié)。在控制運(yùn)算過程中，可采用鎖相環(huán)對(duì)電源頻率大小進(jìn)行測(cè)量，繼而得到所需數(shù)據(jù)。再次，在對(duì)微電網(wǎng)電壓大小作出合理調(diào)整，以及科學(xué)分配無功功率時(shí)，主要是通過無功功率電壓控制模塊實(shí)現(xiàn)的，所能確定的數(shù)據(jù)主要為電壓參考值大小［3］。最后，依據(jù)在無功功率電壓控制模塊中所得電壓參考值，可以對(duì)其瞬時(shí)值大小作出判斷，具體在參考電壓信號(hào)生成模塊中完成，然后再將其輸入到雙環(huán)控制單元。逆變器在虛擬慣性控制環(huán)節(jié)和雙環(huán)控制環(huán)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間分別為幾秒至幾十秒和幾十毫秒，對(duì)兩者進(jìn)行比較可知，雙環(huán)控制環(huán)節(jié)響應(yīng)時(shí)間在總的響應(yīng)時(shí)間中占有較小比例，為便于分析，可以不將其考慮在內(nèi)，此時(shí)可以得到微電網(wǎng)電源有功功率頻率的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框架圖，具體控制形式如圖2所示。

圖2 有功功率頻率的閉環(huán)控制示意圖

式中：ω和P分別表示電源頻率和電源功率，Δω和ΔP分別表示頻率增量和電源有功功率增量。該式表示慣性環(huán)節(jié)，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，電源頻率穩(wěn)態(tài)偏移程度及動(dòng)態(tài)過渡時(shí)間，分別可以通過靜態(tài)調(diào)差系數(shù)和慣性時(shí)間常數(shù)獲得。與式（1）進(jìn)行比較能夠得知，電源頻率在發(fā)生改變時(shí)，因?yàn)閼T性時(shí)間常數(shù)的存在，則可以留有一定的時(shí)間用于緩沖，不會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)性變化，會(huì)以一種較為平穩(wěn)的方式逐漸出現(xiàn)一個(gè)新的狀態(tài)。如此一來，將會(huì)大大削弱負(fù)荷變化對(duì)頻率造成的干擾作用，有效避免了微電網(wǎng)電源振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。

4 微電網(wǎng)電源虛擬慣性頻率控制仿真分析

為驗(yàn)證虛擬慣性頻率控制策略的有效性及可信性，分別在單機(jī)系統(tǒng)和多機(jī)并聯(lián)情況下，對(duì)微電網(wǎng)電源運(yùn)行控制進(jìn)行了仿真分析，現(xiàn)將試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下。

4.1 單機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行控制仿真分析

此次研究所用單機(jī)系統(tǒng)仿真平臺(tái)，逆變器接口電源是最為主要的構(gòu)件，供電系統(tǒng)主電路中，電源出口耦合電感和線路阻抗兩者相加所得結(jié)果用Z∑表示，表現(xiàn)出感性特征，系統(tǒng)電壓為380 V，并用近似法根據(jù)恒阻抗模型得到系統(tǒng)負(fù)荷Zioad。同時(shí)，微電網(wǎng)中還用到同步發(fā)電機(jī)，其調(diào)差率的標(biāo)幺值大小與調(diào)速器有關(guān)，受到影響后在0.01～0.06之間變化。為保證負(fù)荷分配的合理性，協(xié)調(diào)逆變器接口電源和同步發(fā)電機(jī)兩者的穩(wěn)定運(yùn)行，分別將微電網(wǎng)電源慣性時(shí)間常數(shù)及調(diào)差率標(biāo)幺值設(shè)定為8 s和0.02。

為分析負(fù)荷不同變化狀態(tài)下對(duì)頻率所造成的影響，反仿真試驗(yàn)時(shí)分別進(jìn)行了3次運(yùn)算，負(fù)荷分別為階躍狀態(tài)、有功沖擊狀態(tài)和隨機(jī)變化狀態(tài)。第一，當(dāng)負(fù)荷呈階躍式變化時(shí)，在10 s內(nèi)使初始階段的額定功率階躍至1.5倍大小，得到對(duì)應(yīng)的頻率變化曲線圖，如圖3所示。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)荷呈階躍式變化時(shí)，采用下垂控制策略和虛擬慣性控制策略，頻率均會(huì)降低，但是兩者的相應(yīng)時(shí)間分別約為0.1 s和15 s，前者會(huì)發(fā)生瞬時(shí)性改變，而后者變化則是一個(gè)緩慢的動(dòng)態(tài)過程［4］。由此可知，虛擬慣性控制策略對(duì)頻率下降起到了延緩作用，即便是出現(xiàn)擾動(dòng)，低頻減載裝置切負(fù)荷時(shí)也會(huì)有充足的時(shí)間，并且頻率穩(wěn)定后其大小不會(huì)超出規(guī)定值。第二，基于微電網(wǎng)自身較小電容特點(diǎn)，有功功率可能會(huì)對(duì)負(fù)荷造成沖擊，此時(shí)頻率將會(huì)呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的變化。先在10 s內(nèi)使初始階段的額定功率階躍至1.5倍大小，然后經(jīng)過10 s后使其恢復(fù)初始值。分析對(duì)應(yīng)的頻率波動(dòng)曲線，可以發(fā)現(xiàn)采用下垂控制策略和虛擬慣性控制策略，頻率最小值均為49.55 Hz，并且頻率大小都會(huì)隨著慣性時(shí)間常數(shù)的增大而繼續(xù)降低。但是前者頻率的變化是瞬時(shí)性的，而后者則是緩慢變化，屬于一個(gè)動(dòng)態(tài)過程?？偨Y(jié)可得，微電網(wǎng)電源采用虛擬慣性控制策略，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)荷沖擊時(shí)，系統(tǒng)頻率有著較強(qiáng)的抵御能力。第三，假設(shè)負(fù)荷是隨機(jī)變化的，其大小在-13.5%和13.5%之間波動(dòng)，波動(dòng)周期為0.5 s，得到對(duì)應(yīng)的頻率變化曲線。通過分析可以發(fā)現(xiàn)采用下垂控制策略和虛擬慣性控制策略，前者頻率會(huì)因?yàn)槟孀兤骺焖夙憫?yīng)而出現(xiàn)較大幅度變化，嚴(yán)重影響了頻率質(zhì)量，而后者頻率會(huì)因?yàn)閼T性時(shí)間常數(shù)的約束，呈現(xiàn)出平緩波動(dòng)形態(tài)。

圖3 負(fù)荷階躍時(shí)的頻率變化

4.2 多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行控制仿真分析

如果微電網(wǎng)的運(yùn)行模式為多機(jī)并聯(lián)，采用虛擬慣性控制策略時(shí)，需要保證控制參數(shù)選擇的最優(yōu)化，避免功率振蕩現(xiàn)象的出現(xiàn)。在此以2機(jī)系統(tǒng)為例，進(jìn)行多機(jī)并聯(lián)仿真分析。供電系統(tǒng)主電路電壓分別用E1和E2表示，線路阻抗分別用Z1和Z2表示，負(fù)荷阻抗則用ZL表示。

根據(jù)微電網(wǎng)閉環(huán)控制框圖，采用線性化處理，得到2機(jī)系統(tǒng)的時(shí)域方程。通過分析換算用狀態(tài)空間形式將其表示出來，在通過潮流計(jì)算得到2機(jī)主線路的輸出功率，分別用P1和P2表示。為方便計(jì)算，將所得系統(tǒng)狀態(tài)空間形式進(jìn)行降階處理，得到一個(gè)二階系統(tǒng)，求得其特征根［5］。對(duì)所得公式進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)阻尼系數(shù)、慣性時(shí)間常數(shù)、自然振蕩頻率等多項(xiàng)參數(shù)，都會(huì)對(duì)控制效果造成影響，所以必須作出合理選擇。設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)上述運(yùn)算過程可求得阻尼比為0.4，滿足振蕩抑制需求。假設(shè)40 kW的初始負(fù)荷在15 s后上升至120%，對(duì)頻率變化曲線進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，2機(jī)負(fù)荷分配合理，頻率在慣性虛擬控制作用下平穩(wěn)波動(dòng)，雖然出現(xiàn)輕微功率振蕩，但很快得到有效抑制。假設(shè)40 kW的初始負(fù)荷在15 s后下降至至70%，對(duì)頻率變化曲線進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，2機(jī)負(fù)荷分配合理，頻率在慣性虛擬控制作用下平穩(wěn)波動(dòng)，10 s后趨于穩(wěn)定。由此可知，在多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)下，通過對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)阻尼比，可有效減弱微電網(wǎng)電源功率振蕩現(xiàn)象影響。

5 結(jié)束語

加大對(duì)微電網(wǎng)頻率擾動(dòng)控制策略的研究，通過增強(qiáng)其慣性來提升微電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性，對(duì)于微電網(wǎng)的推廣應(yīng)用是非常重要且必要的。此次研究所提出的虛擬慣性頻率控制策略，改善了傳統(tǒng)下垂控制策略的不足之處，可以保證單機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)通過優(yōu)化控制器參數(shù)，還可以抑制多機(jī)并聯(lián)狀態(tài)下的功率振蕩，提高微電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。