基于改進下垂控制的主從微電網(wǎng)無差調(diào)頻策略

高 佳， 肖迎群

(1. 貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2. 貴州理工學(xué)院 大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

微電網(wǎng)是實現(xiàn)分布式能源高效利用的一種解決方式。微電網(wǎng)具有雙重角色，既能與主網(wǎng)并網(wǎng)運行，也能斷開與主網(wǎng)的連接，轉(zhuǎn)為孤島運行。微電網(wǎng)不僅可以向主網(wǎng)提供功率支撐，滿足對主網(wǎng)輔助服務(wù)的需要，也是優(yōu)良的電能供給者，作為一個可定制電源，滿足用戶多樣化的用電需求，這些優(yōu)勢的發(fā)揮依賴于微電網(wǎng)控制技術(shù)的完善。頻率特性是微電網(wǎng)的重要特性之一，微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行時，主網(wǎng)運行的頻率即是微電網(wǎng)頻率。孤網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)頻率由多個微電源的調(diào)頻特性共同決定。不同微電源的原動機利用能源類型不同，同時原動機對微電網(wǎng)的接口也有差別，一般微電源的基本接口有3種：即逆變器接口、同步發(fā)電機接口和異步發(fā)電機接口。而主網(wǎng)中原動機基本上為同步發(fā)電機，主網(wǎng)的頻率與有功功率存在著一次調(diào)頻關(guān)系，微電網(wǎng)同主網(wǎng)的原動機類型差異，使得不能直接將主網(wǎng)功頻特性的分析方法運用于微電網(wǎng)，因此有必要對微電網(wǎng)有功功率和頻率關(guān)系進行深入研究，由于一般光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和潮汐能等可再生能源發(fā)電都廣泛地應(yīng)用了逆變器接口，因此本文討論了逆變器接口的控制方法，主要目的是通過控制逆變器來控制有功功率的輸出，從而達到調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率的作用，文獻[1]用自適應(yīng)控制方法調(diào)整有功功率，沿著均方誤差梯度負方向?qū)ふ易詈线m的下垂系數(shù)，使微電網(wǎng)頻率控制在允許范圍內(nèi)。文獻[2]采用魯棒控制方法優(yōu)化了下垂控制，提高了在下垂控制策略中電壓和頻率的精度。文獻[3]引入電壓補償環(huán)節(jié)和頻率補償環(huán)節(jié),改進了功率環(huán)反饋控制器，降低了系統(tǒng)頻率和母線電壓誤差。本文在分析了逆變器的有功功率—頻率下垂曲線的基礎(chǔ)上，在功率反饋環(huán)前加入了PI控制環(huán)節(jié)，改進了下垂控制策略的傳遞函數(shù)，并且將采用改進下垂控制的DG作為主源，實現(xiàn)了主從控制的微電網(wǎng)無差調(diào)頻。

1 逆變器控制策略

1.1 改進下垂控制原理

下垂控制模擬了主網(wǎng)發(fā)電機的調(diào)頻特性，人為地在逆變器控制策略中加入了有功功率—頻率下垂曲線，不斷地微調(diào)逆變器輸出的頻率，從而滿足負荷有功功率的需求。下垂控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中Udc為逆變器直流電壓，Vn為逆變器輸出電壓，in為逆變器輸出電流，R、L和C為濾波器的等值電阻、電感和電容，Un為電網(wǎng)電壓,iL為負載電流,ic為電容電流，功率檢測模塊通過測量逆變器輸出的瞬時電壓和電流計算出瞬時功率P,將瞬時功率同給定的參考功率P0相比較，可得到擾動功率ΔP。

圖1 下垂控制結(jié)構(gòu)圖

通過圖2所示的下垂特性曲線1可以直觀地展現(xiàn)出頻率的調(diào)整過程。

圖2 下垂特性曲線

逆變器初始工作在A點，此時輸出的有功功率為額定功率，頻率為額定頻率fref，當(dāng)負荷發(fā)生變化增加ΔP，此時由于下垂控制作用工作點沿著下垂曲線移動到B點，輸出的頻率下降Δf，達到新的穩(wěn)定工作點時的頻率為f,由此實現(xiàn)了系統(tǒng)有功功率的合理分配，調(diào)整輸出的有功功率P必須滿足條件：0≤P≤Pmax,頻率下垂系數(shù)可以表示為下式：

(1)

其中，Pmax為逆變器頻率下降最大時允許輸出的最大有功功率，P0為逆變器工作在額定頻率時輸出的有功功率，fref為微電網(wǎng)的額定頻率，P、f為系統(tǒng)在實際工作點的參數(shù)?？梢姡@種人為的下垂控制可以實現(xiàn)逆變器功率跟隨負載功率的自動調(diào)整，最終達到功率平衡，但是犧牲了系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)指標，而且傳統(tǒng)下垂系數(shù)是一個常數(shù)，對于環(huán)境適應(yīng)性較差，不能夠滿足微電網(wǎng)負荷擾動變化較大的情況。如果此時將下垂曲線1保持斜率不變向右平移，使逆變器的工作點變?yōu)镃點，由下垂曲線2可知，可使頻率恢復(fù)到fref，這樣，當(dāng)負荷發(fā)生變化時，不斷地修正P0的值，使逆變器的工作點平移到下垂曲線2的C點，即可以實現(xiàn)無差調(diào)頻。本文在功率反饋前加入了PI控制器，設(shè)計的無差調(diào)頻控制策略的傳遞函數(shù)如圖3所示。

(2)

式(2)即是起到無差調(diào)頻作用的比例積分控制環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)用圖3中的虛線部分表示。在負載功率變化的過程中，實時檢測逆變器的輸出頻率，作為反饋信號同參考頻率作比較，得到的誤差信號經(jīng)過PI控制器調(diào)整，用于補償系統(tǒng)頻率，直到微電網(wǎng)輸出功率同負載功率達到平衡，頻率恢復(fù)到額定值。

圖3 無差調(diào)頻策略傳遞函數(shù)

下垂控制結(jié)構(gòu)圖1中的PWM逆變器一般采用圖4所示的電壓電流雙閉環(huán)控制，外環(huán)控制回路電壓，調(diào)整電壓波形的影響，內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)，用于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，電壓控制環(huán)將逆變器輸出的瞬時電壓同電壓參考值相比較，得到的誤差信號通過比例積分控制器調(diào)節(jié)后作為電流控制環(huán)的參考值，電流控制環(huán)將逆變器輸出的瞬時電流同參考電流相比較，得到的誤差信號經(jīng)過比例控制器運算，得到內(nèi)環(huán)的控制信號，然后送入PWM調(diào)制器產(chǎn)生PWM波。

圖4 逆變器電壓電流雙環(huán)控制

1.2 PQ控制原理

PQ控制(恒功率控制)是指逆變器按照參考功率值輸出有功功率和無功功率，分布式發(fā)電系統(tǒng)被處理為恒功率輸出，采用PQ控制的DG不參與電壓和頻率調(diào)節(jié)，并網(wǎng)時其電壓和頻率由主網(wǎng)提供剛性支撐，孤網(wǎng)運行時電壓和頻率由主控微源提供支撐。逆變器通過控制輸出電壓來控制輸出電流，進而控制逆變器輸出的有功功率和無功功率，同時用鎖相環(huán)節(jié)獲得電網(wǎng)頻率。PQ控制框圖如圖5所示,圖中Vn為逆變器輸出電壓，in為逆變器輸出電流，R、L和C為濾波器的等值電阻、電感和電容，Pref、Qref為給定的參考有功功率和無功功率。

圖5 PQ控制框圖

根據(jù)圖5可以寫出逆變器輸出電路的電壓方程如下式：

(3)

對式(3)用Park變換將abc坐標系變換到dq軸旋轉(zhuǎn)坐標，得到逆變器的輸出電路電壓方程為：

(4)

式中：ωLiq和ωLid為微分環(huán)節(jié)在Park變換過程中的dq交叉耦合項，電網(wǎng)電壓un可以表示為下式：

(5)

將電網(wǎng)電壓式(5)進行Park變換：

(6)

逆變器輸出的有功和無功可以表示為：

(7)

將式(6)代入式(7)中，可以得到

(8)

從上式(8)可以看出,如果電網(wǎng)電壓保持恒定，有功功率P跟d軸電流成線性關(guān)系，無功功率Q跟q軸電流成線性關(guān)系，控制dq軸的電流就可以實現(xiàn)功率的控制。將電網(wǎng)電壓u和dq軸交叉耦合項整合為Vd2和Vq2,重新定義公式(4)為：

(9)

從上式(9)可以看出，分別控制dq軸上的電流就能控制電壓Vd1和Vq1，根據(jù)這個關(guān)系可以設(shè)計電流內(nèi)環(huán)控制器，通常采用PI控制器。

(10)

由此可以得到功率控制環(huán)和電流控制環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。輸出的有功功率P和無功功率Q與參考功率相比較，經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)后作為電流控制環(huán)的參考電流idref，再同逆變器輸出電流id相比較，得到的誤差電流經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)后加上dq交叉耦合項，可得到參考電壓，反Park變化后，三相參考電壓送入PWM產(chǎn)生器后便可形成控制逆變器的PWM波。

圖6 功率電流雙環(huán)控制的結(jié)構(gòu)框圖

2 微電網(wǎng)的主從控制策略

主從控制策略是微電網(wǎng)主要控制方式之一，當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，所有的DG均采用PQ控制，向主網(wǎng)提供或者消耗功率，頻率和電壓幅值由主網(wǎng)提供剛性支撐。離網(wǎng)運行時將微電網(wǎng)中一個或者幾個DG作為主控微源，通常主控微源都采用V/F控制，本文中的主控DG采用改進下垂控制，為孤網(wǎng)中的其他DG提供頻率和電壓支撐。由于負荷的瞬時波動一般都是由主控DG出力來達到功率平衡，所以要求主控DG有充足的容量，文中主要研究改進下垂控制的主控DG能否實現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)部的無差調(diào)頻，不研究微源內(nèi)部情況，所以文中的微源都用直流電源代替。為了驗證改進下垂控制在微電網(wǎng)運行的有效性，設(shè)計了含有3個微源的主從控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。負荷1、負荷2為可變負荷，負荷3為可中斷負荷，當(dāng)微電網(wǎng)運行在高峰時段或者緊急狀況時可以切斷。

圖7 主從控制結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，并網(wǎng)開關(guān)K、K2、K3閉合， DG2、DG3采用PQ控制。開關(guān)K斷開，K1閉合，這一動作看成微網(wǎng)運行狀態(tài)由并網(wǎng)切換到孤網(wǎng)，DG1設(shè)置為主源，采用改進下垂控制，DG2、DG3控制方式不變。微電網(wǎng)主從控制開關(guān)詳細動作設(shè)置及其負荷有功功率變化如表1所示。

表1 主從微電網(wǎng)運行狀態(tài)

3 仿真分析

為了驗證主源采用改進下垂控制的主從控制策略能實現(xiàn)微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行的無差調(diào)頻，基于圖7和表1所示微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)，在MATLAB/SIMULINK仿真平臺上建立了如圖8所示的微電網(wǎng)模型。微電網(wǎng)的參數(shù)見表2。

(1)0.2 s時開關(guān)K動作，微電網(wǎng)由并網(wǎng)切換到孤島運行模式。

在0.2 s微電網(wǎng)與配電網(wǎng)斷開連接，輸出功率變化如圖9所示。微電網(wǎng)進入孤網(wǎng)運行后，主源DG1跟蹤負荷變化，輸出的有功功率降低。 DG2、DG3由于采用PQ控制，輸出的有功功率不變。微電網(wǎng)頻率波形變化如圖10所示，當(dāng)主控微源DG1采用傳統(tǒng)下垂控制時，微電網(wǎng)由并網(wǎng)運行向孤島運行切換的過程中，系統(tǒng)頻率會有細微波動，在0.1 s頻率達到穩(wěn)定狀態(tài)后偏離頻率額定值。當(dāng)主控微源DG1采用改進下垂控制時，微電網(wǎng)由并網(wǎng)運行向孤島運行切換的過程中，系統(tǒng)頻率幾乎沒有變化。

圖8 微電網(wǎng)仿真模型

DG1Vdc=800 V,R=0.01 Ω,L=0.6×10-3 H,C=1.5×10-3 H,fref=50 Hz,V0=380 V,Pn1=0.6×104 WDG2Vdc=800 V, R=0.01 Ω,L=3×10-3 H,C=10×10-6 F,Pn1=6.5×103 W,Qn1=0 VarDG3Vdc=800 V, R=0.01 Ω,L=3×10-3 H,C=10×10-6 F,Pn2=5×103 W, Qn2=0 Var下垂控制電流電壓雙環(huán)控制器:kp=10,ki=100下垂系數(shù):kpf=×10-5改進下垂控制PI控制器:kp=0.01,ki=1 500電流電壓雙環(huán)控制器:kp=10,ki=100下垂系數(shù):kpf=8×10-5PQ控制SPLL:kp=60,ki=1 400內(nèi)環(huán)PI控制器參數(shù):kp=12.5,ki=1 800

圖9 并網(wǎng)切換到孤島各DG有功功率變化

圖10 并網(wǎng)切換到孤島微電網(wǎng)頻率變化

(2)0.2～1.5 s過程中微電網(wǎng)工作在孤網(wǎng)運行模式，變化負荷功率模擬快速投切負荷。

在孤島運行時，負載功率變化完全由主控微源DG1跟蹤，在0.5 s、1 s時切換負荷開關(guān)，向系統(tǒng)投入負荷，1.2 s時快速切除可中斷負荷，主源DG1輸出功率由圖11可知，在投入負荷時DG1輸出有功功率增加，切除負荷時DG1輸出有功功率減少，可知DG1下垂控制模型能夠較好地跟隨負荷擾動，保證了孤島運行的功率平衡。DG2，DG3由于采用PQ控制，其有功功率仍然按照參考功率輸出，在投切負荷時輸出的功率不發(fā)生變化。

圖11 孤網(wǎng)運行下投負荷時各DG有功功率變化

頻率變化如圖12所示，當(dāng)主控微源DG1采用傳統(tǒng)下垂控制時，根據(jù)下垂特性曲線在投入負荷的過程中，為了實現(xiàn)逆變器輸出功率和負載功率相平衡，頻率不斷在額定值附近波動，雖然能夠使頻率控制在允許范圍內(nèi)，但是穩(wěn)態(tài)時頻率存在著靜態(tài)誤差，當(dāng)主控微源DG1采用含有積分控制的改進下垂控制，頻率變化由圖12可以看出，在外部快速投切負荷的過程中，頻率穩(wěn)定在額定值，在微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時頻率保持穩(wěn)定實現(xiàn)了無差調(diào)頻。

圖12 孤網(wǎng)運行下投負荷時頻率變化

(3)1.5 s時使開關(guān)K閉合，微電網(wǎng)由孤網(wǎng)運行方式切換到并網(wǎng)運行。

如圖13所示，在運行模式切換過程中，DG1輸出有功功率波動較大，約在0.3 s后達到穩(wěn)定狀態(tài)，主控微源DG1在孤網(wǎng)運行到并網(wǎng)運行切換的過程中輸出的有功功率明顯減少，說明了并網(wǎng)后一部分負荷由主網(wǎng)承擔(dān)。而DG2、DG3仍然采用的PQ控制，輸出的功率維持不變。主控微源DG1分別采用傳統(tǒng)下垂控制和改進下垂控制的系統(tǒng)頻率仿真曲線如圖14所示，微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行時的頻率由主網(wǎng)提供支撐，主源在采用傳統(tǒng)下垂控制時，在運行模式切換過程中頻率波動較大，約在0.4 s過后達到穩(wěn)態(tài)。改進下垂控制在運行模式切換過程中仍然能夠保證系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，進一步說明了改進下垂控制在微電網(wǎng)中的可靠性。

圖13 孤網(wǎng)切換到并網(wǎng)各DG有功功率變化

圖14 孤網(wǎng)切換到并網(wǎng)各DG頻率變化

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)的下垂控制策略的不足，改進了下垂控制策略，在有功功率反饋前加入了PI控制環(huán)節(jié)，并且將主從控制的主控微源采用改進下垂控制，仿真了微電網(wǎng)的并網(wǎng)、快速投切負荷、孤網(wǎng)幾種運行狀態(tài)，下垂控制模型能夠很好地跟蹤到負荷變化，保證微電網(wǎng)運行的功率平衡。主控微源采用改進下垂控制與采用傳統(tǒng)下垂控制方式相比較，前者不僅消除了孤島運行時投切負荷的頻率靜態(tài)誤差，實現(xiàn)了頻率的無差調(diào)節(jié)，而且在微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤網(wǎng)運行模式切換過程中，很大程度地降低了頻率波動。由于本文主要研究微電網(wǎng)的無差調(diào)頻控制策略，直接將微源等效為直流電源，忽略了微電源運行特性對微網(wǎng)的影響，下一步有待展開對微電源原動機運行特性的研究。