孤島模式下混合微電網(wǎng)改進(jìn)下垂控制

王樹(shù)東 ，邱進(jìn)亮 ，丁 汀 ，黃 濤 ，酒 康

（1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050；2.甘肅省工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730050；3.蘭州理工大學(xué) 電氣與控制工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，蘭州 730050；4.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院，蘭州 730050；5.78156部隊(duì)，蘭州 730050）

在現(xiàn)代微電網(wǎng)中，電力電子接口的部署可以集成不同類型的分布式發(fā)電裝置DG（distributed generation）為所連接的負(fù)載供電，使電網(wǎng)獲得了更好的可控性和電能質(zhì)量的提高[1]。交流微電網(wǎng)AC-MG具有利用現(xiàn)有交流電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)勢(shì)，但需要復(fù)雜的控制策略以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。直流微電網(wǎng)DC-MG相比與AC-MG，一方面提高了效率、可靠性、安全性、冗余度，并降低了成本[2]，另一方面無(wú)功功率以及頻率控制的消除使直流微電網(wǎng)控制簡(jiǎn)單。針對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能裝置和負(fù)載的各自特點(diǎn)，具備交/直流微電網(wǎng)各自優(yōu)點(diǎn)的交直流混合微電網(wǎng)具有良好的發(fā)展前景[3-4]。

目前，已經(jīng)對(duì)混合微電網(wǎng)的規(guī)劃、潮流、穩(wěn)定性和電能質(zhì)量進(jìn)行了大量的研究，然而對(duì)互聯(lián)變流器IC的控制方法研究較少。IC的控制策略主要有集中式和分散式2種。集中式控制策略所需數(shù)據(jù)通過(guò)寬帶通信鏈路傳送到控制中心。但是基于通信基礎(chǔ)設(shè)施的控制方法會(huì)導(dǎo)致成本的提高和系統(tǒng)可靠性的降低，從而阻礙了集中式方法的實(shí)際運(yùn)行。相反，在AC-MG和DC-MG中以分散的方式單獨(dú)控制變量具有成本低，易于擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，最典型的分散式控制策略是下垂控制[5]。

文獻(xiàn)[6-8]中AC-MG均采用P-f下垂特性，而該控制策略只有在假設(shè)負(fù)載和電源之間的互連阻抗是純感性時(shí)才有效。對(duì)此，文中提出一種混合AC/DC微電網(wǎng)的電壓和頻率控制的改進(jìn)方法。

1 微電網(wǎng)的控制

混合微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。IC將2個(gè)微電網(wǎng)連接在一起并調(diào)節(jié)著子網(wǎng)間的雙向功率流動(dòng)。當(dāng)交流微電網(wǎng)的功率過(guò)剩，有功功率可以從交流子網(wǎng)流向直流子網(wǎng)，反之亦然。IC不僅可以控制AC-MG和DC-MG之間的有功功率傳輸，還可以為AC-MG提供無(wú)功功率。

圖1 混合微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of hybrid microgrid

1.1 AC-MG的控制

文獻(xiàn)[9]建立了基于傳統(tǒng)下垂特性的控制策略控制MG中的每個(gè)電源。如圖2所示，以交流電源形式表示電壓源逆變器 VSI（voltage source inverter），連接互連阻抗，終端電壓為V∠0，有功功率、無(wú)功功率流為

式中：Pac，i和 Qac，i分別為第 i個(gè)交流電源產(chǎn)生的有功功率、無(wú)功功率。E∠δ為由VSI產(chǎn)生的電壓幅值和相位角；Z∠θ為線路阻抗的大小和相位角。

圖2 連接到VSI的線路功率流Fig.2 Line power flow connected to VSI

考慮到線路阻抗相位角的不同，可以采用不同的下垂控制。在架空線路的情況下，線路阻抗幾乎為一個(gè)純感性負(fù)載，θ＝90°，因此采用P-f和Q-V下垂控制，有功功率影響系統(tǒng)頻率，無(wú)功功率影響電壓幅值。而在低壓電纜中，相角θ接近于零，該線路幾乎為電阻性線路[10]，宜采用P-V和Q-f下垂控制。故文中提出 P-Uac，P和 Q-Uac，Q下垂控制策略。 Uac，P和Uac，Q分別定義為交流微電網(wǎng)單位化有功、無(wú)功功率控制指數(shù)。電壓和頻率信號(hào)的單位化可根據(jù)下列公式得到：

式中：fac，pu，Vac，pu分別為AC-MG單位化頻率標(biāo)幺值、電壓；Umax為允許電壓最大值； fac，max為頻率允許最大值；fac和Vac分別為交流側(cè)頻率、電壓；Δ f為頻率允許變化范圍；ΔU為電壓允許變化范圍；Vdc，pu為DC-MG單位化電壓標(biāo)幺值；Vdc為直流側(cè)電壓。

根據(jù)AC-MG中的電源，提出現(xiàn)有電源的最大發(fā)電功率比來(lái)確定有功和無(wú)功功率調(diào)度。傳統(tǒng)下垂控制公式為

改變下垂系數(shù) KP，i和 KQ，i， 使得頻率和電壓的偏差限制在允許的范圍內(nèi)。根據(jù)下列公式可獲得下垂系數(shù)：

式中：Pac，max，i，Qac，max，i分別為交流電源的最大有功 、無(wú)功功率發(fā)電能力。

1.2 DC-MG的控制

因?yàn)镈C-MG沒(méi)有無(wú)功功率，頻率和相位的考慮，DC-MG的控制過(guò)程較為簡(jiǎn)單，所以建立的下垂策略僅控制電源之間的有功功率分配。下垂特性為

式中：Udc，P為直流微電網(wǎng)單位化有功功率控制指數(shù)；Pdc，j為第 j個(gè)直流電源產(chǎn)生的有功功率；Pdc，max，j為直流電源最大有功功率發(fā)電能力。

2 IC功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 IC有功功率控制

根據(jù)所提出的P-Uac，P和Q-Uac，Q下垂特性控制交流電源。AC-MG內(nèi)電源采用的式（1）（2）被改寫(xiě)為

控制指數(shù)可通過(guò)下列方程計(jì)算：

式中：Pac，max，t，Qac，max，t分別為第t個(gè)交流電源的最大有功、無(wú)功發(fā)電容量。它適用于AC-MG中的任何類型的接口阻抗，可以確定通過(guò)IC的有功功率傳輸量。對(duì)于純感性線路 Uac，P和 Uac，Q被確定為頻率和電壓信號(hào)。 相反，在電阻線中 Uac，P與Uac，Q被確定為電壓和頻率信號(hào)。從方程（11）可以看出，Uac，P取決于線路阻抗的相位角，AC-MG中總無(wú)功功率與總有功功率之比，以及單位化的電壓和頻率值。

對(duì)于提出的策略，測(cè)量IC端子的電壓和頻率足以控制交流和直流子網(wǎng)。對(duì)IC交流側(cè)測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行單位化處理，然后代入方程（11），便可計(jì)算出有功功率控制指數(shù)Uac，P。類似地，在DC-MG中，通過(guò)測(cè)量的電壓信號(hào)并進(jìn)行單位化處理求得相應(yīng)的有功功率控制指數(shù)Udc，P。期望的有功功率控制指數(shù)為

如果 Uac，P=Udc，P=Udes，P，IC 不進(jìn)行功率傳輸。 在Uac，P>Udc，P的情況下， 功率從 AC-MG 向 DC-MG 傳輸。 相反，在 Uac，P

2.2 IC的無(wú)功功率控制

無(wú)功功率僅涉及IC的交流側(cè)，可傳輸?shù)臒o(wú)功功率被限制在IC的剩余容量?jī)?nèi)，IC的最大無(wú)功功率為

式中：SIC，n為 IC 的額定視在功率；PIC，ac為 IC 的有功功率。

IC在交流側(cè)的無(wú)功功率支持會(huì)引起交流子網(wǎng)的電壓和頻率的變化。IC無(wú)功功率的支持會(huì)提高電壓幅度，同時(shí)降低系統(tǒng)頻率，如圖3所示。

圖3 IC無(wú)功功率變化對(duì)交流子網(wǎng)電壓和頻率的影響Fig.3 Influence of reactive power variation of IC on voltage and frequency of AC subnet

所提出的無(wú)功功率控制指數(shù)為

所提出的主要控制方法如圖4所示?；贗C端子處的電壓和頻率信號(hào)的標(biāo)幺值及所提出的下垂特性，計(jì)算AC-MG和DC-MG兩者的有功功率控制指數(shù)；根據(jù)式（14）確定通過(guò)IC傳輸?shù)挠泄β剩瑢⒉僮鼽c(diǎn)引向相互連接的子網(wǎng)間的期望協(xié)調(diào)。同樣，根據(jù)式（16）確定無(wú)功功率控制指數(shù)來(lái)提供無(wú)功功率支持。在確定ΔPIC和ΔQIC之后，有功功率和無(wú)功功率的變化輸入在圖4所示的控制回路中，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器輸出電壓并限制通過(guò)IC的傳輸電流。

圖4 IC主控制框圖Fig.4 IC master control block diagram

3 系統(tǒng)仿真

根據(jù)圖1所示交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，搭建了仿真模型，進(jìn)行時(shí)域仿真，以評(píng)估所提出的控制策略的性能。其中

交流微電網(wǎng)額定頻率f=50 Hz；

最大允許頻率fmax=52 Hz；

最小允許頻率fmin=48 Hz；

直流側(cè)額定電壓Vdc=360 V；

交流側(cè)額定電壓Vac=220 V；

直流側(cè)最大允許電壓Vdc，max=396 V，最小允許電壓 Vdc，min=324 V；

交流側(cè)最大允許電壓Vac，max=240 V，最小允許電壓 Vac，min=200 V。

3.1 提出的下垂策略與傳統(tǒng)方法的性能比較

為了評(píng)估所提出策略的性能，在t=2 s時(shí)，ACMG的有功功率需求從40 kW增加到80 kW；ACMG的無(wú)功功率需求假設(shè)為20 kVar。此外，在t=4 s時(shí)，DC-MG的功率需求從20 kW增加到50 kW。圖5顯示了AC-MG和DC-MG中微電源的發(fā)電曲線。

由圖可見(jiàn)，在2種控制方法中，MG中的任何負(fù)載變化都影響2個(gè)MG中的發(fā)電情況，隨著AC-MG的有功功率需求的變化，DC-MG適當(dāng)?shù)貐⑴c響應(yīng)以滿足增加的負(fù)荷，由圖5（b）可見(jiàn)所提出的控制策略使相互連接的MG之間進(jìn)行了更高效的功率共享。

圖6顯示了隨著負(fù)載的變化，AC-MG和DCMG中電壓的標(biāo)幺值以及AC-MG的頻率標(biāo)幺值。而圖7顯示了AC-MG和DC-MG兩者的有功功率控制指數(shù)。由圖7可見(jiàn)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后AC-MG和DC-MG獲得了相等的有功功率指數(shù)。由此驗(yàn)證所提出的策略可以準(zhǔn)確進(jìn)行有功功率分配。

圖5 有功功率曲線Fig.5 Active power curve

圖6 單位化的電壓和頻率Fig.6 Unit voltage and frequenc

圖7 有功功率控制指數(shù)Fig.7 Active power control index

如前所述，下垂控制的主要目的是根據(jù)其額定容量分配AC-MG和DC-MG在供電任務(wù)中的總負(fù)載。可以通過(guò)每個(gè)MG電源的發(fā)電功率與額定功率的比值評(píng)估該問(wèn)題。圖8驗(yàn)證了所提出的下垂控制策略，使AC-MG和DC-MG按各自的額定功率分擔(dān)負(fù)載。

圖8 發(fā)電功率與額定功率的比值Fig.8 Ratio of generating power to rated power

3.2 所提出的無(wú)功功率控制的性能

通過(guò)采用IC的無(wú)功功率支持可以進(jìn)一步提高混合微電網(wǎng)的性能。假設(shè)AC-MG的基本負(fù)載為50 kW。在t=2 s時(shí)，AC-MG的有功功率需求增加到80 kW，隨后在t=4 s時(shí)降至20 kW。在這2種情況下，DC-MG中的負(fù)載保持30 kW恒定。因此，除了有功功率控制指數(shù)外，無(wú)功功率控制指數(shù)也應(yīng)用于測(cè)試系統(tǒng)中。如圖9所示，反映了IC無(wú)功功率的參與；如圖10所示，IC無(wú)功功率的參與引起AC-MG的單位化電壓和頻率信號(hào)的標(biāo)幺值相等。證明IC無(wú)功功率的參與提高了MG的電壓質(zhì)量。

圖9 IC的無(wú)功功率參與Fig.9 Reactive power participation of IC

圖10 AC-MG和DC-MG中的電壓和頻率標(biāo)幺值Fig.10 Voltage and frequency scales in AC-MG and DC-MG

4 結(jié)語(yǔ)

文中為混合微電網(wǎng)中的有功和無(wú)功功率控制提出了一種改進(jìn)的下垂控制策略；提出了有功和無(wú)功功率控制指數(shù)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)交流子網(wǎng)中所有線路阻抗都適用的方法；提出了無(wú)功功率控制指數(shù)，利用IC的剩余容量對(duì)AC-MG提供無(wú)功功率支持。結(jié)果表明，通過(guò)IC對(duì)AC-MG和DC-MG的單位化功率控制指數(shù)進(jìn)行均衡可以較好地完成功率分配任務(wù)，并提高了電能質(zhì)量。