基于改進(jìn)下垂控制的微電網(wǎng)運(yùn)行控制研究

沈陽化工大學(xué) 薛 嬋

本文將從下垂控制的基本原理出發(fā)，對基于改進(jìn)下垂控制的微電網(wǎng)運(yùn)行控制進(jìn)行分析與探究，希望為相關(guān)人員提供一些幫助與建議，通過下垂控制的改進(jìn)使得無功均分精度得到提高，確保微電網(wǎng)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

引言：微電網(wǎng)的微電源若使用下垂控制，會因微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電壓幅值輸出不等、線路阻抗存在差異等原因使得微電源在進(jìn)行無功功率輸出時無法實(shí)現(xiàn)均分，從而導(dǎo)致微電源之間產(chǎn)生無功環(huán)流現(xiàn)象。因此，應(yīng)針對這些問題對下垂控制進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行的有效控制，保證微電網(wǎng)的運(yùn)行安全。

一、研究背景

目前，我國微電網(wǎng)開始廣泛應(yīng)用下垂控制，尤其是在微電網(wǎng)處于對等控制時。然而傳統(tǒng)下垂控制因復(fù)雜的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電壓輸出的幅值不同、線路有阻抗差異等，導(dǎo)致DG的無功輸出較難實(shí)現(xiàn)均分效果，如果情況較為嚴(yán)重，微電網(wǎng)還會有較大無功環(huán)流出現(xiàn)。國外與國內(nèi)學(xué)者都對其開展了大量研究，比如對逆變器諧波與基波分頻下垂的控制器設(shè)置，就能對電壓的諧波進(jìn)行充分抑制，還能按照當(dāng)前容量對諧波域與基波域功率進(jìn)行科學(xué)分配，使得并聯(lián)逆變器的時候有效提升分配功率的精度。

如果將負(fù)荷端電壓幅值的反饋添加到傳統(tǒng)下垂控制之中，會使分配負(fù)荷的精度得以提高，不過此方法需要較大無功下垂系數(shù)，不利于系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)下垂控制之中加入無功補(bǔ)償與電壓回復(fù)控制，可以對Q/V曲線里存在的電壓偏差進(jìn)行修正，并使分配的無功功率得到提高。在傳統(tǒng)下垂控制之中加入虛擬阻抗的技術(shù)，在分布式電源的逆變式輸出側(cè)引入虛擬電抗，會使得輸出阻抗表現(xiàn)出感性，并對Q/V的曲線進(jìn)行修正，從而使分配無功精度的效果得到提升，不過虛擬阻抗的引入將降低系統(tǒng)的電壓，不利于電壓輸出的質(zhì)量。如果以動態(tài)虛擬阻抗為基礎(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)控制，讓虛擬阻抗值可以進(jìn)行自行調(diào)整，使得線路電圧降落得到降低，便能對無功環(huán)流進(jìn)行抑制。如果借助虛擬阻抗使不同輸出線路的阻抗差異減小，可以增強(qiáng)微電源分配無功負(fù)荷的精度，不過依然不能有效解決該問題。因此，應(yīng)尋找一種不對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，且微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行不會受到負(fù)面影響的分配無功精度提升手段。

二、逆變器的下垂控制

（一）整體的逆變器控制

在逆變器中使用下垂控制，則其大體控制方法為：通過電流與電壓的雙環(huán)控制、功率的下垂控制、功率計算等方法獲得可以對逆變器輸出進(jìn)行控制的一個SPWM波，實(shí)現(xiàn)對逆變器輸出進(jìn)行控制的目標(biāo)。在本文，逆變器使用的是電流、電壓的雙環(huán)控制，讓逆變器擁有了較強(qiáng)電壓源外特征，電壓環(huán)可以對功率下垂控制而出現(xiàn)的參考電壓進(jìn)行快速跟蹤，電流環(huán)使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)得到有效改善。

（二）下垂控制的基本原理

下垂控制通常會被應(yīng)用到對等控制微電網(wǎng)并聯(lián)很多逆變器一同運(yùn)行的控制上。通過下垂控制，可以在感性的微電網(wǎng)阻抗輸出狀態(tài)下解耦Q/V與P/f。其中，逆變器與電壓源發(fā)揮等同效力。在逆變器等效輸出處于感性阻抗的時候，相比于負(fù)載阻抗，逆變器線路的阻抗與等效輸出的阻抗都比較小，但實(shí)際上相角偏差也較小。微電網(wǎng)里的輸出線路通常表現(xiàn)出阻感性或是阻性，不過控制器會對逆變器端口輸出電壓進(jìn)行直接調(diào)整，并非濾波器出口電壓，因此在對逆變器的輸出特征進(jìn)行考慮時，要把變壓器與濾波器阻抗也進(jìn)行考慮。又因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)沒有較長的傳輸線路，將變壓器與濾波器的阻抗加入之后，輸出阻抗依然表現(xiàn)出感性，因此應(yīng)將線路的電阻進(jìn)行忽略。線路電抗、變壓器電抗、濾波可以共同叫做微電源輸出的分布式電抗。

三、微電網(wǎng)下垂控制改進(jìn)

在微電源的逆變器中，LC濾波器會輸出較大的電桿，并且微電網(wǎng)沒有較長的輸電線路，因此微電源阻抗的輸出依舊表現(xiàn)出感性，使得微電網(wǎng)運(yùn)行過程中依然可以使用Q/V、P/f的下垂控制。應(yīng)將電壓補(bǔ)償量引入傳統(tǒng)的下垂控制之中，使得輸出線路得到壓降的補(bǔ)償，使不同微電源分配無功負(fù)荷的精度得到提高。要想使存在于微電網(wǎng)里面的接入點(diǎn)電壓幅值差異得到彌補(bǔ)，將接入點(diǎn)電壓幅值的反饋控制引入傳統(tǒng)無功下垂的控制過程中，當(dāng)做補(bǔ)償?shù)臒o功下垂控制量，并對接入點(diǎn)變化的電壓進(jìn)行全面跟蹤，然后對控制無功下垂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。微電網(wǎng)的幅值反饋量與電壓補(bǔ)償量通過調(diào)節(jié)PI可以獲得無功下垂曲線補(bǔ)償量初始值，對下垂曲線進(jìn)行平移處理，從而對系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓不同微電源能夠輸出相同的電壓幅值。因此，無功下垂的控制經(jīng)過一系列改進(jìn)，能夠讓分布式電源的無功功率發(fā)生改變，讓微電網(wǎng)里不同的分布式電源可以輸出相同的電壓幅值。

四、下垂控制改進(jìn)的補(bǔ)償法

（一）縱截距補(bǔ)償

在微電網(wǎng)應(yīng)用下垂控制時，下垂曲線因其特征使得母線電壓在運(yùn)行時和期望的母線電壓有一定的差異存在，加上系統(tǒng)中負(fù)載突變等大量不確定的因素所影響，使得母線電壓會出現(xiàn)波動。只有母線電壓保持穩(wěn)定才能確保負(fù)載可靠的運(yùn)行，因此大部分二次控制都對補(bǔ)償母線電壓進(jìn)行考慮，也就是利用下垂曲線的平移，使得曲線里的電壓初始值發(fā)生改變，然后對單元輸出電壓進(jìn)行直接控制。系統(tǒng)中各個單元電流電壓的信息都通過低速通信方法得到，利用補(bǔ)償器將縱截距的補(bǔ)償量進(jìn)行輸出使得下垂曲線得到調(diào)節(jié)?？衫秒娏€通信、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)等方法進(jìn)行低速通信，該方法符合分布式微電網(wǎng)特征，得到了下垂控制中二次控制的廣泛應(yīng)用。按照系統(tǒng)要求的不同，補(bǔ)償器可以使用電流電壓雙補(bǔ)償、電流補(bǔ)償、電壓補(bǔ)償?shù)确绞?。將電壓補(bǔ)償器引入二次控制，從而使母線電壓得到回復(fù)，實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)和并網(wǎng)的無縫切換。在切換時，微電網(wǎng)離網(wǎng)時母線電壓的偏差信號通過補(bǔ)償器被送到電池單元，并和下垂曲線初始電壓相疊加，對曲線進(jìn)行平移，使得電池單元的側(cè)電壓輸出得到調(diào)節(jié)，讓固態(tài)變壓器和微電網(wǎng)的母線電壓相一致，滿足并要的需要。

（二）下垂系數(shù)補(bǔ)償

各個微電網(wǎng)系統(tǒng)都有相應(yīng)控制目標(biāo)，部分系統(tǒng)要求快速應(yīng)對負(fù)載突變，部分系統(tǒng)要求均分電流，從而使不同功率單元能夠有效的使用。因此在微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)用下垂控制時，下垂曲線的系數(shù)能夠按照系統(tǒng)控制目標(biāo)的不同對有關(guān)物理量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，根據(jù)物理量做出的改變作出相應(yīng)變化。關(guān)聯(lián)的物理量按照計算時對下垂曲線系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。很多微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制與結(jié)構(gòu)要求相對簡單，并且關(guān)聯(lián)參數(shù)僅和本地的單元信息相關(guān)，因此無需通信就能夠補(bǔ)償下垂曲線。此外，出于對微電網(wǎng)具體運(yùn)行時母線電壓發(fā)生突變可能性以及電壓敏感負(fù)荷在很大程度上受到電壓突變影響的考慮，對電壓突變及時應(yīng)對的方法成為當(dāng)前微電網(wǎng)系統(tǒng)需要解決的重要問題。微電網(wǎng)的系統(tǒng)功率經(jīng)過快速的擾動，會產(chǎn)生母線電壓突變現(xiàn)象，具體體現(xiàn)在母線電壓的變速速率比較大。因此，在補(bǔ)償下垂曲線的洗漱室，應(yīng)將系統(tǒng)的具體要求作為考慮前提，把下垂曲線的系數(shù)和余下的儲能裝置容量、母線電壓的變化率等不同物理量相關(guān)聯(lián)，從而按照物理量變化的情況對下垂曲線的系數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)下垂控制得到改進(jìn)的目的。

五、同步的并網(wǎng)控制

在將微電網(wǎng)從孤島運(yùn)行的模式切換到并網(wǎng)的運(yùn)行模式時，應(yīng)盡快做到靜態(tài)開關(guān)兩邊的相位、頻率、電壓幅值大體一致，也就是大電網(wǎng)和微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行，使并網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊減少。應(yīng)借助微電網(wǎng)的模式控制切換器來測量靜態(tài)開關(guān)兩邊電壓的信號，多相角差、頻率差、電壓幅值差進(jìn)行計算并微調(diào)，然后按照相位控制、頻率控制、電網(wǎng)電壓做到平滑地將微電網(wǎng)從孤島運(yùn)行的模式切換到并網(wǎng)運(yùn)行的模式。從孤島到并網(wǎng)的模式控制切換過程中，通過控制相位、頻率、電壓來得到對應(yīng)電壓幅值與頻率初值改變量，在經(jīng)過下垂曲線的平移獲得最終幅值、頻率、電壓等參考值。進(jìn)行并網(wǎng)之前，應(yīng)先控制電壓與頻率，然后控制香味，讓PCC兩側(cè)的電壓幅值差與相位差逐漸縮小到符合并網(wǎng)運(yùn)行的范圍之中，然后將斷路器閉合，達(dá)到從孤島運(yùn)行模式切換至并網(wǎng)運(yùn)行模式的目標(biāo)。

六、具體仿真

微電網(wǎng)具體的仿真過程如下：第一，在一秒之前，微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行的模式；第二，當(dāng)處在一秒的時候，微電網(wǎng)的負(fù)荷突變，有功負(fù)荷從五十千瓦增長至六十千瓦，無功負(fù)荷從10kvar增長到13kvar；第三，當(dāng)處在一秒半的時候，將頻率與電壓的控制模塊啟動，在1.6秒時再將相位控制的模塊啟動，這時大電網(wǎng)和微電網(wǎng)處于預(yù)同步控制的階段，一旦符合并網(wǎng)的條件則對微電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)。第四，當(dāng)處在三秒的時候，將PCC開關(guān)斷開，微電網(wǎng)從并網(wǎng)運(yùn)行的模式成功切換至孤島運(yùn)行的模式，如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)仿真

七、結(jié)語

總而言之，研究基于改進(jìn)下垂控制的微電網(wǎng)運(yùn)行控制具有十分重要的意義。通過下垂控制的改進(jìn)，讓微電網(wǎng)在穩(wěn)定運(yùn)行時，令不同微電源能夠?qū)ο嗤妷悍颠M(jìn)行輸出，使得微電源分配無功負(fù)荷的精度得到提高，從而增強(qiáng)微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，讓微電網(wǎng)系統(tǒng)得以安全運(yùn)行。