基于虛擬阻抗的微電網(wǎng)離網(wǎng)狀態(tài)改進(jìn)下垂控制

于佳文， 李 新， 韓順杰， 張冬冬， 付香雪

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

在電力生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)發(fā)電廠產(chǎn)生的電能主要來源于汽油、煤炭和天然氣等不可再生資源。然而，隨著人們對電能需求的逐步增加，不可再生資源過度開采，導(dǎo)致了資源枯竭和環(huán)境的污染。因此，分布式發(fā)電這種可以充分開發(fā)利用可再生能源系統(tǒng)隨之產(chǎn)生。分布式發(fā)電對環(huán)境的污染較少，而且相對于傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)，其電能的質(zhì)量和供電可靠性也很高。但是分布式發(fā)電也存在著許多缺點(diǎn)和不足，比如成本高、控制相對困難等。對此，在20世紀(jì)初，國外的專家學(xué)者提出了微電網(wǎng)的概念[1]。微電網(wǎng)是由一個(gè)或多個(gè)分布式電源、能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、負(fù)載、監(jiān)控環(huán)節(jié)和系統(tǒng)保護(hù)環(huán)節(jié)組成的。它是一個(gè)既可以運(yùn)行在并網(wǎng)狀態(tài)下，也可以運(yùn)行在離網(wǎng)狀態(tài)下的小型電力系統(tǒng)[2]。

目前，微電網(wǎng)逆變器的控制方法主要分為三種，分別為PQ控制、VF控制和下垂控制。對于這三種控制方法，國內(nèi)外專家學(xué)者們也做了大量的科學(xué)研究，并發(fā)表了大量的相關(guān)文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[3-4]介紹了在離網(wǎng)狀態(tài)下使用主從控制，對一個(gè)分布式電源采用VF控制，對其他分布式電源采用PQ控制；文獻(xiàn)[5]在離網(wǎng)狀態(tài)下分析和驗(yàn)證了VF控制方法的穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[6]針對離網(wǎng)狀態(tài)微電網(wǎng)的運(yùn)行問題，提出了電壓頻率分區(qū)控制方法；文獻(xiàn)[7]針對微電網(wǎng)的離網(wǎng)運(yùn)行，提出了逆變器的雙模式下垂控制。文中針對微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)，提出了基于虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制策略，并采用Simulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 傳統(tǒng)下垂控制

微電網(wǎng)的下垂控制本質(zhì)上是對逆變器的控制，傳統(tǒng)下垂控制一般有兩種基本控制模式：一種是有功-頻率下垂控制(P-f)和無功-電壓下垂控制(Q-V)；第二種是頻率-有功下垂控制(f-P)和電壓-無功下垂控制(V-Q)。以第一種下垂控制方法為例，其控制方式的基本思想為頻率參考值fref和電壓參考值Uref，分別為分布式電源輸出的有功功率P和無功功率Q的函數(shù)，換言之，就是功率決定頻率和電壓。其控制原理如圖1所示。

圖1P-f、Q-V下垂控制原理框圖

以第一種下垂控制方法為例，給定的頻率fn和電壓參考值Un來控制有功和無功的輸出，這一控制思想可以表示為：

(1)

在頻率下降過程中，下垂控制系統(tǒng)令分布式電源輸出的有功功率按照對應(yīng)的下垂特性逐漸增大。同時(shí)由于受到頻率的影響，負(fù)荷功率也逐漸減小，系統(tǒng)最終達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，電壓下垂控制原理基本相同，如圖2所示。

(a) 頻率下垂特性(b) 電壓下垂特性

圖2 下垂控制原理圖

傳統(tǒng)的下垂控制主要應(yīng)用于高壓配電網(wǎng)絡(luò)，其線路主要是電感性的，線路的阻抗非常小,甚至可以忽略不計(jì)。但是，對于低壓微電網(wǎng)，其線路主要是電阻性的，阻抗值很大，并不能忽略。如果仍舊使用傳統(tǒng)的下垂控制方式對逆變器進(jìn)行控制，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，控制不準(zhǔn)確并產(chǎn)生諧波分量。對此，文中提出了對系統(tǒng)逆變器采用虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制來解決上述問題。

2 基于虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制

針對傳統(tǒng)的下垂控制方法不能很好地應(yīng)用于低壓微電網(wǎng)中的這一問題，并且在其控制過程中系統(tǒng)有功功率和無功功率之間存在強(qiáng)耦合。文中提出了兩種方法來應(yīng)對這一問題。

2.1 改進(jìn)的P-V、Q-f下垂控制

逆變器的等效電路如圖3所示。

圖3 逆變器等效電路

系統(tǒng)總阻抗Z=R+jX，它包括逆變器的阻抗和輸電線路的阻抗。

在該系統(tǒng)中，有功功率和無功功率可以表示為：

(2)

低壓微電網(wǎng)運(yùn)行過程中，線路中的電抗值很小，所以在推導(dǎo)過程中，忽略線路中電抗值的大小，僅計(jì)算線路中的電阻值。即電抗值X≈0，電阻值R不變。同時(shí)由于發(fā)電機(jī)的輸出功率角一般都非常小，因此在推導(dǎo)過程中，sinθ≈θ，cosθ≈1。將上述值代入式(2),并化簡為：

(3)

由式(3)可知，系統(tǒng)有功功率與電壓幅值之間存在函數(shù)關(guān)系，無功功率與角度之間存在函數(shù)關(guān)系。由此可知，改進(jìn)的P-V、Q-f下垂控制方程可轉(zhuǎn)化為：

(4)

其控制原理和仿真模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 改進(jìn)P-V、Q-f下垂控制原理圖

圖5 改進(jìn)P-V、Q-f下垂控制的仿真模型

2.2 虛擬阻抗環(huán)節(jié)

為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波，更好地實(shí)現(xiàn)有功、無功之間的解耦，文中在系統(tǒng)的控制過程中加入了虛擬阻抗環(huán)節(jié)。文中提出的控制方法框圖如圖6所示。

圖6 基于虛擬阻抗的下垂控制

在改進(jìn)的下垂控制的基礎(chǔ)上，從微電網(wǎng)系統(tǒng)中引出電流I0，并將該電流引入虛擬阻抗環(huán)節(jié)，使其與虛擬阻抗系數(shù)k相乘。同時(shí)用下垂控制環(huán)節(jié)輸出的電壓Uref減去電流I0和虛擬阻抗系數(shù)k的乘積，最終得到新的電壓值進(jìn)行PI控制，并將產(chǎn)生的調(diào)制信號傳入PWM調(diào)制模塊。這一過程形成了閉環(huán)控制。其中虛擬阻抗部分的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

U=Uref-ZkI0(5)

3 仿真結(jié)果

采用Simulink對提出的控制方法在微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行了仿真分析。

本仿真系統(tǒng)有兩個(gè)分布式電源，分別為DG1、DG2。

三相逆變器參數(shù)如下：

交流電壓有效值為380 V;

濾波電感大小為0.264 mH;

內(nèi)阻大小為0.642 Ω;

開關(guān)頻率為10 kHz。

t=0時(shí),系統(tǒng)啟動，DG1和DG2開始運(yùn)轉(zhuǎn)，為系統(tǒng)供電；t=1 s時(shí)，分布式電源DG1發(fā)生突變；t=2 s時(shí)，分布式電源DG2發(fā)生突變，最終系統(tǒng)的有功功率和無功功率趨于穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸出功率的解耦和分配。

系統(tǒng)功率仿真圖如圖7所示。

(a) 系統(tǒng)輸出的有功功率波形

(b) 系統(tǒng)輸出的無功功率波形

由圖7可見，在分布式電源發(fā)生突變后，系統(tǒng)有功功率和無功功率的輸出波形能夠?qū)?yīng)變化，并最終趨于穩(wěn)定，證明了文中所提出方法的可行性。

分別對改進(jìn)前后的系統(tǒng)輸出電流Iabc進(jìn)行了FFT分析，其結(jié)果如圖8所示。

(a) 改進(jìn)前FFT分析(b) 改進(jìn)后的FFT分析

圖8 采用虛擬阻抗前后對輸出電流的FFT分析

從仿真結(jié)果可以看出，控制方法改進(jìn)后，系統(tǒng)輸出電流波形諧波減少，電流趨于穩(wěn)定時(shí)間減小，電流的畸變率也由1.17%降低為0.63%，由此可見,虛擬阻抗對于改善運(yùn)行過程中的諧波有一定的作用。

4 結(jié) 語

對傳統(tǒng)下垂控制的控制機(jī)理及過程進(jìn)行了簡要分析，指出了其應(yīng)用于低壓微電網(wǎng)的缺點(diǎn)和不足。在此基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，并加入虛擬阻抗環(huán)節(jié)。最后采用Simulink對提出的方法進(jìn)行了模型搭建和系統(tǒng)仿真。通過仿真結(jié)果可知，文中所提出的控制方法能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效改善系統(tǒng)運(yùn)行過程中的諧波問題，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸出有功功率和無功功率之間的解耦。