微源并網(wǎng)逆變器改進(jìn)下垂控制策略研究

韓彥東 李亞民 崔鑫斌

摘 要：針對(duì)微網(wǎng)中敏感負(fù)荷對(duì)頻率和電壓幅值要求較高這一情況，筆者提出了一種下垂系數(shù)隨反正切函數(shù)變化的下垂控制策略。把反正切函數(shù)的兩種特性應(yīng)用于微源的下垂控制，第一個(gè)特性可以保證微源輸出頻率和電壓始終維持在設(shè)定的范圍之內(nèi)，第二個(gè)特性可以保證微源在輸出參考功率附近有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。最后將改進(jìn)后的下垂控制策略與改進(jìn)前的下垂控制策略相比較，比較結(jié)果證明了該策略的可行性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：下垂控制;反正切函數(shù);電壓;頻率

中圖分類號(hào)：TM83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）07-0041-03

Abstract： According to the requirement of sensitive load to frequency and voltage amplitude in micro network， the author put forward a kind of improved droop control strategy， whose droop coefficient varied with the arctangent function. Two properties of arctangent function were applied to the droop control of the micro source， its first feature ensured that the output frequency and voltage of the micro source was always maintained within the range of the set， and the second characteristics couid ensure that the micro source had a fast dynamic response in the vicinity of the output reference power. Finally， the improved droop control strategy was compared with the improved droop control strategy， and the comparison results proved the feasibility and superiority of the strategy.

Keywords：droopcontrol;arctangent function;voltage;frequency

微網(wǎng)中微源的控制可以采用多種方式，但在分散控制中，經(jīng)常采用下垂控制策略[1-2]。當(dāng)微網(wǎng)中負(fù)載大幅度變化時(shí)，頻率和電壓的幅值也會(huì)大幅度變化，這對(duì)電壓和頻率要求較高的電氣設(shè)備來說是不允許的[3]。為了保持微網(wǎng)頻率與電壓穩(wěn)定，同時(shí)為了讓微源輸出功率得到充分的利用，微源下垂控制策略中一般采用較小的下垂系數(shù);但下垂系數(shù)較小時(shí)，微源不能及時(shí)改變出力，響應(yīng)速度慢[4-5]。針對(duì)上述矛盾，本文提出了一種下垂系數(shù)隨反正切函數(shù)變化的下垂控制策略。由反正切函數(shù)的特性可知，隨著定義域趨于無窮大，它的值域收斂于和X軸平行的兩條直線;同時(shí)，在中心對(duì)稱點(diǎn)附近函數(shù)有較大的斜率，越遠(yuǎn)離中心對(duì)稱點(diǎn)，函數(shù)斜率越小。把反正切函數(shù)這兩種特性應(yīng)用于微源的下垂控制，可以讓微源的輸出頻率和電壓幅值始終維持在設(shè)定的范圍之內(nèi)，同時(shí)保證微源在額定輸出功率的一定范圍內(nèi)保持較大的下垂系數(shù)，從而增加了微源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。最后，在MATLAB/Simulink中建立改進(jìn)后的下垂控制策略的微電網(wǎng)模型，并將改進(jìn)后的下垂控制策略結(jié)果與傳統(tǒng)的下垂控制策略結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果證實(shí)了本策略的可行性與優(yōu)越性。

1 改進(jìn)下垂控制策略

傳統(tǒng)下垂控制策略的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩方面：一是當(dāng)微網(wǎng)中存在突變大功率負(fù)荷時(shí)，微網(wǎng)內(nèi)部頻率和電壓幅值會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離參考值，這對(duì)敏感負(fù)荷來說是致命的傷害;二是為了保證頻率和電壓不會(huì)超出設(shè)定范圍，可以取較小的下垂系數(shù)（下垂系數(shù)為常數(shù)），當(dāng)微網(wǎng)中功率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，由于處理控制信號(hào)的時(shí)間不可能無限減小，當(dāng)下垂系數(shù)較小時(shí)，即使在參考功率附近，微源出力也不會(huì)及時(shí)改變，因此，微網(wǎng)頻率和電壓會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，即便穩(wěn)定時(shí)微源出力也不能適應(yīng)微網(wǎng)中功率波動(dòng)的情況。對(duì)于這些問題，傳統(tǒng)的下垂控制方法并不能夠解決。

為了克服傳統(tǒng)下垂控制策略的缺點(diǎn)，本文提出了一種下垂系數(shù)隨反正切函數(shù)變化的下垂控制策略，其原理如圖1所示。

圖1（a）和圖1（b）為改進(jìn)下垂控制策略頻率何電壓特性曲線。從圖中可以看出，改進(jìn)的下垂控制策略下垂特性曲線為曲線，曲線的下垂系數(shù)會(huì)隨輸出功率的變化而發(fā)生變化;而傳統(tǒng)的下垂特性曲線為直線。在參考功率附近微源出力最強(qiáng)，此時(shí)下垂特性曲線斜率較大，當(dāng)微網(wǎng)中出現(xiàn)功率波動(dòng)，只要能在短時(shí)間內(nèi)取得較大的下垂系數(shù)，就可以保證微網(wǎng)具有快速的動(dòng)態(tài)特性，隨著微源出力性能變?nèi)?，下垂特性曲線下垂系數(shù)慢慢變小，從而可以防止微源出現(xiàn)過調(diào)的現(xiàn)象。由于改進(jìn)下垂控制策略下垂特性曲線是根據(jù)反正切函數(shù)得到的，所以微網(wǎng)輸出頻率和電壓幅值會(huì)收斂于上下限設(shè)定值而不會(huì)超出上下界限。因此，使用改進(jìn)后的下垂控制策略，既可以保證微網(wǎng)輸出頻率和電壓幅值不會(huì)超出設(shè)定范圍，又可以保證微網(wǎng)有較好的動(dòng)態(tài)性能。

2 仿真和分析

2.1 建模仿真

使用改進(jìn)的下垂控制策略，在MATLAB/Simulink環(huán)境中建立下垂控制仿真模型，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定相應(yīng)的參數(shù);同時(shí)，為了驗(yàn)證文中所提策略的優(yōu)越性，建立傳統(tǒng)下垂控制微網(wǎng)模型，并將兩種模型的輸出結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖2為示例微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，圖中微源采用下垂控制，微網(wǎng)中有3個(gè)負(fù)載，load1、load2和load3。其中，load1離微源比較近，load2和load3離微源稍遠(yuǎn);load1和load2為小型負(fù)載，load3為突變大型負(fù)載。微電網(wǎng)通過公共端接入10kV配電網(wǎng)。

假設(shè)實(shí)際電網(wǎng)中的頻率最大偏移范圍為±0.2Hz，電壓偏移范圍為±10V。依據(jù)這個(gè)假設(shè)條件，對(duì)改進(jìn)后的下垂控制策略中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，設(shè)置仿真時(shí)間為3s，每隔0.2s進(jìn)行一次開關(guān)切換。

2.2 微網(wǎng)系統(tǒng)頻率輸出結(jié)果分析

改進(jìn)后的下垂策略和傳統(tǒng)的下垂控制策略頻率輸出對(duì)比如圖3所示。圖3中，0.6s時(shí)刻3個(gè)負(fù)載同時(shí)接入微網(wǎng)，由于load3為突變大型負(fù)載，所以可以看出采用傳統(tǒng)的下垂控制策略的微網(wǎng)輸出頻率低于設(shè)定值49.8Hz;而采用改進(jìn)后的下垂控制策略的微源在大負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)，根據(jù)下垂系數(shù)計(jì)算公式，下垂系數(shù)會(huì)大大減小，此時(shí)輸出頻率不會(huì)超出設(shè)定值。同理，在2.2s時(shí)刻由于3個(gè)負(fù)載同時(shí)接入微網(wǎng)，微網(wǎng)頻率會(huì)再次低于49.8Hz。由以上分析可得，改進(jìn)后的下垂控制能夠確保系統(tǒng)頻率的偏移在指定的范圍內(nèi)（±0.2Hz），確保了微網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，證明了本策略的可行性和優(yōu)越性。

2.3 微網(wǎng)系統(tǒng)電壓輸出結(jié)果分析

圖4（a）和圖4（b）分別為傳統(tǒng)下垂控制策略和改進(jìn)下垂控制策略微網(wǎng)系統(tǒng)輸出電壓波形的局部放大圖。對(duì)比圖4（a）和圖4（b），當(dāng)在0.4～0.8s、1.0～1.6s和2.2～2.4s時(shí)間段內(nèi)，由于突變的大型負(fù)載load3接入，系統(tǒng)的輸出電壓降低。圖4（a）使用的是傳統(tǒng)的下垂控制策略，當(dāng)無功負(fù)載明顯增加時(shí)，系統(tǒng)工作點(diǎn)會(huì)沿著下垂特性曲線向下移動(dòng)，系統(tǒng)的輸出電壓會(huì)低于300V，若無功功率繼續(xù)增加，電壓輸出甚至?xí)陀?90V。而圖4（b）使用的是改進(jìn)后的下垂控制策略，當(dāng)系統(tǒng)無功功率明顯增加時(shí)，根據(jù)下垂系數(shù)計(jì)算公式，下垂系數(shù)會(huì)大大減小，此時(shí)微網(wǎng)輸出電壓幅值始終保持在設(shè)定值范圍之內(nèi)，如圖4（b）微網(wǎng)輸出電壓幅值始終高于300V。

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，使用改進(jìn)后的下垂策略時(shí)，微網(wǎng)工作在孤島狀態(tài)下和并網(wǎng)狀態(tài)下都能保證系統(tǒng)電壓在指定的范圍內(nèi)（311V±10V）工作，確保了微網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，證明了本策略的可行性和優(yōu)越性。

3 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)比可知，使用改進(jìn)后的下垂策略可以保證有功功率和無功功率在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，系統(tǒng)輸出頻率和電壓幅值在較小范圍內(nèi)變化，從而保證微電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定性，同時(shí)驗(yàn)證了本策略的可行性和優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐云龍，楊恢宏，王若醒，等.基于C-MEX建模的全數(shù)字單相并網(wǎng)逆變器的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013（24）：140-143.

[2]Katiraei F，Iravani M R，Lehn P W. Small-signal dynamic model of a micro-grid including conventional and electronically interfaced distributed resources[J].IET Generation Transmission & Distribution，2007（3）：369-378.

[3]鄭永偉，陳民鈾，李闖，等.自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的微電網(wǎng)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013（6）：6-11.

[4]孫云嶺，黃偉，王冠男，等.微源并網(wǎng)逆變器下垂控制策略的改進(jìn)研究[J].陜西電力，2013（1）：6-10.

[5]TANG Y， ZHAO S， TEN C-W， et al. Enhancement of distribution load modeling using statistical hybrid regression [C]. IEEE PES ISGT， Apr. 23-26， 2017， Washington， DC， USA： 1-5.