基于旋轉(zhuǎn)坐標變換的孤島微網(wǎng)群 廣義下垂控制策略

張芮漩 周念成 孟瀟瀟

(重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室 重慶 400044)

1 引言

如今，傳統(tǒng)能源的緊缺問題越來越嚴重，相較于傳統(tǒng)能源供電，微網(wǎng)供電方式大多采用的是清潔能源進行供電，這為可再生能源的利用開辟了一個新的方向[1]。在實際運用中，微網(wǎng)的控制是首先需要解決的問題，其控制方式可以分為主從控制和對等控制兩類。前者利用全局信息實現(xiàn)控制，對通信的要求較高；后者利用本地信息實現(xiàn)控制，魯棒性較好，利于實現(xiàn)即插即用[2-3]。微網(wǎng)群作為分布式發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的一個全新概念，不僅能有效集成各種分布式電源，還可以實現(xiàn)群內(nèi)各子網(wǎng)之間的能量調(diào)度和互濟，增強彼此間的可靠性[4]。微網(wǎng)群的研究處于起步階段，目前微網(wǎng)群的基本概念和特征仍然缺乏清晰的定義、描述和相關(guān)的試驗驗證，未能建立微網(wǎng)群本身的研究框架體系，亟待開展大量深入的研究工作[5]。

單個微網(wǎng)，在對等控制中常將功率下垂特性引入微網(wǎng)，通過有差調(diào)節(jié)特性曲線實現(xiàn)負荷功率按容量分配[6]。相對于單個微網(wǎng)的控制，微網(wǎng)群的控制更加復雜，不僅要考慮各子微網(wǎng)內(nèi)分布式電源的能量協(xié)調(diào)分配，還需要考慮各子微網(wǎng)之間的互聯(lián)狀態(tài)以及群級協(xié)作下各子微網(wǎng)之間的功率優(yōu)化調(diào)配和協(xié)調(diào)控制[6]。文獻[7]提出了一種微網(wǎng)群分級控制策略，通過增加群級的能量協(xié)調(diào)控制，并以微網(wǎng)群的經(jīng)濟性和最大能量利用率為目標進行功率的協(xié)調(diào)控制。文獻[8]對多微網(wǎng)能量協(xié)調(diào)控制進行研究，提出用一種多微網(wǎng)的分層控制方法實現(xiàn)多微網(wǎng)能量協(xié)調(diào)，但未涉及微網(wǎng)群不同運行狀態(tài)下功率分配的分析。上述所提控制策略均是基于通信的協(xié)調(diào)控制策略，較大程度地依賴通信系統(tǒng)。也有許多學者研究了微網(wǎng)群的下垂控制，文獻[9-11]提出了一種基于下垂控制的能量協(xié)調(diào)管理方法，可實現(xiàn)對交直流混合微網(wǎng)兩側(cè)的功率交換進行有效控制，使得交直流混合微網(wǎng)實現(xiàn)功率自主協(xié)調(diào)控制成為可能，但上述所提控制方法會不可避免地造成能量的損耗。文獻[12-13]對其做出了改進，規(guī)定只有混合微網(wǎng)在一定范圍工作時，才進行功率交換控制，這樣就可避免能量損耗，但是這種控制方法很有可能導致混合微網(wǎng)兩側(cè)工作電壓偏離額定值較大。在混合微網(wǎng)兩側(cè)都重載運行或者輕載運行時，兩側(cè)依然存在能量交換，使得原本就重載運行或輕載運行的微網(wǎng)子網(wǎng)的工作電壓偏離額定值更大。

本文針對微網(wǎng)群提出了一種基于旋轉(zhuǎn)坐標變換的改進下垂控制方法?？紤]到各個子微網(wǎng)之間存在的聯(lián)絡(luò)線線路阻抗，首先將各子微網(wǎng)之間的連接方式進行等效變換，再采用坐標旋轉(zhuǎn)的虛擬功率方法，實現(xiàn)有功功率、無功功率解耦的微網(wǎng)群改進廣義下垂控制。該控制策略可以在任意線路阻抗下實現(xiàn)對于頻率的無差調(diào)節(jié)以及有功功率的均分，提高了微網(wǎng)群整體的穩(wěn)定性，本文以三個微網(wǎng)形成的環(huán)網(wǎng)微網(wǎng)群為例進行對比與分析。

2 孤島微網(wǎng)群的下垂控制模型

以圖1 所示微網(wǎng)群模型為例，根據(jù)單個微網(wǎng)的 傳統(tǒng)下垂控制原理，擴展至微網(wǎng)群的下垂控制[14-18]。

由圖1可知，單個微網(wǎng)的線路阻抗為ZiDφi=Ri+jXi，其中，Zi為單個微網(wǎng)線路的阻抗；φi為角度；Ri為電阻；Xi為電抗。第i 臺逆變器的輸出功率為Si=Pi+jQi，其中，Si為第i 臺逆變器的輸出功率；Pi為有功功率；Qi為無功功率。對于微網(wǎng)群中的第s 個微網(wǎng)第i 臺逆變器(s=1,2,3,…；i=1,2,3,…)，其輸出的有功功率和無功功率表達式如式(1)所示

式中，Ps,i為第s 個微網(wǎng)i 臺逆變器的輸出有功功率；Qs,i為第s 個微網(wǎng)i 臺逆變器的輸出無功功率；Us,i為i 臺逆變器的輸出電壓；Es,i為PCC 點電壓幅值；Zs,i、θs,i分別為逆變器與公共節(jié)點之間的線路阻抗幅值和相角。

當微網(wǎng)群中的線路阻抗為感性阻抗(R ?X)時，式(1)可變換為式(2)

通常情況下，如果θs,i足夠小，有功功率主要是由θs,i決定的，無功功率主要是由逆變器輸出電壓Us,i決定的，在一定程度上，對有功功率和無功功率都能夠進行獨立的控制。傳統(tǒng)的下垂特性控制為如式(3)所示

式中，ω0=2πf0，其中，f0為額定頻率；U0為額定電壓幅值；Pref、Qref分別為每臺機組的額定有功功率和無功功率；kp、kq分別為有功功率、無功功率的下垂控制系數(shù)，通常為定值，按微網(wǎng)群中每臺機組的最大容量選取。

微網(wǎng)群在實現(xiàn)下垂控制時也會存在和單個微網(wǎng)一樣的問題。在X R? 時，可以進行P-f 和Q-U的解耦控制，對頻率和電壓分別進行控制進而控制有功功率和無功功率，有功功率在此情況下能夠按照設(shè)備容量實現(xiàn)均分。但是在阻抗呈現(xiàn)X R≈ 或X R? 特性時，下垂控制策略在微網(wǎng)中不再適用，且微網(wǎng)群在運用傳統(tǒng)的廣義下垂控制時，對于有功功率來說不能實現(xiàn)容量均分，而導致問題的原因，可能是相較于單個微網(wǎng)，各個微網(wǎng)之間添加了一些線路的連接，增加了廣義下垂控制的復雜性。因此，在微網(wǎng)群的控制中，對微網(wǎng)群大的結(jié)構(gòu)進行簡化，再結(jié)合聯(lián)絡(luò)線上的阻抗對廣義下垂控制的影響，對參數(shù)進行重新選擇。微網(wǎng)群環(huán)網(wǎng)的簡化結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

在進行結(jié)構(gòu)變換后，微網(wǎng)群的結(jié)構(gòu)得到了簡化，兩兩微網(wǎng)之間的阻抗變換公式如式(4)所示

在簡化的微網(wǎng)群結(jié)構(gòu)上對傳統(tǒng)的廣義下垂控制進行改進，實現(xiàn)有功功率的均分。

3 孤島微網(wǎng)群的廣義下垂改進控制

單個微網(wǎng)在廣義下垂控制中引入了一種坐標旋轉(zhuǎn)變換，實現(xiàn)了對有功和無功的解耦控制，并定義了一種新的有功功率和無功功率，即類有功、類無功。對于結(jié)構(gòu)簡化后的微網(wǎng)群，也可以引入類有功、類無功，相較于單個微網(wǎng)中的阻抗為每個逆變器線路上的阻抗，微網(wǎng)群廣義下垂控制中的阻抗有一些變化，因為微網(wǎng)群中兩兩微網(wǎng)之間還需要考慮聯(lián)絡(luò)線上的線路阻抗，所以推導出微網(wǎng)群的廣義下垂控制，其基本形式如式(5)所示

式中，,siφ′ =arctan(,siX′ /,siR′ )為等效線路的阻抗角，相角可以由頻率的積分表示，對頻率的控制就可以轉(zhuǎn)換為間接控制相角和類有功功率。通過上述的坐標旋轉(zhuǎn)變換，可以將實際的有功功率Ps,i和無功功率Qs,i轉(zhuǎn)變?yōu)轭愑泄β?,s iP′ 和類無功功率 ,s iQ′ ，從而類有功功率與頻率，類無功功率與電壓幅值呈現(xiàn)一一對應(yīng)的關(guān)系，實現(xiàn)了對有功功率、無功功率的解耦控制。廣義下垂控制對于線路呈阻性或感性時仍可以實現(xiàn)對于頻率和電壓的控制，其控制框圖如圖3 所示。

結(jié)合式(3)和(5)推導出微網(wǎng)群的下垂特性控制，如式(7)所示

進行改進后的廣義下垂控制，理論上不僅能實現(xiàn)微網(wǎng)群頻率的近無差調(diào)節(jié)，還能對微網(wǎng)群的有功功率進行均分，如果想要完全實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，可以在后面加上一個高通濾波器，將有差的頻率利用高通濾波器處理，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。

4 仿真分析

針對上述提出的微網(wǎng)群改進廣義下垂控制，為了驗證其理論分析的正確性，利用Matlab/Simulink搭建微網(wǎng)群的仿真模型，對微網(wǎng)群線路在不同線路阻抗特性下的情況，進行仿真分析，驗證新控制策略的可行性。微網(wǎng)群的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

其微網(wǎng)群結(jié)構(gòu)圖所對應(yīng)的模型參數(shù)如表1 所示。系統(tǒng)搭建是由三組單個微網(wǎng)組成的微網(wǎng)群，其中兩組微網(wǎng)里有兩個逆變器，一組里有三個逆變器，仿真時首先設(shè)置分布式電源的線路阻抗呈現(xiàn)感性。

表1 仿真模型參數(shù)表

當R X? 時，對微網(wǎng)群運用下垂控制策略的仿真波形如圖5～9 所示。

由圖5 可以看出，當控制策略為下垂控制時，頻率不能實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，但是頻率保持穩(wěn)定狀態(tài)；由圖6 可以看出，在下垂控制時有功功率是按照機組容量進行均分的，運用下垂控制策略時，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性較好，暫態(tài)過程的時間沒有很長。在該阻抗性質(zhì)的情況下，將控制策略直接改為廣義下垂控制，不考慮各個微網(wǎng)之間阻抗的影響，按照傳統(tǒng)的廣義下垂控制進行仿真，如圖 7a 所示，再將控制策略考慮各個微網(wǎng)之間的阻抗影響，改變阻抗參數(shù)后的廣義下垂控制進行仿真，如圖7b 所示。

通過圖7 兩個波形可以看出，不考慮微網(wǎng)之間的相互影響，直接對微網(wǎng)群進行廣義下垂控制，會導致有功功率無法按照機組容量進行均分的；在對微網(wǎng)群進行結(jié)構(gòu)簡化和考慮微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線之間的阻抗之后，對于有功功率來說，實現(xiàn)了按容量均分。因此對于復雜的微網(wǎng)群結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)該考慮將微網(wǎng)群進行簡化，并且還要考慮微網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線上的阻抗對于微網(wǎng)群控制的影響。

由圖8 的波形可以看出，在采用聯(lián)絡(luò)線結(jié)構(gòu)變化后的頻率波形與圖5 比較可以發(fā)現(xiàn)頻率有一定的提高。

采用改進廣義下垂控制策略時，頻率相較于下垂控制策略來說更加接近額定頻率，但不能實現(xiàn)完全的無差調(diào)節(jié)。改變阻抗性質(zhì)，使分布式電源線路阻抗電感為2 mH，線路阻抗電阻為0.7 Ω時，兩兩微網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線以分布式電源線路X/R 的值為參考改變，使得線路阻抗呈現(xiàn)阻感性，系統(tǒng)輸出波形圖如圖9～10 所示。

上述幾個波形圖驗證了當阻抗呈現(xiàn)X R≈ 時，對于微網(wǎng)群，采用改進的廣義策略仍能夠使系統(tǒng)頻率實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，且能保證有功功率按比例分配，微網(wǎng)群系統(tǒng)會更加穩(wěn)定地運行。

5 結(jié)論

本文對微網(wǎng)群的復雜結(jié)構(gòu)進行簡化，針對微網(wǎng)群在直接運用傳統(tǒng)廣義下垂控制下不能實現(xiàn)有功功率按容量均分的問題進行改進。在傳統(tǒng)廣義下垂控制的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于微網(wǎng)群的廣義下垂控制，并建立其完整詳細的微網(wǎng)群模型，根據(jù)線路阻抗呈現(xiàn)出的不同性質(zhì)，進行仿真分析。研究表明，在線路阻抗呈現(xiàn)電感性或阻感性時，微網(wǎng)群采用改進后的廣義下垂控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)有功無功的解耦控制；輸出頻率穩(wěn)定控制在額定頻率左右，實現(xiàn)了對系統(tǒng)的無差調(diào)節(jié)；在實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)的同時，系統(tǒng)有功功率的分布能按照容量比率進行分配，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，證明了微網(wǎng)群運用改進后的廣義下垂控制策略的可行性。