孤島微電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)無功均分策略

熊 蕙,任江波,顧喬根,常風然

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102;2.南瑞集團公司 國網(wǎng)電力科學研究院,江蘇 南京 211106;3.國網(wǎng)河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021)

分布式發(fā)電具有污染少、就地消納等特有的優(yōu)勢,能有效解決電網(wǎng)發(fā)電過程中不可再生能源消耗問題,是未來電網(wǎng)發(fā)展的重要方向之一[1,2]。微電網(wǎng)可以有效管理和實現(xiàn)分布式電源的靈活并網(wǎng)及控制[3],既能與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行,也能脫離大電網(wǎng)獨立運行,運行可靠性和靈活性高,但同時在運行過程中也帶來了分布式電源多逆變器間無功不均分等新問題[4]。

微電網(wǎng)通常采用下垂控制來實現(xiàn)系統(tǒng)中分布式電源的運行控制[5]。但下垂控制在無功均分方面也有一些缺陷,因為自然因素和接入的分布式電源地理位置的差異性,使得各分布式電源的饋線長短不一,饋線阻抗也不一樣[6]。通過下垂控制的分布式電源在各自的阻抗不一致的情況下,很難做到無功均分,從而導致一些分布式電源過載,系統(tǒng)各處無功電壓不平衡,出現(xiàn)無功環(huán)流,進而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[7]。

為了解決下垂控制無功分配不均問題,目前主要的改進措施有3類:(1)改進下垂控制。該措施通過將下垂控制進行改進,雖然提高了分布式電源的無功功率均分能力,但還是有較大的誤差[8]。文獻[9]通過對下垂控制進行無功補償,實現(xiàn)了無功功率合理均分;(2)采用虛擬阻抗法進行改進。如文獻[10]通過在分布式電源主電路上增加一個虛擬電容來對分布式電源輸出的無功進行控制,從而達到無功均分的目的。這種方法根據(jù)各個分布式電源的線路阻抗的不同來調(diào)節(jié)線路阻抗,使其接近相同,從而可減少線路無功環(huán)流。文獻[11,12]在逆變器控制中加入虛擬阻抗,使其能自動匹配各個分布式電源饋線上的電壓降,從而實現(xiàn)無功均分;(3)利用分布式的控制架構(gòu)進行優(yōu)化。如文獻[13,14]采用基于多代理一致性的無功均分方法,無需集中控制器,又能使各分布式電源相互協(xié)調(diào),實現(xiàn)對系統(tǒng)的整體控制。分布式協(xié)同無功均分方法在恢復系統(tǒng)電壓時,將各個分布式電源的無功功率輸入到控制中進行無功調(diào)節(jié)。

上述方法中,分布式控制的方法兼顧了集中式和分散式控制的優(yōu)勢,利用局部信息交互、在無集中控制器的情況下有效實現(xiàn)了整體系統(tǒng)的協(xié)同[15],值得深入研究。采用基于多代理系統(tǒng)的控制方法,其收斂速度是控制中重要的關(guān)鍵點,分布式控制的收斂速度決定了系統(tǒng)能否在最快的時間范圍內(nèi)完成無功均分,實現(xiàn)時間優(yōu)化。但系統(tǒng)通信拓撲結(jié)構(gòu)改變和系統(tǒng)工況變化均會對控制的收斂時間產(chǎn)生影響。對此,本文基于多代理系統(tǒng)的控制方法提出了一種有限時間控制的分布式無功均分控制方法。該方法采用分布式通信結(jié)構(gòu)有效實現(xiàn)整體系統(tǒng)的協(xié)同,并提高系統(tǒng)的收斂速度。文中第2節(jié)簡要介紹了分布式電源的下垂控制原理,第3節(jié)在下垂控制的基礎(chǔ)上,提出基于有限時間的分布式一致性控制作為孤島微電網(wǎng)無功均分的二次控制,第4節(jié)對所提控制方法進行了多場景仿真驗證。

1 分布式電源下垂控制及無功控制基本原理

1.1 分布式電源的下垂控制

一般電力系統(tǒng)在負荷發(fā)生變化時,頻率會產(chǎn)生波動,這時就需要對系統(tǒng)頻率進行調(diào)整,稱為一次調(diào)頻。下垂控制的原理就是運用對電力電子逆變器的控制實現(xiàn)與一次調(diào)頻相似的系統(tǒng)調(diào)節(jié)。當線路呈感性時,下垂控制就是通過有功-頻率(P-f)特性曲線和無功-電壓(Q-U)特性曲線來調(diào)節(jié)微電網(wǎng)的頻率和電壓,使其保持恒定。當線路呈阻性時,此時采用反下垂控制方式,即通過有功-電壓(P-U)和無功-頻率(Q-f)的特性曲線來調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率和電壓。

圖1是下垂控制的特性曲線。由圖1可見,當微電源輸出有功和無功功率發(fā)生變化時,下垂控制就會根據(jù)相應的線性關(guān)系調(diào)節(jié)電壓和頻率的大小,使其工作在一個新的穩(wěn)定狀態(tài)(即微電源根據(jù)下垂特性曲線從工作點A變到工作點B)。

由圖1可以給出有功功率P和頻率f,以及無功功率Q與電壓U的下垂控制方程

(1)

式中:fi、Ui為頻率、電壓的實際值,f0、U0為頻率、電壓的參考值,dp、dq為下垂控制系數(shù),P0、Q0為有功、無功參考值,Pi、Qi為有功、無功實際值。

典型控制結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中uFd、uFq為脈寬調(diào)制(Pulse width modulation,PWM)調(diào)制信號。

1.2 分布式電源無功控制原理

微電網(wǎng)中頻率是全局變量,分布式電源有功輸出不會受到線路阻抗的影響,可以很好地實現(xiàn)有功均分。但微電網(wǎng)中由于線路阻抗的不同,導致各個分布式電源輸出節(jié)點的電壓也不同,從而輸出的無功也不同,無法實現(xiàn)無功均分,使各分布式電源之間產(chǎn)生無功環(huán)流,從而影響微電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性。

針對分布式電源的無功均分,本文對下垂控制做如下改進

(2)

式中:fi、Ui為第i個分布式電源的頻率和電壓幅值,f0為系統(tǒng)頻率參考值,U0為電壓參考值,dp、dq分別為有功頻率下垂系數(shù)和無功電壓下垂系數(shù),Pi、Qi為第i個分布式電源有功和無功的測量值,ΔQi為第i個分布式電源的無功補償值,由有限時間控制得到。

2 孤島微電網(wǎng)分布式無功均分優(yōu)化運行策略

本文采用有限時間控制算法對下垂控制進行修正,使微電網(wǎng)中各分布式電源實現(xiàn)無功均分。將每個分布式電源看作一個智能體,各智能體只和自己相鄰的通信單元進行分布式通信,通過有限時間控制,實現(xiàn)所有通信單元的無功出力一致。

微電網(wǎng)的無功控制系統(tǒng)為

(3)

式中:xi是第i個智能體的狀態(tài)變量,Qi為第i個智能體的控制變量,各智能體只和與其相鄰的單位進行分布式通信。

有限時間控制方程為

(4)

式中:a、b、c是該控制系數(shù),且00,c≥0;當Qj>Qi時,n為偶數(shù),當Qj

為了使系統(tǒng)能適應各種通信變化和智能體的投切,采用一種優(yōu)化的通信矩陣計算方法對hij進行自適應調(diào)節(jié)

(5)

式中:ki與kj是與第i個和第j個通信單元進行通信的數(shù)量;λ是收斂因子,其大小能決定同一拓撲下系統(tǒng)收斂的速度,0<λ<1。

圖3為微電網(wǎng)分布式控制結(jié)構(gòu)圖。各分布式電源相當于一個智能體,根據(jù)相應的通信網(wǎng)絡,各智能體只與相鄰的通信單元進行無功信息交互,實現(xiàn)分布式通信;根據(jù)得到的相鄰單元的無功信息對自身的無功進行調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)整個微電網(wǎng)的分布式協(xié)同控制。微電網(wǎng)分布式電源逆變器控制如圖4所示。

在下垂控制的基礎(chǔ)上,對分布式電源進行二次控制,使分布式電源實現(xiàn)無功均分。通過有限時間控制的迭代結(jié)果對下垂控制進行無功補償,從而達到無功均分的目的

(6)

式中:Uref為空載時輸出的電壓幅值,dq為電壓下垂系數(shù),n為有限時間控制迭代次數(shù),ΔQi為下垂控制無功補償值。

3 仿真與分析

為了驗證所提無功均分方法的無功均分效果,在電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC中搭建孤島微電網(wǎng)仿真模型,如圖5所示。由圖5可見,微電網(wǎng)由3個容量參數(shù)相同的分布式電源DG1、DG2、DG3和相應的負荷組成。通過對微電網(wǎng)的正常運行、負荷變化和分布式電源的投切3個仿真場景進行仿真,驗證控制策略的無功均分能力。

3.1 微電網(wǎng)正常運行

在場景A中,微電網(wǎng)正常運行時由下垂控制維持系統(tǒng)穩(wěn)定,由于線路阻抗不同,各分布式電源的無功出力也不一樣,此時系統(tǒng)各分布式電源間存在無功環(huán)流,t=4 s時,二次控制策略啟動,對各分布式電源進行無功均分控制,使得各分布式電源的無功出力達到一致。如圖6所示為運行控制中各分布式電源的無功功率曲線。

4 s時控制策略啟動,根據(jù)有限時間控制方程對分布式電源無功功率進行迭代,并將迭代結(jié)果輸入到二次控制中,實現(xiàn)無功均分控制。其一致性迭代結(jié)果如圖7所示。圖8為傳統(tǒng)漸進一致性算法迭代結(jié)果。由圖7、8迭代結(jié)果可知,有限時間控制的分布式電源進行7次就達到了收斂,而運用傳統(tǒng)迭代方式進行迭代則需要10次才達到收斂。

3.2 微電網(wǎng)出現(xiàn)負荷擾動

在場景A的基礎(chǔ)上,在t=6 s時系統(tǒng)增加負荷,并在7 s時啟動控制策略,驗證系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時無功均分策略的有效性。微電網(wǎng)仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9仿真結(jié)果可知,負荷的擾動引起了無功出力偏差,7 s時再次啟動無功均分控制,修正各分布式電源的無功出力,使系統(tǒng)達到無功均分。

7 s時控制策略再次啟動,采集各分布式電源的無功出力,并對其進行一致性迭代,最終達到無功均分。分布式電源二次控制的一致性迭代如圖10所示。圖11為采用傳統(tǒng)一致性方法的迭代結(jié)果?？刂七^程中,有限時間控制的分布式電源進行6次就達到了收斂。運用傳統(tǒng)迭代方式則需要迭代8次才能收斂。

3.3 分布式電源投切

在場景A的基礎(chǔ)上,在t=6 s時系統(tǒng)切除DG3,并在7s時啟動控制策略,驗證系統(tǒng)進行分布式電源投切時無功均分策略的有效性。微電網(wǎng)仿真結(jié)果如圖12所示。

由圖12仿真結(jié)果可知,當微電網(wǎng)進行分布式電源投切時,會引起系統(tǒng)無功出力不平衡,影響無功均分,所以在7 s時再次啟動無功均分控制,修正微電網(wǎng)中剩余的分布式電源的無功出力,使系統(tǒng)再次達到無功均分。

7 s時控制策略再次啟動,采集剩余的分布式電源的無功出力,并對其進行一致性迭代,最終達到無功均分。分布式電源二次控制的一致性迭代如圖13所示。圖14為采用傳統(tǒng)一致性方法的迭代結(jié)果。由圖13、14可知,控制過程中,有限時間控制的分布式電源進行3次就達到了收斂。運用傳統(tǒng)迭代方式則需要迭代5次才能收斂。

4 結(jié)論

本文提出了一種孤島微電網(wǎng)的無功均分方法,實現(xiàn)了分布式電源的無功均分,提高了微電網(wǎng)電能質(zhì)量。通過在多種場景下對微電網(wǎng)分布式電源的無功輸出情況進行仿真,結(jié)果表明:(1)提出的孤島微電網(wǎng)分布式控制策略可適應系統(tǒng)負荷變化和分布式電源的可靠投切功能,加強了系統(tǒng)的靈活性,實現(xiàn)了分布式電源的即插即用功能;(2)構(gòu)建的面向孤島微電網(wǎng)的分布式去中心化協(xié)同控制架構(gòu),能通過有限時間控制修正下垂控制的無功出力,使微電網(wǎng)在各種場景下分布式電源的無功功率達到均分,有較好的適應性;(3)通過與傳統(tǒng)的漸進一致性控制對比,提出的有限時間控制方法能提升分布式協(xié)同無功均分的收斂性能,使系統(tǒng)擁有比一般控制方法更快的收斂速度,能使微電網(wǎng)在有限時間內(nèi)達到無功均分效果,且在系統(tǒng)發(fā)生各種擾動的情況下也能得到很好的控制效果。