基于自適應(yīng)虛擬阻抗的下垂控制策略研究

李 智，張 春，金 鵬，呂文齊

(安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

微電網(wǎng)中的分布式電源(Distributed Generation,DG)一般通過電力電子逆變器與公共母線進(jìn)行連接，大多采用下垂控制策略。下垂控制策略既可以實現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)荷功率均分又可以在硬件上減少對有線通訊的依賴。但是下垂控制也有其局限性，其解決問題的工作條件是逆變器系統(tǒng)等效阻抗必須呈感性，但實際上，大多數(shù)的逆變器等效阻抗達(dá)不到此要求，因此，直接使用下垂控制策略會導(dǎo)致多逆變器并聯(lián)輸出無功功率分配不均和系統(tǒng)環(huán)流[1-2]。

文獻(xiàn)[3-5]為解決系統(tǒng)輸出電壓降落過大這一問題，提出了改進(jìn)的虛擬阻抗控制策略。通過引入虛擬阻抗來抵消一部分線路電阻，但是沒有考慮到電壓波動的問題，效果并不是很好。文獻(xiàn)[6-7]提出動態(tài)虛擬阻抗的下垂控制策略，該策略雖能改善母線輸出電壓降落過大的問題，但是其無功功率分配精度在加入動態(tài)虛擬阻抗后明顯下降。文獻(xiàn)[8-10]提出了虛擬負(fù)電阻的控制策略來改善輸出電壓降落過大的問題，該策略雖能改善母線輸出電壓降落過大的問題，但其負(fù)阻抗取值對計算有著較高的要求，而且電網(wǎng)線路阻抗都不一樣，很難估值，該方法在實際運用中難度較大。文獻(xiàn)[11-13]提出了基于虛擬電容的下垂控制策略來改善系統(tǒng)無功均分和母線輸出電壓降落過大，但該方法精度較低，很難保證改善效果。

本文針對傳統(tǒng)虛擬阻抗下垂控制工作時導(dǎo)致的輸出電壓降落過大的問題，提出基于自適應(yīng)虛擬阻抗的下垂控制策略，通過把傳統(tǒng)固定虛擬阻抗改成自適應(yīng)虛擬阻抗，在不改變傳統(tǒng)虛擬阻抗效果的基礎(chǔ)上改善了輸出電壓降落過大問題。

1微電網(wǎng)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)分析

1.1 逆變器輸出功率分配

設(shè)兩參數(shù)完全相同的逆變器并聯(lián)運行，根據(jù)等效定理得兩逆變器并聯(lián)運行的等效電路如圖1所示。圖1中U1，U2分別為兩逆變器的輸出電壓，δ1，δ2分別為兩逆變器的相位，I1，I2分別為兩逆變器的輸出電流，R1，R2分別為逆變器的等效輸出阻抗和線路阻抗，X1為逆變器的等效輸出阻抗，X2為逆變器線路阻抗，UL為公共母線的電壓，δL為公共母線的相位，系統(tǒng)的負(fù)載電抗為ZL=RL+jXL。

圖1 逆變器并聯(lián)運行結(jié)構(gòu)

一般情況下，公共母線上的相位可以忽略不計，令δL=0，由基爾霍夫定律可得，DGi(i=1,2)輸出的有功功率和無功功率分別為

(1)

逆變器的功角基本都滿足sinδi≈δi，cosδi≈1，通過計算可得傳統(tǒng)下垂控制方程為

(2)

微電網(wǎng)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時，由于頻率的固定，因此，逆變器輸出的有功功率能實現(xiàn)均分。系統(tǒng)等效輸出的無功功率為

(3)

(4)

系統(tǒng)輸出的無功功率相對偏差為

(5)

由式(5)可知，在傳統(tǒng)下垂控制策略下，等效輸出阻抗、無功下垂系數(shù)和電抗值的改變都會直接導(dǎo)致逆變器輸出的無功功率偏差大小。但當(dāng)負(fù)荷功率突然變化時，增大下垂系數(shù)只會增大母線輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓的電壓差值，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，此時會對系統(tǒng)正常運行造成嚴(yán)重影響。

1.2 逆變器等效輸出阻抗

傳統(tǒng)下垂控制策略一般采用電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。為改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，電流環(huán)采用比例控制器，為改善系統(tǒng)輸出電壓的無差跟蹤能力，電壓環(huán)采用比例積分控制器?；谔摂M阻抗的電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于虛擬阻抗的電壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)

圖中，Uref為電壓外環(huán)輸入的參考電壓；Kvp，KVi分別為電壓外環(huán)回路PI環(huán)節(jié)的比例積分增益；電流內(nèi)環(huán)回路的P環(huán)節(jié)增益為Kip；Kpwm為SPWM調(diào)制環(huán)節(jié)增益；iL為電感電流；ic為電容電流；io為負(fù)載電流；Uo為輸出控制電壓；Zv(s)為引入的虛擬阻抗。未加入虛擬阻抗的傳遞函數(shù)為

(6)

由圖2可知，傳統(tǒng)下垂控制逆變器等效輸出阻抗為Zo(s)，Uo=UrefG(s)-Zo(s)io，令Uref=0，可得

(7)

其中：

(8)

由圖2可知，加入虛擬阻抗后傳遞函數(shù)為

(9)

Zv(s)=Lvs，結(jié)合式(6)、式(7)可得加入虛擬阻抗后逆變器等效輸出阻抗為

(10)

2 自適應(yīng)虛擬阻抗控制策略

2.1 虛擬阻抗的無功均分與電壓降落分析

根據(jù)式(4)可得基于虛擬阻抗的下垂控制策略的系統(tǒng)輸出無功功率為

(11)

系統(tǒng)輸出無功偏差為

(12)

故可得

(13)

由式(13)可知，基于虛擬阻抗的下垂控制策略能夠有效地改善逆變器輸出的無功功率偏差,減小無功環(huán)流。

設(shè)線路阻抗為Zline，則傳統(tǒng)下垂控制策略下系統(tǒng)總電壓降落為

ΔU=(Zo(s)+Zline(s))io.

(14)

基于虛擬阻抗的下垂控制系統(tǒng)總電壓降落為

ΔU′=(Zo(s)+Zv(s)G(s)+Zline(s))io.

(15)

由分析可知，ΔU′>ΔU，則增加虛擬阻抗之后母線輸出電壓降落程度比傳統(tǒng)下垂控制母線輸出電壓降落程度更大。

2.2 基于自適應(yīng)虛擬阻抗的下垂控制策略

為改善母線輸出電壓降落過大的問題，本文提出自適應(yīng)虛擬阻抗的解決辦法。系統(tǒng)總電壓降落如式(15)所示。參考式(15)，設(shè)自適應(yīng)虛擬阻抗的值為

(16)

式中：ΔE為系統(tǒng)在微電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)測量的電壓幅值與逆變器標(biāo)準(zhǔn)指令電壓值間的差值；io(s)為負(fù)載電流。母線電壓和電流在實時采集時，虛擬阻抗也會在自適應(yīng)虛擬阻抗環(huán)的作用下，不斷接受實時母線電壓和電流值，實時計算出需要的阻抗值，并將計算出的合適的虛擬阻抗值代入到式(15)，此時可得到一個新的指令電壓。

Uref1=Uref+ΔU1.

(17)

微電網(wǎng)在運行時，先賦值給微電網(wǎng)控制環(huán)節(jié)中的指令電壓Uref1，然后實時檢測出微電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)的母線電壓，通過式(17)得到新的指令電壓在微電網(wǎng)運行。

此時，隨著逆變器輸出電壓的升高，系統(tǒng)的供電電壓將穩(wěn)定在正常范圍。通過引入自適應(yīng)虛擬阻抗，既改善了傳統(tǒng)虛擬阻抗由于阻抗增大造成的電壓降落問題，又進(jìn)一步改善了虛擬阻抗無功分配精度，進(jìn)而更好地提高了系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

3 仿真驗證

搭建兩DG并聯(lián)運行的微電網(wǎng)系統(tǒng)，驗證自適應(yīng)虛擬阻抗下垂控制策略對改善系統(tǒng)無功均分、抑制系統(tǒng)環(huán)流和降低系統(tǒng)母線輸出電壓偏差的有效性。仿真電路如圖1所示。在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建相關(guān)的系統(tǒng)仿真模型，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

設(shè)兩DG并聯(lián)運行，系統(tǒng)在0.3 s時增加公共母線上的負(fù)荷，0.6 s時斷開該負(fù)荷，設(shè)仿真時間為0.8 s。仿真波形如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖3為加入自適應(yīng)虛擬阻抗前后2臺逆變器頻率波形，圖3(a)為傳統(tǒng)下垂控制系統(tǒng)頻率波形，圖3(b)為加入自適應(yīng)虛擬阻抗系統(tǒng)頻率波形。對比圖3(a)、圖3(b)可知，當(dāng)逆變器輸出阻抗呈阻感性時兩DG在自適應(yīng)虛擬阻抗的控制策略下，兩DG加入負(fù)荷前后的輸出頻率相同，系統(tǒng)能更穩(wěn)定地運行。對比可知，加入自適應(yīng)虛擬阻抗后的下垂控制在頻率調(diào)節(jié)時效果更好。

圖3 系統(tǒng)頻率波形

圖4為加入自適應(yīng)虛擬阻抗前后兩DG輸出有功功率仿真結(jié)果，圖4(a)為傳統(tǒng)下垂控制系統(tǒng)有功功率波形，圖4(b)為加入自適應(yīng)虛擬阻抗系統(tǒng)有功功率波形。對比圖4(a)、圖4(b)可知，在加入自適應(yīng)虛擬阻抗之前，有功功率均分效果不好，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)較慢，加入自適應(yīng)虛擬阻抗后，有功功率實現(xiàn)均分，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)較快。

圖4 有功功率波形

圖5 無功功率波形

圖5為加入自適應(yīng)虛擬阻抗前后的無功功率仿真結(jié)果，圖5(a)為傳統(tǒng)下垂控制系統(tǒng)頻率波形，圖5(b)為加入虛擬阻抗系統(tǒng)無功功率波形，圖5(c)為加入自適應(yīng)虛擬阻抗系統(tǒng)無功功率波形。對比圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)可知，加入虛擬阻抗之前的兩DG在0～0.3 s內(nèi)，DG1輸出無功功率為8.12 kvar、DG2輸出的無功功率為3.97 kvar，兩DG此時的無功分配偏差率為42.5%；在0.3～0.6 s期間，DG1輸出無功功率為11.5 kvar、DG2輸出無功功率為5.3 kvar，兩DG此時的無功分配偏差率為45.6%，加入虛擬阻抗后兩DG在0～0.3 s內(nèi)，DG1輸出無功功率為8.1 kvar、DG2輸出的無功功率為6.2 kvar，兩DG加入負(fù)荷前的無功分配偏差率為10.5%。在0.3～0.6 s加入負(fù)荷期間，DG1輸出無功功率為10.28 kvar、DG2輸出無功功率為9.34 kvar，兩DG加入負(fù)荷后的無功分配偏差率為8.1%。加入自適應(yīng)虛擬阻抗后，在0～0.3 s內(nèi)，DG1輸出無功功率為7.8 kvar、DG2輸出的無功功率為7.2 kvar，兩DG加入負(fù)荷前的無功分配偏差率為6.5%，在0.3～0.6 s加入負(fù)荷期間，DG1輸出無功功率為10.32 kvar、DG2輸出無功功率為9.36 kvar，兩DG加入負(fù)荷后的無功分配偏差率為5.8%，對比可知，加入自適應(yīng)虛擬阻抗對系統(tǒng)的無功功率均分改善更為明顯。

圖6 系統(tǒng)環(huán)流波形

圖6為2臺逆變器加入虛擬阻抗前后系統(tǒng)環(huán)流仿真結(jié)果，圖6(a)為傳統(tǒng)下垂控制系統(tǒng)環(huán)流波形，圖6(b)為加入自適應(yīng)虛擬阻抗系統(tǒng)環(huán)流波形。對比圖6(a)、圖6(b)可知，傳統(tǒng)下垂控制下的系統(tǒng)環(huán)流大約在0.2 A，加入自適應(yīng)虛擬阻抗后系統(tǒng)的環(huán)流大約為0.05 A，對比可知，加入自適應(yīng)虛擬阻抗后環(huán)流得到了很好地抑制。

圖7 母線輸出電壓波形

圖7為加入自適應(yīng)虛擬阻抗前后逆變器輸出電壓仿真結(jié)果，圖7(a)為傳統(tǒng)下垂控制系統(tǒng)母線輸出電壓波形，圖7(b)為加入虛擬阻抗后的系統(tǒng)母線輸出電壓波形，圖7(c)為加入自適應(yīng)虛擬阻抗系統(tǒng)母線輸出電壓波形。對比圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)可知，加入虛擬阻抗前，逆變器輸出電壓幅值約為295 V，系統(tǒng)給定的電壓幅值為311 V，誤差為16 V，加入虛擬阻抗后逆變器輸出電壓幅值約為290 V，與系統(tǒng)給定的電壓幅值相差21 V，加入自適應(yīng)虛擬阻抗后的電壓幅值約為306 V，與系統(tǒng)給定的電壓幅值相差5 V，可知，加入自適應(yīng)虛擬阻抗對改善電壓降落過大效果明顯，為提高負(fù)荷供電電壓質(zhì)量提供了保障。

4 結(jié)束語

本文提出的自適應(yīng)虛擬阻抗控制策略，在改善系統(tǒng)環(huán)流和無功分配不均問題的同時，通過虛擬阻抗的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使虛擬阻抗值能夠隨著母線輸出電壓值實時在線調(diào)整，通過補償輸出電壓指令值的方式來改善母線輸出電壓降落過大的問題，進(jìn)而提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和電能質(zhì)量。