電壓-相角下垂控制的微電網(wǎng)控制策略設(shè)計(jì)研究

吳 萍

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

所謂微電網(wǎng)，其實(shí)就是將微電源、負(fù)荷和電力電子裝置等整合成一個(gè)獨(dú)立可控的小型發(fā)電系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)，其更加節(jié)能環(huán)保，而且使用起來也會(huì)更加便捷。目前階段，微電網(wǎng)的電源主要有以下幾種，即光伏電池、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等等分布式電源。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行方式分析

1.1 本文研究的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在本篇文章中，主要對(duì)以下微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)地解釋，如圖1。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

此種微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有三個(gè)分散的DG 單元、一個(gè)負(fù)荷通過線路、以及開關(guān)并聯(lián)母線等等。

1.2 微電網(wǎng)的兩種運(yùn)行模式

微電網(wǎng)在實(shí)際的運(yùn)行中一共有兩種運(yùn)行模式即并網(wǎng)的運(yùn)行模式和孤島的運(yùn)行模式，而且通常情況下并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式還能進(jìn)行無縫轉(zhuǎn)換。微電網(wǎng)中使用的逆變器，通常情況下只有PQ控制或電壓源逆變器（VSI），這兩種控制方法相比于其他傳統(tǒng)的方式更加便捷，只需逆變器的當(dāng)?shù)匦畔⒕涂梢赃M(jìn)行后續(xù)的工作。而當(dāng)其中逆變器采用的是PQ 控制的逆變器時(shí)，那么在實(shí)際的運(yùn)行過程中其輸出功率將由相關(guān)工作人員進(jìn)行設(shè)定，相關(guān)的數(shù)值的設(shè)定需要按照微電網(wǎng)的運(yùn)行需求進(jìn)行，其大小不會(huì)受到微電網(wǎng)內(nèi)部功率變化的影響，其與VSI 控制的逆變器相比較，其適用的范圍更廣，幾乎可以用于所有的分布式電源；而當(dāng)在微電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行中使用VSI 控制的逆變器時(shí)，那么微電網(wǎng)的實(shí)際輸出功率將會(huì)受到微電網(wǎng)內(nèi)部功率的變化的直接影響，即由其完全決定，其與PQ控制的逆變器相比較剛好是兩種相反的情況。當(dāng)微電網(wǎng)采用并網(wǎng)的模式運(yùn)行時(shí)，那么通常情況下都需要由配電網(wǎng)VSI 采用控制的DG 單元為其提供電壓和頻率支撐，進(jìn)而才能保證其能夠正常的運(yùn)行。除此之外，在實(shí)際的控制中，人們通常情況下都會(huì)使用電壓—頻率下垂控制產(chǎn)生參考電壓，也就是v/f 控制，但是此種方法存在一定的弊端[1]。

2 微電網(wǎng)控制器設(shè)計(jì)

DG 單元結(jié)構(gòu)如圖2 所示，圖中的數(shù)據(jù)如下，Udc 為DG 單元直流側(cè)的電壓；u1為DG 單元逆變橋電壓；u0為DG 單元輸出電壓；i1為DG 單元產(chǎn)生的電感電流；ic 為DG 單元中的電容電流；io則為DG 單的元中輸出電流。在實(shí)際選擇的過程中，可以結(jié)合微電網(wǎng)的運(yùn)行模式，選擇采用PQ控制或VSI 控制。

圖2 DG 單元結(jié)構(gòu)

2.1 PQ 控制器設(shè)計(jì)

PQ 控制器的結(jié)構(gòu)如圖3 所示：

圖3 PQ 控制器結(jié)構(gòu)

如圖中所示，其中Po 為DG 單元中的有功功率，而Qo 則為DG 單元中的無功功率，P*o、Q*o則是相關(guān)的功率參考數(shù)值；uodq、ildq、iodq 分別為uo，iL 和io 在dq 軸上的一個(gè)分量；u＊dq 則為

控制器產(chǎn)生的相關(guān)的電壓信號(hào)在dq 軸上的一個(gè)分量，而u＊αβ則為微電網(wǎng)中控制器產(chǎn)生的電壓信號(hào)在αβ軸上的一個(gè)分量，ω為角頻率；θ為坐標(biāo)變換角。電流環(huán)控制器結(jié)構(gòu)如圖4 所示：

圖4 電流環(huán)控制器結(jié)構(gòu)

uod 和uoq 分別為uo 的d軸和q軸分量，iLd和iLq 分別為iL 的d軸和q軸分量，i＊Ld 為電感電流參考值的d軸，i＊Lq 則為電感電流參考值在q軸上的一個(gè)分量，u＊d為逆變橋調(diào)制電壓信號(hào)在d軸上的一個(gè)分量，u＊q為逆變橋調(diào)制電壓信號(hào)在q軸上的一個(gè)分量[2]。

2.2 VSI 控制器設(shè)計(jì)

VSI 控制器結(jié)構(gòu)如圖5 所示

圖5 VSI 控制器結(jié)構(gòu)

圖中： u＊odq 為DG 控制單元的輸出電壓參考值在dq軸上的分量。結(jié)合本篇文章中的圖2，可以得出這樣的兩個(gè)公式，即DG 單元的輸出功率為P o=1.5/Z(U om Em cos（δ-δe-φ）-E2mCosφ)(1)：QO=1.5/Z(-U om Em sin（δδe-φ）-E2msinφ)(2)。其中：U om 為DG單元的總體輸出電壓幅值，而E m則為DG 單元中母線1 的電壓幅值，而δ為DG 單元中的輸出電壓相角，δe則為DG 單元母線電壓相角；Z 為線路阻抗，φ為線路相角。根據(jù)微電網(wǎng)線路具有阻抗呈現(xiàn)阻性這一特性，可以從中得出這樣的結(jié)論，即Z≈R，φ≈0，當(dāng)相角差δ-δe很小時(shí)，由式（1）可以得到以下關(guān)系：U om ＝ E m ＋2RP o/3E m；δ＝δe-2RQ o/3U om Em，而且根據(jù)上文中的第（2）個(gè)公式也可以得出這樣的結(jié)論，U om和δ大小會(huì)直接受到P o和Q o的影響。而當(dāng)在微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中使用電壓定向控制時(shí)，在加以負(fù)反饋，那么同樣可以得到DG 單元在受到電壓—相角下垂控制影響下的規(guī)律，即：u＊od＝Uodref-mPo;δ＊＝δref＋nQo，式中 u＊od為DG 單元輸出電壓參考值的d軸分量，δ＊分別為 DG 單元輸出電壓參考值的相角參考值。Uodref作為DG 單元空載時(shí)的輸出電壓參考值在d軸上的一個(gè)分量，δref 則為DG 單元空載時(shí)的輸出電壓參考值的相角參考值；電壓幅值下垂系數(shù)則為上式的字母m 表示，電壓幅值相角下垂系數(shù)則為上式中的字母n。因此，在實(shí)際的操作中，如果相關(guān)的工作人員想要確保DG 單元在微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式運(yùn)行時(shí)，仍能滿足其額定容量的比值，那么就需要對(duì)相關(guān)下垂系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而確保其能夠滿足m1SN1＝m2SN2＝m3SN3，n1SN1＝n2SN2＝n3SN3。本文所研究的功率控制器結(jié)構(gòu)如圖6 所示：即

圖6 功率控制器結(jié)構(gòu)

圖7 電壓電流雙環(huán)控制器結(jié)構(gòu)

圖8 同步控制器結(jié)構(gòu)

電壓電流雙環(huán)控制器結(jié)構(gòu)如圖7 所示。其中，iod 為i0的d軸分量，ioq 為io 的q軸分量。由上圖可以得出這樣的結(jié)論，即：微電網(wǎng)中的功率控制器所產(chǎn)生的輸出電壓參考值，需要與輸出電壓實(shí)際值的差值經(jīng)過一系列的計(jì)算，才能進(jìn)而得到電感電流參考值作為電壓外環(huán)[3]。

2.3 同步控制器設(shè)計(jì)

當(dāng)微電網(wǎng)的運(yùn)行模式發(fā)生改變時(shí)，也就是由孤島運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，首先相關(guān)的工作人員必須進(jìn)行同步運(yùn)行處理，只有這樣才能促進(jìn)微電網(wǎng)的電壓和配電網(wǎng)電壓逐漸趨于同步，詳細(xì)點(diǎn)來說，就是將微電網(wǎng)運(yùn)行中的電壓幅值、相角以及頻率調(diào)至相同，其中所需的同步控制器結(jié)構(gòu)如圖8 所示：

其中ω＊為配電網(wǎng)的角頻率；ΔUm 為圖1 中開關(guān)K5 兩側(cè)的電壓幅值差，Δδ則為圖1 中開關(guān)K5 兩側(cè)的相角差，兩者分別通過一定的處理，就促使Uodref，δref 和ω 變成Uodref′，δref ′和ω＊，完成電壓同步。

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

DG 單元的參數(shù)如表1 所示：

表1 DG 單元參數(shù)表

首先必須確保DG 單元中直流側(cè)電壓Udc 為700V，其次還要確保微電網(wǎng)線路參數(shù)R 為0.6420 Ω/km，X 為0.0830Ω/km。而配電網(wǎng)線路參數(shù)則需要滿足R 為0.1610Ω/km，X 為0.1900Ω/km 。DG 單元的負(fù)荷處于額定有功功率為30×103W，而額定無功功率則處于20Kvar 的具有時(shí)變性的負(fù)荷。在下垂控制中，Uodef＝390V， δref＝Orad；m1＝0.0003V/W，m2＝0.0004V/W，m3 ＝0.0006V/W，n1 ＝0.0000007rad/var，n2 ＝0.0000008rad/var，n3＝0.0000012rad/var，通過實(shí)際的試驗(yàn)，可以得出這樣的結(jié)論，即當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島模式運(yùn)行時(shí)，其中DG 單元一二三的負(fù)荷功率就會(huì)按4∶3∶2 的預(yù)定進(jìn)行比例分配[4]。

3.2 仿真結(jié)果

舉例：第一，本次試驗(yàn)中，微電網(wǎng)將在一秒之前開始運(yùn)行，并采用孤島模式，當(dāng)時(shí)間到0.6s時(shí)，將其運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變?yōu)橥竭\(yùn)行，然后當(dāng)時(shí)間達(dá)到1s 時(shí)，再將其連接到配電網(wǎng)中，并將其運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)運(yùn)行的模式，當(dāng)時(shí)間達(dá)到1.5s 時(shí)，再將微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的鏈接斷開，同時(shí)將其運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變?yōu)楣聧u運(yùn)行的模式，根據(jù)以上操作可以得到以下的仿真結(jié)果，如下圖所示。下圖中，圖9 表明DG 單元在當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式時(shí)，那么就可以根據(jù)其負(fù)荷功率的變化，按照相關(guān)的規(guī)定，按比例對(duì)其進(jìn)行負(fù)荷功率的分配，進(jìn)而就能促進(jìn)微電網(wǎng)功率達(dá)到平衡。但是在微電網(wǎng)的運(yùn)行模式變?yōu)椴⒕W(wǎng)模式時(shí)，其運(yùn)行將不會(huì)被負(fù)荷功率的變化影響，在這個(gè)時(shí)候，只需輸入一定的設(shè)定值，那么就可以進(jìn)行相應(yīng)功率的輸出。第圖12則表示由于在微電網(wǎng)的運(yùn)行受到同步控制器的作用，導(dǎo)致微電網(wǎng)中的母線1 受到影響，出現(xiàn)降低頻率的現(xiàn)象，進(jìn)而經(jīng)過一系列的反應(yīng)就能實(shí)現(xiàn)電壓相角同步的目的，最后達(dá)到電壓頻率同步的目的。而圖13 則表明當(dāng)微電網(wǎng)的運(yùn)行模式由孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)橥竭\(yùn)行時(shí)，將會(huì)受到微電網(wǎng)中同步控制器的直接影響，在其作用下微電網(wǎng)的開關(guān)K5 兩側(cè)的電壓就會(huì)逐漸變?yōu)橐恢拢缓笫沟梦㈦娋W(wǎng)和配電網(wǎng)之間電壓達(dá)到同步。而第六幅圖則表明當(dāng)微電網(wǎng)的運(yùn)行模式發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，相關(guān)的工作人員必須要確保電網(wǎng)中開關(guān)K5 處沒有沖擊電流。

圖9 DG 單元孤島運(yùn)行負(fù)荷功率變化

圖10 DG 單元同步運(yùn)行負(fù)荷功率變化

圖11 DG 單元同步運(yùn)行負(fù)荷功率變化

圖12 DG 單元同步運(yùn)行負(fù)荷功率變化

圖13 DG 單元同步運(yùn)行負(fù)荷功率變化

第二：微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，使用電壓—相角下垂控制仿真結(jié)果如圖14 所示：

圖14 電壓—相角下垂控制仿真

圖9 和圖10 表明由于微電網(wǎng)在實(shí)際的運(yùn)行會(huì)受到電壓幅值下垂控制的作用，導(dǎo)致微電網(wǎng)中的母線1 電壓幅值會(huì)因?yàn)镈G 單元輸出功率的變化的影響而發(fā)生相應(yīng)地改變，當(dāng)微電網(wǎng)的有功功率降低時(shí)，其會(huì)適當(dāng)?shù)迷黾?，反之則同理，在變化過程中要想實(shí)現(xiàn)DG 單元按比例對(duì)負(fù)荷有功功率進(jìn)行分配的目的，就需要相關(guān)的工作人員進(jìn)行相應(yīng)的操作。而圖10 和圖12 則表示，微電網(wǎng)在實(shí)際的運(yùn)行過程往往會(huì)因?yàn)槭艿诫妷骸嘟窍麓箍刂朴绊?，?dǎo)致微電網(wǎng)中的母線1 的電壓頻率受到DG 單元輸出無功功率的影響，這個(gè)時(shí)候，就需要相關(guān)的工作人員在微電網(wǎng)工頻附近進(jìn)行微小的調(diào)整，進(jìn)而才能達(dá)到DG 單元按預(yù)定比例分配的目的。

而使用電壓—頻率下垂控制其仿真結(jié)果則如下圖15：

圖15 電壓—頻率下垂控制其仿真結(jié)果

圖9 和圖10 表示由于微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)會(huì)受到電壓幅值下垂控制的影響，這樣一來就會(huì)導(dǎo)致微電網(wǎng)中母線1 的電壓幅值發(fā)生相應(yīng)的改變，在有功功率減小，其會(huì)適當(dāng)?shù)迷黾?，反之則同理，在變化過程中實(shí)現(xiàn)DG 單元按預(yù)定比例分配負(fù)荷有功功率。而圖10 和圖12 則表示由于微電網(wǎng)運(yùn)行的過程中，會(huì)受到電壓—頻率下垂控制的影響，導(dǎo)致其母線1 的電壓頻率會(huì)隨著DG 單元輸出無功功率的改變而進(jìn)行相應(yīng)地改變，而當(dāng)DG 單元輸出的無功功率變大時(shí)，其電壓頻率就會(huì)略微地升高，反之則同理。通過大量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以從中得出這樣的結(jié)論，即：使用電壓—相角下垂控制來替代微電網(wǎng)中電壓—頻率下垂控制的作用，就可以促使微電網(wǎng)處于孤島模式運(yùn)行時(shí)擁有更接近于工頻的運(yùn)行頻率[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，目前階段隨著我國(guó)社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，電力企業(yè)的相關(guān)管理人員必須不斷地對(duì)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，進(jìn)而才能滿足社會(huì)的發(fā)展需求。因此其必須對(duì)微電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行重視，加大對(duì)其研究力度，進(jìn)而才能為人們提供更加穩(wěn)定可靠的供電需求、更便捷的服務(wù)，同時(shí)還能有效地降低電力企業(yè)對(duì)于能源的損耗以及對(duì)自然環(huán)境的污染，為我國(guó)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。