基于虛擬阻抗和模糊PID的微電網(wǎng)下垂控制策略*

王福忠， 李潤(rùn)宇， 張 麗

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

近年來(lái)，由于光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)和燃料電池等分布式電源的快速發(fā)展，微電網(wǎng)的控制研究也在不斷進(jìn)行[1，2]。在各等級(jí)微電網(wǎng)中，低壓微電網(wǎng)更趨向于用戶側(cè)，規(guī)模小，且多為電力或能源用戶使用。作為主要控制方式的下垂控制可以更好地去協(xié)調(diào)微網(wǎng)中各微源的功率輸出，且不依賴通信以及“即插即用”的特點(diǎn)[3～5]。在低壓微電網(wǎng)中線路阻抗主要呈阻性[6],通常P-V/Q-f下垂控制更加適用于低壓微電網(wǎng)[7,8]。但在低壓微電網(wǎng)中，由于線路阻抗中依然存在感性成分以及線路阻抗的不同[9]，會(huì)出現(xiàn)功率耦合的問(wèn)題。當(dāng)負(fù)荷產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，P-V/Q-f下垂控制并不能進(jìn)行功率的合理分配，系統(tǒng)的頻率和電壓也會(huì)受到影響，無(wú)法保證系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[10]提出了一種基于虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制策略，旨在低壓微電網(wǎng)中引入虛擬阻抗，線路阻抗中的阻性部分發(fā)生改變，從而削弱了功率耦合以及達(dá)到無(wú)功精確分配和抑制無(wú)功環(huán)流的目的。但均需要加入很大的虛擬電感來(lái)使逆變器的輸出阻抗改變，因低壓微電網(wǎng)呈阻性較多，不如構(gòu)造其本身的輸出阻抗，這樣更易控制。文獻(xiàn)[11]引入動(dòng)態(tài)虛擬阻抗，使得低壓微電網(wǎng)下可呈現(xiàn)阻性，從而進(jìn)行合理功率分配。但未考慮在系統(tǒng)產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)的影響，且由于下垂系數(shù)固定，很難良好地進(jìn)行調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[12]提出了一種粒子群算法改進(jìn)下垂系數(shù)的方法，通過(guò)改善控制參數(shù)來(lái)合理分配負(fù)荷功率，實(shí)現(xiàn)無(wú)差控制來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[13]中將連接線路的阻抗角作為一個(gè)變量引入到下垂控制中, 并添加了一個(gè)微分控制環(huán)節(jié)，從而減小系統(tǒng)在暫態(tài)過(guò)程中的振蕩。但只考慮了功率的穩(wěn)定性輸出問(wèn)題，并未考慮到系統(tǒng)電壓和頻率。

對(duì)于上述問(wèn)題，本文提出了基于虛擬阻抗的低壓微電網(wǎng)下垂控制策略，在P-V/Q-f下垂控制上引入虛擬阻抗，使系統(tǒng)的阻感比發(fā)生改變，使得低壓微電網(wǎng)呈現(xiàn)阻性，更好地解決功率耦合的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，又引入模糊比例—積分—微分(proportional integral differential,PID)控制器，來(lái)解決引入虛擬阻抗后以及負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，功率分配以及電壓和頻率產(chǎn)生波動(dòng)的問(wèn)題，使得P-V/Q-f下垂控制可更好適用于低壓微電網(wǎng)。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證此策略的合理性與有效性。

1 P-V/Q-f下垂控制

當(dāng)逆變器工作在低電壓系統(tǒng)環(huán)境下，這時(shí)的線路阻抗特性多呈現(xiàn)為阻性，線路中的阻抗比為7.7[14]，并且功率角θiL也非常小，故當(dāng)線路電感X忽略不計(jì)時(shí)，由此推導(dǎo)出的P-V/Q-f下垂控制的方程式為

(1)

但實(shí)際低壓微電網(wǎng)中雖然線路阻抗以阻性為主，由于不同逆變器上的線路阻抗不同，會(huì)出現(xiàn)功率耦合問(wèn)題，所以依然不能忽略感性成分。從式(1)可以看出，P-V/Q-f下垂控制是在忽略感性的情況下得到的，所以,需要將系統(tǒng)的總阻抗設(shè)計(jì)為純阻性。故需引入虛擬阻抗來(lái)滿足式(1)條件，且由于下垂系數(shù)固定，在引入虛擬阻抗后,P-V/Q-f也并不能良好控制系統(tǒng)的功率分配以及電壓和頻率。

2 低壓微電網(wǎng)下垂控制策略

對(duì)于上述問(wèn)題，本文提出低壓微電網(wǎng)下垂控制策略，總框圖如圖1所示。在引入虛擬阻抗解決系統(tǒng)阻感性的基礎(chǔ)上，加入模糊PID控制器[15，16]，代替原本的固定下垂系數(shù)，使得整個(gè)下垂控制可以進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

圖1 低壓微電網(wǎng)下垂控制的總框圖

2.1 虛擬阻抗的引入

圖2 引入虛擬阻抗后的電壓電流雙環(huán)控制框圖

在引入虛擬阻抗后，系統(tǒng)的等效阻抗[17]為

(2)

圖3 輸出阻抗矢量圖

從圖3中可以看出系統(tǒng)的輸出阻抗，在加入虛擬阻抗后，基本上呈純阻性，此時(shí)逆變器的功率可進(jìn)行良好的解耦，P-V/Q-f下垂控制能夠適用于低壓微電網(wǎng)。

2.2 自適應(yīng)模糊PID控制

在P-V/Q-f下垂控制方程式(1)的基礎(chǔ)上加入積分和微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成改進(jìn)下垂控制方程為

(3)

式中mPi和nPi在穩(wěn)態(tài)負(fù)荷中起核心作用，加快響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度；mIi和nIi起到消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用；mDi和nDi用來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

但由于傳統(tǒng)的PID參數(shù)值也是固定的，當(dāng)負(fù)荷多次變化時(shí)，可能無(wú)法對(duì)下垂控制進(jìn)行精確地調(diào)節(jié)。故本文在傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上加入模糊算法，使得PID參數(shù)可根據(jù)負(fù)荷變化實(shí)時(shí)進(jìn)行在線調(diào)節(jié)下垂系數(shù)，構(gòu)成自適應(yīng)下垂系數(shù)。

對(duì)于模糊PID控制器的設(shè)計(jì)分為以下步驟：

1)模糊變量與隸屬度函數(shù)

模糊PID控制器將ep(t),ecp(t),eQ(t)和ecQ(t)作為輸入量，輸出量為KP,KI,KD。輸入、輸出量在模糊集上的論域和模糊子集[15]分別表示為

論域：輸入量和輸出量=[-3,-2,-1,0,1,2,3]

模糊子集：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}

具體控制器參數(shù)設(shè)定為：輸入量ep(t)和ecp(t)的基本論域均為[-2 000,2 000]，量化因子為1.5×10-3；eQ(t)，ecQ(t)的基本論域均為[-3,3]，量化因子為1。輸出量KP,KI,KD的基本論域分別為[-3×10-4,3×10-4]，[-3×10-3,3×10-3]，[-6×10-7,6×10-7]量化因子為104,103,5×106?？刂破鬏斎肓亢洼敵隽康碾`屬度函數(shù)如圖4所示。

圖4 輸入和輸出的隸屬度函數(shù)

2)制定模糊規(guī)則

通過(guò)專家知識(shí)以及經(jīng)驗(yàn)法，采用“If e(t) is A and ec(t) is B thenKPiis C”的控制規(guī)則語(yǔ)句，KIi,KDi同理。通過(guò)仿真得到圖5所示的KPi,KIi,KDi的具體變化情況以及表1所示的模糊控制規(guī)則。

圖5 KPi,KIi,KDi觀測(cè)曲面

表1 模糊控制規(guī)則

3 仿真驗(yàn)證與分析

本文將通過(guò)MATLAB/Simulink仿真去建立仿真模型。分別搭建P-V/Q-f下垂控制仿真和本文所提出的下垂控制策略仿真，考慮在負(fù)荷波動(dòng)/投切時(shí)的情況下，對(duì)系統(tǒng)功率均分以及電壓和頻率變化進(jìn)行對(duì)比并分析，驗(yàn)證低壓微電網(wǎng)下垂控制策略的優(yōu)勢(shì)和有效性。

此次仿真將采用兩個(gè)微源DG1和DG2作為并聯(lián)運(yùn)行，由于此次仿真重點(diǎn)在于對(duì)逆變器的控制，故微源采用直流電源等效模型，且兩臺(tái)逆變器的容量相同。同時(shí)系統(tǒng)接入兩個(gè)可變負(fù)荷Load1和Load2。具體仿真參數(shù):直流電源Vdc為800 V，濾波器電容C為1 500 μF，濾波器電感L為0.6 mH，額定有功功率Pn為20 kW，額定無(wú)功功率Qn為0 kW，虛擬阻抗Rv-jLv為(1.114 5-j0.004 85)Ω，DG1線路阻抗Z1為(0.2+j0.002 6)Ω，DG2線路阻抗Z2為(0.9+j0.117)Ω，負(fù)荷Load1為(5+j3)kW，負(fù)荷Load2為(4+j2)kW。

仿真設(shè)定：在初始時(shí)，DG1和DG2以及Load1最初投入運(yùn)行，在0.3 s時(shí)Load2投入運(yùn)行，0.6 s時(shí)Load1退出運(yùn)行。

從圖6中可以看出，在P-V/Q-f下垂控制策略下，DG1和DG2的無(wú)功功率在0.6 s時(shí)Load1退出時(shí)有明顯突然波動(dòng)，但基本達(dá)到合理分配，而有功功率沒(méi)有實(shí)現(xiàn)合理分配，DG1和DG2均出現(xiàn)了輸出偏差，這是由于線路阻抗不相同的影響。

圖6 P-V/Q-f下垂控制的仿真波形

在采用本文所提出的下垂控制策略后，從圖7中可以看出，在虛擬阻抗和模糊PID的作用下DG1,DG2的有功功率各輸出4 500 W，無(wú)功功率各輸出2 500 Var，均達(dá)到了合理均分的目的。

圖7 本文所提下垂控制仿真波形

圖8將三種不同控制下的電壓進(jìn)行對(duì)比，可以看出，在圖8(a)中系統(tǒng)的母線電壓因受到負(fù)荷投切/波動(dòng)的影響，電壓在0.3 s時(shí)出現(xiàn)下降至375 V，穩(wěn)定后一直保持，并沒(méi)有恢復(fù)至380 V，在0.6 s時(shí)，由于負(fù)荷切出，產(chǎn)生短暫的升高。圖8(b)中，加入PID控制后，系統(tǒng)電壓在0.3 s時(shí)，并沒(méi)受到負(fù)荷投入的影響，系統(tǒng)電壓保持在380 V，但在0.6 s還是受到了負(fù)荷切出的影響，未能良好的調(diào)節(jié)。圖8(c)中為本文所提下垂控制，能夠良好且快速地調(diào)節(jié)電壓，使得系統(tǒng)電壓幾乎不受負(fù)荷投切的影響，始終保持在380 V。

圖8 三種控制下的系統(tǒng)電壓對(duì)比

圖9將三種下垂控制方式下的頻率進(jìn)行對(duì)比，可以看出，傳統(tǒng)的下垂控制在0.3 s時(shí)，由于負(fù)荷投入，頻率出現(xiàn)下降，降到49.97 Hz，并穩(wěn)定在49.99 Hz，沒(méi)有恢復(fù)到工頻，在0.6 s負(fù)荷切出后，頻率出現(xiàn)上升達(dá)到50.012 Hz，并穩(wěn)定在50.01 Hz，也沒(méi)有在恢復(fù)至工頻。

圖9 三種控制方式下的系統(tǒng)頻率對(duì)比

而在引入PID控制后，頻率在0.3 s時(shí)，下降到了49.985 Hz，在經(jīng)過(guò)0.1 s后，恢復(fù)至工頻，在0.6 s時(shí)，頻率再次上升至50.01 Hz，在經(jīng)過(guò)0.1s后，恢復(fù)至工頻，從分析來(lái)看，加入PID控制后，頻率的波動(dòng)比傳統(tǒng)下垂控制要小，并能夠恢復(fù)至工頻，但由于PID調(diào)節(jié)參數(shù)固定，所以,頻率還是會(huì)因負(fù)荷的投切產(chǎn)生波動(dòng)，且恢復(fù)至工頻時(shí)間較慢。

在本文所提方法下，由于下垂系數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，故系統(tǒng)頻率幾乎不受負(fù)荷波動(dòng)/投切的影響，且始終保持在工頻50 Hz左右，從而保證整個(gè)系統(tǒng)可以更加穩(wěn)定的運(yùn)行。

4 結(jié) 論

P-V/Q-f下垂控制在低壓微電網(wǎng)中受線路阻抗和負(fù)荷波動(dòng)的影響，從而無(wú)法良好地進(jìn)行控制。對(duì)此，本文提出了基于虛擬阻抗的低壓微電網(wǎng)下垂控制策略，通過(guò)引入虛擬阻抗，來(lái)解決系統(tǒng)中出現(xiàn)的功率耦合問(wèn)題以及改變線路阻抗，使得P-V/Q-f下垂控制更好地適用于低壓微電網(wǎng)。同時(shí)，在P-V/Q-f下垂控制的基礎(chǔ)上引入模糊PID，能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)。通過(guò)仿真對(duì)三種控制方式進(jìn)行比較，證明了基于虛擬阻抗和模糊PID的微電網(wǎng)下垂控制策略可以有效地應(yīng)用于獨(dú)立低壓微電網(wǎng)，提高系統(tǒng)中有功功率和無(wú)功功率的分配精度，并且在系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，很好地抑制電壓和頻率的波動(dòng)，整體提高了系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。