基于改進(jìn)下垂控制微網(wǎng)快速平滑并網(wǎng)/離網(wǎng)控制策略

高瑜，張金，劉建明，范鑫

（西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，西安 710054）

0 引言

微電網(wǎng)是指由光伏風(fēng)機(jī)等新能源發(fā)電裝置、電池組、變換器、用戶等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)[1]。微電網(wǎng)的研究不僅能降低供電成本，同時(shí)也可以促進(jìn)新能源的大規(guī)模接入，微電網(wǎng)既可以孤島運(yùn)行也可以并網(wǎng)運(yùn)行，讓配電方式更加靈活多變。

文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一個(gè)用于并網(wǎng)運(yùn)行與孤島運(yùn)行的微型渦輪發(fā)電系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]提出了一種新型的單相電網(wǎng)交互式逆變器，在并網(wǎng)模式下補(bǔ)償濾波電容電流、控制電網(wǎng)電流，在孤島模式下調(diào)節(jié)輸出電壓，從而達(dá)到離網(wǎng)/并網(wǎng)平滑切換的目的。文獻(xiàn)[4]提出一種通過電壓和電流控制之間的切換來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)算法，從而實(shí)現(xiàn)并/離網(wǎng)平滑切換。文獻(xiàn)[5]提出了一種新型的單相離/并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[6]針對并網(wǎng)和離網(wǎng)情況提出了不同的控制策略，通過其控制方法達(dá)到平滑并網(wǎng)的目的。文獻(xiàn)[7]提出了一種適用于儲(chǔ)能并網(wǎng)逆變器的廣義控制算法，該算法實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)輸出電流所含有害擾動(dòng)量的全補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)運(yùn)行模式平滑切換。文獻(xiàn)[8]提出了一種不使用鎖相環(huán)來實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)既定作用的控制策略，實(shí)現(xiàn)VSG 離網(wǎng)與并網(wǎng)的平滑切換。文獻(xiàn)[9]針對局部負(fù)荷不平衡需求引起的電力暫態(tài)波動(dòng)，采用帶狀態(tài)跟蹤策略的功率跟蹤控制系統(tǒng)，使運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換過程中的電壓和頻率的瞬態(tài)波動(dòng)最小。文獻(xiàn)[10]為單相分布式發(fā)電機(jī)開發(fā)了一種模型預(yù)測控制器，該控制器能使微網(wǎng)離/并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無縫過渡。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了通過優(yōu)化負(fù)載突變暫態(tài)過程中的頻率恢復(fù)曲線，實(shí)現(xiàn)了VSG 逆變器在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種模式下的穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了一個(gè)LADRC 抗擾線性控制器，用于補(bǔ)償切換過程中的擾動(dòng)，從而抑制電壓、電流擾動(dòng)。

目前解決微網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的電壓、電流畸變沖擊主要依靠傳統(tǒng)的PQ 控制與V/f 控制的轉(zhuǎn)換，或引入虛擬同步電機(jī)[13-17]。傳統(tǒng)的PQ 控制與V/f控制的轉(zhuǎn)換在控制方式進(jìn)行切換時(shí)，電流內(nèi)環(huán)的參考電流將發(fā)生暫態(tài)突變，從而引起變換器輸出電流出現(xiàn)暫態(tài)沖擊，導(dǎo)致微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)切換時(shí)發(fā)生振蕩和沖擊?，F(xiàn)有的虛擬同步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)方式都需要在控制策略中植入類似同步發(fā)電機(jī)機(jī)電特性的環(huán)節(jié)以模擬其慣性，添加了額外的控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)過程比較繁瑣[18-22]?；谙麓箍刂频奈⒕W(wǎng)快速平滑并網(wǎng)/離網(wǎng)控制策略研究相對較少，且現(xiàn)有的研究對微網(wǎng)離網(wǎng)/并網(wǎng)引起的暫態(tài)沖擊抑制效果有待改善。

本文研究了下垂控制策略應(yīng)用于微網(wǎng)系統(tǒng)快速平滑并網(wǎng)/離網(wǎng)的可能，提出了參考功率追蹤實(shí)際計(jì)算功率的改進(jìn)型下垂控制，抑制了微網(wǎng)兩種運(yùn)行模式切換時(shí)引起的暫態(tài)沖擊。為解決上述控制策略功率對頻率、電壓調(diào)節(jié)作用失效問題，設(shè)計(jì)參考功率控制器在不同應(yīng)用場合下賦值給參考功率不同的值。同時(shí)在控制器中引入慣性環(huán)節(jié)，抑制因參考功率切換逆變器輸出電流突變帶來的沖擊。在微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，利用大電網(wǎng)鉗位作用，切換參考功率值為逆變器輸出功率所需值，實(shí)現(xiàn)逆變器輸出功率可調(diào)。

1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及控制策略研究

1.1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)通過公共連接點(diǎn)的關(guān)斷與閉合可以在不同運(yùn)行模式間進(jìn)行切換，有效地解決了微網(wǎng)系統(tǒng)電能過剩和電能不足的問題，以微網(wǎng)系統(tǒng)一次側(cè)的整體架構(gòu)搭建的實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。微網(wǎng)運(yùn)行模式的突然切換會(huì)引起系統(tǒng)產(chǎn)生暫態(tài)沖擊，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著新能源在能源結(jié)構(gòu)中占比的提高，大規(guī)模分布式電源接入電網(wǎng)，抑制微網(wǎng)運(yùn)行模式切換引起的暫態(tài)沖擊，微網(wǎng)系統(tǒng)快速平滑并網(wǎng)/離網(wǎng)的研究意義日益凸顯。

圖1 智能微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topological diagram of intelligent microgrid

1.2 傳統(tǒng)下垂控制策略研究

下垂控制可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)模式和孤島模式的平滑切換[23]。

下垂控制中，有功/頻率與無功/電壓的關(guān)系為

式中：P0為計(jì)算有功功率；Q0為計(jì)算無功功率；P*為有功功率參考值；Q*為無功功率參考值；ω0為角頻率測量值；U0為電壓測量值；ω*為角頻率參考值；U*為電壓參考值。

傳統(tǒng)的下垂控制策略下，在實(shí)際工程中由于線路阻抗的存在，會(huì)影響下垂控制對系統(tǒng)頻率、電壓的穩(wěn)定作用[24]。不僅如此，傳統(tǒng)的下垂控制策略較為依賴下垂控制系數(shù)的設(shè)定。在系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)沖擊，P0將突變?yōu)橐粋€(gè)較大的值，導(dǎo)致ΔP=P0-P*過大，為滿足同期并網(wǎng)頻差條件，下垂系數(shù)將設(shè)定為較小的值，但下垂系數(shù)過小會(huì)降低功率對系統(tǒng)頻率、電壓的調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)頻率、電壓振蕩時(shí)功率變化非常大才能使其穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)，可能超出設(shè)備輸出功率能力，對電氣設(shè)備造成損害。

在下垂控制中，令

當(dāng)微網(wǎng)由孤島并網(wǎng)后，由于大電網(wǎng)的鉗位作用，有

此時(shí)要使式（1）成立，則有P0=P*，即系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定后，逆變器輸出功率即為下垂控制設(shè)定的功率參考值，不能靈活調(diào)節(jié)逆變器的輸出功率，從而不能最大程度上輸出電能。

傳統(tǒng)下垂控制策略的結(jié)構(gòu)框圖見圖2。光伏電池輸出電能經(jīng)逆變器逆變后輸出交流電流經(jīng)LC 濾波器濾波后向本地負(fù)載供電，在并網(wǎng)模式下，過剩電能可以向電網(wǎng)傳輸，電能不足時(shí)電網(wǎng)也可以給微網(wǎng)補(bǔ)償[25]。傳統(tǒng)下垂控制采集電感電流以及公共連接點(diǎn)電壓，經(jīng)dq 變換、計(jì)算功率后得到有功功率、無功功率計(jì)算值，再經(jīng)下垂控制、電壓合成、電壓電流雙閉環(huán)控制，最終生成SVPWM 調(diào)制信號，控制逆變器開關(guān)通斷[26]。

圖2 傳統(tǒng)下垂控制策略結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structural block diagram of traditional droop control strategy

2 并/離網(wǎng)快速平滑切換控制策略研究

2.1 改進(jìn)型下垂控制策略

傳統(tǒng)下垂控制策略采集濾波器電感電流反饋雙閉環(huán)控制以增強(qiáng)抗短路能力，但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，微網(wǎng)因運(yùn)行模式切換時(shí)引起暫態(tài)沖擊，要求能在更短時(shí)間內(nèi)重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)，以減輕對系統(tǒng)的波動(dòng)與電氣設(shè)備的損害，此時(shí)采集濾波器電感電流反饋雙閉環(huán)控制已不能滿足系統(tǒng)要求，故在改進(jìn)型下垂控制策略中采集濾波器電容電流反饋雙閉環(huán)控制，這樣能大大增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，在微網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)，減少各電氣量突變周期，使微網(wǎng)快速平滑離網(wǎng)/并網(wǎng)。

傳統(tǒng)下垂控制為減少采集量，在采用濾波器電感電流反饋雙閉環(huán)控制的同時(shí)，將濾波器電感電流用作功率計(jì)算部分，但上述已說明改用濾波器電容電流反饋雙閉環(huán)控制的原因，故在功率計(jì)算部分，采集濾波器輸出交流母線電流用作功率計(jì)算部分，濾除諧波后，功率計(jì)算值更接近系統(tǒng)負(fù)載消耗實(shí)際值。

將功率計(jì)算得到的功率P0、實(shí)時(shí)賦值給參考功率，即令：

則可使并網(wǎng)前后

根據(jù)式（1）可知，當(dāng)ΔP=0 時(shí)，有

根據(jù)式（7）可知，改進(jìn)型下垂控制微網(wǎng)可不依賴下垂系數(shù)的設(shè)定來滿足同期并網(wǎng)頻差條件，不僅如此，在微網(wǎng)并網(wǎng)前后，下垂控制可以給電壓電流雙閉環(huán)控制一個(gè)穩(wěn)定的頻率，不受系統(tǒng)功率沖擊的影響，對微網(wǎng)模式切換前后的暫態(tài)沖擊起到了抑制效果。

改進(jìn)型下垂控制策略結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 改進(jìn)型下垂控制策略結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structural block diagram of improved droop control strategy

上述控制策略盡管對系統(tǒng)暫態(tài)沖擊起到了一定的抑制效果，但會(huì)使有功功率對系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)作用失效。并且仍舊無法達(dá)到微網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)逆變器輸出功率可調(diào)的目的，無法使逆變器最大程度輸出電能。下面將設(shè)計(jì)參考功率控制器解決上述問題。

2.2 參考功率控制器設(shè)計(jì)

參考功率控制器擬實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能各步驟如下。

步驟1：在微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，將參考功率設(shè)定為固定值30kW，以保證下垂控制功率對系統(tǒng)頻率、電壓調(diào)節(jié)能力的有效性。

步驟2：微網(wǎng)主動(dòng)并網(wǎng)前令參考功率由固定值切換為追蹤實(shí)際計(jì)算功率，抑制微網(wǎng)因并網(wǎng)引起的暫態(tài)沖擊。在控制方式進(jìn)行切換時(shí)，變換器輸出電流將出現(xiàn)暫態(tài)沖擊[15]。為遲滯變換器輸出電流的突升，在控制器中引入慣性環(huán)節(jié)。

慣性環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方程為

式中：T為時(shí)間常數(shù)；K為慣性環(huán)節(jié)增益；x(t)為輸入時(shí)間信號；y(t)為輸出時(shí)間信號。

拉普拉斯變換后，慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為

對已經(jīng)步入工作崗位的會(huì)計(jì)人員或已經(jīng)取得會(huì)計(jì)專業(yè)技術(shù)資格證的會(huì)計(jì)人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，目的是為了提高會(huì)計(jì)人員的職業(yè)素質(zhì)、業(yè)務(wù)能力、道德水平、思想政治素養(yǎng)，確保其更好的適應(yīng)新時(shí)期經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。為了切實(shí)提高會(huì)計(jì)人員的工作能力、專業(yè)素質(zhì)和職業(yè)道德水平，確保會(huì)計(jì)人員能夠緊跟國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)態(tài)，不斷更新知識(shí)水平和專業(yè)能力，財(cái)政部規(guī)定會(huì)計(jì)人員每年必須進(jìn)行定期的培訓(xùn)教育，在這一背景下，各個(gè)領(lǐng)域也都采取各種形式對會(huì)計(jì)人員進(jìn)行定期的繼續(xù)教育。

本文所提出的控制器在并網(wǎng)前某一時(shí)刻參考功率由固定值切換為實(shí)際功率計(jì)算值，輸入時(shí)間信號x(t)為階躍信號，將其拉普拉斯變換后有

根據(jù)式（9）可得公式為

令將輸出時(shí)間信號利用拉普拉斯反變換由復(fù)頻域轉(zhuǎn)化為時(shí)域?yàn)?/p>

圖4 為K=1、T=1 時(shí)慣性環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)，由圖4 我們可以看到，慣性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)有一個(gè)緩慢增長的過程，可抑制參考功率的突變使微網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)逆變器輸出電流突增。

圖4 慣性環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)Fig.4 Unit step response of intertia link

步驟3：當(dāng)慣性環(huán)節(jié)輸出時(shí)間信號即參考功率達(dá)到并網(wǎng)所需值時(shí)，微網(wǎng)并網(wǎng)，此時(shí)根據(jù)圖4，慣性環(huán)節(jié)輸出時(shí)間信號仍在增長中，但此時(shí)我們已達(dá)到抑制因參考功率切換時(shí)引起的暫態(tài)沖擊的目的，故微網(wǎng)并網(wǎng)瞬間可將參考功率切換為未引入慣性環(huán)節(jié)的實(shí)際功率計(jì)算值。

步驟4：并網(wǎng)后利用大電網(wǎng)的鉗位作用，微網(wǎng)頻率、電壓穩(wěn)定。根據(jù)式（2）與式（4），為使式（1）成立，則必有P0=P*，即逆變器輸出功率即為參考功率值。利用這一點(diǎn)，在微網(wǎng)并網(wǎng)后可根據(jù)用戶需求調(diào)整逆變器輸出功率。在本文中切換參考功率為固定值P1=40 kW，利用大電網(wǎng)的鉗位作用，可以控制逆變器輸出功率為40 kW。若該步驟有需要，可省略步驟3，在并網(wǎng)時(shí)刻即將參考功率切換為用戶所需逆變器輸出功率。

步驟5：系統(tǒng)主動(dòng)離網(wǎng)前將參考功率切換為計(jì)算功率，準(zhǔn)備離網(wǎng)。

步驟6：微網(wǎng)離網(wǎng)后再次將參考功率切換為固定值30 kW，利用下垂控制維持微網(wǎng)電壓、頻率穩(wěn)定。

該參考功率控制器的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在既利用了改進(jìn)型下垂控制有效抑制了微網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)引起的暫態(tài)沖擊，又能解決該改進(jìn)型下垂控制有功功率對頻率調(diào)節(jié)作用失效的問題，且實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)下垂控制下逆變器功率可調(diào)的目的，并且在微網(wǎng)運(yùn)行全過程都能使其穩(wěn)定運(yùn)行。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 傳統(tǒng)下垂控制策略仿真結(jié)果及分析

圖5 為傳統(tǒng)下垂控制下，負(fù)載功率為20 kW，功率參考值為30 kW，在0.4 s 時(shí)刻并網(wǎng)，0.8 s 時(shí)刻離網(wǎng)，逆變器輸出有功功率、無功功率、并/離網(wǎng)前后交流母線電壓、母線電流、系統(tǒng)頻率波形。

圖5 傳統(tǒng)下垂控制微網(wǎng)并網(wǎng)/離網(wǎng)仿真波形Fig.5 Simulation waveform of grid connection/off grid of traditional droop control microgrid

由圖5 可得，并網(wǎng)時(shí)逆變器輸出有功功率最大突變至126.5 kW；無功功率最大突變至-50 kvar；交流母線電壓并網(wǎng)時(shí)最大突變至324.5 V，4 個(gè)周期后重新達(dá)到穩(wěn)定值，離網(wǎng)時(shí)最大跌落至306 V，一個(gè)周期后重新達(dá)到穩(wěn)定值；交流母線電流并網(wǎng)時(shí)最大突變至293 A，約0.2 s 后穩(wěn)定至65 A；整個(gè)過程系統(tǒng)頻率在49.68～50.17 Hz 之間。傳統(tǒng)下垂控制下微網(wǎng)并網(wǎng)引起的暫態(tài)沖擊對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大負(fù)面影響，特別是有功功率、無功功率，可能已經(jīng)超出光伏電站對有功功率、無功功率的輸出和調(diào)節(jié)能力，電流突變值也會(huì)造成系統(tǒng)安全隱患。

3.2 改進(jìn)下垂控制策略仿真結(jié)果及分析

系統(tǒng)負(fù)載為20 kW，微網(wǎng)在0.4 s 時(shí)由孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)，微網(wǎng)在0.8 s 時(shí)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島，逆變器輸出有功功率、無功功率、并/離網(wǎng)前后交流母線電壓、母線電流、系統(tǒng)頻率波形見圖6。

由圖6 可知：在整個(gè)仿真過程中，母線電壓、電流波形未出現(xiàn)明顯畸變，有功功率功率過渡平滑，無功功率最大突變至980 kvar，系統(tǒng)頻率變化在49.96～50.08 Hz 之間。本文提出的改進(jìn)型下垂控制策略能夠有效抑制微網(wǎng)在運(yùn)行模式切換時(shí)引起的暫態(tài)沖擊，與傳統(tǒng)下垂控制策略相比改善效果明顯，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)/離網(wǎng)的平滑切換。

圖6 改進(jìn)型下垂控制微網(wǎng)并網(wǎng)/離網(wǎng)仿真波形Fig.6 Simulation waveform of grid connection/off grid of improved droop control

3.3 引入?yún)⒖脊β士刂破鞣抡娼Y(jié)果及分析

令P0=30 kW，負(fù)載功率為20 kW，系統(tǒng)于0.4 s時(shí)刻切換參考功率準(zhǔn)備并網(wǎng)，1 s 時(shí)刻并網(wǎng)，1.6 s 時(shí)刻離網(wǎng)。未加入慣性模塊，逆變器輸出有功功率、無功功率、并/離網(wǎng)前后交流母線電壓、母線電流、系統(tǒng)頻率波形見圖7。

圖7 未加入慣性環(huán)節(jié)微網(wǎng)并網(wǎng)仿真波形Fig.7 Simulation waveform of grid connection of microgrid without inertial link

由圖7 可知：未加入慣性模塊，微網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)系統(tǒng)有功功率最大突變至137 kW，0.1 s 后穩(wěn)定在96 kW，無功功率最大突變至23.6 kvar，0.1 s 后穩(wěn)定在4 000 var，母線電壓最大畸變至324.5 V，在4 個(gè)周期后重新達(dá)到穩(wěn)定值，母線電流最大突變至286 A，6 個(gè)周期后穩(wěn)定在205 A；微網(wǎng)離網(wǎng)時(shí)無功功率最大突變至21.5 kvar，母線電壓最大跌落至273.3 V，整個(gè)過程系統(tǒng)頻率變化范圍在49.97～50.17 Hz 之間。切換參考功率而未加入慣性模塊，逆變器輸出有功功率、無功功率、母線電流、母線電壓等值都已超出系統(tǒng)承受范圍，對微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成了非常大的隱患。

令P0=30 kW，負(fù)載功率為20 kW，系統(tǒng)于0.4 s時(shí)刻切換參考功率準(zhǔn)備并網(wǎng)，1 s 時(shí)刻并網(wǎng)，1.6 s 時(shí)刻離網(wǎng)，逆變器輸出有功功率、無功功率、并/離網(wǎng)前后交流母線電壓、母線電流、系統(tǒng)頻率波形見圖8。由圖8 可知：加入慣性模塊，微網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)有功功率最大突變至30 kW，0.05 s 后穩(wěn)定在27kW 左右，無功功率最大突變至-4 340 var，0.08 s 后穩(wěn)定在450 var 左右；交流母線電壓過渡平滑，交流母線電流在4 個(gè)周期后穩(wěn)定在57.5 A；微網(wǎng)離網(wǎng)時(shí)無功功率最大突變至2 000 var，且迅速穩(wěn)定，母線電壓最大跌落至308 V，整個(gè)過程系統(tǒng)頻率變化范圍在49.85～50.17 Hz 之間。由此我們可以得出，加入慣性環(huán)節(jié)對參考功率切換時(shí)微網(wǎng)并/離網(wǎng)引起的暫態(tài)沖擊抑制效果明顯。

圖8 加入慣性環(huán)節(jié)微網(wǎng)并網(wǎng)仿真波形Fig.8 Simulation waveform of grid connection of microgrid grid with inertial link

令P0=30 kW，負(fù)載功率為20 kW，加入慣性模塊抑制逆變器輸出電流，系統(tǒng)于0.4 s 時(shí)刻切換參考功率準(zhǔn)備并網(wǎng)，1 s 時(shí)刻并網(wǎng)；穩(wěn)定運(yùn)行后于1.2 s 改變參考功率，使逆變器輸出功率實(shí)現(xiàn)可調(diào)。令P1=40 kW；1.4 s 參考功率追蹤計(jì)算功率值，1.6 s 微網(wǎng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島；1.8 s 將參考功率切換回固定值P0=30 kW，由下垂控制保證微網(wǎng)電壓、頻率的穩(wěn)定。逆變器輸出有功功率、無功功率、并/離網(wǎng)前后交流母線電壓、母線電流、系統(tǒng)頻率波形見圖9。由圖9 可知：系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)有功功率最大突變至30.7 kW，0.08 s 后達(dá)到穩(wěn)定值27.1 kW 左右，無功功率最大突變至4 300 var，0.08 s 后達(dá)到穩(wěn)定值450 var 左右，母線電壓幾乎不畸變，母線電流在4 個(gè)周期后重新穩(wěn)定；微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)利用大電網(wǎng)鉗位作用，改變參考功率為40 kW，0.2 s 后可調(diào)節(jié)逆變器輸出功率為39.8 kW，此時(shí)無功功率最大突變至-2 000 var；微網(wǎng)離網(wǎng)時(shí)無功功率最大突變至5 100 var，有功功率、母線電流在0.02 s 內(nèi)重新穩(wěn)定，交流母線電壓最大跌落至301.6 V，一個(gè)周期后重新穩(wěn)定。整個(gè)過程系統(tǒng)頻率在49.85～50.17 Hz 之間，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，微網(wǎng)并/離網(wǎng)引起的暫態(tài)沖擊得到了有效抑制，且實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)逆變器輸出功率可調(diào)的目的，最大程度輸出電能。

圖9 引入?yún)⒖脊β士刂破魑⒕W(wǎng)并網(wǎng)/離網(wǎng)仿真波形Fig.9 Simulation waveform of grid connection/off grid of microgrid with introduction of reference power controller

4 結(jié)語

通過建立Matlab/Simulink 仿真模型，對本文提出的改進(jìn)型下垂控制與設(shè)計(jì)的參考功率控制器進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析，通過分析和仿真得出以下結(jié)論：

1）微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)下垂控制參考功率設(shè)定為固定值，利用下垂控制功率對系統(tǒng)頻率、電壓的調(diào)節(jié)作用，維持系統(tǒng)頻率、電壓的穩(wěn)定。

2）并網(wǎng)前使參考功率追蹤系統(tǒng)實(shí)際功率并引入慣性模塊，抑制參考功率切換時(shí)變換器輸出電流并網(wǎng)時(shí)出現(xiàn)的暫態(tài)沖擊。相比未引入慣性模塊，系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)有功功率突變量減少91.45%，無功功率突變量減少81.61%，母線電壓、電流幾乎不畸變，對系統(tǒng)安全運(yùn)行解決了極大隱患。

3）并網(wǎng)時(shí)使參考功率追蹤系統(tǒng)實(shí)際功率，減少并網(wǎng)前后逆變器輸出功率變化，系統(tǒng)有功功率、無功功率、母線電壓、母線電流、頻率等過渡平滑，有效地抑制并網(wǎng)引起的暫態(tài)沖擊。

4）微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，利用大電網(wǎng)的鉗位作用對系統(tǒng)頻率的控制改變參考功率值，使逆變器輸出功率達(dá)到設(shè)定值的99.5%，實(shí)現(xiàn)了下垂控制下逆變器輸出功率可調(diào)的目的。

5）離網(wǎng)前使參考功率追蹤系統(tǒng)實(shí)際功率，減少離網(wǎng)前后逆變器輸出功率變化，系統(tǒng)有功功率、無功功率、母線電壓、母線電流、頻率等過渡平滑，有效地抑制離網(wǎng)引起的暫態(tài)沖擊。

6）離網(wǎng)后微網(wǎng)孤島運(yùn)行，令參考功率為用戶設(shè)定固定值，利用下垂控制保證系統(tǒng)頻率、電壓的穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文提出的改進(jìn)型下垂控制可有效抑制微網(wǎng)運(yùn)行模式切換引起的暫態(tài)沖擊，參考功率控制器可解決微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)上述控制策略有功功率對頻率調(diào)節(jié)失效的問題，并實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)下垂控制功率可調(diào)。且參考功率設(shè)定值與計(jì)算功率值差值越大，改善效果越明顯。

微網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，本文僅針對光儲(chǔ)微網(wǎng)進(jìn)行研究，在后續(xù)的研究中，可以計(jì)入風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能等的影響，更好模擬實(shí)際工程中微網(wǎng)系統(tǒng)工作。為驗(yàn)證控制策略有效性，離網(wǎng)/并網(wǎng)與參考功率切換時(shí)間均為人為設(shè)定，后續(xù)可以在參考功率控制器中加入并網(wǎng)準(zhǔn)同期檢測等，增強(qiáng)控制器智能化與自動(dòng)化。