農(nóng)村光伏微網(wǎng)頻率穩(wěn)定性研究與仿真

高 瑜，劉建明，張 金，范 鑫

(西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

1 引言

社會(huì)的發(fā)展離不開能源的支撐，目前主要的能源依然是化石燃料，由于其不可再生的局限性，不能夠維持可持續(xù)發(fā)展。太陽(yáng)能，風(fēng)力作為清潔能源備受關(guān)注。作為主要由可再生能源組成的微電網(wǎng)成為研究熱點(diǎn)，微電網(wǎng)一般的工作模式有兩種，即并網(wǎng)運(yùn)行和孤島模式[1-2]。

在光伏發(fā)電運(yùn)行的過程中，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，決定了系統(tǒng)工作電能質(zhì)量的好壞。針對(duì)電能質(zhì)量，已有學(xué)者在此方面做了大量研究，文獻(xiàn)[3]在LCL濾波器的基礎(chǔ)上，通過修改PI控制器參數(shù)，降低諧波干擾，改善輸出波形。在電路的各部件中PLL(鎖相環(huán))在電網(wǎng)同步方面扮演著重要角色。文獻(xiàn)[4]提出一種新型的FLL(鎖頻環(huán))，生成頻率偏差控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)端的同步。除了上述對(duì)系統(tǒng)硬件拓?fù)涞母纳仆猓孀兤鞯目刂品绞酵瑯邮茄芯康闹攸c(diǎn)。下垂控制能夠很好的模擬傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中同步電機(jī)的下垂特性，在實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛，本質(zhì)是使輸出的有功功率和無功功率解耦，從而改善系統(tǒng)中的有功和無功的分配，達(dá)到提高輸出波形穩(wěn)定性的目的[5]。在實(shí)際情況下，因?yàn)椴煌到y(tǒng)中因?yàn)榇嬖趨?shù)不匹配和擾動(dòng)，有學(xué)者提出一種在靜態(tài)下垂項(xiàng)的基礎(chǔ)上，增加一項(xiàng)動(dòng)態(tài)下垂，提高無功功率分配的合理性，減小了母線電壓的跌落率[6]。文獻(xiàn)[7]提出一種基于傳統(tǒng)的下垂控制改進(jìn)方法，利用新的控制回路控制無功功率參考非線性模糊邏輯器來控制來提高微電網(wǎng)的性能，對(duì)于系統(tǒng)中的各種擾動(dòng)有一定能力的自適應(yīng)能力。由于下垂控制逆變器的控制回路較為復(fù)雜，難以建立準(zhǔn)確輸出阻抗模型，文獻(xiàn)[8]通過分析下垂控制逆變器輸出阻抗模型，建立了Q-U與逆變器低頻輸出特性模型。當(dāng)系統(tǒng)中的負(fù)荷波動(dòng)時(shí)會(huì)反映到輸出電壓的頻率上，文獻(xiàn)[9]通過對(duì)系統(tǒng)小信號(hào)的建模，分析了當(dāng)負(fù)荷側(cè)負(fù)載波動(dòng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響，改進(jìn)了系統(tǒng)中的因?yàn)樨?fù)荷波動(dòng)而引起的頻率波動(dòng)。文獻(xiàn)[10]通過調(diào)整光伏輸出功率的大小，通過留存裕度來調(diào)整系統(tǒng)的輸出達(dá)到調(diào)壓的目的。

農(nóng)村光伏微網(wǎng)在工作時(shí)，經(jīng)常伴隨著負(fù)荷的波動(dòng)，當(dāng)發(fā)生小擾動(dòng)時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)頻率下降。光伏微網(wǎng)在未滿載運(yùn)行時(shí)，會(huì)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)波動(dòng)調(diào)整輸出，但在控制器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，所設(shè)定的參數(shù)并不會(huì)隨著負(fù)荷的波動(dòng)而改變?；诖朔N情況和上述論文研究的基礎(chǔ)，提出一種動(dòng)態(tài)下垂系數(shù)的控制方式，根據(jù)擾動(dòng)的大小調(diào)整下垂系數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。當(dāng)光伏微電網(wǎng)滿載運(yùn)行時(shí)，此時(shí)已經(jīng)失去了調(diào)節(jié)系統(tǒng)電能質(zhì)量的能力，因此該種情況不在本文研究的范圍內(nèi)。通過改進(jìn)達(dá)到當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)，傳統(tǒng)控制方法不能滿足不滿足系統(tǒng)頻率要求，通過改進(jìn)可以穩(wěn)定頻率偏差在±0.2Hz范圍內(nèi)目的。

2 下垂控制原理

2.1 下垂控制的物理模型

光伏孤島效應(yīng)下的物理模型如圖1所示。直流源經(jīng)過逆變之后通過濾波環(huán)節(jié)送至負(fù)載。PV表示光伏板，C1表示光伏板反并電容，Lf為濾波電感，Cf為濾波電容，ZL為負(fù)載。逆變器的控制方式為下垂控制，控制回路可以分為以下幾部分，功率計(jì)算部份，下垂控制部分，電壓環(huán)，電流環(huán)幾部分組成。功率計(jì)算部份將負(fù)載的功率送至下垂控制，輸出電壓環(huán)的參考信號(hào)ud*和uq*，經(jīng)過電流環(huán)輸出id*，iq*，經(jīng)過電流環(huán)生成PWM的調(diào)制信號(hào)，PWM輸出逆變器的控制信號(hào)，θ為PLL得到的坐標(biāo)變換角度。光伏板的輸出功率根據(jù)負(fù)荷的大小在0≤P≤Pmax之間波動(dòng)

圖1 孤島逆變器控制圖

2.2 傳統(tǒng)下垂控制

傳統(tǒng)的下垂控制是通過模擬同步發(fā)電機(jī)下垂特性，通過負(fù)載的波動(dòng)來對(duì)逆變器進(jìn)行微調(diào)的一種控制方法。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

Δω=m(P-P*)

(1)

Δu=n(Q-Q*)

(2)

M：有功下垂控制系數(shù)；

N：無功下垂控制系數(shù)；

P，Q：分別為實(shí)際的有功功率和無功功率；

P*，Q*：分別為參考有功功率和無功功率；

下垂控制參數(shù)的設(shè)計(jì)原理[5]，如下所示

(4)

式中fn為系統(tǒng)額定頻率，fmin為允許最小頻率，Pmax為系統(tǒng)最大負(fù)荷，Pn為系統(tǒng)為微源輸出的有功功率，UN表示系統(tǒng)的額定電壓，Umin為最小允許電壓，Qmax表示系統(tǒng)中的最大無功負(fù)荷。傳統(tǒng)控制方法的下垂特性如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)下垂特性曲線

圖3 傳統(tǒng)下垂控制框圖

由式(3)和(4)傳統(tǒng)的下垂控制可以在一定的范圍內(nèi)穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓與頻率，但當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)大于原有設(shè)定時(shí)，超出了原有下垂控制調(diào)節(jié)的范圍，此時(shí)下垂控制無法為系統(tǒng)提供電壓與頻率支撐，需要重新選擇下垂系數(shù)[14]。目前調(diào)頻的主要措施是采取傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中頻率的二次調(diào)整，調(diào)壓方式為無功補(bǔ)償，本文提到的動(dòng)態(tài)下垂系數(shù)是區(qū)別于上述調(diào)節(jié)方式的方法。建立功率的傳輸模型，可以得到系統(tǒng)負(fù)荷與電能質(zhì)量之間的關(guān)系，利于后續(xù)的分析與改進(jìn)。

2.3 功率傳輸和小信號(hào)模型

由于主要研究的是系統(tǒng)擾動(dòng)和下垂系數(shù)之間的關(guān)系。為了簡(jiǎn)化分析過程，以一臺(tái)逆變器為例建模。電路的功率傳輸模型如圖4所示。

圖4 電路潮流模型

圖4中E∠θ為逆變器輸出電壓，U∠0為負(fù)荷側(cè)端電壓，RX為線路阻抗，LX為線路電感，ZL為負(fù)載。根據(jù)系統(tǒng)中的潮流流向可以計(jì)算系統(tǒng)中的有功和無功。

(5)

(7)

(9)

由下垂控制特性曲線和上述功率表達(dá)式可得到電壓，頻率與系統(tǒng)負(fù)荷之間的關(guān)系，可以用下述表達(dá)式表達(dá)為

Δf=K1ΔP

(10)

ΔU=K2ΔQ

(11)

K1=m/2π

(12)

K2=n/2π

(13)

由式(11)，(12)可知下垂控制的本質(zhì)是一種有差調(diào)節(jié)，即隨著擾動(dòng)的增加誤差會(huì)越來越大，為了避免系統(tǒng)擾動(dòng)過大時(shí)造成系統(tǒng)頻率和電壓崩潰的情況，需要做出必要的改進(jìn)使系統(tǒng)電壓和頻率誤差處于一定范圍內(nèi)。

3 改進(jìn)下垂控制參數(shù)自適應(yīng)原理

通過上述分析可知，下垂控制雖然能在小范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)，但是由于設(shè)計(jì)的缺陷和負(fù)荷的變化，下垂系數(shù)很容易不再適用。提出基于擾動(dòng)大小能修改下垂系數(shù)的方法?？刂颇繕?biāo)為

(15)

式中fi表示發(fā)生擾動(dòng)后系統(tǒng)頻率的大小，f*表示系統(tǒng)的參考頻率，Ui表示擾動(dòng)發(fā)生后的電壓大小，U*表示系統(tǒng)的參考電壓的大小。

在式(10)，(12)的基礎(chǔ)上，引入另外一個(gè)自由度ΔK1和ΔK2，通過對(duì)下垂系數(shù)的補(bǔ)償，來穩(wěn)定系統(tǒng)輸出電壓和頻率。改進(jìn)后的控制流程如下圖所示：

圖5 改進(jìn)下垂控制環(huán)圖

根據(jù)式(10)，(11)和上述流程可以得到改進(jìn)后的系統(tǒng)程

(17)

其中

(19)

則下垂系數(shù)可以表示為下述形式

(21)

上述公式中P1為系統(tǒng)在無擾動(dòng)前運(yùn)行的功率，P為擾動(dòng)發(fā)生后的系統(tǒng)功率，Q1為系統(tǒng)在無擾動(dòng)前運(yùn)行的無功功率，Q為擾動(dòng)發(fā)生后的系統(tǒng)的無功功率，K3，K4為比例控制系數(shù)，m，n為初始下垂系數(shù)。通過引入下垂系數(shù)控制項(xiàng)可以增強(qiáng)系統(tǒng)的靠擾動(dòng)能力。以P-m圖為例說明式(20)，(21)在負(fù)荷變動(dòng)情況下的變化規(guī)律，有功負(fù)荷的變化范圍為0kW≤P≤3kW。以P-f圖為例說明式(10)，(16)對(duì)比改進(jìn)前后，在同等擾動(dòng)的情況下，系統(tǒng)頻率波動(dòng)的大小。

圖6 下垂系數(shù)隨負(fù)載波動(dòng)圖

由圖6可知當(dāng)負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)負(fù)荷變化的大小來自動(dòng)調(diào)整下垂系數(shù)，且二者成反比例關(guān)系。從圖7中不難發(fā)現(xiàn)，在改進(jìn)前隨著擾動(dòng)的增加，系統(tǒng)頻率下降，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷為8kW，即擾動(dòng)為2kW時(shí)，此時(shí)頻率下降到49.8Hz，隨著擾動(dòng)的持續(xù)增加，頻率下降0.2Hz，當(dāng)擾動(dòng)繼續(xù)增大時(shí)，頻率將進(jìn)一步減小。改進(jìn)后對(duì)比改進(jìn)，當(dāng)擾動(dòng)為2kW時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率為49.97Hz，頻率下降為0.03Hz，能滿足式(14)的要求。利用n-Q，U-Q曲線可以驗(yàn)證式(21)，(17)的正確性。

圖7 不同控制方法對(duì)比圖

綜上可知當(dāng)系統(tǒng)中的負(fù)載超過系統(tǒng)允許的最大值時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)中較大的頻率降落，這對(duì)系統(tǒng)中的供配電雙方都有較大影響，改進(jìn)下垂系數(shù)能夠有效減小系統(tǒng)中的頻率偏移，即當(dāng)系統(tǒng)中的負(fù)載發(fā)生小擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)依然能夠通過調(diào)節(jié)自身的特性，來穩(wěn)定頻率在一定的范圍內(nèi)，滿足微電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率需求。由于系統(tǒng)本身已經(jīng)優(yōu)化，當(dāng)系統(tǒng)電壓下降5%時(shí)需要較大擾動(dòng)，故在此不做驗(yàn)證。

通過在MATLAB/Simulink中搭建如圖1所示模型，選用光伏板型號(hào)為1Socltegh 1STH-215-P，工作光照強(qiáng)度為1000W/m2，溫度為25℃。系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。

表1 光伏微網(wǎng)逆變器仿真參數(shù)

4 仿真驗(yàn)證

仿真的內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面，先通過仿真驗(yàn)證當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，頻率和電壓會(huì)發(fā)生較大降落，不滿足系統(tǒng)對(duì)頻率的要求。再通過驗(yàn)證改進(jìn)后當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)，穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率在一個(gè)范圍內(nèi)，驗(yàn)證提出假設(shè)的可靠性。下面給出四個(gè)算例，驗(yàn)證提出理論的可行性，驗(yàn)證的內(nèi)容如表2所示。

表2 算例擾動(dòng)驗(yàn)證參數(shù)

算例1和算例2驗(yàn)證存在有功擾動(dòng)時(shí)改進(jìn)前與改進(jìn)后的頻率偏差Δf1和Δf2，此過程中無功擾動(dòng)ΔQ=0。算例1：系統(tǒng)的初始側(cè)負(fù)荷為6kW，參考功率為7kW。在0-1s內(nèi)系統(tǒng)沒有擾動(dòng)，在1-3s內(nèi)系統(tǒng)的有功負(fù)荷突然增加了3kW，在此期間下垂系數(shù)一直維持m=1×10-4，觀察系統(tǒng)發(fā)生的變化。

算例2：在算例1的基礎(chǔ)上，每當(dāng)系統(tǒng)中的有功負(fù)荷突然增大，系統(tǒng)頻率面臨崩潰的情況下，調(diào)整系統(tǒng)下垂系數(shù)，讓系統(tǒng)的迅速恢復(fù)擾動(dòng)發(fā)生前的水平。下垂系數(shù)調(diào)節(jié)的大小為m′=m(P1/K3P)，驗(yàn)證按照此法可以有效減小系統(tǒng)的頻率降落。

圖8 系統(tǒng)功率變化圖

圖9 擾動(dòng)驗(yàn)證圖

由圖8，圖9，可知，改進(jìn)前在0～1s內(nèi)，系統(tǒng)的負(fù)荷為6kW，在此段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)處于剛開始的振蕩到穩(wěn)定到50Hz。在0.5s末，由于出現(xiàn)擾動(dòng)，系統(tǒng)頻率下降為49.73Hz，頻率下降0.27Hz，大于0.2Hz，此時(shí)頻率已經(jīng)不再滿足需求，若不進(jìn)行調(diào)整，會(huì)對(duì)用電設(shè)備造成進(jìn)一步損壞。在改進(jìn)后，在0～1s內(nèi)的情況與算例1中改進(jìn)前的情況完全一致，引入動(dòng)態(tài)下垂系數(shù)以后，當(dāng)系統(tǒng)由擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)擾動(dòng)的大小調(diào)整下垂系數(shù)，由圖6可知，改進(jìn)后，在發(fā)生與算例1同樣大小擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定頻率在49.98Hz，誤差為0.02Hz，能夠滿足式(14)的要求。

5 結(jié)論

目前針對(duì)農(nóng)村微網(wǎng)電能質(zhì)量的研究數(shù)量還比較少，本文以農(nóng)村在農(nóng)忙和農(nóng)閑時(shí)期負(fù)荷有較大差異性為立腳點(diǎn)，分析了當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，對(duì)電能質(zhì)量的影響，并通過引入動(dòng)態(tài)下垂系數(shù)控制，改善了系統(tǒng)電能質(zhì)量。在光伏為滿載運(yùn)行時(shí)，通過理論和仿真分析，可以得出系統(tǒng)中的存在小功率擾動(dòng)時(shí)，通過引入動(dòng)態(tài)下垂系數(shù)可以保證系統(tǒng)頻率誤差在±0.2Hz之內(nèi)，相較傳統(tǒng)控制方法增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗擾能力。