孤島光伏微電網(wǎng)不平衡電壓分層控制方法

李瑋，代少君，王東旭

（國(guó)網(wǎng)武漢供電公司，湖北武漢 430013）

微電網(wǎng)是一種根據(jù)一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)運(yùn)行的電力系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的集中式電力網(wǎng)相比，其能夠根據(jù)不同的地理位置、電力特性及時(shí)調(diào)整供電模式。依據(jù)不同用戶需求，使用了一種適用于分布式電源的新型電力模式。微電網(wǎng)是一種重要的網(wǎng)絡(luò)，其主要模式有并網(wǎng)和孤島兩種。在并網(wǎng)模式中，控制電網(wǎng)的總電壓、頻率，使電能共享變得簡(jiǎn)單；在孤島模式下，通常采用下垂控制，以實(shí)現(xiàn)各換流器的容量比分布。通過(guò)調(diào)整電流變換器的電壓幅度和頻率，使其維持在額定的范圍內(nèi)。然而，逆變器和AC 母線之間存在著線路阻抗，使其運(yùn)行點(diǎn)與下降曲線的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)偏差很大，導(dǎo)致電源電壓、頻率偏差不變，對(duì)電壓質(zhì)量造成不良影響[1]；使用二次控制方式來(lái)降低電壓和頻率的偏差，然而該方法所使用的分類算法受到大量分類數(shù)據(jù)影響，無(wú)法精準(zhǔn)分配功率。另外，在二次控制方法中，結(jié)合集中控制模式，要求微電網(wǎng)中心控制器與故障接地的全部故障進(jìn)行通信，這也增加了系統(tǒng)通信帶寬。一旦集中控制中心出現(xiàn)通信中斷問(wèn)題，則整個(gè)系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)[2]。為了進(jìn)一步優(yōu)化孤島光伏微電網(wǎng)不平衡電壓的控制效果，通過(guò)分層控制的方式控制有功和無(wú)功電壓，實(shí)現(xiàn)孤島光伏微電網(wǎng)不平衡電壓分層控制研究。

1 不平衡電壓雙層控制方法

1.1 雙層控制結(jié)構(gòu)

孤島光伏微電網(wǎng)不平衡電壓雙層控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙層控制結(jié)構(gòu)

圖1 中雙層控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了協(xié)調(diào)分布的發(fā)電機(jī)和電壓質(zhì)量，其相較于單層控制結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，在控制過(guò)程中需要綜合考量多個(gè)元件的電壓分布情況。

在孤島光伏微電網(wǎng)中，主控制器是最小的控制層，其可以通過(guò)上層的反饋有效地控制每個(gè)發(fā)電站的負(fù)荷[3]。同時(shí)，為了提高微電網(wǎng)的接入能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制，通過(guò)分層、分段的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作控制[4]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孤島微電網(wǎng)電壓、頻率的有效控制。

1.2 雙層控制策略

針對(duì)孤島條件下的微電網(wǎng)輸出功率和負(fù)荷不均衡問(wèn)題，采用不同的電壓、頻率，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的等級(jí)控制。

1.2.1 上層控制

上層負(fù)責(zé)制定操作方案，根據(jù)電壓、電流、功率等信息及時(shí)調(diào)整操作方案，并調(diào)節(jié)微電網(wǎng)的電壓、頻率[5-7]。電力系統(tǒng)的有功功率與頻率、無(wú)功功率和電壓梯度成正比關(guān)系，該方法能調(diào)節(jié)電網(wǎng)的有功功率、無(wú)功功率，從而達(dá)到對(duì)電網(wǎng)電壓振幅的控制[8]。

孤島光伏微電網(wǎng)多個(gè)分布的發(fā)電機(jī)往往是并聯(lián)的。從圖2 中可以看出，多臺(tái)分布式發(fā)電機(jī)通過(guò)連接線路并聯(lián)至相同的負(fù)荷母線。

圖2 分布式電源接入負(fù)載母線等效電路

由圖2 可知，微電網(wǎng)的分布供電方式可以在同一時(shí)間將足夠的電力輸送到公用負(fù)荷母線上，以確保各逆變器的輸出電壓完全一致。各分布式電源的容量平衡分布方式有效地控制了各分布式電源的有功功率、無(wú)功功率[9-10]，并在此基礎(chǔ)上找出了一個(gè)平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

1.2.2 下層控制

下層控制根據(jù)所發(fā)出的電能質(zhì)量級(jí)別命令來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略，具體的協(xié)同控制戰(zhàn)略是：孤島微電網(wǎng)的輸出功率和負(fù)載需求不匹配，導(dǎo)致了電力系統(tǒng)的低容量運(yùn)行[11]。由于該方案的功率消耗很小，僅有一臺(tái)具有下垂控制的微型計(jì)算機(jī)，因此能夠根據(jù)下垂控制的特性來(lái)增加或減少輸出，從而保證了系統(tǒng)的能量平衡[12]。

通過(guò)對(duì)微電網(wǎng)的分級(jí)管理，可以把其所做的工作全部交給上級(jí)，降低了復(fù)雜度，使微電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化。此外，采用微電網(wǎng)級(jí)別控制后，該系統(tǒng)具有較大的靈活性，

可以方便地將分布式發(fā)電等控制功能引入到系統(tǒng)中。

2 不平衡分層補(bǔ)償控制

為了實(shí)現(xiàn)孤島光伏微電網(wǎng)電壓不平衡補(bǔ)償，避免對(duì)集中控制器的依賴，提出了雙環(huán)比例積分的PI調(diào)節(jié)方法，有效保證了對(duì)補(bǔ)償信號(hào)的精準(zhǔn)跟蹤[13]。

在非對(duì)稱條件下，輸出功率是由分層頻率和輸入功率決定的。在分層結(jié)構(gòu)中，使用低通濾波器濾除冗余分量，獲取對(duì)應(yīng)的有功和無(wú)功功率分量。根據(jù)雙層控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合下垂機(jī)制，修正各個(gè)單元正、負(fù)序分量，進(jìn)而達(dá)到對(duì)每個(gè)單元功率平均分配的目的[14]。下垂機(jī)理由以下公式組成：

式中，ω1、ω0分別表示經(jīng)過(guò)濾波器處理后生成的角頻率和額定角頻率；V2、V0分別表示經(jīng)過(guò)濾波器處理后生成的電壓和額定電壓；α1、α2分別表示角頻率和電壓下垂系數(shù)；W1、W2分別表示有功功率和無(wú)功功率；、分別表示經(jīng)過(guò)濾波器處理后生成有功功率和無(wú)功功率[15]。

虛擬阻抗可以在不損失功率的情況下，增加系統(tǒng)的阻尼，降低有功和無(wú)功功率的耦合。將電壓矢量定向結(jié)果輸入到坐標(biāo)系dq中，該坐標(biāo)系的d軸為虛擬阻抗控制，q軸為電壓控制[16-19]。

虛擬阻抗控制可由式（2）表示：

負(fù)載變化下的電壓下垂控制示意圖如圖3所示。

圖3 電壓下垂控制示意圖

圖3 中，當(dāng)孤島光伏微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，正常工作點(diǎn)是A 點(diǎn)，下垂直線為L(zhǎng)1；在電網(wǎng)中添加負(fù)載后，工作點(diǎn)變?yōu)榱薆 點(diǎn)，電壓由A 降到了B，同時(shí)負(fù)載也發(fā)生了較大變化。此時(shí)，如果電壓下降過(guò)大，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重影響。當(dāng)電壓恢復(fù)到A 點(diǎn)時(shí)，采用雙環(huán)比例積分的PI 調(diào)節(jié)策略，對(duì)電壓不平衡度補(bǔ)償。

構(gòu)建的第一環(huán)電壓參考值為：

構(gòu)建的第二環(huán)電壓參考值為：

由于基準(zhǔn)電壓包含正、負(fù)序兩種信息，所以使用雙環(huán)比例積分的PI 調(diào)節(jié)策略既能調(diào)節(jié)正、負(fù)序電壓，又能防止序分量的分離。這種方法是通過(guò)采用各個(gè)分布式電源的軸負(fù)序成分量來(lái)補(bǔ)償不平衡的，從而達(dá)到對(duì)各個(gè)分布式電源不平衡的補(bǔ)償。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 孤島光伏微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

以孤島光伏微電網(wǎng)為例，其典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 孤島光伏微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

孤島光伏微電網(wǎng)以光電板為主要電源，采用變換器、濾波方法，對(duì)電網(wǎng)的輸出信號(hào)變換、濾波，使其滿足用戶要求，并在此基礎(chǔ)上，采用預(yù)先設(shè)置的控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)母線電壓和功率的控制。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

以圖4 所示的拓?fù)浣Y(jié)果為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下所示：

第一步：當(dāng)t=0 s 時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)，分布式電源1 至n開(kāi)始供電，并逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

第二步：當(dāng)t=4 s 時(shí)，系統(tǒng)在負(fù)載不平衡的情況下被引入，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)的非平衡運(yùn)行。

第三步：當(dāng)t=6 s 時(shí)，在非均衡條件下，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)非均衡操作。

第四步：當(dāng)t=8 s 時(shí)，分布式電源n停止操作，分布式電源1 和2 繼續(xù)供電。

根據(jù)上述步驟獲取8 s 內(nèi)電路負(fù)載吸收的有功和無(wú)功功率，如表1 所示。

表1 電路負(fù)載有功和無(wú)功功率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表1 可知，電路負(fù)載吸收的有功、無(wú)功功率從穩(wěn)定狀態(tài)突然降低，并保持不變。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別使用下垂控制策略、二次控制策略和分層控制方法，對(duì)比分析電壓不平衡度，如圖5 所示。

圖5 不同方法電壓不平衡度對(duì)比分析

由圖5 可知，在實(shí)施控制方案前，電壓不平衡度在0.5 s 前由0 上升到5.7%；在0.5～4 s 時(shí)間范圍內(nèi)，不平衡度保持5.7%不變；在4～4.5 s 時(shí)間范圍內(nèi)，不平衡度由5.7%上升到7.9%；在4.5～8 s 時(shí)間范圍內(nèi)，不平衡度保持7.9%不變。

針對(duì)電壓不平衡度隨著時(shí)間變化顯著升高的趨勢(shì)，使用下垂控制策略，電壓不平衡度在0.5 s 前由0上升到4.8%；在0.5～4 s 時(shí)間范圍內(nèi)，不平衡度保持4.8%不變；在4～4.5 s 時(shí)間范圍內(nèi)，不平衡度由4.8%上升到7.2%；在4.5～8 s 時(shí)間范圍內(nèi)，不平衡度保持7.2%不變。使用該策略與控制前電壓不平衡度相差不大，說(shuō)明使用該策略控制效果不明顯。使用二次控制策略，電壓不平衡度在0.5 s 前由0 上升到3.8%；在0.5～4 s 時(shí)間范圍內(nèi)，不平衡度保持3.8%不變；在4～4.5 s 時(shí)間范圍內(nèi)，不平衡度由3.8%上升到6.1%；在4.5～8 s 時(shí)間范圍內(nèi)，不平衡度保持6.1%不變。因此，使用該策略的不平衡電壓控制效果優(yōu)于下垂控制策略。使用分層控制方法，電壓不平衡度在0.5 s前由0 上升到1.8%；在0.5～4 s 時(shí)間范圍內(nèi)，不平衡度保持1.8%不變；在4～4.5 s 時(shí)間范圍內(nèi)，不平衡度由1.8%上升到2.1%；在4.5～8 s 時(shí)間范圍內(nèi)，不平衡度保持2.1%不變。因此，使用該策略的不平衡電壓控制效果優(yōu)于下垂控制策略、二次控制策略。

通過(guò)上述分析結(jié)果可知，使用分層控制方法，小負(fù)載接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過(guò)短暫的負(fù)載變化后，電網(wǎng)又重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中在明確孤島光伏微電網(wǎng)中因負(fù)荷不均衡所造成的電壓不均衡問(wèn)題的基礎(chǔ)上，建立了雙層控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了分層控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電壓不平衡的分布式協(xié)同優(yōu)化控制。為了進(jìn)一步促進(jìn)電力工業(yè)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，針對(duì)孤島微電網(wǎng)中的電壓不平衡問(wèn)題，利用分布式電源補(bǔ)償控制。

在下一步研究中，深入探討分布式電源與其他電能質(zhì)量控制系統(tǒng)之間的交互和控制區(qū)域的耦合關(guān)系，并研究微電網(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和配電系統(tǒng)。