孤島微電網(wǎng)下垂控制技術(shù)研究

[關(guān)鍵詞]孤島微電網(wǎng)；下垂控制；虛擬阻抗

引言

在廣泛建設(shè)電力系統(tǒng)的過(guò)程中，我國(guó)的能源資源等逐漸呈現(xiàn)出較為明顯的緊缺局面。解決能源短缺，創(chuàng)造清潔電力能源成為了我國(guó)當(dāng)前發(fā)展的首要目標(biāo)?；诖?，全新的微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，它可以通過(guò)分布式電源、儲(chǔ)能裝置等眾多設(shè)備結(jié)構(gòu)組成小型發(fā)配電系統(tǒng)。但微電網(wǎng)處于孤島狀態(tài)，為了使其長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的控制策略。常見的應(yīng)對(duì)策略為下垂控制方式，它能夠確保微電網(wǎng)在面對(duì)各類緊急事故或自然災(zāi)害時(shí)始終保持穩(wěn)定運(yùn)行。但隨著微電網(wǎng)的發(fā)展，下垂控制技術(shù)也呈現(xiàn)出一定的不足，急需加以優(yōu)化。

一、微電網(wǎng)下垂控制技術(shù)原理

通過(guò)并聯(lián)多個(gè)微電源所形成的電網(wǎng)系統(tǒng)就是微電網(wǎng)。為了滿足無(wú)通信狀態(tài)下的微電源電壓與頻率控制，一般可采用下垂控制技術(shù)。其原理是通過(guò)比較微電源輸出功率及負(fù)荷實(shí)際消耗功率的方式，根據(jù)下垂特性對(duì)電壓與頻率賦值輸出的參考值進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而在對(duì)頻率賦值及電壓加以調(diào)整的過(guò)程中，獲得負(fù)荷消耗功率值與輸出功率值的平衡狀態(tài)。

這一控制過(guò)程建立在微電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗的基礎(chǔ)上，若此時(shí)微電網(wǎng)沒有產(chǎn)生超過(guò)負(fù)荷消耗有功功率參數(shù)值的有功功率，此時(shí)則需要通過(guò)P/f完成對(duì)下垂特性的有效控制，促使輸出頻率不斷降低，使輸出的有功功率保持相對(duì)較高的狀態(tài)。若與之相反，微電源生成了比負(fù)荷消耗功率值相對(duì)更大的有功輸出功率，則可通過(guò)升高頻率的方式減小輸出功率。同理，若微電源形成了差異性的負(fù)荷消耗以及無(wú)功功率，則可按照QN下垂特性對(duì)電壓幅值進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)的方式，達(dá)到最終的期望運(yùn)行工作點(diǎn)。

具體的計(jì)算主要是基于下垂控制方法，先由功率計(jì)算模塊進(jìn)行測(cè)量，隨即獲得相應(yīng)的負(fù)載端電壓及凈輸出電流。表現(xiàn)在對(duì)微電源當(dāng)前有功輸出功率以及無(wú)功功率分別進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而對(duì)比設(shè)定的無(wú)功功率與參考功率，結(jié)合下垂控制曲線獲得指令電壓以及指令頻率，隨后分別處理電壓以及電流，并通過(guò)電壓及電流雙環(huán)控制器調(diào)節(jié)PI，最終獲取正弦調(diào)制信號(hào)。

二、下垂控制技術(shù)的局限

作為在微電網(wǎng)中最為有效的控制方法，下垂控制可滿足自主控制需求，即在無(wú)通信狀態(tài)下也能夠根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行情況自動(dòng)進(jìn)行控制。但是傳統(tǒng)下垂控制有一定不足之處，這是由于其通過(guò)對(duì)輸出電壓及頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)從而獲取無(wú)功以及有功，因此在增加輸出功率時(shí)，可能會(huì)對(duì)電壓以及頻率產(chǎn)生影響導(dǎo)致其參數(shù)下降。由于接口逆變器具有差異性的線路阻抗，會(huì)對(duì)功率均分效果產(chǎn)生直接影響，具有較小線路阻抗的逆變器承擔(dān)的功率相對(duì)更多，反之若阻抗較大，則功率相對(duì)較小。當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，基于多個(gè)并聯(lián)微電源的構(gòu)成形式，可通過(guò)簡(jiǎn)化逆變器并聯(lián)運(yùn)行模型的方式加以分析。利用下垂控制微電網(wǎng)時(shí)，能夠使PCC電壓與逆變器輸出電壓向量之間具有相對(duì)較小的夾角。

為保證微電源能夠按照既定的比例合理分配微電源的逆變器輸出功率，不僅需要保障逆變器具有與參考電壓一致的參考頻率，還要求逆變器輸出下垂系數(shù)與容量之間具有反比關(guān)系，輸出端的阻抗與下垂系數(shù)之間保持正比關(guān)系。當(dāng)微電網(wǎng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于其具有低壓特征，此時(shí)的逆變器呈現(xiàn)出阻感性或是阻性等輸出線路特征，既難以滿足相同相位以及電壓幅值的輸出要求，又無(wú)法滿足下垂系數(shù)與輸出端線路阻抗正比的關(guān)系。同時(shí)由于下垂控制具有較快速度導(dǎo)致電壓或頻率等穩(wěn)定性較差，此時(shí)即使較小的負(fù)荷波動(dòng)也可能會(huì)造成參數(shù)突變，進(jìn)而為孤島微電網(wǎng)的供電效果產(chǎn)生影響，從而無(wú)法滿足正常運(yùn)行要求。

三、下垂控制策略優(yōu)化設(shè)計(jì)

（一）下垂控制機(jī)制設(shè)計(jì)

基于上文對(duì)下垂控制原理的分析，通過(guò)對(duì)逆變器的電壓幅值以及輸出頻率加以調(diào)整，可以促使二者保持良好平衡，確保對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷及發(fā)電功率有效控制。鑒于下垂控制在以往的應(yīng)用過(guò)程中存在著一定的不足，為保障下垂控制在微電網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程中始終保持良好的應(yīng)用狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)對(duì)其下垂控制進(jìn)行優(yōu)化?；诖?，本文提出一種全新的虛擬阻抗自適應(yīng)控制策略，其主要目的是在以往的下垂控制原理基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬阻抗應(yīng)用理念，滿足自適應(yīng)的有效調(diào)整需求，并進(jìn)一步根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行的基礎(chǔ)測(cè)試需求，精準(zhǔn)計(jì)算下垂系數(shù)。

通過(guò)對(duì)微電網(wǎng)下垂控制中的阻抗控制范圍進(jìn)行采集，并根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行中的負(fù)荷值及實(shí)際控制范圍精準(zhǔn)計(jì)算下垂系數(shù)，可以在下垂控制與虛擬阻抗相結(jié)合的全新模式下，通過(guò)對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)下垂系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保下垂控制能夠充分滿足微電網(wǎng)差異性的運(yùn)行要求及環(huán)境負(fù)荷參數(shù)。對(duì)微電網(wǎng)的發(fā)電功率及實(shí)時(shí)運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行采集，還可以對(duì)頻率的偏差情況進(jìn)行計(jì)算。公式表示為：

K=S2+D2/D1（1）

在公式（1）中，S表示為微電網(wǎng)產(chǎn)生的電壓偏差；D1和D2則分別為電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的初始電壓幅值及實(shí)測(cè)電壓幅值；K表示微電網(wǎng)運(yùn)行的頻率偏差。根據(jù)當(dāng)前測(cè)定所得的具體成果，可在對(duì)電壓幅值進(jìn)行調(diào)整的同時(shí)控制輸出頻率，進(jìn)而對(duì)下垂控制當(dāng)前的頻率特征進(jìn)行分析。

根據(jù)圖1的內(nèi)容進(jìn)一步對(duì)比處于虛擬阻抗的下垂控制頻率變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在增加下垂控制次數(shù)的過(guò)程中，微電網(wǎng)逆變器的實(shí)際覆蓋范圍也得到了擴(kuò)大，且運(yùn)行速度也有了相應(yīng)提高。基于此，則可以設(shè)計(jì)下垂控制技術(shù)。由于逆變器發(fā)生相互作用，可以構(gòu)成完整的交互網(wǎng)絡(luò)并促使微電網(wǎng)始終保持良好的平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)。因此，設(shè)計(jì)下垂控制機(jī)制的核心在于調(diào)節(jié)逆變器電壓幅值以及其對(duì)應(yīng)輸出頻率，使其保持平衡的功率負(fù)荷狀態(tài)。若微電網(wǎng)中出現(xiàn)明顯的負(fù)荷變化情況，受到控制機(jī)制的影響，可在最短時(shí)間內(nèi)根據(jù)這一現(xiàn)象快速做出反饋，及時(shí)對(duì)逆變器的電壓及輸出頻率等作出調(diào)節(jié)反應(yīng)，保持平衡的功率與負(fù)荷參數(shù)，促使孤島微電網(wǎng)保持安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。此外，通過(guò)下垂控制機(jī)制的設(shè)計(jì)，可以重啟故障逆變器，若發(fā)現(xiàn)無(wú)法重啟，則可對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)隔離。當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行中，某一逆變器發(fā)生故障無(wú)法正常運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)下垂控制及時(shí)檢測(cè)，并通過(guò)對(duì)其他逆變器進(jìn)行調(diào)整的方式，重啟故障設(shè)備并進(jìn)行隔離，保障控制環(huán)境始終處于較為良好的狀態(tài)。

（二）下垂控制模型

在設(shè)計(jì)完下垂控制的交互機(jī)制之后，需要為下垂控制創(chuàng)建模型。具體可以建立在結(jié)合虛擬阻抗應(yīng)用過(guò)程中所形成的自適應(yīng)狀態(tài)，根據(jù)孤島微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下的使用需求，創(chuàng)建基于逆變器并聯(lián)的控制模型。第一步可以根據(jù)多代理系統(tǒng)特征，按照分布式問題的形式，對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備故障檢測(cè)以及控制進(jìn)行轉(zhuǎn)化，即將孤島微電網(wǎng)設(shè)備當(dāng)作多個(gè)不同的智能代理，并為其創(chuàng)建相應(yīng)的智能控制器，從而集中控制孤島微電網(wǎng)中的各項(xiàng)設(shè)備結(jié)構(gòu)，并對(duì)微電網(wǎng)整體進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。第二步則可以基于虛擬阻抗的接引與應(yīng)用，在下垂控制當(dāng)中進(jìn)行連接。在模型當(dāng)中，將虛擬阻抗看做可變阻抗，同樣具有對(duì)逆變器電壓幅值及輸出頻率加以調(diào)節(jié)控制的作用。不僅如此，虛擬阻抗的參數(shù)值可以根據(jù)微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)分析，進(jìn)而自動(dòng)啟動(dòng)適應(yīng)性調(diào)節(jié)功能，使微電網(wǎng)整體呈現(xiàn)出更加良好的運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)所構(gòu)成的虛擬阻抗參數(shù)如表1所示。

對(duì)上表中的數(shù)據(jù)展開進(jìn)一步的研究分析，可知調(diào)整虛擬阻抗的既定參數(shù)后，可以通過(guò)并聯(lián)具有相同容量逆變器的方式，對(duì)逆變器的環(huán)流分量進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)定。這一過(guò)程涉及到的參數(shù)包括下垂控制在微電網(wǎng)進(jìn)行控制時(shí)的初始范圍參數(shù)及實(shí)際范圍參數(shù)，因此，不僅需要對(duì)下垂控制過(guò)程中的范圍動(dòng)態(tài)延伸變化參數(shù)進(jìn)行采集統(tǒng)籌，并結(jié)合虛擬阻抗與微電網(wǎng)的距離參數(shù)精確計(jì)算逆變器當(dāng)前的實(shí)際環(huán)流分量參數(shù)，還需要根據(jù)實(shí)際測(cè)定結(jié)果，結(jié)合環(huán)流分量參數(shù)的變化動(dòng)態(tài)，對(duì)孤島微電網(wǎng)逆變器現(xiàn)有運(yùn)行參數(shù)加以界定，進(jìn)而分析判斷逆變器處于何種運(yùn)行狀態(tài)，從而為下垂控制的虛擬阻抗自適應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的控制范圍，并生成對(duì)應(yīng)模型。

該模型應(yīng)當(dāng)包含基于虛擬阻抗下垂控制對(duì)于微電網(wǎng)能夠產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)可控范圍且該模型應(yīng)當(dāng)能夠通過(guò)計(jì)算虛擬阻抗的感應(yīng)頻率與阻抗實(shí)際感應(yīng)范圍的比值，并計(jì)算虛擬阻抗單項(xiàng)距離與阻抗差值之間的乘積，將這兩個(gè)參數(shù)相乘，得到虛擬阻抗自適應(yīng)設(shè)計(jì)的最低限度值。經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以利用虛擬阻抗在微電網(wǎng)的下垂控制，形成自適應(yīng)的運(yùn)行效果，從而生成優(yōu)化模型。隨后在模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)整定向，以確保下垂控制模型可在孤島微電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中形成更加快速的故障檢測(cè)效率，從而有效縮短故障檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間，確保微電網(wǎng)在運(yùn)行中出現(xiàn)任何故障問題時(shí)，均可在較短時(shí)間內(nèi)解決。此外，該模型還能夠及時(shí)隔離故障設(shè)備并重啟，從而避免設(shè)備故障引發(fā)微電網(wǎng)整體發(fā)電損失。

（三）補(bǔ)償核驗(yàn)

完成下垂控制的虛擬阻抗優(yōu)化建模之后，需要確保下垂控制應(yīng)用于微電網(wǎng)時(shí)能夠形成較為良好的自適應(yīng)狀態(tài)，從而縮短故障檢測(cè)時(shí)間，這需要通過(guò)補(bǔ)償核驗(yàn)的方式加以處理。通過(guò)對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的電壓偏差及輸出頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄的方式，結(jié)合對(duì)逆變器相位參數(shù)以及輸出功率的動(dòng)態(tài)測(cè)量記錄值，對(duì)當(dāng)前下垂控制模型對(duì)微電網(wǎng)起到的下垂控制效果加以分析。若發(fā)現(xiàn)下垂控制出現(xiàn)一定的偏差，則可通過(guò)補(bǔ)償核驗(yàn)的方式進(jìn)一步調(diào)整下垂控制策略。

根據(jù)以往相關(guān)工作案例進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，微電網(wǎng)逆變器往往具有一定的運(yùn)行規(guī)律。因此，當(dāng)下垂控制策略發(fā)揮其作用時(shí)，可利用補(bǔ)償核驗(yàn)的方式，通過(guò)編制適應(yīng)下垂控制策略的核驗(yàn)機(jī)制，進(jìn)一步補(bǔ)償下垂控制過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差并科學(xué)修正處理。具體而言，補(bǔ)償核驗(yàn)的具體流程為：首先，設(shè)定同類目標(biāo)作為既定補(bǔ)償目標(biāo)；其次，對(duì)其展開修正處理，并開啟下垂控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效關(guān)聯(lián)；最后，根據(jù)微電網(wǎng)下垂控制過(guò)程中的電壓偏差、相位偏差及頻率偏差等，對(duì)補(bǔ)償修正范圍進(jìn)行設(shè)置。

（四）控制效果檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的虛擬阻抗自適應(yīng)下垂控制策略是否具有良好的應(yīng)用效果，本文以某孤島微電網(wǎng)為例進(jìn)一步展開實(shí)地研究。該孤島微電網(wǎng)從發(fā)電機(jī)直出供電，供電參數(shù)為6.3 kV，期間通過(guò)升壓變壓器給平臺(tái)供電，再通過(guò)單點(diǎn)電滑環(huán)，升至15.2 kV，電滑環(huán)的最大功率為10 MW，發(fā)電機(jī)最大功率為7.6 MW。電網(wǎng)整體為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，無(wú)零線，包含火線與地線。通過(guò)搭建測(cè)試環(huán)境，選定輔助平臺(tái)，根據(jù)上述微電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)設(shè)定仿真測(cè)試目標(biāo)，隨后標(biāo)定處于協(xié)同控制及單項(xiàng)控制下的電網(wǎng)輸出頻率及波動(dòng)比測(cè)試指標(biāo)后，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試結(jié)果分析得出，經(jīng)過(guò)與虛擬阻抗相結(jié)合之后，基于自適應(yīng)狀態(tài)，可控制在1.05以下的控制補(bǔ)償差。這一結(jié)果證明經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后的下垂控制方法能夠?qū)ξ㈦娋W(wǎng)運(yùn)行故障起到更加高效的檢測(cè)作用，下垂控制效果良好，可以保障微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，具有良好應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)語(yǔ)

作為當(dāng)前階段清潔能源的主要應(yīng)用形式，微電網(wǎng)對(duì)于電力系統(tǒng)的創(chuàng)新建設(shè)具有重要意義。孤島微電網(wǎng)作為微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)中的一種特殊形式，對(duì)于運(yùn)行穩(wěn)定性提出了更高的要求。為了滿足孤島微電網(wǎng)的運(yùn)行需求，需要對(duì)下垂控制策略進(jìn)行必要的優(yōu)化，通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)合虛擬阻抗的全新自適應(yīng)性下垂控制策略，將其應(yīng)用到孤島微電網(wǎng)中，能夠取得良好的控制效果，促進(jìn)微電網(wǎng)事業(yè)健康發(fā)展。