賈磊磊 張旭 周濤 陶者青

摘要：由于傳統(tǒng)下垂控制會(huì)使電壓幅值和頻率產(chǎn)生偏移，瞬時(shí)響應(yīng)速度受限，以及由于線(xiàn)路阻抗不匹配所造成的環(huán)流等問(wèn)題，提出了基于線(xiàn)路壓降補(bǔ)償?shù)目蓽p小微網(wǎng)母線(xiàn)電壓幅值偏移的下垂控制理論，并且該方法可維持逆變電源本地輸出電壓幅值和頻率的穩(wěn)定。針對(duì)實(shí)際低壓微網(wǎng)系統(tǒng)中線(xiàn)路阻抗為阻性，首先忽略線(xiàn)路阻抗中感抗成分，修正傳統(tǒng)下垂控制模型，改進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)；其次基于傳統(tǒng)電網(wǎng)中二次調(diào)頻理論，控制器增加電壓幅值和頻率的無(wú)差調(diào)節(jié)，維持逆變電源本地輸出電壓幅值和頻率的穩(wěn)定；再次，考慮逆變器到微網(wǎng)母線(xiàn)之間傳輸線(xiàn)上的電壓降，控制器再加入傳輸線(xiàn)路壓降補(bǔ)償。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提出方法的正確性。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)母線(xiàn)；下垂控制；電壓穩(wěn)定；頻率恒定；分布式發(fā)電

中圖分類(lèi)號(hào)：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

1 引言

化石燃料是現(xiàn)階段人類(lèi)所需能源的主要來(lái)源，但化石能源的不可再生性及其大規(guī)模使用造成的環(huán)境問(wèn)題使其面臨著雙重壓力。因而人們?cè)趯で笠环N可再生環(huán)境友好型的綠色能源來(lái)補(bǔ)充化石能源，甚至是替代化石能源。風(fēng)能，太陽(yáng)能生物能源都是解決的途徑，但現(xiàn)今上述可再生能源

的使用通常是以分布式能源出現(xiàn)的，分布式能源

又通過(guò)微電網(wǎng)的形式間接的接入主電網(wǎng)，因而微

網(wǎng)中分布式能源的控制方式成為研究的熱點(diǎn)。

現(xiàn)今已有的微網(wǎng)中分布式能源的控制方式有主從控制方法，平均電流控制方法，以及頻率電壓的下垂控制[1]。

主從控制方法選定一個(gè)電壓源逆變電源做為主控單元，其他的分布式電源做為從屬單元，主控單元負(fù)責(zé)維持系統(tǒng)中電壓幅值和頻率的穩(wěn)定，并且產(chǎn)生從屬單元所需的電流信號(hào)[2-3]。主從控制有其自身的優(yōu)點(diǎn)，就是無(wú)需鎖相環(huán)節(jié)，并且達(dá)到很好的負(fù)載分配的效果，并且線(xiàn)路阻抗的特性不影響負(fù)載分配的效果。但其自身也存在著很?chē)?yán)重的缺陷，其系統(tǒng)冗余性差，主控節(jié)點(diǎn)的失控會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，且整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定依靠從屬單元達(dá)到一定的數(shù)量，以及主控單元與從屬單元需要通信和控制總線(xiàn)進(jìn)行連接，因而對(duì)分布式發(fā)電來(lái)說(shuō)可靠性差。

平均電流法通過(guò)檢測(cè)母線(xiàn)電流信號(hào)，按比例產(chǎn)生分布式電源自身的電流給定信號(hào)，具有一定的優(yōu)點(diǎn)：達(dá)到了很好的負(fù)載分配效果，瞬時(shí)響應(yīng)較快，并且能夠減小環(huán)流[4-6]。這種方法也有很多局限之處，由于要檢測(cè)負(fù)載電流以及確定系統(tǒng)中分布式電源的數(shù)量，因而采用平均電流控制的系統(tǒng)不易擴(kuò)展，并且其間有互聯(lián)線(xiàn)的存在，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，冗余性，使分布式的概念大打折扣。

下垂控制基于檢測(cè)本地信號(hào)，真正實(shí)現(xiàn)了分布式控制，并且具有很高的穩(wěn)定性及冗余性，使系統(tǒng)易于擴(kuò)展。但是其缺點(diǎn)是使電壓和頻率造成了一定的偏移，基于功率檢測(cè)的作用會(huì)降低系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度，以及逆變器之間由于線(xiàn)路阻抗特性的不同所造成的環(huán)流等問(wèn)題[7]。

但下垂控制一系列的改進(jìn)方法將上述不足做了很大的改善。本文研究的情況為低壓微電網(wǎng)。

2 下垂控制分析

2.1 傳統(tǒng)下垂控制

接入微網(wǎng)的分布式電源可以通過(guò)如圖-1的電路進(jìn)行等效。

，R為線(xiàn)路的等效感抗和阻抗。其傳輸?shù)墓β士捎上率竭M(jìn)行表示[8-9]：

當(dāng)線(xiàn)路阻抗中，忽略阻抗R的作用時(shí)，其表達(dá)式可得到如下表達(dá)式[10]：

通過(guò)上式可以看出，有功功率主要和DG與微網(wǎng)母線(xiàn)電壓的相位差有關(guān)，無(wú)功功率主要DG與微網(wǎng)的電壓差值有關(guān)系，由于頻率信號(hào)便于檢測(cè)因而，傳統(tǒng)下垂控制采用下列式子進(jìn)行控制：

fref為額定頻率，Vref為額定電壓幅值，kp，kq為下垂系數(shù)，P，Q為逆變器輸出的有功和無(wú)功功率。當(dāng)逆變器輸出的有功功率增大時(shí)，頻率會(huì)有一定的下降，當(dāng)輸出的無(wú)功增大時(shí)，電壓會(huì)有微小的降低，這樣最終實(shí)現(xiàn)了供電與負(fù)載的平衡和逆變器之間的功率分配[11]。關(guān)系可如圖-2所示：

傳統(tǒng)的下垂控制基于線(xiàn)路阻抗為感抗的模型，但實(shí)際中，低壓系統(tǒng)中的線(xiàn)路阻抗為阻抗，因而通常為達(dá)到較為理想的控制效果在系統(tǒng)中串聯(lián)電感，但是下垂控制在帶來(lái)電壓和頻率偏移的同時(shí)，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)已不盡人意，源于控制環(huán)節(jié)線(xiàn)路阻抗模型與實(shí)際模型之間的差別[12]。因而可改進(jìn)采用如下的反下垂控制的方法。

2.2 反下垂控制

反下垂控制在（1）、（2）式的基礎(chǔ)上，將線(xiàn)路組抗中的感抗成分X忽略掉，得到如下的控制方式：

此時(shí)電壓和頻率的控制入下式所示：

其控制框圖如下所示：

反下垂控制在穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)方面比傳統(tǒng)下垂控制有很大的改進(jìn)，其原因是其控制部分采用的模型與實(shí)際模型更加接近。但是當(dāng)輸出功率增大時(shí)，反下垂控制的電壓和頻率會(huì)產(chǎn)生顯著的偏移。因而進(jìn)一步采用能夠維持本地輸出電壓和頻率穩(wěn)定的改進(jìn)的下垂控制。

2.3 改進(jìn)的下垂控制

基于傳統(tǒng)電網(wǎng)中二次調(diào)頻的理論，衍生出了改進(jìn)的下垂控制。

當(dāng)負(fù)荷引起頻率偏移時(shí)，一般利用發(fā)電機(jī)組上裝設(shè)的調(diào)速器來(lái)控制和調(diào)整原動(dòng)機(jī)的輸入功率，以維持系統(tǒng)的頻率水平，這稱(chēng)為頻率的一次調(diào)整。當(dāng)負(fù)荷變化引起的頻率偏移較大，僅靠調(diào)速器的作用往往不能將頻率偏移限制在允許的范圍之內(nèi)，此時(shí)必須由調(diào)頻器參與控制與調(diào)整，這種調(diào)整稱(chēng)為頻率的二次調(diào)整。

改進(jìn)的下垂控制原理圖如下所示：

所示，當(dāng)負(fù)載由（PL0，QL0）增大到（PL1，QL1）時(shí)，重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)會(huì)使電壓和頻率發(fā)生偏移，利用二次調(diào)頻的原理將原有的下垂控制曲線(xiàn)進(jìn)行變化，由（PG1，QG1）變化到（PG2，QG2），則可保持逆變器輸出的電壓和頻率保持恒定。其控制框圖如下所示：改進(jìn)的下垂控制達(dá)到的效果是能夠維持本地輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。由于分布式電源通過(guò)一定的傳輸線(xiàn)路連接到微網(wǎng)母線(xiàn)上，由于逆變器輸出點(diǎn)頻率保持在額定值，因而微網(wǎng)母線(xiàn)電壓的頻率也能維持在額定值，因而消除了下垂控制在頻率上產(chǎn)生的偏移。微網(wǎng)中電壓幅值存在如下關(guān)系：

（11）

Vo為逆變器本地輸出，？V為線(xiàn)路壓降，Vbus為微網(wǎng)母線(xiàn)電壓。當(dāng)輸出的功率增大時(shí)，逆變器雖然能夠維持本地輸出的電壓幅值保持恒定，即Vo恒定，但是功率增大，電流也增大，逆變器到微網(wǎng)母線(xiàn)之間的傳輸線(xiàn)上的電壓降也隨之增大，？V增大，最后造成微網(wǎng)母線(xiàn)電壓的幅值出現(xiàn)降低，即Vbus降低因而下垂控制在電壓幅值上產(chǎn)生的偏移沒(méi)有被完全消除[13]。針對(duì)這一不足，本文進(jìn)一步改進(jìn)提出了基于線(xiàn)路壓降補(bǔ)償可減小微網(wǎng)母線(xiàn)電壓幅值的偏移并維持本地輸出電壓和頻率的穩(wěn)定下垂控制。

3 加入線(xiàn)路壓降補(bǔ)償?shù)南麓箍刂?/p>

在上述維持本地輸出電壓和頻率的穩(wěn)定下垂控制的基礎(chǔ)上，再考慮？V的作用，當(dāng)傳輸線(xiàn)路中的電流增大時(shí)，線(xiàn)路壓降也隨之增大， ？V的大小我們可以通過(guò)檢測(cè)逆變器本地輸出的電流信號(hào)，通過(guò)令其與估算的傳輸線(xiàn)阻抗Z相乘可得，我們可以通過(guò)下式來(lái)控制，

（12）

（13）

通過(guò)以上式子，我們可以維持Vo穩(wěn)定，此時(shí)Vo與Vbus相等。

令電壓環(huán)節(jié)電壓的參考值按輸出電流的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，如下所示：

（14）

電壓環(huán)節(jié)控制的結(jié)構(gòu)圖如下所示：

Io為逆變器輸出電流，通過(guò)令電壓給定信號(hào)跟隨輸出電流的變化而變化，從而達(dá)到消除線(xiàn)路壓降？V變化的影響。

4 仿真過(guò)程驗(yàn)證

仿真中逆變器采用的整體框架如下圖所示：

仿真過(guò)程中，0.5s時(shí)微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)由并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行。如圖-10所示為兩種方案在相同情況下微網(wǎng)母線(xiàn)電壓的對(duì)比，分別為改進(jìn)的下垂控制和加入線(xiàn)路壓降補(bǔ)償?shù)南麓箍刂啤?/p>

從上圖中可看出，微網(wǎng)在由0.5s由并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行時(shí)，改進(jìn)的下垂控制電壓有明顯的降低，原因是輸出功率增大，線(xiàn)路壓降增大，加入線(xiàn)路壓降補(bǔ)償后，微網(wǎng)母線(xiàn)電壓的下降大為減少。通過(guò)加入傳輸線(xiàn)壓降的補(bǔ)償，大大提高了微網(wǎng)母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定。圖中當(dāng)相同的功率增加時(shí)，電壓下降的量由0.012（pu）降低為0.002.

加入線(xiàn)路阻抗后，會(huì)不會(huì)影響逆變器之間的功率分配，通過(guò)圖-11可以看出，雖然加入線(xiàn)路壓降補(bǔ)償后，兩臺(tái)逆變器輸出的功率還是達(dá)到了很好的功率分配的要求。

通過(guò)以上仿真對(duì)比證明了加入線(xiàn)路壓降補(bǔ)償后，微網(wǎng)母線(xiàn)電壓在負(fù)載發(fā)生變化的情況下波動(dòng)更小，且達(dá)到了很好的功率分配的要求。

5 總結(jié)

本文首先介紹了主從控制，平均電流法及下垂控制各自的優(yōu)缺點(diǎn)，之后詳細(xì)介紹了下垂控制中的傳統(tǒng)下垂控制，反下垂控制以及改進(jìn)的下垂控制。低壓系統(tǒng)中，反下垂控制提高了快速性和穩(wěn)定性，改進(jìn)的下垂控制實(shí)現(xiàn)了消除頻率偏移的目標(biāo)，但沒(méi)有實(shí)現(xiàn)消除微網(wǎng)微網(wǎng)母線(xiàn)電壓偏移的目的，本文提出的線(xiàn)路壓降補(bǔ)償?shù)姆椒?，在很大程度上減小了微網(wǎng)母線(xiàn)電壓幅值由于下垂控制所產(chǎn)生的下降偏移，很好的維持了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，且達(dá)到了功率分配的要求。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了其正確性。

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