顏湘武，王星海，王月茹

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

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微網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下的改進(jìn)下垂控制方法研究

顏湘武，王星海，王月茹

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

受線路阻抗參數(shù)影響，傳統(tǒng)的功率下垂控制難以保證并聯(lián)微源輸出的無功功率按其容量比合理分配。針對(duì)這一問題，提出了一種用于微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的改進(jìn)功率下垂控制策略，公共母線處的中央控制器向各并聯(lián)微源的本地控制器發(fā)送無功功率給定值信號(hào)，通過積分器調(diào)節(jié)后實(shí)現(xiàn)下垂特性曲線的平移，保證并聯(lián)微源輸出的無功功率可以合理分配。此外，在無功-電壓下垂策略中增加了公共母線電壓有效值的反饋控制，保證了該處穩(wěn)態(tài)電壓為額定值；同時(shí)，在有功-頻率下垂策略中通過減小下垂增益保證了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏離額定值很小，加入了有功功率的微分環(huán)節(jié)，保證了下垂增益較小時(shí)系統(tǒng)仍然具有較好的動(dòng)態(tài)性能。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的正確性和有效性。

微網(wǎng)；下垂控制；孤島運(yùn)行；無功功率分配

0　引　言

近年來，分布式發(fā)電(Distributed Generation, DG)技術(shù)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3],包含不同能源形式的DG組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。微網(wǎng)存在2種典型的運(yùn)行模式：聯(lián)網(wǎng)模式與孤島模式[4-5],正常情況下，微網(wǎng)與主電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)大電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不能滿足本地要求時(shí)，微網(wǎng)可切換為孤島運(yùn)行模式，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性，改善了電網(wǎng)的可靠性與安全性[6-7]。

微網(wǎng)運(yùn)行于孤島模式時(shí)，大多采用下垂控制策略，其結(jié)構(gòu)簡單，通過功率與系統(tǒng)頻率、電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率在各DG間的合理分配[8],并可以有效地支撐系統(tǒng)的頻率和電壓[9]。但并聯(lián)微源按容量比例分擔(dān)負(fù)荷功率的條件是等效輸出阻抗與容量成反比[10]，實(shí)際中這一條件很難滿足。文獻(xiàn)[11]指出通過增大下垂增益可以減小無功偏差，但不能完全消除偏差，且會(huì)導(dǎo)致公共耦合點(diǎn)(Point of Common Coupling, PCC)電壓的跌落。文獻(xiàn)[12-13]通過加入虛擬阻抗以達(dá)到改善無功功率分配的目的，但引入較大的虛擬阻抗會(huì)影響PCC的電壓質(zhì)量[14]。文獻(xiàn)[15]提出通過補(bǔ)償微源等效輸出阻抗與線路阻抗壓降的方式來提高無功功率分配精度，同時(shí)提高母線電壓質(zhì)量，但其補(bǔ)償效果依賴于阻抗測量精度。文獻(xiàn)[16]提出了變下垂系數(shù)的方法，選取與功率相關(guān)的一次函數(shù)作為下垂系數(shù)，以提高功率分配精度，但該方法只能改善功率分配情況，并不能實(shí)現(xiàn)微源輸出功率按容量成比例的精確分配。

針對(duì)并聯(lián)微源輸出功率的分配問題，本文以等效輸出阻抗呈感性為例，提出了一種適用于微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)保障微源合理承擔(dān)負(fù)荷功率的改進(jìn)下垂控制策略，PCC處的中央控制器通過低帶寬通信方式向各DG的本地控制器發(fā)送無功功率給定值，通過積分器的調(diào)節(jié)移動(dòng)下垂特性曲線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)孤島模式下負(fù)荷功率的合理分配。此外，在保證無功功率合理分配的基礎(chǔ)上，對(duì)下垂控制器作了進(jìn)一步的改進(jìn)，保證PCC處的穩(wěn)態(tài)電壓和系統(tǒng)頻率為額定值或者偏離額定值很小，提高了公共母線處的電壓和系統(tǒng)的頻率質(zhì)量。

1　下垂控制原理

兩臺(tái)逆變器并聯(lián)簡化模型如圖1所示，由于本文逆變器的電壓環(huán)控制選取了準(zhǔn)比例諧振控制器，其穩(wěn)態(tài)誤差小[17]，故逆變器的輸出阻抗忽略不計(jì)。規(guī)定PCC的電壓為V∠0°，微源i的電壓為Ei∠δi，微源i通過線路阻抗Zi=Ri+jXi連接到PCC處，并聯(lián)系統(tǒng)的公共負(fù)荷為ZL=RL+jXL，Pi、Qi分別為微源i輸出的有功和無功功率，其中(i=1,2)。

圖1　并聯(lián)逆變器簡化模型Fig.1　Simplified model of parallel inverters

逆變器i的輸出功率為

(1)

低壓微網(wǎng)線路阻抗一般呈阻性，但通過增加虛擬電抗可以使等效輸出阻抗呈感性，且以逆變器為接口的微源采用有功-頻率、無功-電壓的下垂控制方法更易于與旋轉(zhuǎn)電機(jī)接口的微源實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率的分配[10],本文以等效輸出阻抗呈感性為例進(jìn)行分析。通常認(rèn)為功率角不大，可以近似為sinδi≈δi、cosδi≈1，式(1)可以簡化為

(2)

由式(2)可知，逆變器輸出的有功功率可以通過相角δi調(diào)節(jié)，無功功率可以通過電壓差Ei-V調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的下垂控制方程式為

(3)

式中：f*和E*分別為逆變器空載條件下輸出電壓的頻率和有效值；fi、Ei分別為逆變器輸出電壓的頻率和有效值給定；mi、ni分別為有功-頻率、無功-電壓的下垂增益。

有功功率可以實(shí)現(xiàn)按逆變器容量比分配的原因是頻率為全局變量，但對(duì)于電壓而言，PCC處的電壓是相同的，如果等效輸出阻抗不滿足與容量成反比的條件，則逆變器的輸出電壓不相同，進(jìn)而造成無功功率不能按比例分配。

以同容量微源并聯(lián)為例，圖2給出了等效輸出阻抗不匹配條件下的并聯(lián)微源無功功率分配情況，根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知：當(dāng)X1>X2時(shí)，微源輸出的無功滿足Q1

圖2　阻抗不匹配時(shí)并聯(lián)微源的無功分配情況Fig.2　Reactive power sharing of parallel micro-sources with mismatched impedance

顯然，對(duì)同容量微源并聯(lián)而言，如果采用相同的下垂特性曲線，當(dāng)線路阻抗不等時(shí)，無功功率無法均分。同理，對(duì)于不同容量的微源并聯(lián)，線路阻抗不滿足與容量成反比時(shí)，無功功率也無法按容量比分配。

2　改進(jìn)的功率下垂控制器設(shè)計(jì)

2.1功率分配控制策略

以同容量微源并聯(lián)而言，針對(duì)線路阻抗不等時(shí)造成的無功不能均分問題，本文提出了一種自適應(yīng)下垂控制策略，根據(jù)輸出功率自動(dòng)平移下垂特性曲線實(shí)現(xiàn)無功的均分，下垂控制方程式為

(4)

自適應(yīng)無功分配下垂控制框圖如圖3所示。

圖3　自適應(yīng)無功分配下垂控制框圖Fig.3　Control block of adaptive droop control for reactive power allocation

其中，kii為自適應(yīng)控制策略中增加的積分器的系數(shù)，Qrefi為微源i的無功功率給定值，由PCC處的中央控制器通過低帶寬通信方式發(fā)送給各微源的本地控制器，對(duì)于此處討論的同容量微源并聯(lián)而言，Qrefi應(yīng)為并聯(lián)微源輸出無功的平均值。

通過式(4)可知，穩(wěn)態(tài)時(shí)積分器的輸入為零，故Qrefi=Qi成立，即無功功率可以實(shí)現(xiàn)均分，而自適應(yīng)控制策略中增加的積分器的輸出相當(dāng)于調(diào)整了無功-電壓下垂曲線的截距，即實(shí)現(xiàn)了下垂曲線的自適應(yīng)平移，從而達(dá)到了無功均分的目的。圖4給出了自適應(yīng)控制策略在線路阻抗不匹配情況下的無功功率分配情況。

圖4　自適應(yīng)下垂控制無功分配情況Fig.4　Reactive power sharing of adaptive droop control

對(duì)于不同容量的微源并聯(lián)，只需中央控制器根據(jù)微源的容量比對(duì)Qrefi作出合理的分配即可實(shí)現(xiàn)無功的比例分配。

2.2提高電壓與頻率質(zhì)量的控制策略

下垂控制本身是一種有差調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，逆變器輸出的電壓和頻率會(huì)隨著功率的變化而變化，與額定值之間可能存在一定的偏差，影響了電壓和頻率質(zhì)量，以下就該問題對(duì)控制器作了進(jìn)一步改進(jìn)以提高電壓和頻率質(zhì)量。

2.2.1無功-電壓控制器設(shè)計(jì)

對(duì)于沒有本地負(fù)荷的并聯(lián)微源而言，PCC處的電壓質(zhì)量至關(guān)重要。為了提高PCC處的電壓質(zhì)量，在無功-電壓下垂控制方程式中增加了PCC電壓有效值的反饋控制，改進(jìn)后的下垂控制方程式為

(5)

式中：Dpi、Dii為PCC電壓有效值閉環(huán)PI控制器的系數(shù)；VN為PCC電壓的額定有效值。由式(5)容易看出，穩(wěn)態(tài)時(shí)V=VN成立，即PCC電壓為額定值，且不會(huì)影響無功功率的分配。

由于2.1節(jié)提出的無功分配方法與本節(jié)所提出的提高PCC電壓質(zhì)量的方法均使用了積分控制，而當(dāng)微網(wǎng)啟動(dòng)或者負(fù)荷突變時(shí)，積分器的輸入即偏差往往較大，容易引起積分飽和，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此本文采用了積分分離法[18]來消除積分飽和。改進(jìn)的無功-電壓控制框圖如圖5所示。

圖5　改進(jìn)無功-電壓控制框圖Fig.5　Improved reactive power-voltage control block

圖5中，對(duì)積分與比例積分控制器的輸出均進(jìn)行了限幅控制，以保證逆變器的輸出電壓在其允許范圍內(nèi)；εQi、εVi為設(shè)定的閾值，HQi、HVi的取值分別如式(6)、(7)所示：

(6)

(7)

HQi、HVi的取值保證了偏差較大時(shí)積分器不起作用，從而有效地消除了積分飽和現(xiàn)象。

2.2.2有功-頻率控制器設(shè)計(jì)

頻率為系統(tǒng)的全局變量，因而有功功率可以保證按容量比分配，通過將有功-頻率控制的下垂增益減小，可以減小穩(wěn)態(tài)頻率與其額定值的偏差，提高系統(tǒng)頻率質(zhì)量。但當(dāng)下垂增益太小時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度太慢，因此在減小下垂增益的同時(shí)，加入了有功功率的微分項(xiàng)，以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。改進(jìn)后的下垂控制方程式為

(8)

式中：mdi為有功功率微分項(xiàng)的系數(shù)。理想情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)有功的微分項(xiàng)為零，故改進(jìn)策略不影響有功功率的分配。

實(shí)際中系統(tǒng)會(huì)長期受到微小擾動(dòng)的影響，因此即使在穩(wěn)態(tài)情況下，有功功率的微分也不一定為零，進(jìn)而可能導(dǎo)致頻率的頻繁波動(dòng)，并且影響有功功率分配精度。因此，本文加入了死區(qū)環(huán)節(jié)，使得有功功率受小擾動(dòng)影響而變化時(shí)，微分項(xiàng)不起作用，避免了頻率的頻繁波動(dòng)，保證了有功功率可以合理分配。同時(shí)，為了保證系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過渡過程中，頻率不會(huì)出現(xiàn)較大地波動(dòng)，對(duì)微分項(xiàng)進(jìn)行了限幅，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。改進(jìn)的有功-頻率控制框圖如圖6所示。

圖6　改進(jìn)有功-頻率控制框圖Fig.6　Improved active power-frequency control block

3　仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提控制策略的有效性和正確性，選取了兩臺(tái)容量比分別為1∶1和2∶1的逆變器并聯(lián)搭建了仿真模型，仿真參數(shù)和結(jié)果如下。

3.1算例1

表1　傳統(tǒng)下垂控制仿真參數(shù)

表2　改進(jìn)下垂控制仿真參數(shù)

其中，表1、表2中下垂增益為標(biāo)幺值形式給定。

圖7給出了仿真結(jié)果，由(a)、(b)可以看出，t=0～0.5 s時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定后的有功功率可以均分，但無功功率不均分；t=0.5 s以后，采用了本文提出的改進(jìn)控制策略，穩(wěn)態(tài)時(shí)逆變器輸出的有功和無功功率都可以均分；且t=1 s時(shí)，負(fù)荷突增，經(jīng)過短暫的過渡過程后，功率重新實(shí)現(xiàn)了均分，雖然改進(jìn)控制策略中的仿真參數(shù)將有功-頻率下垂增益減小到原來的1/10，但由于增加了有功的微分項(xiàng)，因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能并沒有受到太大影響。故改進(jìn)的控制策略不僅穩(wěn)態(tài)功率分配精度高，而且具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

對(duì)于電壓和頻率質(zhì)量方面，由圖7(c)、(d)可以看出，t=0～0.5 s時(shí)采用的是傳統(tǒng)下垂控制，系統(tǒng)頻率和PCC電壓有效值均較大程度地偏離其額定值；而t=0.5 s以后，經(jīng)過改進(jìn)控制策略的調(diào)節(jié)，PCC電壓與系統(tǒng)頻率均逐漸恢復(fù)到其額定值或與額定值偏離很??；且t=1 s負(fù)荷突增后，電壓與頻率發(fā)生了短時(shí)跌落，經(jīng)過控制器調(diào)節(jié)后又迅速恢復(fù)到額定值或者額定值附近。因此，改進(jìn)控制策略在保證穩(wěn)態(tài)功率分配精度的前提下，可以有效地提高公共耦合點(diǎn)電壓與系統(tǒng)頻率質(zhì)量。

圖7　同容量微源并聯(lián)仿真結(jié)果Fig.7　Simulation results of parallel micro-sources with the same capacity

3.2算例2

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的控制策略同樣適用于不同容量微源并聯(lián)的功率分配問題，該算例選取了容量比為2∶1的兩臺(tái)逆變器并聯(lián)，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

該算例中保持下垂增益與算例1相同，由于采用了標(biāo)幺值給定，只需將DG1的額定功率改為20 kW、8 kVar，即可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)微源下垂增益的有名值滿足1∶2的關(guān)系，即下垂增益設(shè)置上與微源容量成反比。

圖8(a)、(b)中，t=0.5 s前有功滿足2∶1的關(guān)系，但無功不滿足，t=0.5 s后，采用了改進(jìn)控制策略，有功和無功都實(shí)現(xiàn)了按容量比2∶1分配，且t=1 s時(shí)負(fù)荷突增，功率很快重新實(shí)現(xiàn)了比例分配，說明系統(tǒng)有很好的動(dòng)態(tài)性能。

圖8　不同容量微源并聯(lián)仿真結(jié)果Fig.8　Simulation results of parallel micro-sources with different capacities

圖8(c)、(d)中，t=0.5 s前，PCC電壓與系統(tǒng)頻率相比額定值均有較大偏差，t=0.5 s后，經(jīng)過改進(jìn)控制策略的調(diào)節(jié)，PCC電壓與系統(tǒng)頻率均恢復(fù)到額定值或其附近，且在t=1 s時(shí)，電壓與頻率由于負(fù)荷突增都有一定程度的跌落，但很快又得以恢復(fù)。

本文所提出的改進(jìn)控制策略在不同容量微源并聯(lián)時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無功功率按容量比例分配，且系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，PCC電壓與系統(tǒng)頻率穩(wěn)態(tài)時(shí)可以保持在其額定值或者與額定值偏差很小。

4　結(jié)　論

本文以線路阻抗呈感性為例，在分析了傳統(tǒng)下垂控制無法保證無功功率按微源容量比例分配的基礎(chǔ)上，提出了一種用于微網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下無功功率合理分配的改進(jìn)下垂控制策略。該控制策略通過中央控制器向各DG發(fā)送無功功率給定值，各DG通過積分器的作用自適應(yīng)平移無功-電壓下垂特性曲線，從而達(dá)到無功功率合理分配的目的。此外，通過進(jìn)一步改進(jìn)下垂控制器，保證了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓與頻率為其額定值或與額定值偏差很小，且系統(tǒng)依然具有良好的動(dòng)態(tài)性能。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的控制策略可以實(shí)現(xiàn)無功功率的合理分配，具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，并且提高了系統(tǒng)電壓和頻率質(zhì)量。

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Research on Improved Droop Control Method for Islanding Operating Mode in Micro-grid

YAN Xiangwu, WANG Xinghai, WANG Yueru

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Affected by line impedance, traditional power droop control cannot ensure that the output reactive power of parallel micro-sources could be reasonably allocated according to its respective capacity. In order to deal with this problem, an improved power droop control strategy for islanding operating in micro-grid is proposed. The central controller of the common bus transmits the given reactive power signals to the local controllers of parallel micro-sources. Through the regulation of integral controller, the droop characteristic curve could be moved evenly and automatically to ensure that the output reactive power of parallel micro-sources can be allocated reasonably. In addition, the feedback control of voltage root-mean-square of the common bus is added to the reactive power-voltage droop strategy, which guarantees the steady-state voltage could be of its rated value. Besides, through reducing the droop coefficient in the active power-frequency droop strategy, the system frequency deviation from its rated value could be very small. A differential link of the active power is added to improve the dynamic performance of the system when the active power-frequency droop coefficient is small. Simulation results have verified the correctness and effectiveness of the proposed control strategy.

micro-grid; droop control; islanding operation; reactive power distribution

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.04.01

2015-11-22.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2015AA050603)；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2015502046)；國家電網(wǎng)公司科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(SGTYHT/14-JS-188).

顏湘武(1965-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)與微網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)代電力變換；王星海(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)與微網(wǎng)技術(shù)；王月茹(1991-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)與微網(wǎng)技術(shù)。

TM761

A

1007-2691(2016)04-0001-07