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一種改進(jìn)的微電網(wǎng)無(wú)功分配控制策略研究

2021-01-12 04:49
電氣傳動(dòng) 2021年1期
關(guān)鍵詞:環(huán)流損耗偏差

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

分布式發(fā)電(distributed generation,DG)具備污染小、能源利用效率高、輸配電資源和線路損耗比較少、安裝成本低廉等獨(dú)有的特點(diǎn),逐漸吸引人們的關(guān)注,也是電力系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一[1-2]。微電網(wǎng)的4種運(yùn)行方式包含負(fù)荷突變、孤島模式、并網(wǎng)模式以及切換兩種運(yùn)行狀態(tài),成為分布式DG的有效載體。微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行時(shí),由于不同容量DG之間輸出等效阻抗的偏差,導(dǎo)致無(wú)功功率分配不盡合理,DG之間出現(xiàn)無(wú)功環(huán)流[3],對(duì)電能質(zhì)量以及系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生嚴(yán)重影響。所以,怎樣使無(wú)功負(fù)荷精確的在各DG之間分配,成為研究微電網(wǎng)的學(xué)者目標(biāo)之一。

目前,模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)過(guò)程的下垂控制,多采用電壓以及頻率控制[4-5],但無(wú)法消除線路等效阻抗的差異,并且很難精確分配無(wú)功負(fù)荷,情況嚴(yán)重時(shí),各DG之間產(chǎn)生較大的無(wú)功環(huán)流。為此問(wèn)題,文獻(xiàn)[6]提出孤島運(yùn)行時(shí)平移下垂控制曲線,使分布式微源在并網(wǎng)模式下恒功率輸出,降低環(huán)流。但此方法不能消除元件差異和線路阻抗不同對(duì)系統(tǒng)均流的影響;文獻(xiàn)[7]應(yīng)用了虛擬電阻和虛擬阻抗等改進(jìn)方法實(shí)現(xiàn)均流,減小線路電壓損耗,降低無(wú)功環(huán)流,但是采用虛擬阻抗會(huì)造成輸出電壓明顯降落,導(dǎo)致系統(tǒng)電壓質(zhì)量降低而且增加了逆變器控制的計(jì)算量,工程中應(yīng)用難度較大;文獻(xiàn)[8]在傳統(tǒng)有功∕頻率下垂控制中引入無(wú)功偏差,將產(chǎn)生的有功擾動(dòng)加入到各個(gè)無(wú)功∕電壓下垂控制中,但是加入有功擾動(dòng)不僅影響微電網(wǎng)電壓質(zhì)量以及系統(tǒng)穩(wěn),而且對(duì)頻率造成波動(dòng)。

綜上所述,針對(duì)傳統(tǒng)下垂控制微電網(wǎng)中不同容量的DG無(wú)功分配不盡合理,提出改進(jìn)無(wú)功∕電壓的下垂控制策略,即在傳統(tǒng)下垂控制中加入偏差的無(wú)功功率補(bǔ)償量和微源側(cè)電壓損耗恢復(fù)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了不同容量的DG之間無(wú)功負(fù)荷精確分配,大幅度降低無(wú)功環(huán)流和提高微系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性,同時(shí)不影響有功功率的輸出。

1 傳統(tǒng)下垂控制無(wú)功環(huán)流分析

微電網(wǎng)一般采用對(duì)等控制結(jié)構(gòu),主要應(yīng)用在多個(gè)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的情況。微源輸出為阻性或感性的條件下,下垂控制才可以實(shí)現(xiàn)P∕?,Q∕U的解耦控制[9]。

文中對(duì)非線性負(fù)載、頻率高的諧波不考慮,只解決基波有功功率和無(wú)功功率的合理分配問(wèn)題,低壓微電網(wǎng)中,微源輸出阻抗、線路阻抗與負(fù)載阻抗比較時(shí)都比較小。所以,認(rèn)為總阻抗呈感性,滿足X?R條件,并且相角αi比較小,因此可以近似認(rèn)為sinαi=αi,cosαi=1,則逆變器輸出的有功和無(wú)功功率分如下式所示:

式中:U0為逆變器不帶載輸出電壓幅值;U為公共端交流母線電壓幅值;Xi為微電源側(cè)輸出的電抗。

逆變器傳統(tǒng)的下垂控制如下式:

式中:?0為空載時(shí)微源角頻率;Kpi為有功下垂增益;Kqi為無(wú)功下垂增益;?i*,Ui*分別為微電源的角頻率和電壓幅值的控制量;Pi,Qi分別為逆變器輸出的有功功率以及無(wú)功功率實(shí)際測(cè)量值。

將式(2)代入式(1)得到:

把濾波以及線路電抗總稱為不同微源輸出側(cè)電抗。根據(jù)式(3),微源側(cè)輸出電抗Xi、微源公共端電壓幅值U、逆變器不帶載電壓Ui*以及無(wú)功下垂系數(shù)Kqi,均影響不同分布式微源無(wú)功功的率輸出。

逆變器輸出的無(wú)功功率偏差ΔQ和線路阻抗差值ΔX的關(guān)系如圖1所示。由圖1可以看出,當(dāng)系統(tǒng)線路阻抗差值不存在時(shí),系統(tǒng)無(wú)功環(huán)流為零;線路阻抗差值越大,無(wú)功功率偏差越大,系統(tǒng)的無(wú)功環(huán)流越大,導(dǎo)致電壓和系統(tǒng)的損耗增大[10-11]。

圖1 不同微源的無(wú)功差值和線路阻抗差異關(guān)系圖Fig.1 Relationship between reactive power difference and line impedance difference of different micro sources

2 改進(jìn)電壓∕無(wú)功下垂控制略

綜上所述,基于現(xiàn)實(shí)情況復(fù)雜,需要更為符合工程實(shí)際的無(wú)功下垂控制策略,滿足無(wú)功負(fù)荷準(zhǔn)確分配和系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的要求。上述文獻(xiàn),在容量相同的逆變器基礎(chǔ)上對(duì)下垂控制做出改進(jìn),實(shí)驗(yàn)條件較為理想難以應(yīng)對(duì)實(shí)際情況的復(fù)雜性。文中提出相對(duì)符合實(shí)際情況控制策略,以微電網(wǎng)孤島運(yùn)行為前提,不同容量逆變器按照額定容量比準(zhǔn)確的分配無(wú)功負(fù)荷,提高系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

2.1 無(wú)功電壓下垂控制設(shè)計(jì)

因?yàn)槲㈦娫摧敵龅碾妷?、電流?jīng)過(guò)LC濾波器,電感值較大而且微電網(wǎng)的傳輸線路短,所以微電源輸出的阻抗仍為感性。微電網(wǎng)中P∕?,Q∕U下垂控制依然適用[12]。

由式(3)可知:

所以,將微電源輸出側(cè)電壓壓降引入傳統(tǒng)下垂控制中作為電壓補(bǔ)償量,提高不同容量的微電源對(duì)無(wú)功功率的分配精度,降低環(huán)流。

又由圖1可知,線路阻抗偏差越大,系統(tǒng)的無(wú)功環(huán)流越大。在傳統(tǒng)下垂控制中加入無(wú)功補(bǔ)償環(huán)節(jié)抵消由線路阻抗差異帶來(lái)的影響。依據(jù)上述分析,最終改進(jìn)的下垂控制的表達(dá)式如下式:

式中:Kn為無(wú)功偏差的補(bǔ)償系數(shù);ΔU0為微電源輸出側(cè)電壓損耗補(bǔ)償;U0,?0分別為微電源公共母線額定電壓、額定頻率;Qt為第t時(shí)刻逆變器輸出的無(wú)功值;Qt-1為上一時(shí)刻逆變器輸出的無(wú)功值;KnQt+Qt-1為達(dá)到新穩(wěn)態(tài)的下垂控制器無(wú)功輸出;Pi為系統(tǒng)輸出有功功率;Kpi,Kqi分別為頻率和電壓下垂控制系數(shù)。

由于采樣和執(zhí)行區(qū)間存在死區(qū)的影響,使得PWM脈沖產(chǎn)生畸變,因此,設(shè)置固定的裕度在采樣和執(zhí)行區(qū)間[13]。不同容量的DG之間沒(méi)有相互通訊,從而能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用。改進(jìn)型的無(wú)功電壓下垂控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)無(wú)功電壓控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Improved reactive power voltage control structure

2.2 控制策略特性分析

改進(jìn)的下垂控制,通過(guò)加入無(wú)功偏差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)減小線路等效阻抗的差異。引入微源側(cè)電壓損耗恢復(fù)機(jī)制,補(bǔ)償系統(tǒng)的壓降。

1)無(wú)功偏差補(bǔ)償:觸發(fā)脈沖發(fā)出無(wú)功功率補(bǔ)償信號(hào)后,將DG的下垂控制機(jī)理中t時(shí)刻采樣保持的KnQt作為補(bǔ)償量,跟蹤補(bǔ)償同步輸出經(jīng)過(guò)延時(shí)處理的無(wú)功值Qt-1,通過(guò)多次跟蹤補(bǔ)償后,不同DG之間的無(wú)功偏差逐步縮小,最后形成新的穩(wěn)態(tài)值。

2)微源側(cè)電壓損耗恢復(fù)機(jī)制:彌補(bǔ)無(wú)功偏差補(bǔ)償環(huán)節(jié)造成的電壓降落和線路壓降,如下式:

式中:KnQt+Qt-1為無(wú)功補(bǔ)償后逆變器輸出新的穩(wěn)態(tài)值;U為下垂控制輸出的參考電壓;X為微源測(cè)輸出等效感抗。

無(wú)功補(bǔ)償量和源側(cè)電壓損耗補(bǔ)償量引入垂控制,如圖3所示。

由圖3可知,通過(guò)加入無(wú)功補(bǔ)償環(huán)節(jié)下垂控制輸出的無(wú)功功率偏差從減小到逐步趨于穩(wěn)定最終達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。引入電壓損耗補(bǔ)償量后,系統(tǒng)的電壓也能穩(wěn)定在額定值附近。

圖3 無(wú)功補(bǔ)償環(huán)節(jié)和電壓恢復(fù)機(jī)制示意圖Fig.3 Schematic diagram of reactive power compensation link and voltage recovery mechanism

2.3 改進(jìn)無(wú)功算法的穩(wěn)定性分析

微源側(cè)電壓損耗恢復(fù)機(jī)制對(duì)不同DG之間增加的電壓步長(zhǎng)一致。由式(5)中,將不同微源i,j無(wú)功下垂控制方程相減有:

同理,可得t+1時(shí)刻方程:

式(8)與式(7)相減可得:

由式(1)可知第t和t+1時(shí)刻的離散方程:

系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行域內(nèi)假設(shè)Et+1≈Et=E且Xi≠Xj,Xi=Xj+ ΔX。

由式(10)可得:

對(duì)式(12)進(jìn)行z變換可得到:

由式(13)可知,如果特征根都在單位圓內(nèi),則系統(tǒng)穩(wěn)定,即穩(wěn)定條件為

由于實(shí)際情況中Xj較大,可以通過(guò)設(shè)置較小的Kqi和Kn參數(shù)滿足穩(wěn)定性要求。根據(jù)BIBO穩(wěn)定性,通過(guò)選擇合適的參數(shù),不同微源之間的無(wú)功偏差能夠維持在合理的范圍內(nèi)。

3 仿真研究

微電網(wǎng)系統(tǒng)采用改進(jìn)無(wú)功∕電壓下垂控制策略,其原理如圖4所示。

圖4 改進(jìn)無(wú)功電壓下垂控制的整體方案Fig.4 Improve the overall scheme of reactive voltage droop control

依據(jù)改進(jìn)下垂控制策略原理圖搭建微電網(wǎng)整體Simulink仿真模型,該模型中由4臺(tái)微電源、本地負(fù)載和可變負(fù)載組成。微電網(wǎng)不同容量微源之間,下垂控制系數(shù)依據(jù)微電源的下垂系數(shù)公式設(shè)置,其中,額定容量比為4:3:2:1,線路長(zhǎng)度比為3:2:3:2,公共母線端電壓為311 V,頻率50 Hz,微源電壓700 V,仿真控制參數(shù)如表1所示。

表1 微源下垂控制參數(shù)Tab.1 Droop control parameters of micro source

微電網(wǎng)并聯(lián)4臺(tái)不同容量的DG仿真運(yùn)行,仿真時(shí)間設(shè)置為1.5 s:

1)0.1 s時(shí),傳統(tǒng)下垂控制中加入無(wú)功補(bǔ)償環(huán)節(jié);2)0.2 s時(shí),改進(jìn)的下垂控制加入微源側(cè)電壓損耗補(bǔ)償量;3)0.6 s時(shí),有功功率負(fù)荷由固定值30 kW增加到40 kW,無(wú)功功率負(fù)荷由固定值10 kvar增加到 13 kvar。

微電網(wǎng)輸出改進(jìn)前無(wú)功電壓下垂控制有功功率如圖5所示,改進(jìn)后如圖6所示。由圖5、圖6可以看出,不管是改進(jìn)前還是改進(jìn)后的無(wú)功下垂控制,微電網(wǎng)中不同容量的微電源均可按照額定的容量比合理分配有功負(fù)荷,負(fù)荷突變依然能按4.07:3.10:2.05:0.98準(zhǔn)確分配有功負(fù)荷。

圖5 微源改進(jìn)前輸出有功功率Fig.5 Active power output of micro power supply before improvement

圖6 微源改進(jìn)后輸出有功功率Fig.6 Active power output of the improved micro power supply

微源輸出改進(jìn)前無(wú)功電壓下垂控制無(wú)功功率如圖7所示、改進(jìn)后圖8所示。

圖7 微源改進(jìn)前輸出無(wú)功功率Fig.7 Reactive power output of the micro power supply before improvement

圖8 微源改進(jìn)后輸出無(wú)功功率Fig.8 Reactive power output of the improved micro power supply

改進(jìn)前,傳統(tǒng)下垂控制明顯無(wú)法按照額定容量比分配無(wú)功負(fù)荷。1)0.6 s前加入電壓補(bǔ)償且穩(wěn)定后分配精度為:Q1:Q2:Q3:Q4≈5 000:2 200:1 400:1 200=4.16:1.83:1.16:1.20;2)0.6 s時(shí)無(wú)功負(fù)荷突增且穩(wěn)定后無(wú)功分配精度為:Q1:Q2:Q3:Q4≈6 600:2 900:1 900:1 600=4.12:1.81:1.58:1.23。

改進(jìn)后,1)0.1 s加入無(wú)功補(bǔ)償,0.2 s加入微源側(cè)電壓損耗補(bǔ)償且穩(wěn)定后分配精度為:Q1:Q2:Q3:Q4≈3 900:3 100:2 000:970=4.02:3.19:2.06:0.97。2)0.6 s時(shí),負(fù)荷發(fā)生突變且穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)分配精度為:Q1:Q2:Q3:Q4≈5 500:3 800:2 500:1 300=4.23:2.92:1.92:1.00。

上述結(jié)果可以得出傳統(tǒng)無(wú)功下垂控制由于線路等效阻抗差異的存在,微電源輸出的無(wú)功功率無(wú)法按照4:3:2:1的比例準(zhǔn)確分配無(wú)功負(fù)荷,而改進(jìn)后的無(wú)功下垂控制能夠減小線路阻抗偏差,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分配無(wú)功負(fù)荷。

改進(jìn)前后微電源之間的無(wú)功環(huán)流如圖9、圖10所示。

圖10 改進(jìn)后微源之間的無(wú)功環(huán)流Fig.10 Reactive power circulation between the micro sources after improvement

由圖9、圖10所示,改進(jìn)前不同DG之間的無(wú)功環(huán)流為230 var,改進(jìn)后的無(wú)功環(huán)流為15 var。當(dāng)0.6 s時(shí)無(wú)功負(fù)荷突增,穩(wěn)定后無(wú)功環(huán)流依然維持在15 var,相對(duì)于無(wú)功負(fù)荷,改進(jìn)后不同容量DG之間的無(wú)功環(huán)流基本為零。改進(jìn)前無(wú)功環(huán)流為零的響應(yīng)時(shí)間為0.6 s,改進(jìn)后無(wú)功環(huán)流為零的響應(yīng)時(shí)間為0.4 s,改進(jìn)后的無(wú)功環(huán)流為零的響應(yīng)時(shí)間提升了0.2 s。

4 結(jié)論

本文提出的不同容量DG之間無(wú)功負(fù)荷分配的控制策略有以下特點(diǎn):1)引入無(wú)功補(bǔ)償環(huán)節(jié),減小線路等效阻抗的偏差;2)加入微源側(cè)電壓損耗恢復(fù)機(jī)制,補(bǔ)償電壓降落和線路電壓損耗。該策略能夠按照下垂增益精確分配無(wú)功負(fù)荷。其中,微源側(cè)電壓恢復(fù)機(jī)制,可使電壓快速、穩(wěn)定的恢復(fù)到額定值附近且適應(yīng)于負(fù)荷突變情況,提高了電能質(zhì)量。同時(shí),該策略抑制了無(wú)功環(huán)流對(duì)系統(tǒng)的損耗和降低電壓質(zhì)量的影響。

最后,不同容量DG間遵循微電源額定容量4:3:2:1的比例,相比傳統(tǒng)下垂控制的精度按照4.02:3.19:2.06:0.97分配無(wú)功負(fù)荷,負(fù)載突變時(shí)以4.23:2.92:1.92:1.00分配無(wú)功負(fù)荷,改進(jìn)下垂控制策略大大提高了無(wú)功負(fù)荷分配精度,同時(shí),無(wú)功環(huán)流由230 var下降至15 var,環(huán)流基本為零,且響應(yīng)時(shí)間提前0.2 s。

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