鄧秋玲， 龍 夏， 楊國(guó)靈， 劉 婷， 向全所， 謝祖德

(湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411101 )

0 引言

使用傳統(tǒng)能源帶來的環(huán)境污染和全球能源危機(jī)問題日益加劇，導(dǎo)致世界各國(guó)正在大力發(fā)展新能源.在新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)中，風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電發(fā)展迅速，推動(dòng)了分布式發(fā)電技術(shù)在世界各國(guó)快速發(fā)展[1].因此，微電網(wǎng)的概念也應(yīng)運(yùn)而生[2].微電網(wǎng)扮演了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等分布式電源與大電網(wǎng)之間的紐帶角色，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源都要通過逆變器與電網(wǎng)相連接，逆變器對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行有著舉足輕重的地位，因此微電網(wǎng)逆變器的控制成為了研究的熱點(diǎn).微電網(wǎng)逆變器的控制方法一般采用主從控制[3]、對(duì)等控制[4]、綜合控制[5]3種控制方法，其中綜合控制是前兩種控制方法的綜合.主從控制是在孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)中，利用一臺(tái)或者多臺(tái)微源作為主控單元，其他的微源作為從屬單元，雖然主從控制已經(jīng)被廣泛研究與運(yùn)用，但這種控制存在的缺陷，導(dǎo)致了該控制使用的局限性.對(duì)等控制一般情況下使用下垂控制策略.在微電網(wǎng)中，并聯(lián)逆變器的下垂控制已經(jīng)廣泛運(yùn)用，這種方法降低了對(duì)通信可靠性的依賴.通過不斷地改進(jìn)，下垂控制策略的研究得到了快速的發(fā)展.參考文獻(xiàn)[6]提出，微電源的無功分配精度可以通過在下垂控制中加入傳輸線路壓降和接入點(diǎn)電壓幅值反饋的方法得到改進(jìn)，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性.參考文獻(xiàn)[7]提出了一種新型的改進(jìn)下垂控制策略，改善了多逆變器并聯(lián)運(yùn)行的性能，實(shí)現(xiàn)了逆變器的高精度均流控制，因此微電網(wǎng)的穩(wěn)定性得到了提高.文獻(xiàn)[8]提出了一種基于磁鏈-相角下垂控制的新型有功負(fù)荷分配的控制策略，這種控制策略同時(shí)實(shí)現(xiàn)了有功功率的精準(zhǔn)分配和頻率的零偏差.文獻(xiàn)[9]通過分析直流微電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，突出了雙向DC-DC變換器(BDC)在直流微電網(wǎng)中的作用.文獻(xiàn)[10]提出了一種并網(wǎng)逆變器下垂控制的改進(jìn)策略控制，通過使用積分的方法使得瞬態(tài)響應(yīng)得到了一定的改善，并通過仿真驗(yàn)證了該方法的可行性.文獻(xiàn)[11]提出了一種自適應(yīng)改進(jìn)的逆變器下垂控制方法，有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力.文獻(xiàn)[12]通過對(duì)傳統(tǒng)下垂控制和逆變器等效輸出阻抗進(jìn)行分析，提出了一種使用反饋?zhàn)杩沟碾妷汉碗娏麟p環(huán)控制策略，通過仿真結(jié)果表明了該策略的合理性和適用性，但是該策略并沒有考慮到電壓驟降的問題.文獻(xiàn)[13]在下垂控制中引入虛擬阻抗和虛擬發(fā)電機(jī)，通過這種方法來消除原控制對(duì)線路阻抗的影響.

針對(duì)以上文獻(xiàn)中出現(xiàn)的功率分配不均、母線電壓和頻率下降的問題，本文提出了一種基于虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制的二級(jí)控制策略，即在添加虛擬阻抗的下垂控制的基礎(chǔ)上，將下垂控制進(jìn)行改進(jìn)作為第一級(jí)控制，在第二級(jí)控制中增加無功分配誤差的調(diào)節(jié)量以提高系統(tǒng)的無功功率分配精度，與此同時(shí)進(jìn)一步對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率和母線電壓進(jìn)行有效調(diào)控.

1 傳統(tǒng)下垂控制原理

為了簡(jiǎn)化分析，選取2臺(tái)逆變器組成并聯(lián)逆變器系統(tǒng)，每臺(tái)逆變器可以等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)阻抗的串聯(lián)等效模型，如圖1所示[14].

圖1 并聯(lián)逆變器等效電路圖Fig.1 Parallel inverter equivalent circuit diagram

下垂控制是模擬同步發(fā)電機(jī)的下垂特性，通過改變輸出有功和無功功率來控制電壓和頻率的一種控制策略.下垂特性曲線如圖2所示.

圖2 傳統(tǒng)下垂特性曲線Fig.2 Traditional droop characteristic curve

分析圖2可得到數(shù)學(xué)表達(dá)式(1).

(1)

式中：P和Q分別為DG輸出的有功和無功功率；fn、Vn分別為空載狀態(tài)下的頻率和電壓；m為P-f下垂系數(shù)；n為Q-V下垂系數(shù).

獨(dú)立微網(wǎng)并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的輸出阻抗和線路阻抗之和是電阻-電感.采用下垂控制策略來控制逆變器時(shí)，需要在獨(dú)立的微電網(wǎng)系統(tǒng)中引入感應(yīng)虛擬阻抗，使系統(tǒng)的輸出阻抗和線路阻抗之和呈現(xiàn)感性.

2 基于虛擬阻抗的下垂控制——第一級(jí)控制

本文將添加虛擬阻抗的下垂控制作為第一級(jí)控制.圖3所示的是引入虛擬阻抗結(jié)構(gòu)框圖，在傳統(tǒng)的逆變器三環(huán)下垂控制結(jié)構(gòu)中添加了虛擬阻抗模塊.

圖3 引入虛擬阻抗結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of the introduction of virtual impedance structure

(2)

在dq坐標(biāo)系下式(2)可以表示為式(3).

(3)

式中：Lvir為虛擬電感；ω為dq坐標(biāo)系下的角頻率.根據(jù)式(3)可以得到在dq坐標(biāo)系下控制虛擬阻抗的結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示.

圖4 虛擬阻抗控制框圖Fig.4 Block diagram of virtual impedance control

3 提議的二級(jí)控制策略

在微電網(wǎng)中添加虛擬阻抗后會(huì)引起母線電壓降落，對(duì)于無功功率不能做到精確分配，仍會(huì)存在無功功率的分配不均.針對(duì)這一問題，本文提出了一種二級(jí)控制策略，即在基于虛擬阻抗的下垂控制基礎(chǔ)上再增加無功功率分配算法以及電壓和頻率的二次調(diào)節(jié)，作為二級(jí)控制策略.

3.1 無功功率的分配算法

∑Q=Q1+Q2,

(4)

(5)

當(dāng)微電網(wǎng)的DG1和DG2容量相等時(shí)，式(4)可以表示為式(6)：

(6)

當(dāng)微電網(wǎng)的DG1和DG2容量不相等時(shí)，各個(gè)逆變器無功功率參考值則可以表示為式(7)：

(7)

由于加入第二級(jí)控制的無功調(diào)節(jié)量與第一級(jí)控制之間在傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，令Td為時(shí)間常數(shù)，那么以Td為時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)可以表示為式(8)：

(8)

那么，在第二級(jí)控制中微電網(wǎng)的各個(gè)分布式電源無功功率的調(diào)節(jié)量就可以表示為式(9)：

(9)

式中：Kqp為第二級(jí)無功功率調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Kqi為第二級(jí)無功功率調(diào)節(jié)器的積分系數(shù).

下面就以兩臺(tái)容量相同并聯(lián)運(yùn)行的微電網(wǎng)分布式電源為研究對(duì)象，分析在不同線路阻抗的條件下第二級(jí)無功功率調(diào)節(jié)的原理，其原理圖如圖5所示.

圖5 第二級(jí)無功功率調(diào)節(jié)器原理Fig.5 Principle of the second stage reactive power regulator

3.2 電壓和頻率二級(jí)控制

與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)一樣，為了實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的無差調(diào)節(jié)，必須進(jìn)行電壓和頻率的二次調(diào)整.在微電網(wǎng)中，利用中央控制器去讀取各分布式電源的電壓和頻率信號(hào)，然后經(jīng)過運(yùn)算和延時(shí)就可以得到各分布式電源電壓和頻率的二級(jí)補(bǔ)償控制信號(hào)，并下發(fā)給各分布式電源的第一級(jí)控制器，分布式電源在接收到控制信號(hào)后就會(huì)對(duì)系統(tǒng)的公共母線電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，該電壓和頻率的補(bǔ)償信號(hào)如式(10)所示：

(10)

式中：Kep、Kei分為電壓二級(jí)控制器的PI參數(shù)；Kfp、Kfi為頻率二級(jí)控制器的PI參數(shù).

電壓和頻率的平均分配因子則可表示為式(11)：

(11)

通過式(10)和式(11)可以看出，電壓和頻率經(jīng)過二級(jí)補(bǔ)償器的補(bǔ)償作用后，在微電網(wǎng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，Eave=E*和fave=f*成立，各微電網(wǎng)分布式電源逆變器輸出電壓和頻率的質(zhì)量都得到了提升，與此同時(shí)微電網(wǎng)系統(tǒng)的公共母線電壓和頻率也得到了恢復(fù)，只要選取合適的控制參數(shù)就能使微電網(wǎng)系統(tǒng)的公共母線電壓和頻率滿足要求，與二級(jí)無功功率控制器一起配合調(diào)節(jié)，最終可以完成對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)母線端電能質(zhì)量的改善和負(fù)荷功率的合理分配.

圖6所示的是第二級(jí)電壓和頻率補(bǔ)償調(diào)節(jié)的原理圖.在圖6(a)中假定逆變器初始的Q-E下垂曲線為1，其工作狀態(tài)為(Q0,E0)，此時(shí)電壓偏移額定值為E*，為了恢復(fù)電壓，引入式(12)的電壓補(bǔ)償后就可以將下垂曲線從曲線1上移至曲線2，實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)公共母線電壓的恢復(fù)控制.同理，經(jīng)過頻率二級(jí)調(diào)節(jié)，不斷修正各逆變器的輸出頻率，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)，圖6(b)所示是其對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)原理.

圖6 電壓和頻率的二級(jí)調(diào)節(jié)原理圖：(a) 電壓二級(jí)調(diào)節(jié)原理圖；(b) 頻率二級(jí)調(diào)節(jié)原理圖Fig.6 Schematic diagram of voltage and frequency adjustment：(a) Schematic diagram of voltage adjust-memt;(b) Schematic diagram of freguency adjust-memt

增加了二級(jí)控制后的下垂控制方程改為式(12).

(12)

結(jié)合前文的分析及式(12)可以得到增加了第二級(jí)控制策略后的總框圖，如圖7所示.

圖7 增加第二級(jí)控制策略后框圖Fig.7 Block diagram after adding the second level control strategy

4 仿真分析

為了驗(yàn)證本文所提出的控制策略對(duì)微電網(wǎng)并聯(lián)逆變器控制的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了微電網(wǎng)并聯(lián)逆變器的仿真模型，如圖8所示，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示.

圖8 微電網(wǎng)并聯(lián)逆變器仿真模型Fig.8 Simulation model of parallel inverters in microgrid

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

情況1 :仿真時(shí)長(zhǎng)為1 s，0～0.5 s采用的是傳統(tǒng)的下垂控制；0.5～1 s采用的是添加虛擬阻抗的下垂控制，其仿真結(jié)果如圖9 所示.

從圖9(a)中可以看出：在0.5 s前后，DG1和DG2輸出的有功功率都是10 kW，微電網(wǎng)系統(tǒng)都可以均分負(fù)荷的有功功率；在0.5 s以前，微電網(wǎng)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)下垂控制策略下工作.由于線路差異的影響，從圖9(b)中可以看出：DG1輸出的無功功率為7.1 kVar；DG2輸出的無功功率為2.9 kV，無法做到無功功率的均分.在0.5 s時(shí)加入了虛擬阻抗，雖然Q1在下降，Q2在上升，但是還是未能做到無功功率的精確分配；在圖9(c)中系統(tǒng)的頻率在0.5 s前后未有明顯的變化，始終維持在49.9 Hz；從圖9(d)和圖9(e)中可以看出：在0.5 s前系統(tǒng)的公共母線電壓穩(wěn)定在218 V，DG1和DG2輸出的A相電流存在著明顯的差異.在0.5 s之后，隨著虛擬阻抗的加入，系統(tǒng)的公共母線電壓出現(xiàn)了降落，DG1和DG2輸出的A相電流之間的差異雖然有所減少，但并未完全消除掉.通過圖9分析可知，在傳統(tǒng)的下垂控制中添加虛擬阻抗雖然可以改善微電網(wǎng)系統(tǒng)的無功功率分配，但還是未能做到精確分配，并且還造成了系統(tǒng)公共母線電壓的降落，影響了微電網(wǎng)系統(tǒng)輸出電能的質(zhì)量.

圖9 傳統(tǒng)下垂控制與添加虛擬阻抗的下垂控制仿真圖：(a)有功功率；(b)無功功率；(c)系統(tǒng)頻率；(d)公共母線電壓；(e)DG1和DG2的A相電流Fig.9 The simulation diagram of traditional droop control and droop control with virtual impedance added：(a) Active power；(b) Reactive power；(c) System frequency；(d) Common bus voltage；(e) Phase A current of DG1 and DG2

情況2：仿真時(shí)長(zhǎng)為1 s，0～0.5 s采用的是添加虛擬阻抗的下垂控制；0.5～1 s采用的是在添加虛擬阻抗下垂控制的基礎(chǔ)上，同時(shí)啟動(dòng)二級(jí)控制策略，其仿真結(jié)果如圖10所示.

圖10 加入二級(jí)控制策略前后的仿真圖：(a)有功功率；(b)無功功率；(c)系統(tǒng)頻率；(d)公共母線電壓；(e)DG1和DG2的A相電流Fig.10 Simulation diagram before and after adding secondary control strategy：(a) Active power；(b) Reactive power；(c) System frequency；(d) Common bus voltage；(e) Phase A current of DG1 and DG2

圖10(a)與圖9(a)一樣，在0.5 s前后，DG1和DG2輸出的有功功率都是10 kW，微電網(wǎng)系統(tǒng)依舊能夠均分負(fù)荷的有功功率；由于在0.5 s以后，系統(tǒng)采用了添加虛擬阻抗后的下垂控制，同時(shí)啟動(dòng)了二級(jí)控制策略，由圖10(b)～圖10(d)可知：系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后無功功率實(shí)現(xiàn)了均分，達(dá)到了預(yù)期效果；系統(tǒng)的頻率經(jīng)過第二級(jí)頻率調(diào)節(jié)后，恢復(fù)到了50 Hz并且保持了穩(wěn)定；公共母線電壓經(jīng)過第二級(jí)電壓調(diào)節(jié)恢復(fù)到了220 V并穩(wěn)定下來；圖10(e)表示在0.5 s經(jīng)過二級(jí)控制策略的調(diào)節(jié)后，A相電流完全相等，微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的均流效果十分顯著.

5 結(jié)論

基于虛擬阻抗的下垂控制，屬于電壓和頻率的一次調(diào)整，只能實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的有差調(diào)節(jié)，并且還會(huì)使微電網(wǎng)系統(tǒng)母線電壓和頻率下降.為了解決這個(gè)問題，在基于虛擬阻抗的下垂控制的基礎(chǔ)上增加了第二級(jí)控制，不僅改善了微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部無功功率的合理分配，同時(shí)還使系統(tǒng)母線電壓和頻率恢復(fù)到了額定值并保持穩(wěn)定.仿真結(jié)果證明了本文提出的二級(jí)控制策略的有效性和正確性.