張 軒，劉進軍

（西安交通大學電氣工程學院，西安 710049）

1 引言

近年來，分布式發(fā)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展對現(xiàn)有的電力市場帶來了益處，同時也帶來了極大挑戰(zhàn)。分布式能源的管理與控制技術(shù)的進步為微網(wǎng)的形成鋪平了道路[1]。微網(wǎng)是一種由分布式電源和負載構(gòu)成的，有能力獨立運行的配電網(wǎng)系統(tǒng)[2]。微網(wǎng)可以平滑地過渡并運行于如下兩種方式[3，4]：

正常并網(wǎng)模式——微網(wǎng)與一主干中壓電網(wǎng)相連，既可以向電網(wǎng)輸送能量，也可以從電網(wǎng)中獲得能量。

緊急模式——微網(wǎng)與上級電網(wǎng)斷開，獨立運行。

大多數(shù)分布式能源由于其特性，不能直接接入微網(wǎng)。因此，需要電力電子接口（dc/ac或ac/dc/ac）從而使逆變器控制成為微網(wǎng)運行的關(guān)鍵[3，5]。在文獻[6，7]中，已經(jīng)通過試驗驗證了微網(wǎng)孤島運行及重新連網(wǎng)技術(shù)，并且展示了逆變器在該過程中如何自動地將控制模式由電流源型轉(zhuǎn)換為下垂控制特性。但微網(wǎng)一般運行在低壓配電網(wǎng)中，這樣線路就不能近似為一純電感，而有著較高的R/L比率。因此在這種情況下，頻率-有功（P-f）、幅值-無功(Q-U)下垂特性就必須有所修正[8～10]。

通過以上修正，傳統(tǒng)的下垂特性在純阻性電路下變?yōu)轭l率-無功、幅值-有功下垂特性，在高R/L比值下則變?yōu)镻-P’-f和Q-Q’-U下垂特性。這樣，只要知道傳輸線路的阻抗特性，就可以精確地控制微網(wǎng)中逆變器之間的功率分配。但負載在較大范圍內(nèi)變化時，頻率大幅偏移所帶來的穩(wěn)定性問題依然存在。在文獻[11]中，這種問題得到了關(guān)注，但解決的方法是通過信號傳輸線從微網(wǎng)的總控制器中發(fā)出指令來設(shè)置某些逆變器的工作點，而不是對逆變器的無傳輸線獨立控制。

在本文中，用于微網(wǎng)孤島模式下逆變器并聯(lián)的一種新型的無傳輸線動態(tài)下垂控制策略被提出。通過動態(tài)地改變某類逆變器的下垂曲線位置，將頻率偏移控制到了設(shè)定的范圍內(nèi)，極大地增強了微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文首先對這種控制方法進行了分析，并提出了設(shè)計方法，最后通過PSCAD/EMTDC仿真對這種控制策略進行了驗證。

2 理論分析

2.1 傳統(tǒng)的下垂控制

對于如圖1所示的輸電線，從A點流入的有功P和無功Q可由下式表示：

圖1 通過傳輸線的有功與無功功率

在一般的線路長度下，傳輸線兩端的電壓相差δ 很小，因此有 sinδ≈δ,cosδ≈1,則上式可等效為：

式（3）、式（4）說明了在純感性傳輸線下，傳輸?shù)挠泄β实拇笮∮啥穗妷合辔徊瞀臎Q定，而無功功率的大小則由端電壓的幅值差決定。而對頻率的控制可以自動地控制相角。因此，如果負載消耗的有功和無功確定的話，微網(wǎng)中逆變器電源的電壓頻率和幅值就被確定了。通過上述結(jié)論，可以得到傳統(tǒng)的P-f和Q-U下垂特性：

其中f0和U0分別為逆變器輸出電壓的額定頻率和幅度。而P0和Q0則分別為逆變器輸出的額定有功和無功。kp和kq分別為有功-頻率下垂特性斜率和無功-幅值下垂特性斜率。逆變器輸出電壓功率的下垂特性可以由圖（2）表示。

圖2 P-f與Q-U下垂特性

2.2 新型動態(tài)有功管理

圖3 所示為兩臺逆變器的P-f下垂控制。在圖3（a）中，對A1和A2兩點輸出電壓的頻率通過圖3（c）所示的控制框圖來實現(xiàn)。在圖3（b）中，曲線sum為逆變器inv1和inv2輸出的總功率與頻率的下垂特性，當負載從“l(fā)oad0”變?yōu)椤發(fā)oad1”，系統(tǒng)的頻率會從f0移至f1。這種控制策略可以使得逆變器之間有好的功率分配特性。但是當f1距f0較遠時，會對負載產(chǎn)生不良影響，甚至使整個系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖3 P-f下垂特性用于逆變器并聯(lián)

當頻率上升或下降到設(shè)定的閾值時，如50.0±0.2 Hz，通過改變P-f下垂曲線的位置，則可以使頻率重新回到50.0 Hz。如圖4（a）所示，在初始狀態(tài)，逆變器和負載的P-f曲線分別為曲線a和L0，當負載突增時，負載的P-f曲線變?yōu)長1，所以逆變器的工作點開始從A向C移動。但當工作點移動至B點時，出于對系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，系統(tǒng)頻率不能再降低。 這時 P-f曲線開始由 a向 a'，a''，a'''…移動，在這期間，工作點由B向D移動。當下垂曲線由a移至b的同時，逆變器的工作點也由B點到達D點，這樣形成最終的P-f曲線，并且系統(tǒng)的頻率重新回到了50.0 Hz。在此之后，當負載再發(fā)生變化時，只要不使得頻率變動再次超過閾值，逆變器之間仍由傳統(tǒng)的方式分配功率。

圖4 動態(tài)有功管理示意圖

這種動態(tài)能量管理的控制框圖由圖4（b）所示,其中 H(s)為調(diào)節(jié)器，S為開關(guān)。 當|Δf|達到閾值時，開關(guān)S閉合。通過調(diào)節(jié)Δf可以得到δP，這樣就改變了P-f曲線的位置，最終的曲線可由下式表示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

當微網(wǎng)處于孤島模式下，微網(wǎng)中什么樣的逆變器可以應(yīng)用這種動態(tài)有功管理？在對確定的逆變器進行控制時，如何控制開關(guān)S的開通和關(guān)斷時刻？當調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)時，如何使系統(tǒng)頻率重新回到50.0 Hz？這一節(jié)中將對這些問題進行討論。

3.1 對逆變器的選擇

微網(wǎng)的運行由幾個基本技術(shù)構(gòu)成。這些包括：分布式發(fā)電（DG）、分布式儲能（DS）、連網(wǎng)開關(guān)以及系統(tǒng)控制[2]。其中，分布式發(fā)電和分布式儲能都需要通過逆變器才能與微網(wǎng)連接。

在分布式儲能技術(shù)中，儲能能力可分為中長期能量需要和短期能量需要。由于這種新型動態(tài)有功管理的特性，逆變器需要在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其輸出功率和較大的能量密度。因此這種控制策略可應(yīng)用于微網(wǎng)中提供中長期能量的分布式儲能系統(tǒng)。在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，其輸出功率由自然環(huán)境決定，但當由負載下降有需要動態(tài)有功管理時，分布式發(fā)電系統(tǒng)仍可參與，其多余的能量可提供至與之相連或相近的儲能系統(tǒng)。

3.2 開關(guān)及調(diào)節(jié)器的設(shè)計

開關(guān)的控制框圖如圖5所示，ABS表示求絕對值，ABS輸出后的框圖中橫坐標表示頻率偏差的絕對值，縱坐標表示開關(guān)的狀態(tài)，1為開通，0為關(guān)斷。其功用為當負載的大幅變化使得系統(tǒng)的頻率偏移高于或達到設(shè)定的0.2 Hz時[12]，開關(guān)S閉合，這時P-f曲線的位置開始移動。當輸出功率與負載在50.0 Hz處平衡時，開關(guān)S斷開。

圖5 對開關(guān)S的控制

當P-f曲線開始移動時，調(diào)節(jié)器H(s)的目的是使頻率偏移為零。調(diào)節(jié)器可表述為如下形式：

式中：k1表示積分系數(shù)；k2表示比例系數(shù)；s為傳遞函數(shù)自變量。

調(diào)節(jié)器的效果可由圖6說明。

圖6 調(diào)節(jié)器H(s)對Δf的作用

4 仿真驗證

本文中應(yīng)用圖3（a）的電路拓撲，以及圖7所示的控制方式進行仿真驗證，仿真軟件為PSCAD/EMTDC，其中電路主要參數(shù)列于表1中。首先對傳統(tǒng)的功率下垂控制進行了仿真，然后用動態(tài)有功管理進行控制，并將二者進行比較。

表1 兩逆變器的P-f控制參數(shù)

圖7 兩臺逆變器并聯(lián)控制框圖

圖8 為在傳統(tǒng)P-f下垂控制下負載變動所引起的頻率變動，其中上部分P1為第一臺逆變器的輸出有功功率，P2為第二臺逆變器的輸出有功功率，Pload為負載吸收的總有功功率，單位為兆瓦；下部分f1為第一臺逆變器的輸出頻率，f2為第二臺逆變器的輸出頻率，單位為赫茲。在0.1 s后系統(tǒng)穩(wěn)定，在0.3 s時，負載增加，兩臺逆變器按比例分配負載功率，系統(tǒng)頻率降至49.92 Hz，在0.7 s時，負載再次增加，這時系統(tǒng)頻率再次下降，低于頻率的設(shè)定下限49.8 Hz。

圖8 傳統(tǒng)P-f下垂控制的仿真結(jié)果

圖9 為對其中一臺逆變器進行動態(tài)有功管理后的P-f特性，各變量意義同圖（8）。從圖中可以看出，在0.7 s負載又一次增加時，頻率下降，當被控制的逆變器頻率（f）降至49.8 Hz時，頻率回升，最終在1.2 s處使得整個系統(tǒng)的頻率恢復至50.0 Hz，在1.5 s處負載又一次發(fā)生變化，逆變器之間又可以按比例分配負載。

圖9 采用動態(tài)有功管理的仿真結(jié)果

5 結(jié)語

本文提出了針對微網(wǎng)孤島運行時的一種新型控制策略——動態(tài)功率平衡。通過動態(tài)地調(diào)整微網(wǎng)中某些逆變器的P-f曲線位置，使得在負載波動時大部分電源工作在額定功率附近，尤其使新能源電源在負載降低時仍保持高功率輸出，并緩解了逆變器間好的功率分配特性與大的頻率偏移之間的矛盾。顯著改善了負載大范圍波動時的微網(wǎng)穩(wěn)定性。本文對應(yīng)用該控制策略的逆變器類型，以及控制思想和設(shè)計思路均進行了論述。并通過仿真證實了該控制策略的有效性。

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