羅銳鑫，劉承志，游先亮，劉廷建

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

0 引言

在能源需求日益增加，而傳統(tǒng)能源日趨枯竭的今天，發(fā)展環(huán)境友好型能源如太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)、先進(jìn)的電池系統(tǒng)將在未來(lái)電網(wǎng)中發(fā)揮更加重要的作用。雖然這些新型能源為人類解決能源缺口提供了有效途徑，但是也因?yàn)槠渥陨淼奶匦詾槠渫茝V應(yīng)用帶來(lái)了很大的阻力，如風(fēng)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性、不可控性等?；诖?，學(xué)者提出了一種新的分布式能源組織方式和結(jié)構(gòu)——微電網(wǎng)。盡管對(duì)微電網(wǎng)的定義不盡相同，但國(guó)際上基本認(rèn)為:微電網(wǎng)是由各種分布式電源/微電源、儲(chǔ)能單元、負(fù)荷以及監(jiān)控、保護(hù)裝置組成的集合;具有靈活的運(yùn)行方式和可調(diào)度性能，即能在并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種模式間切換［1］。

在微電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中需要首先解決的技術(shù)問題就是運(yùn)行控制問題。從微電源的控制方法上來(lái)看，微電源控制分為恒功率控制(PQ control)，下垂控制(droop control) 和恒壓恒頻控制(V/f control)［2］。當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島模式時(shí)，微電網(wǎng)的整體控制策略多采用對(duì)等控制，因?yàn)樵诓捎脤?duì)等控制策略的微電網(wǎng)中，下垂控制因不需要通信連接、降低系統(tǒng)成本、可靠性高、能實(shí)現(xiàn)即插即用功能(plug and play)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注［3］。

由于微電網(wǎng)具有聯(lián)網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行方式，且微電源位置具有一定的分散性，額定功率一般不同，因此如何選擇下垂特性解決微電網(wǎng)中微電源的無(wú)通信連接是需要解決的問題。下面首先介紹了如何將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的下垂控制策略應(yīng)用到微電網(wǎng)中，并根據(jù)微電網(wǎng)自身的特點(diǎn)提出了新的下垂控制策略。

1 下垂控制理論和功率調(diào)節(jié)技術(shù)

1.1 基于公共節(jié)點(diǎn)電壓在不同線路阻抗特性下的下垂控制策略理論分析［4－6］

將傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的下垂特性引入逆變電源并聯(lián)的微電網(wǎng)中，這種方法稱為電壓頻率下垂法，具體步驟為:①在輸出阻抗近似為感性時(shí)，輸出有功功率較大的逆變電源，通過(guò)頻率下垂特性減小其輸出頻率，從而減少其有功功率輸出，形成負(fù)反饋，反之亦然;輸出無(wú)功功率較大的逆變電源，通過(guò)幅值下垂特性降低其電壓幅值，進(jìn)而減小其輸出無(wú)功功率，形成負(fù)反饋，反之亦然;②在輸出阻抗近似為阻性時(shí)，由于有功功率與電壓幅值相關(guān)，無(wú)功功率與頻率相關(guān)［6］，剛好與步驟①相反，所以有功功率的調(diào)節(jié)主要依靠幅值下垂特性，無(wú)功功率的調(diào)節(jié)主要依靠頻率的下垂特性。圖1所示為一個(gè)電壓型控制并網(wǎng)模式的復(fù)頻域等效電路圖，該圖是單相電路，同樣適用于三相電路，US表示公共節(jié)點(diǎn)電壓。

圖1 微電源并網(wǎng)等效電路圖

根據(jù)圖1所示電路圖，易得傳輸功率與線路阻抗有如下的關(guān)系。

當(dāng)微電網(wǎng)接入不同的電壓等級(jí)中，輸電線路呈現(xiàn)出不同的參數(shù)特點(diǎn)，一般高壓輸電線呈感性，中壓輸電線呈阻感性，而低壓網(wǎng)絡(luò)則呈現(xiàn)阻性［5］。在計(jì)算潮流時(shí)，可認(rèn)為 sinδ≈δ，cosδ=1。

當(dāng)X＞＞R2時(shí)，和傳統(tǒng)電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)外部運(yùn)行特性一樣，易得出此時(shí)微電源的控制策略就是基于經(jīng)典的頻率電壓下垂控制策略。經(jīng)典下垂控制策略為

式中，f0、Us0分別為額定頻率和逆變器額定輸出電壓;p0、Q0分別為逆變器額定輸出有功功率和無(wú)功功率。式(2)說(shuō)明能實(shí)現(xiàn)有功無(wú)功功率的解耦控制，具體調(diào)節(jié)原理如上述步驟①所說(shuō)。

當(dāng)X＜＜R2，和傳統(tǒng)電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)外部運(yùn)行特性剛好相反。所以此時(shí)是通過(guò)調(diào)節(jié)電壓幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)有功功率的調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)頻率進(jìn)而調(diào)節(jié)功率角δ來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)?？刂撇呗怨饺缦滤?。

此時(shí)的下垂控制更多的稱之為反調(diào)差控制，具體調(diào)節(jié)原理如上述步驟②所說(shuō)。

當(dāng)X與R相接近，在進(jìn)行功率控制時(shí)兩者都不能忽略?？紤]到中壓輸電網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性，引入了正交線性旋轉(zhuǎn)變換矩陣如下。

式中，θ=arctan(X/R)為輸電線路阻抗角。此時(shí)修正后的虛擬有功功率和虛擬無(wú)功功率定義如下。

仿照經(jīng)典頻率電壓下垂控制策略的表達(dá)式，給出了修正后的適用于接入中壓網(wǎng)絡(luò)的逆變電源控制策略。

式中，f0、Us0、P0、Q0的定義和式(2)一樣。通過(guò)式(6)可以看出虛擬無(wú)功功率Q'和虛擬有功功率P'分別與電壓和頻率幅值呈現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了解耦控制。

1.2 基于端電壓和類功率的新型下垂控制策略理論分析［7－9］

第1.1節(jié)所論述的下垂控制理論存在著許多不足，如只分析了一個(gè)逆變電源接入微電網(wǎng)從而忽略了多個(gè)逆變電源接入微電網(wǎng)產(chǎn)生的環(huán)流問題;所有的下垂控制理論是采用公共節(jié)點(diǎn)電壓，而微電網(wǎng)中微電源位置具有分散性，而反饋信號(hào)傳輸距離的限制不可能測(cè)到真正公共節(jié)點(diǎn)上的電壓，因此上述的下垂控制理論不可能真正地實(shí)現(xiàn)下垂控制算法?；谝陨蟽牲c(diǎn)的不足，提出了基于端電壓和類功率的新型下垂控制策略。通過(guò)線性組合定義了類功率變量，通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)使得類有功功率和類無(wú)功功率分別只與相位差和幅值差有關(guān)，在整個(gè)的功率調(diào)節(jié)技術(shù)分析中只采用了逆變電源的端電壓，避免了采用公共節(jié)點(diǎn)電壓分析帶來(lái)的不準(zhǔn)確性。圖2為基于三相逆變器的兩臺(tái)微電源并聯(lián)等效電路，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)僅列出單相。

圖2 微電網(wǎng)中兩臺(tái)并聯(lián)逆變微電源等效電路圖

由圖2可以得出第1臺(tái)逆變電源輸出的有功功率和無(wú)功功率如式(7)(詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程見文獻(xiàn)［10］)，同理，第2臺(tái)逆變電源輸出的有功功率和無(wú)功功率表示方法類似。

式(7)中的各個(gè)系數(shù)表達(dá)式如下。

通過(guò)線性組合定義了類有功功率Pt、類無(wú)功功率Qt，見式(9)，進(jìn)而可以找到兩臺(tái)逆變器各自發(fā)出的類有功功率P1t和P2t，使得P1t和P2t的差值只與兩臺(tái)逆變器輸出電壓的相位差有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，同樣可以尋求兩臺(tái)逆變器各自的類無(wú)功功率Q1t和Q2t，使得Q1t和Q2t的差值只與電壓的幅值差有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

為了達(dá)到逆變電源類有功功率的差值只與輸出電壓的相位差一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系和類無(wú)功功率差值只與電壓的幅值差一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可取K11=d，K12= －a，K21= －c，K22=b，從而實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)逆變電源的均流。從上述的分析過(guò)程中可以看出，所有的功率表達(dá)式都采用了逆變電源的端電壓而非公共節(jié)點(diǎn)電壓。根據(jù)以上的分析，可以設(shè)計(jì)下垂控制方式為

2 基于虛擬功率和類功率的功率控制器的設(shè)計(jì)

微電網(wǎng)每一個(gè)微電源的整體控制示意框圖如圖3所示。該控制方案既能實(shí)現(xiàn)基于虛擬功率的下垂控制策略，也能實(shí)現(xiàn)基于類功率的下垂控制策略，只需一個(gè)選擇開關(guān)就能實(shí)現(xiàn)控制策略的切換。且該控制方案下的微電源能接入不同電壓等級(jí)，具有一定的通用性。

測(cè)量微電源輸出的瞬時(shí)電壓和電流，通過(guò)abc－to－dq0變換計(jì)算得到微電源輸出的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率。進(jìn)而通過(guò)低通濾波器得到其分別的平均功率，再由坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)得到虛擬功率或者類功率，并與微電源的參考功率進(jìn)行比較。最后通過(guò)不同的下垂控制器，得到微電源濾波器端口輸出的參考角頻率W和參考電壓E，作為雙環(huán)控制器的輸入。雙環(huán)控制采用電感電流內(nèi)環(huán)電容電壓外環(huán)，使用平均功率進(jìn)行調(diào)節(jié)目的是使調(diào)節(jié)過(guò)程更為平穩(wěn)。

3 基于端電壓和類功率的仿真

圖3 微電網(wǎng)微電源控制示意圖

為了證明控制策略的正確性，通過(guò)Matlab/Sim ulink搭建了基于端電壓和類功率的模型，模型參數(shù)如下:設(shè)置兩臺(tái)逆變器的初始相位差為1.8°，每臺(tái)逆變器輸出電阻和電感分別為0.08 Ω和0.8 mH，neq=0.001，nEp=1.5 ×10－7，nfq=1.59 ×10－7，mfp=3.185 ×10－5。

采用1.2節(jié)所提出的新型下垂控制方法，得到的有功功率響應(yīng)曲線和無(wú)功功率曲線如圖4和圖5所示。由圖可以看出兩臺(tái)逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率最終達(dá)到相等。

圖4 有功功率曲線

圖5 無(wú)功功率曲線

4 下垂控制策略的缺點(diǎn)和進(jìn)一步研究

當(dāng)然，下垂控制策略在微電網(wǎng)中的應(yīng)用，還存在一些需要繼續(xù)深入研究的問題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)不能正確地調(diào)節(jié)非線性負(fù)載及線路造成的諧波分布［11］。

(2)對(duì)于三相系統(tǒng)中由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化引起的控制模式變化，下垂控制不是個(gè)很好的選擇，尤其是當(dāng)同時(shí)有線性和非線性負(fù)載時(shí)［12－13］。

(3)上述所有下垂控制策略只考慮了一次調(diào)頻，而對(duì)二次調(diào)頻的研究有待深入［14］。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)工程實(shí)際中存在著多種電壓等級(jí)呈現(xiàn)出不同的阻抗特性，詳細(xì)分析了微電源在阻性(X＜＜R2)、感性X(＞＞R2)、阻感性(X與R相接近)情況下的功率傳輸特性，有功功率和無(wú)功功率的耦合問題，給出了相應(yīng)的控制策略。提出了一種采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的虛擬功率控制策略，實(shí)現(xiàn)了在阻感性(X與R相接近)情況下功率的解耦控制。同時(shí)為了更好的均流效果和并聯(lián)運(yùn)行，定義了類功率，設(shè)計(jì)合理的參數(shù)使得類有功功率差值只與輸出電壓的相位差有關(guān)，類無(wú)功功率差值只與電壓的幅值差有關(guān)，從而得出改進(jìn)的下垂控制策略。針對(duì)虛擬功率和類功率的下垂控制策略，給出了一個(gè)通用的微電源控制方案示意圖，詳細(xì)分析了它的工作原理，最后對(duì)類功率控制策略理論做了仿真，證明了該理論的正確性。

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