黎金英，艾 欣，鄧玉輝

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206)

微電網(wǎng)是由分布式電源(Distributed Generation，DG)、儲能裝置、能量變換裝置、負(fù)荷、保護裝置等組成的小型電力系統(tǒng)。微電網(wǎng)的2種基本運行模式是:正常情況下，微電網(wǎng)和常規(guī)主電網(wǎng)并網(wǎng)運行，作為常規(guī)主電網(wǎng)的補充，稱為并網(wǎng)運行模式;當(dāng)檢測到主電網(wǎng)發(fā)生故障(如負(fù)荷不平衡、單相對地短路、兩相對地短路等)使得電能質(zhì)量不能滿足本地供電要求時，微電網(wǎng)將會迅速和常規(guī)主電網(wǎng)斷開，獨自對本地負(fù)荷進行不間斷供電，具有不間斷電源(Uninterrupted power supply，UPS)功能，稱為孤島運行模式［1］。不管是并網(wǎng)運行還是孤島運行，都需要對各自子單元進行有效的質(zhì)量控制，使其輸出電壓的頻率和幅值在一定范圍內(nèi)，滿足電能質(zhì)量要求［2］。微電網(wǎng)中的分布式電源通過電力電子設(shè)備接入配電系統(tǒng)，其主要設(shè)備為逆變器，控制策略可分成 PQ控制、U/f控制和下垂控制(Droop控制)［3］。對于輸出功率隨機的電源，一般采用PQ控制，該控制方法可以實現(xiàn)最大能源利用效率;對于功率可以調(diào)節(jié)的電源，由于沒有輸出功率約束，因此可以實現(xiàn)U/f的控制，從而保證微電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定性。文獻［4］介紹的微電網(wǎng)中分布式電源的控制主要包括主從控制(Master-slave control)、對等控制(Peer-to-peer control)和分層控制(Hierarchical control)3種類型，論述了分層控制是解決微電網(wǎng)中各元件協(xié)調(diào)控制的有效途徑。文獻［5］研究了微電網(wǎng)的2種綜合控制策略:主從控制策略和對等控制策略。文獻［6］提出了微電網(wǎng)分層控制的概念。文獻［7］在研究交直流微電網(wǎng)的構(gòu)成和各種運行模式的基礎(chǔ)上，提出電壓分層協(xié)調(diào)控制策略，實現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)的有功功率平衡，但是沒有考慮到微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定。文獻［8］研究的微電網(wǎng)分層控制主要包括2層，其中:上層的微電網(wǎng)中心控制器(MGCC)根據(jù)分布式電源出力和微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷需求變化，調(diào)節(jié)底層分布式電源控制器的穩(wěn)態(tài)平衡點和負(fù)荷投切。文獻［9］提出的嵌套分區(qū)算法對電力系統(tǒng)進行無功/電壓分區(qū)，然后對相應(yīng)區(qū)域中負(fù)荷節(jié)點電壓對負(fù)荷增長水平靈敏度最大的節(jié)點進行無功補償。根據(jù)不同的微電網(wǎng)分層控制，本文提出了一種適用于微電網(wǎng)分布式電源的分層控制策略—改進下垂控制法，通過Matlab/simulink進行仿真驗證，結(jié)果表明了微電網(wǎng)中分布式電源分層控制策略的有效性。

1 微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)的模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括交流母線、直流母線、DC/AC逆變器、AC/DC整流器、DC/DC直流變換器、負(fù)荷和分布式電源(如光伏、風(fēng)力發(fā)電和儲能等)。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Microgrid structure

文獻［10］提出微電網(wǎng)中心控制器(Microgrid central controller，MGCC)、負(fù)荷控制器(Load controller，LC)和微電源控制器(Microsource Controller，MC)間需建立可靠的通信連接。微電網(wǎng)中心控制器安裝在中壓-低壓變電站，用來對微電網(wǎng)進行統(tǒng)一的控制，并負(fù)責(zé)微電網(wǎng)和主電網(wǎng)之間的通信和控制;負(fù)荷控制器和微電源控制器從屬于微電網(wǎng)中心控制器，分別對負(fù)荷和微電源進行控制。

2 微電網(wǎng)分層控制策略

本文提出的微電網(wǎng)分布式電源的分層控制(Hierarchical control)主要包括2層，即初級控制(primary control)和二級控制(secondary control)，如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)的分層控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Microgrid control hierarchical structure

在該控制策略中，每一層獨立完成自己的控制任務(wù)，通過通信向下層傳達命令，并且在向下層傳達命令時不影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。初級控制采用改進下垂控制的方法，主要通過操作層運行，直接運行控制，完成對分布式電源的控制。同時，通過對輸出電壓幅值和頻率的控制完成對各逆變器電網(wǎng)接口輸出的有功功率和無功功率分配，實現(xiàn)并聯(lián)分布式電源的均衡和優(yōu)化。二級控制通過初級控制信號重新控制逆變器的輸出電壓幅值和頻率，使之重新達到平衡，實現(xiàn)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2.1 微電網(wǎng)的初級控制策略

微電網(wǎng)的初級控制(Primary control)如圖3所示。

2.1.1 下垂控制原理

下垂控制法是分層控制中常用的一類控制算法，基礎(chǔ)是分布式電源的間接功率控制法，如圖4所示［11］。

根據(jù)圖4可得流向公共連接點的功率表示為

當(dāng)Z∠θ=R+jX時，式(1)可寫成

因此，有

圖3 初級控制系統(tǒng)圖Fig.3 Primary control system

圖4 分布式電源并網(wǎng)的等效線路Fig.4 Equivalent circuit of distributed generators grid-connected

當(dāng)分布式電源逆變器通過電感性線路連接到電網(wǎng)時，R?X，電阻R可以忽略不計。若功率角δ很小，則 sin δ≈δ，cos δ≈1。式(2)可寫成

對于R?X，功率角δ較小，且U-E差異較小。從式(3)可以看出，頻率(或功率角δ)可通過調(diào)節(jié)有功功率P來控制，而逆變器的電壓可通過調(diào)節(jié)無功功率Q來控制。對于分布式電源供電的負(fù)荷或微電網(wǎng)，不同的分布式電源處電壓不可能有完全相同的頻率和幅值，這是由它們之間頻率和幅值微小差異造成的。相反，如果根據(jù)各功率變換器產(chǎn)生的有功功率和無功功率所形成的函數(shù)來控制它們的電壓頻率和幅值，整個系統(tǒng)將會找到一個平衡點，這可以保證控制器具有功率分配能力。因此通過調(diào)節(jié)分布式電源的有功功率和無功功率出力即可控制微電網(wǎng)的頻率和幅值，這就衍生出了頻率和電壓的下垂控制方法，可以表示為

式中:fo為逆變器輸出的額定頻率;Uo為逆變器輸出的額定電壓;mp、nq分別為有功功率下垂系數(shù)和無功功率下垂系數(shù);P為逆變器實際輸出的有功功率;Q為逆變器實際輸出的無功功率;Po、Qo分別為額定的有功功率和無功功率。

在低壓微網(wǎng)中，線路阻抗比值較大，線路電阻R不能忽略，有功功率和無功功率存在較強耦合。傳統(tǒng)下垂控制已經(jīng)不能滿足低壓微電網(wǎng)控制的需求［12］。因此，本文提出一種改進型P-f和Q-U的功率耦合下垂控制策略。

2.1.2 改進下垂控制

在低壓微網(wǎng)中，有功功率和無功功率對電壓和頻率的控制存在耦合關(guān)系。在一般情況下，X和R在優(yōu)化調(diào)節(jié)電壓和頻率的下垂控制中都必須考慮。根據(jù)文獻［13］可知，這里引入了一個正交線性族轉(zhuǎn)變換矩陣T，將有功功率P和無功功率Q修正為P*和為 Q*，即

將式(4)代入式(2)，有

考慮到功率角 δ很小，sin δ≈δ，cos δ≈1，則式(5)可寫成

綜上，假設(shè) P*≈P，Q*≈Q，Q*≈ -Q，Q*≈P，令

從式(6)可以看出，功率角δ和電壓幅值需通過 P和Q的耦合調(diào)節(jié)來控制。根據(jù)上述原理可推出考慮阻感比的下垂控制通用表達式為

當(dāng)r=0時，式(7)即為傳統(tǒng)下垂控制。由式(7)可得如圖5所示的有功功率和無功功率耦合的P-f和Q-U下垂控制框圖。

圖5 P－f和Q－U下垂控制框圖Fig.5 Block diagram of P－f and Q－U droop control

2.1.3 電壓電流雙環(huán)控制

在逆變器的控制系統(tǒng)設(shè)計中，一般采用雙閉環(huán)比例積分(Proportional integral，PI)控制器，即采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制方法。電壓外環(huán)主要是維持中間交流側(cè)uodq的穩(wěn)定，一般采用PI控制器。電壓控制的數(shù)學(xué)模型可以表示為［14］

電流內(nèi)環(huán)主要是按照電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制，一般采用PI控制器，電流控制的數(shù)學(xué)模型可以表示為［15］

圖6 電壓外環(huán)控制器的結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Voltage outer loop controller structure

圖7 電流內(nèi)環(huán)控制器的結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Current inner loop controller structure

2.2 微電網(wǎng)的二級控制策略

在初級控制中，分布式電源通過逆變器輸出的功率來控制電壓和頻率，但是這將會引發(fā)頻率和電壓的偏差。式(7)可以寫成

式中，Δf和ΔU分別為系統(tǒng)的頻率偏差和電壓偏差。

為了補償這個偏差使頻率和幅值重新回到額定值，引入了二級控制(Secondary control)方法。其中，頻率偏差 Δf可以表示為［16］

式中:kpf和kif分別為二級控制補償器的控制參數(shù);fMG為微電網(wǎng)的分布式電源輸出頻率;f*MG為參考值。

電壓偏差ΔU可以表示為［17］

式中:kpv和kiv分別為二級控制補償器的控制參數(shù);UMG為微電網(wǎng)的分布式電源輸出電壓;為參考值。

從式(10)和式(11)可以看出，微電網(wǎng)的分布式電源輸出頻率fMG和電壓幅值UMG與其參考值和進行比較，得到頻率偏差 Δf和電壓偏差ΔU。這些偏差值反饋到初級控制來控制分布式電源的控制器，進而使分布式電源的頻率和電壓幅值達到一個穩(wěn)定值。由式(10)和式(11)可得二級控制的頻率偏差和電壓偏差框圖，如圖8所示。

圖8 二級控制的頻率偏差和電壓偏差框圖Fig.8 Secondary control frequency deviation and voltage deviation structure diagram

3 仿真分析

為驗證上述控制策略的正確性，利用Matlab/Simulink搭建仿真模型，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)仿真模型Fig.9 System simulation model

圖10 DC/DC變換器輸出的直流電壓Fig.10 DC/DC converter output DC voltage

圖11 DC/AC逆變器輸出的交流電壓Fig.11 DC/AC inverter output AC voltage

1)當(dāng)初級控制(Primary control)在微電網(wǎng)中運行時，微電網(wǎng)輸出的有功功率和無功功率如圖12和圖13所示。

圖12 微電網(wǎng)輸出的有功功率Fig.12 Micro－gird output active power

圖13 微電網(wǎng)輸出的無功功率Fig.13 Micro－gird output reactive power

由圖12和圖13中的仿真結(jié)果可以得出，在t=0.02 s之前，微電網(wǎng)的分布式電源還沒有輸出功率。在t=0.02 s之后，微電網(wǎng)輸出的有功功率DG1為14 kW，DG2為10 kW，DG3為8 kW;微電網(wǎng)輸出的無功功率 DG1為13 kVA，DG2為7.5 kVA，DG3為4.7 kVA。

頻率響應(yīng)如圖14所示，包括微電網(wǎng)頻率fMG、參考頻率f*

MG和電網(wǎng)頻率 fg。在 0.02 ～0.1 s，微電網(wǎng)輸出的頻率波動和電壓偏差ΔU1≈45 V，如圖14和圖15所示。在t=0.1 s時刻后，負(fù)荷發(fā)生變化，微電網(wǎng)輸出的有功功率和無功功率(包括DG1、DG2和DG3)分別為25 kW、2.5 kVA，如圖13和14所示。在0.1～0.2 s，微電網(wǎng)輸出的頻率偏差 Δf如圖14所示。同時，微電網(wǎng)的電壓和參考電壓都為380 V(UMG==380 V)，如圖15所示。在t=0.2 s時刻后，負(fù)荷發(fā)生變化，微電網(wǎng)輸出的有功功率和無功功率(包括DG1、DG2和DG3)分別為20 kW、12.5 kVA，如圖13和圖14所示。同時，微電網(wǎng)輸出的電壓偏差ΔU2≈12 V，如圖15所示。

圖14 頻率響應(yīng)Fig.14 Frequency response

圖15 微電網(wǎng)輸出電壓波形Fig.15 Micro－gird output voltage waveform

根據(jù)以上分析，在初級控制中，微電網(wǎng)分布式電源通過逆變器輸出的功率來控制電壓和頻率，但是這會導(dǎo)致頻率和電壓的波動，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2)當(dāng)二級控制(Secondary control)在微電網(wǎng)中的運行時，微電網(wǎng)輸出的電流、電壓、頻率和電壓相角如圖16—圖19所示。

圖16 微電網(wǎng)輸出電流波形Fig.16 Micro－gird output current waveform

圖17 微電網(wǎng)輸出電壓波形Fig.17 Micro－gird output voltage waveform

圖18 頻率響應(yīng)Fig.18 Frequency response

圖19 微電網(wǎng)輸出電壓相角波形Fig.19 Micro－gird output voltage phase angle waveform

由圖16—圖19中的仿真結(jié)果可以得出，在0.02 ～0.1 s，微電網(wǎng)輸出的頻率偏差 Δf、電壓偏差Δu≈10 V和電壓相角偏差Δφ。根據(jù)IEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)，對于容量為0～500 kVA的分布式電源進行并網(wǎng)時，允許頻率偏差為0.3 Hz，電壓偏差為10%，相角偏差為±20°，頻率和電壓的偏差不超過IEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的允許極限，即符合該標(biāo)準(zhǔn)。在0.1～0.25 s，負(fù)荷變化(或者分布式電源出力的波動)，微電網(wǎng)中分布式電源的頻率、參考頻率和電網(wǎng)頻率都為50 Hz=50 Hz)，微電網(wǎng)中分布式電源的電壓、參考電壓和電網(wǎng)電壓都為380 V根據(jù)以上分析，在二級控制中，微電網(wǎng)中分布式電源的運行穩(wěn)定，電能質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

本文提出的微電網(wǎng)分布式電源的分層控制策略不僅提高了系統(tǒng)供電可靠性，而且保證了微電網(wǎng)各種運行方式的無縫切換。在考慮到負(fù)荷變化或分布式電源出力波動性的情況下，并入電網(wǎng)的微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率和電壓幅值一直保持穩(wěn)定，頻率偏差、電壓偏差都在允許范圍內(nèi)，符合IEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)。Matlab/simulink仿真結(jié)果表明，分層控制策略能使各分布式電源之間較好地協(xié)調(diào)，滿足了系統(tǒng)電壓和頻率的要求。

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