邢益俊
(海南電網(wǎng)有限責任公司建設(shè)分公司 ???570203)
基于電壓源變流器下垂控制的微電網(wǎng)分層控制
邢益俊
(海南電網(wǎng)有限責任公司建設(shè)分公司 ???570203)
為了解決微電網(wǎng)基于下垂策略的控制問題,本文提出了一種多時間尺度的微電網(wǎng)分層控制策略。分為兩層控制策略進行分析,并在PSCAD/EMTDC仿真軟件中對控制策略進行了驗證。
隨著分布式能源的發(fā)展,微電網(wǎng)受到了廣泛的關(guān)注[1]。為了解決微電網(wǎng)中采用VSC下垂控制所存在的問題,本文提出了一種多時間尺度的微電網(wǎng)分層控制策略。并在PSCAD/EMTDC仿真軟件中對控制策略進行了驗證。
本文提出了一種多時間尺度的微電網(wǎng)分層控制策略。
2.1 小時級(第三層)
在小時級時間尺度上,主要包括優(yōu)化發(fā)電調(diào)度和實時發(fā)電功率調(diào)整。在優(yōu)化發(fā)電調(diào)度階段,基于新能源出力預測和負荷預測,計算得到額定電壓和額定頻率下的額定功率。
2.2 分鐘級(第二層)
由于大負荷波動而引起的微電網(wǎng)電壓和頻率偏差超過允許的范圍,通過調(diào)整下垂曲線的空載電壓和頻率的定值,保證電能質(zhì)量。此外,在此層還實現(xiàn)了聯(lián)絡(luò)線功率流的控制、微電網(wǎng)并網(wǎng)到孤島切換的過渡控制。
2.3 秒級(第一層)
通過微源的下垂增益,實現(xiàn)下垂控制過程中準確的功率分配。該層控制策略由微源控制器完成,在段時間內(nèi)實現(xiàn)負荷功率的平衡。
3.1 第一層控制
本文采用下垂控制與虛擬阻抗技術(shù)結(jié)合的控制策略。
設(shè)mi>0,ni>0,變流器下垂控制可以描述為:
式中:wi_ref、Ei_ref分別為變流器頻率和電壓的參考值;wi*、Ei*分別為系統(tǒng)的額定頻率和電壓;Pi*、Qi*分別為第三級控制策略中微源的額定有功功率和額定無功功率;mi、ni分別為有功和無功的下垂增益;Pi、Qi為微源實時有功功率和實時無功功率。
當通過第三級的功率分配比例來確定下垂增益時,需要滿足式(2):
根據(jù)式(1),當Pi=0,Qi=0時,空載頻率和電壓分別為:
根據(jù)式(3),微源空載時的頻率和電壓定值都是一樣的,并且在第一層控制中不變。下垂特性僅由空載頻率和下垂增益決定,可以描述為:
3.2 功率分配
當系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時,系統(tǒng)中所有微源的運行頻率都相同:
根據(jù)式(1)和式(2),可以得到:
通過以上分析,采用傳統(tǒng)的下垂控制策略,可以簡單的實現(xiàn)功率分配。
同理,對于無功功率有:
同時,需要滿足式(8):
由于輸出阻抗的非線性和負荷分配的不平衡,難以滿足等式(8)的條件,從而導致電壓偏差。為了避免這種現(xiàn)象,本文采用了大下垂增益,能有效的控制功率分配誤差在允許的范圍內(nèi)。
4.1 二次調(diào)頻調(diào)壓控制
本文在第二層控制中考慮了二次調(diào)頻和調(diào)壓控制。二次調(diào)頻調(diào)壓可以描述為:
其中,頻率和電壓的調(diào)節(jié)量Δwi*、ΔEi*可以通過式(10)計算得到。
其中,Pi(p.u.)、Qi(p.u.)分別為有功功率和無功功率的標幺值。
通過二次調(diào)頻調(diào)壓,可以將系統(tǒng)的頻率和電壓穩(wěn)定在額定電壓附件。
4.2 無縫切換的過渡控制
由于在并網(wǎng)和離網(wǎng)運行時都采用了下垂控制策略,當微電網(wǎng)從離網(wǎng)模式向并網(wǎng)模式切換時,需要實現(xiàn)同步控制。
在實現(xiàn)同步控制時,需要分別采集PCC點的主網(wǎng)電壓和微電網(wǎng)電壓,并且通過通信系統(tǒng)傳送給控制器。同步控制過程可以描述為:
式中:θg、θm分別為主網(wǎng)和微電網(wǎng)電壓相角;Eg、Em分別為主網(wǎng)和微電網(wǎng)電壓幅值。
本文在PSCAD/EMTDC仿真軟件中對所提出的算法進行了仿真驗證。
5.1 算例一
在0-3S,分布式電源DR1和DR2分別帶負荷Load1和Load2啟動;5S時刻,DR2與DR1同步運行;6~8S,DR1和DR2運行在傳統(tǒng)下垂控制模式;12S時刻,Load4接入系統(tǒng)運行;20S時刻,DR1和DR2的無功電壓下垂增益從分別從0.8、0.4調(diào)節(jié)至4、2。仿真時長30S,仿真步長50uS。
當DR1和DR2采用傳統(tǒng)下垂控制策略并行運行時,有功功率分配由有功下垂增益決定。在20S之前,由于線路壓降不一致,無功功率存在明顯的偏差,并且DR1負載端的無功功率大于DR2負載端的無功功率。很小的線路阻抗偏差很容易引起變流器過流。20S之后,由于采用了大下垂增益控制策略,無功功率偏差得到了良好的抑制。
5.2 算例二
在案例二中,0-12S時段的運行狀態(tài)與案例一中一致。12S時刻,Load4投入運行;17S時刻,Load5投入運行;23S時刻,啟用二次電壓控制策略,并且將空載時下垂特性電壓從321V調(diào)節(jié)至365V。隨著無功負荷的增加,系統(tǒng)電壓從0.95p.u.將至0.85p.u.,超出了運行允許范圍。通過二次電壓控制后,系統(tǒng)電壓回升至0.94p.u.,提高了電能質(zhì)量。DR1和DR2的功率分配保持不變。由于在仿真實驗中采用了純阻抗負荷,無功負荷隨著系統(tǒng)電壓的增加而增加,從而導致系統(tǒng)電壓不能回歸額定值。
5.3 算例三
在0-15S期間,微網(wǎng)運行在孤網(wǎng)模式。16S和18S時刻,順序啟動了DR1和DR2的電壓幅值和電壓相位的自動同步控制。本文提出的自同步控制策略能夠在0.5S內(nèi)實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的狀態(tài)同步。
為了解決微電網(wǎng)基于VSC下垂控制中出現(xiàn)的問題,本文提出了一種分層控制策略,并且在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境中進行了驗證。本文提出的控制策略有兩個優(yōu)點:
(1)該控制策略能夠提高系統(tǒng)功率比例分配精度,保證電能質(zhì)量。能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)并網(wǎng)到離網(wǎng)的無縫切換。
(2)該控制策略能夠與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)和經(jīng)濟調(diào)度策略結(jié)合,在不同的層次實現(xiàn)控制目標。在微電網(wǎng)運行策略中,不需要改變原有的VSC控制策略,能實現(xiàn)不同運行模式間的平滑切換。
[1]M.C.Chandorkar,D.M.DivanandR.Adapa,“Controlofparallelconnected invertersinstandaloneacsupplysystems,”IEEETrans.IndustrialApplication,vol.29,pp:136~143,Jan.1993.
[2]王成山,高菲,李 鵬,等.低壓微網(wǎng)控制策略研究[J].中國電機工程學報,2012,32(25):2~8.
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1004-7344(2016)03-0063-02
2016-1-5