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(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

當(dāng)前，能源需求趨緊，以保護(hù)環(huán)境為前提的可持續(xù)發(fā)展理念受到廣泛重視。國(guó)際上對(duì)分布式發(fā)電領(lǐng)域給予了更多的期待。作為分布式電源大規(guī)模應(yīng)用的有效技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑，微網(wǎng)技術(shù)可通過(guò)柔性控制降低分布式能源并網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。而微網(wǎng)中的部分微源如光伏、蓄電池等均以逆變器為媒介，實(shí)現(xiàn)與微網(wǎng)相連。因此，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)逆變器的并聯(lián)運(yùn)行下垂控制的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

傳統(tǒng)的下垂控制的思想在于，利用本地信息計(jì)算有功功率和無(wú)功功率，根據(jù)下垂特性曲線(xiàn)，調(diào)整微源接口的逆變器的輸出電壓和頻率[4]。為實(shí)現(xiàn)均流，則需通過(guò)測(cè)量公共耦合點(diǎn)處電壓參與下垂控制。但是，傳統(tǒng)的下垂控制缺乏對(duì)具體線(xiàn)路阻抗特性的考量，其假設(shè)前提為輸電線(xiàn)路為感性的架空線(xiàn)路，對(duì)于存在阻性或者阻感性的輸電線(xiàn)路的微網(wǎng)不適用。文獻(xiàn)[5]提出采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)變換，從而避免線(xiàn)路阻抗對(duì)于功率的耦合作用。但是，公共耦合點(diǎn)處的電壓反饋信號(hào)的傳輸增加了通訊成本，傳輸距離和信號(hào)傳輸準(zhǔn)確性也成為必須考慮的問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]提出了類(lèi)功率的概念，但是僅停留在所有微源均采用完全相同的線(xiàn)路，也未對(duì)微源容量不同對(duì)于分配的影響加入考慮。因此，本文提出一種改進(jìn)的的類(lèi)功率下垂控制策略，僅根據(jù)本地信息，以微源單元輸出量為觀(guān)測(cè)量，通過(guò)類(lèi)功率的形式，實(shí)現(xiàn)控制量的解耦，完成不同容量微源單元的功率分配。

本文通過(guò)分析并聯(lián)微源模型，提出類(lèi)功率下垂控制方法，實(shí)現(xiàn)控制量的解耦和負(fù)荷功率的精確分配。通過(guò)仿真分析，證明了類(lèi)功率下垂控制策略的可行性和優(yōu)越性。

2 微源并聯(lián)系統(tǒng)功率分配分析

考慮如圖1所示兩個(gè)微源并聯(lián)模型，進(jìn)行并聯(lián)系統(tǒng)分析。微源單元為分布式電源通過(guò)逆變器接口經(jīng)過(guò)濾波單元的等效交流源。

圖1 微源并聯(lián)系統(tǒng)模型

本文中計(jì)算僅根據(jù)可測(cè)的本地信息，利用KCL定律，有：

(1)

公共耦合點(diǎn)電壓可表示為：

(2)

那么，可求得微源1輸出電流為：

(3)

本文在計(jì)算輸出復(fù)功率時(shí)可采用微源單元輸出電壓即本地電壓，而非公共耦合點(diǎn)電壓，求得微源1輸出復(fù)功率為：

(4)

為了表示方便后文描述，令：

(5)

將式(5)帶入式(4)，微源1發(fā)出的復(fù)功率簡(jiǎn)化為：

(6)

即，微源1發(fā)出的有功與無(wú)功功率為：

(7)

同理，可得微源2發(fā)出的有功與無(wú)功功率為：

(8)

由式(7)與式(8)，微源發(fā)出的有功與無(wú)功功率均與U1、U2、φ1、φ2相關(guān)。而傳統(tǒng)的下垂控制把線(xiàn)路視為感性，即x>>r時(shí)，認(rèn)為相位角由有功功率決定，電壓由無(wú)功功率決定，忽略了有功功率與電壓的關(guān)系、無(wú)功功率與相位角的關(guān)系。當(dāng)微源所在為低壓微網(wǎng)時(shí)，即線(xiàn)路為阻性或阻感性，那么有功功率與電壓的關(guān)系、無(wú)功功率與相位角的關(guān)系不能被忽略。

因此，有功功率與電壓的關(guān)系、無(wú)功功率與相位角的關(guān)系應(yīng)該考慮入下垂控制的控制律設(shè)計(jì)中。那么，是否能尋求某兩個(gè)變量，通過(guò)相關(guān)變形，使得這兩個(gè)變量?jī)H僅與電壓或者是相位角有關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)控制量的解耦呢？因此，本文利用“類(lèi)功率”的概念，僅利用本地信息，根據(jù)有功功率與無(wú)功功率的線(xiàn)性組合，尋找 “類(lèi)有功功率”P(pán)1t、P2t，使其差值僅與相位角有關(guān)的；尋找“類(lèi)無(wú)功功率”Q1t、Q2t，使其差值僅與電壓差有關(guān)的。

除了控制量解耦與通訊成本，在下垂控制設(shè)計(jì)中，各微源對(duì)負(fù)荷功率的分配也是探究要點(diǎn)之一。在不同容量微源并聯(lián)的微網(wǎng)中，環(huán)流大小是衡量系統(tǒng)功率分配的重要指標(biāo)。如果能按照額定容量比k精確分配負(fù)荷功率，精確設(shè)定電壓和頻率參考點(diǎn)，則并聯(lián)微源能夠穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)抑制環(huán)流。那么，“類(lèi)功率”實(shí)現(xiàn)控制量解耦的同時(shí)，是否能實(shí)現(xiàn)微源出力對(duì)應(yīng)容量成比例滿(mǎn)足負(fù)荷功率需要呢？如果微源發(fā)出的類(lèi)有功功率和類(lèi)無(wú)功功率對(duì)應(yīng)成比例，是否真正的輸出有功功率與無(wú)功功率也能滿(mǎn)足精確的負(fù)荷功率分配呢？本文將在隨后解答這個(gè)問(wèn)題。

3 類(lèi)功率下垂控制

由前文可知，類(lèi)功率為有功功率與無(wú)功功率的線(xiàn)性組合，即：

(9)

假設(shè)微源1、2容量比為k。如果兩微源按照容量之比發(fā)出類(lèi)有功功率和類(lèi)無(wú)功功率，則有：

P1t-kP2t=(k11P1+k12Q1)-k(k21P2+k22Q2)=

(10)

Q1t-kQ2t=(k13P1+k14Q1)-k(k23P2+k24Q2)=

k14c+kk23b+kk24c)+U1U2cos(φ1-

φ2)(k13c-k14b-kk23c+kk24b)

(11)

若要求微源的類(lèi)有功功率功率僅與相角相關(guān)，那么經(jīng)調(diào)節(jié)使得相角差為0時(shí)，微源1、2須根據(jù)容量比精確分配負(fù)荷的類(lèi)有功功率功率。而要求微源的類(lèi)無(wú)功功率僅與電壓差相關(guān)，那么經(jīng)調(diào)節(jié)使得電壓滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，微源1、2須根據(jù)容量比精確分配負(fù)荷的類(lèi)無(wú)功功率功率。則式(10)與式(11)的相關(guān)參數(shù)須滿(mǎn)足：

(12)

即類(lèi)功率參數(shù)的選擇須滿(mǎn)足式(12)；同時(shí)，等效輸出阻抗?jié)M足r2/r1=x2/x1=k時(shí)，類(lèi)功率按照微源容量等比例分配。

所以，有：

(13)

此時(shí)類(lèi)有功功率的差值僅與相角差有關(guān)，類(lèi)無(wú)功功率的差值僅僅與電壓差有關(guān)：

(14)

由式(14)可知，如果有φ1>φ2，則必然推出P1t>kP2t；若U1>U2，則必然推出Q1t>kQ2t。因此，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)會(huì)穩(wěn)定在P1t=kP2t與Q1t=kQ2t。

那么，記U1=U2=U。此時(shí)微源1、2輸出的有功功率和無(wú)功功率關(guān)系如下：

(15)

(16)

由于，此時(shí)有r2/r1=x2/x1=k，故有P1=kP2和Q1=kQ2。也就是說(shuō)，當(dāng)微源輸出的類(lèi)有功功率和類(lèi)無(wú)功功率對(duì)應(yīng)容量成比例時(shí)，它們輸出的實(shí)際有功功率和無(wú)功功率也對(duì)應(yīng)成比例，從而消除了環(huán)流，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)上述推導(dǎo)，所選下垂控制方式為類(lèi)下垂功率控制：

(17)

4 仿真分析

為驗(yàn)證控制策略的合理性，在MATLAB/SIMULINK平臺(tái)中搭建仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

以圖1所示的兩微源并聯(lián)進(jìn)行仿真。微源1與微源2容量比為1∶2。系統(tǒng)初始工況為2個(gè)微源分別帶有功負(fù)荷20kW和40kW；在0.5s時(shí)，兩微源并聯(lián)；在1s時(shí)，公共耦合點(diǎn)新增有功負(fù)荷40kW和無(wú)功負(fù)荷24kVar。主要考察不同容量微源并聯(lián)時(shí)，分別工作在傳統(tǒng)功率下垂控制與類(lèi)功率下垂控制下的微源是否按照容量比增發(fā)功率滿(mǎn)足負(fù)荷需求，考察環(huán)流大小。Droop曲線(xiàn)為傳統(tǒng)下垂控制；QuasiDroop曲線(xiàn)為類(lèi)功率下垂控制。

從圖2可以看出，對(duì)比傳統(tǒng)的功率下垂控制律和類(lèi)功率下垂控制律：在傳統(tǒng)的下垂控制方法下基本可實(shí)現(xiàn)有功功率的按比例分配，原因在于系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)兩微源的頻率會(huì)拉入同步。所以只要將設(shè)定下垂系統(tǒng)成比例，則可滿(mǎn)足有功功率的按比例分配。但是由于存在電壓偏差，無(wú)法滿(mǎn)足無(wú)功功率的按比例分配。同時(shí)輸出電流的幅值和相位差值無(wú)法忽略，即存在著明顯的環(huán)流。而與之相比，在類(lèi)功率下垂控制方法下，基本可以實(shí)現(xiàn)有功功率與無(wú)功功率的按照容量等比例下降，且輸出電流的幅值和相位很小，環(huán)流較小，實(shí)現(xiàn)了較為精確的功率分配和環(huán)流抑制效果。

5 結(jié)論

本文根據(jù)不同容量微源并聯(lián)系統(tǒng)特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的類(lèi)功率下垂控制策略，消除控制量的耦合，實(shí)現(xiàn)不同容量微源對(duì)于負(fù)荷功率的精確分配。

首先分析了微源的并聯(lián)模型。根據(jù)本地信息，推出微源的輸出功率的表達(dá)式。引入“類(lèi)功率”的概念，利用有功功率和無(wú)功功率的線(xiàn)性組合形式得出類(lèi)有功功率和類(lèi)無(wú)功功率，使得類(lèi)有功功率僅與微源輸出頻率相關(guān)，類(lèi)無(wú)功功僅僅與微源輸出電壓相關(guān)，實(shí)現(xiàn)了控制量的解耦。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率按照微源容量進(jìn)行分配，完成功率的精確分配。最后以不同容量微源并聯(lián)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。不同容量微源并聯(lián)時(shí)，能夠有效地減少系統(tǒng)環(huán)流，提高功率的分配精度。仿真實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)互聯(lián)線(xiàn)的類(lèi)功率下垂控制策略在無(wú)需測(cè)量公共耦合點(diǎn)處電壓的情況下，具有良好的負(fù)荷功率分配特性。

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