王 岳 ，楊國(guó)華 ，2

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力負(fù)荷不斷增加，能源和環(huán)境問題日益突出，基于風(fēng)電、光伏等可再生能源的分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）已得到世界各國(guó)的重視并快速發(fā)展，但大量DG單元直接并網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)帶來一系列的新問題。為了充分發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢(shì)，削弱DG對(duì)電網(wǎng)的沖擊和負(fù)面影響，提高供電的可靠性，一種由分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷和保護(hù)控制裝置構(gòu)成的微電網(wǎng)已成為DG單元與電網(wǎng)連接的有效模式［1-2］。

微電網(wǎng)誕生之后，如何對(duì)其進(jìn)行有效控制成為研究熱點(diǎn)之一。微電網(wǎng)有兩種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，即并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電壓、頻率受大電網(wǎng)的鉗制作用，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)能夠穩(wěn)定在規(guī)定范圍之內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)間歇性電源的最大利用率，并網(wǎng)模式下主要選擇P/Q控制方式。微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，沒有大電網(wǎng)的鉗制作用，一般用下垂控制保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，與此同時(shí)，微電網(wǎng)電壓頻率會(huì)有穩(wěn)定偏差，這使得微電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，不利于再次并網(wǎng)運(yùn)行。文獻(xiàn)［3、4］基于傳統(tǒng)下垂控制器對(duì)DG單元逆變器進(jìn)行控制，其在孤島運(yùn)行時(shí)，頻率極易產(chǎn)生偏差。文獻(xiàn)［5］提出了一種基于同步發(fā)電機(jī)模型的逆變器控制策略，當(dāng)負(fù)荷有功功率變化時(shí)，采用了一次調(diào)頻和二次調(diào)頻實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。文獻(xiàn)［6］通過切負(fù)荷實(shí)現(xiàn)無差調(diào)頻，這種策略只有在緊急情況下使用，只能減小頻率靜差。文獻(xiàn)［7、8］采用綜合控制策略，由儲(chǔ)能裝置根據(jù)電網(wǎng)電壓頻率的變化，使V/F控制和下垂控制互相切換，且為了實(shí)現(xiàn)平滑切換，還設(shè)計(jì)了控制器狀態(tài)跟隨器，更有效地實(shí)現(xiàn)了頻率的穩(wěn)定，但其控制過程過于復(fù)雜。

本文依據(jù)低壓微電網(wǎng)下垂控制，利用比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制器設(shè)計(jì)了靈活性較強(qiáng)的額定頻率補(bǔ)償器，在簡(jiǎn)化了控制過程的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了DG單元孤島運(yùn)行在有功功率發(fā)生變化時(shí)頻率無靜差。最后通過Matlab/Simulink仿真平臺(tái)對(duì)改進(jìn)的下垂控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明了改進(jìn)策略的有效性和可行性。

2 下垂控制原理

下垂控制是對(duì)等控制的典型控制方法。當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，多個(gè)并聯(lián)的分布式電源間不需要通訊互聯(lián)線，就能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的分配。對(duì)于逆變電源等效電路阻抗為感性的系統(tǒng)，當(dāng)逆變電源輸出的有功功率較大時(shí)，利用有功功率和頻率的下垂特性，增大輸出頻率，從而減小輸出的有功功率；當(dāng)逆變電源輸出的有功功率較小時(shí)，則利用有功功率和頻率的下垂特性，減小輸出頻率，從而增大輸出的有功功率。同理，可利用無功功率和電壓幅值的下垂特性，調(diào)節(jié)逆變電源輸出的無功功率。下垂控制方程如式（1）所示［11、12］。

式中，m為有功功率和頻率的下垂系數(shù)，n為無功功率和電壓的下垂系數(shù)，fn為電網(wǎng)額定頻率，Pn為微電源在額定頻率下的有功功率輸出，U0為微電源輸出無功功率為0時(shí)的電壓幅值，P、Q分別為逆變電源輸出的平均有功功率和無功功率。

3 改進(jìn)下垂控制

3.1 改進(jìn)下垂控制原理

在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行方式下，若所有逆變器都采用下垂控制，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，微電網(wǎng)電壓與頻率會(huì)隨著負(fù)荷增加而減小。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，電壓和頻率會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定偏差，降低電能質(zhì)量，不利于再次并網(wǎng)運(yùn)行。

圖1 P/f下垂特性

P/f下垂特性如圖1所示。假設(shè)微電網(wǎng)初始穩(wěn)定工作點(diǎn)為點(diǎn)A，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)有功功率增加時(shí)，根據(jù)下垂控制原理，微電網(wǎng)為保證穩(wěn)定運(yùn)行，頻率會(huì)隨之下降，如圖中由點(diǎn)A運(yùn)行至點(diǎn)B。為了改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量，盡可能地做到頻率無靜差，可將下垂特性線向上平移，即給下垂控制參考額定頻率進(jìn)行補(bǔ)償，得到虛擬額定頻率fn′，運(yùn)行狀態(tài)由點(diǎn)B運(yùn)行至點(diǎn)C。同理可分析微電網(wǎng)內(nèi)有功負(fù)荷降低的工作過程。虛擬額定頻率可表示為：

式中，fn′是經(jīng)過補(bǔ)償后所得的虛擬額定頻率，fn是電網(wǎng)額定頻率，Kp、Ki、Kd是PID控制器參數(shù)，f是微電網(wǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量頻率。采用PID控制，比例環(huán)節(jié)可以增加系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)態(tài)精度，積分環(huán)節(jié)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為0，微分環(huán)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

圖2 改進(jìn)下垂控制結(jié)構(gòu)

3.2 額定頻率補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

根據(jù)上述改進(jìn)下垂控制原理，可設(shè)計(jì)出如圖2所示的額定頻率補(bǔ)償控制結(jié)構(gòu)。

改進(jìn)后的下垂控制方程如下：

4 模型分析與算例仿真

4.1 模型分析

圖3 下垂控制原理圖

基于Matlab/Simulink軟件搭建了如圖3所示的控制原理圖。Lf是濾波電感，Cf是濾波電容，其連接阻感性負(fù)荷。為了抑制LC濾波器發(fā)生振蕩，串入了較小阻尼電阻Rf。濾波電容電壓（即負(fù)載電壓）為u0，濾波后的輸出電流為i0，流向?yàn)V波電容的電流為ic。電容電流內(nèi)環(huán)相比于電感電流內(nèi)環(huán)，其外部特性更硬，而且其電容電流能更好地反應(yīng)輸出電壓和負(fù)載的瞬時(shí)擾動(dòng)變化，可以更好地適應(yīng)負(fù)載變化并對(duì)負(fù)載擾動(dòng)進(jìn)行抑制［14］，因此本文選擇電容電流作為電流內(nèi)環(huán)的控制量。

由圖3可知，首先通過測(cè)量模塊，測(cè)得逆變器經(jīng)LC濾波器后的輸出電流和負(fù)荷電壓；再應(yīng)用坐標(biāo)變換，將三相交流電壓和電流變?yōu)閮上嗤叫D(zhuǎn)的直流量，由功率計(jì)算單元和低通濾波器得到逆變器電源輸出的平均有功功率和無功功率P、Q；再經(jīng)過改進(jìn)下垂控制器對(duì)額定頻率進(jìn)行補(bǔ)償，并利用電壓合成模塊，合成雙閉環(huán)控制中電壓外環(huán)的參考控制電壓，而電流內(nèi)環(huán)的控制量選取線路電容電流；最后利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，合成出逆變器的三相調(diào)制信號(hào)。

4.2 算例仿真

某系統(tǒng)運(yùn)行在孤島模式下，其初始負(fù)荷的有功功率為200kW，無功功率為10kVar。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行0.4s時(shí)給系統(tǒng)加入一個(gè)有功功率為20kW、無功功率為5kVar的負(fù)荷，系統(tǒng)再運(yùn)行0.4s時(shí)切除該加入的負(fù)荷，使系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行至1s，然后結(jié)束仿真。仿真參數(shù)設(shè)置如下：微電源參數(shù)為Vdc＝600V，Pn＝200kW，fn＝50Hz，U0＝311V，m＝1.2e-5，n＝3e-4；濾波器參數(shù)為 Rf＝0.01Ω，Lf＝0.6e-3H，Cf＝1500e-6F；電壓電流雙閉環(huán)控制參數(shù)為電流內(nèi)環(huán)K＝5，電壓外環(huán)Kup＝1，Kui＝100；額定功率補(bǔ)償器參數(shù)為 Kp＝1，Ki＝100，Kd＝0.01。

仿真結(jié)果如下圖所示：

圖4 改進(jìn)下垂控制逆變器有功功率輸出

圖5 改進(jìn)下垂控制逆變器無功功率輸出

圖6 改進(jìn)下垂控制負(fù)載端電壓

圖7 改進(jìn)下垂控制負(fù)載端電壓電流

圖8 改進(jìn)前微電網(wǎng)頻率

圖9 改進(jìn)后微電網(wǎng)頻率

5 結(jié)束語

應(yīng)用本文所提出的基于額定頻率補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)下垂控制方法，在簡(jiǎn)化了頻率調(diào)節(jié)過程的同時(shí)，既保證了逆變電源功率的正常輸出，又保證了當(dāng)微電網(wǎng)負(fù)載增加時(shí)電壓的小范圍變動(dòng)，并依靠電流變化調(diào)節(jié)輸出功率，最重要的是保證了微電網(wǎng)頻率的無靜差，提高了微電網(wǎng)的電能質(zhì)量，有利于其平滑并網(wǎng)運(yùn)行。

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