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        基于改進(jìn)下垂控制的微電網(wǎng)有功與頻率控制策略*

        2017-12-20 09:16:46李燕青郭通袁燕舞
        電測(cè)與儀表 2017年12期
        關(guān)鍵詞:微源穩(wěn)態(tài)控制策略

        李燕青,郭通,袁燕舞

        (河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,華北電力大學(xué),河北保定071003)

        0 引 言

        微電網(wǎng)是以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ),融合儲(chǔ)能裝置、控制裝置和保護(hù)裝置的一體化單元,靠近用戶終端負(fù)荷,能夠工作在并網(wǎng)和自治兩種模式,核心是提高供電可靠性、集約應(yīng)用分布式新能源、改善電能質(zhì)量[1]。微電網(wǎng)代表了未來(lái)一種電力能源組織結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì),對(duì)推進(jìn)節(jié)能減排和實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。微電網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu)可以分為三種:主從控制,對(duì)等控制和分層控制。主從控制和分層控制中各分布式單元都需要進(jìn)行通信,一旦通信發(fā)生故障,微電網(wǎng)系統(tǒng)就不能正常運(yùn)行,而下垂控具有無(wú)需通信便能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷變化在各逆變電源之間按照電源容量分配的優(yōu)點(diǎn)[2-3]。目前的研究大體上可分為兩類,一類是利用系統(tǒng)小信號(hào)模型研究控制器參數(shù)選取對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響[4-7],一類是通過(guò)在下垂曲線方程中加入特定項(xiàng)來(lái)改善系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)[8-12]。

        文章從改善傳統(tǒng)下垂控制的穩(wěn)態(tài)性能上出發(fā),提出了微網(wǎng)在離網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng)下的兩種改進(jìn)控制策略,利用改進(jìn)的控制策略,可以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的零頻率偏差,并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要使電源發(fā)出指定的有功功率,仿真驗(yàn)證了所提策略的有效性。

        1 下垂控制的基本原理

        下垂控制的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,按照功能可分為三個(gè)模塊:功率控制器、電壓控制器、電流控制器[11]。

        圖1 下垂控制整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of droop control

        功率控制器主要實(shí)現(xiàn)逆變器輸出功率的測(cè)量,得到的瞬時(shí)功率經(jīng)過(guò)低通濾波得到變化緩慢的平均功率,平均功率經(jīng)過(guò)人為制定的下垂曲線得到逆變器輸出電壓和頻率的參考值;電壓控制器根據(jù)功率控制器輸出的參考電壓值V0*,經(jīng)過(guò)一定的控制策略(PI控制),得到電流控制器的參考電流值i1*;電流控制器的主要任務(wù)是根據(jù)從電壓控制器得到的參考輸入,經(jīng)過(guò)一定的控制策略,給出逆變器的參考調(diào)制電壓波形,逆變器按照此調(diào)制電壓逆變出所需頻率和幅值的PWM波形的電壓,此PWM電壓經(jīng)過(guò)由Ll,Rl,Cl組成的低通濾波器,得到所需的正弦波電壓V0,該電壓再經(jīng)過(guò)線路阻抗Rc,Lc向負(fù)荷供電,或者與其它下垂控制的微源接口逆變器并聯(lián),也可能經(jīng)過(guò)PCC與配電網(wǎng)進(jìn)行連接。

        下面對(duì)下垂控制各模塊的具體工作過(guò)程做一介紹如圖2所示(以有功頻率調(diào)節(jié)為例)。

        假設(shè)系統(tǒng)初始運(yùn)行于A點(diǎn),有功為P0,頻率為ω0?,F(xiàn)由于某種原因系統(tǒng)中有功負(fù)荷增加,功率控制器檢測(cè)到逆變器輸出有功增大,經(jīng)過(guò)下垂曲線降低參考電壓的輸出頻率,電壓控制器和電流控制器按照新給出的參考電壓頻率共同作用,即調(diào)節(jié)逆變器開(kāi)關(guān)管的開(kāi)閉狀態(tài),使逆變器輸出端電壓頻率降低。此時(shí),由于負(fù)荷本身的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng),負(fù)荷吸收的功率會(huì)隨電壓頻率降低而減小,這樣,逆變器在下垂曲線的控制下輸出有功增加,負(fù)荷在自身調(diào)節(jié)特性約束下吸收有功減少,經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡過(guò)程,系統(tǒng)會(huì)到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)A′,此時(shí)系統(tǒng)的有功功率為P1,頻率為ω1。

        由以上的分析過(guò)程可以看出,下垂控制對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)有功和頻率的調(diào)節(jié)類似于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻過(guò)程,而下垂控制也正是借鑒了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)有功頻率的這一關(guān)系,將其賦予了逆變器而得出的一種控制策略。

        2 下垂控制的改進(jìn)

        下垂控制的有功頻率下垂方程為:

        式中 P0i對(duì)應(yīng)頻率為ω0時(shí)的功率;Pi為逆變器實(shí)際發(fā)出的有功功率;mi對(duì)應(yīng)有功頻率下垂系數(shù)。一般情況下,在下垂控制中P0i取值為逆變器的額定功率不再改變,這就使得傳統(tǒng)下垂控制在調(diào)節(jié)過(guò)程中喪失了很多靈活性,如果在下垂控制調(diào)節(jié)過(guò)程中同時(shí)改變P0i的值,就可以使傳統(tǒng)下垂控制獲得很多優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)性質(zhì),現(xiàn)以離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種情形分述如下:

        (1)A離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)

        為了改善離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏離額定值的現(xiàn)象,離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)下垂控制的有功頻率特性改進(jìn)如圖3所示。

        圖3 離網(wǎng)時(shí)改進(jìn)有功頻率下垂控制Fig.3 The improved active frequency droop control strategy when off grid

        圖3中PIR是逆變器的額定功率,K是一個(gè)影響頻率調(diào)節(jié)速度的比例因子。從圖中可以看出原來(lái)固定不變的P0i現(xiàn)在成為一個(gè)受頻率偏差Δωi的影響的變量,由于前向通道中有一個(gè)積分環(huán)節(jié),使得微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,系統(tǒng)頻率ωi與額定頻率ω0的偏差Δωi為零。在該過(guò)程中,P0i的值不斷改變,相當(dāng)于在垂直方向上移動(dòng)逆變器的下垂曲線,所以調(diào)節(jié)過(guò)程中仍可以保證微源按比例分擔(dān)負(fù)荷。實(shí)際上,通過(guò)改變P0i來(lái)使離網(wǎng)系統(tǒng)頻率恢復(fù)到額定值的過(guò)程相當(dāng)于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻過(guò)程,此改進(jìn)相當(dāng)于為微網(wǎng)系統(tǒng)增加了調(diào)頻器,而傳統(tǒng)下垂控制卻只能進(jìn)行一次調(diào)頻。

        (2)B聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)

        采用下垂控制的逆變型電源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí),微網(wǎng)系統(tǒng)與大電網(wǎng)形成一個(gè)整體,具有相同的的頻率ω0,可以利用這個(gè)特點(diǎn)來(lái)指定逆變型電源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)發(fā)出的有功功率。聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)下垂控制的有功頻率特性改進(jìn)如圖4所示。

        圖4 聯(lián)網(wǎng)時(shí)改進(jìn)有功頻率下垂特性Fig.4 The improved active frequency droop control strategy when connected to the grid

        圖4中PIR與K的含義和圖3中一樣。Ki的取值影響P0i環(huán)的調(diào)節(jié)速度。當(dāng)逆變型電源采用這種改進(jìn)的控制結(jié)構(gòu)由離網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)入聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí),由于大電網(wǎng)的影響,穩(wěn)態(tài)后逆變型電源輸出電壓的頻率必然等于電網(wǎng)的額定頻率ω0,即頻率差Δωi為零,又由于穩(wěn)態(tài)后積分環(huán)節(jié)的輸入必須為零,所以圖4中P0i*與P0i的差值也必須為零,這樣穩(wěn)態(tài)時(shí)逆變器下垂曲線上的P0i等于預(yù)先設(shè)定的值P0i*,而P0i又對(duì)應(yīng)于額定頻率時(shí)逆變器發(fā)出的有功,所以最終聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的逆變電源發(fā)出的有功功率將等于預(yù)先設(shè)定的值P0i*。

        對(duì)于微型燃?xì)廨啓C(jī)等可調(diào)微源,可將P0i*設(shè)定為微源的額定功率,對(duì)于儲(chǔ)能裝置,由于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要從電網(wǎng)吸收有功功率進(jìn)行充電,可以將P0i*設(shè)定為負(fù)值,大小為儲(chǔ)能裝置的額定功率,這樣當(dāng)運(yùn)行模式發(fā)生變化時(shí),微源將自動(dòng)以新的設(shè)定功率投入運(yùn)行。

        3 仿真結(jié)果

        為了驗(yàn)證所提出的改進(jìn)下垂控制的效果,在SIMULINK中進(jìn)行了仿真試驗(yàn),仿真所用模型如圖5所示,仿真所用參數(shù)如表1所示。

        表1 仿真參數(shù)表Tab.1 Simulation parameters table

        圖5 仿真模型結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of simulation mode

        其中DG1和DG2是兩個(gè)容量可調(diào)的微源,蓄電池?fù)?dān)當(dāng)儲(chǔ)能裝置,三者均通過(guò)改進(jìn)下垂控制接入微網(wǎng)母線中,DG3代表不可調(diào)功率元件,如光伏電池等,仿真中采用恒功率控制策略。

        利用該模型分別進(jìn)行離網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行條件下的仿真,仿真結(jié)果如下所示:

        (1)A離網(wǎng)運(yùn)行仿真

        圖6為DG1和DG2在傳統(tǒng)下垂控制下的有功和頻率仿真曲線。

        圖6 離網(wǎng)時(shí)傳統(tǒng)有功頻率下垂特性仿真曲線Fig.6 Simulation curve of traditional active frequency droop characteristic

        仿真中假定在0.75 s時(shí)負(fù)荷突然增加,可以看到兩微源共同增加了出力來(lái)應(yīng)對(duì)負(fù)荷的增加,但由于傳統(tǒng)下垂控制中P0i的值維持不變,不具有頻率恢復(fù)的機(jī)制,所以系統(tǒng)頻率在穩(wěn)態(tài)后有所下降。

        圖7為改進(jìn)下垂控制下的DG1和DG2的有功和頻率仿真曲線,可以看到盡管負(fù)荷同樣在0.75 s時(shí)增加,兩微源也同樣增加了出力,但由于改進(jìn)策略在逐漸增大P0i的值,升高了有功頻率下垂曲線,所以穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)頻率得以恢復(fù)到額定值,同時(shí)也保證了兩微源按比例分擔(dān)增加的負(fù)荷,驗(yàn)證了所提策略的有效性。

        圖7 離網(wǎng)時(shí)改進(jìn)有功頻率下垂特性仿真曲線Fig.7 Simulation curves of improved active frequency droop characteristic

        圖8為兩種情況下的DG3的有功響應(yīng)曲線,可以看到,由于采用恒功率控制,在負(fù)荷增加前后,DG3的有功出力基本維持不變,符合恒功率的控制目的。

        圖8 DG3的有功響應(yīng)曲線Fig.8 Active response curves of DG3

        (2)B聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行仿真

        圖9為可調(diào)電源DG1在圖4所示改進(jìn)控制策略下由離網(wǎng)轉(zhuǎn)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的有功和頻率仿真曲線。仿真中假設(shè)在0.3 s發(fā)生并網(wǎng),可以看到在并網(wǎng)以前DG1發(fā)出的有功功率約為35 kW,頻率略低于額定頻率,并網(wǎng)后,隨著暫態(tài)過(guò)程的進(jìn)行,DG1出力自動(dòng)變?yōu)轭A(yù)先設(shè)定的自身額定功率30 kW,頻率達(dá)到50 Hz,驗(yàn)證了圖4控制策略的有效性。

        圖9 聯(lián)網(wǎng)時(shí)可調(diào)微源的有功頻率仿真曲線Fig.9 Active power frequency simulation curve of adjustable micro source

        圖10為蓄電池組在圖4所示控制策略下由離網(wǎng)轉(zhuǎn)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的有功和頻率仿真曲線,仿真中假定t=0.5 s時(shí)并網(wǎng),從圖中可以看到在并網(wǎng)以前蓄電池組發(fā)出有功功率,釋放電能,并網(wǎng)運(yùn)行后,蓄電池組吸收電網(wǎng)發(fā)出的有功功率,進(jìn)行充電,同時(shí)系統(tǒng)頻率達(dá)到了額定頻率50 Hz,達(dá)到了儲(chǔ)能裝置在微網(wǎng)中的控制效果。

        圖10 聯(lián)網(wǎng)時(shí)儲(chǔ)能裝置的有功頻率仿真曲線Fig.10 Active power frequency simulation curve of energy storage device

        4 結(jié)束語(yǔ)

        首先分析了下垂控制在微網(wǎng)中調(diào)節(jié)系統(tǒng)有功功率與頻率的原理,在此基礎(chǔ)上,提出了下垂曲線在離網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行下的兩種改進(jìn)措施,通過(guò)調(diào)整下垂曲線中與額定頻率ω0對(duì)應(yīng)的功率P0i的值,可以實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的頻率恢復(fù)過(guò)程,達(dá)到穩(wěn)態(tài)后無(wú)頻率偏差運(yùn)行;聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)通過(guò)改進(jìn)的控制措施,可調(diào)容量電源可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有功功率值自動(dòng)投入運(yùn)行,儲(chǔ)能裝置則可以自動(dòng)從發(fā)出有功功率切換為從電網(wǎng)中吸收有功功率,并可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定,最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提出的改進(jìn)策略的有效性。

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