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。