陳來軍, 王 任, 鄭天文, 司 楊, 梅生偉

(1. 青海省清潔能源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(青海大學(xué)新能源光伏產(chǎn)業(yè)研究中心), 青海省西寧市810016;2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué)), 北京市100084)

0 引言

作為分布式能源的有效利用形式,微網(wǎng)技術(shù)自提出后便引起了廣泛關(guān)注[1-3]。微網(wǎng)是由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、變流器、負(fù)荷及監(jiān)控保護(hù)裝置等有機(jī)整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng),具有并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種模式[4-6]。孤島模式下,由于失去大電網(wǎng)支撐,微網(wǎng)需要依靠自身內(nèi)部各單元維持系統(tǒng)電壓和頻率;在穩(wěn)態(tài)時(shí)使其保持為額定值,暫態(tài)時(shí)則需將其波動(dòng)限制在安全范圍內(nèi)。因此,需要對(duì)各微電源進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,從而保證獨(dú)立微網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[7-8]。

在微網(wǎng)中,分布式電源一般通過逆變器接入,常見的控制策略為恒功率控制、下垂控制等[9-10]。其中,下垂控制因其即插即用、無需通信的優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。然而,采用下垂控制的逆變器對(duì)系統(tǒng)慣量貢獻(xiàn)甚微,當(dāng)分布式電源比例逐漸增加時(shí),微網(wǎng)慣量隨之降低,穩(wěn)定性減弱。另一方面,可再生能源出力受自然條件影響,具有隨機(jī)性和波動(dòng)性,且孤網(wǎng)模式下,分布式電源和負(fù)荷數(shù)量較少,單機(jī)或單個(gè)負(fù)荷所占容量比例大,因此,無論是電源出力波動(dòng)或負(fù)荷投切,均可能會(huì)引起微網(wǎng)內(nèi)較大程度的功率失衡[11],進(jìn)而造成頻率波動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)慣性較弱時(shí),頻率波動(dòng)幅值極易超過安全閾值,影響逆變器設(shè)備或頻率敏感型負(fù)荷的安全運(yùn)行,甚至觸發(fā)頻率保護(hù)裝置動(dòng)作,導(dǎo)致切機(jī)切負(fù)荷。而某些重要電源或關(guān)鍵負(fù)荷的退出運(yùn)行將會(huì)加劇功率的不平衡,嚴(yán)重情況下可能造成系統(tǒng)崩潰。因此,一方面,需要增強(qiáng)系統(tǒng)慣量水平;另一方面,需要協(xié)調(diào)控制各微電源出力,及時(shí)消除功率差額,以提升系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)特性。

針對(duì)系統(tǒng)慣性不足的問題,不少學(xué)者將慣量的思想引入逆變器的控制中,提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)的控制策略[12-13]。文獻(xiàn)[14]提出了電流源型VSG的概念,但其在獨(dú)立微網(wǎng)中適應(yīng)性不強(qiáng)。為了擴(kuò)大逆變電源的適用范圍,學(xué)者們提出了電壓源型VSG的控制方法[15-17]。通過模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子方程和一次調(diào)頻特性,使所提控制方法能夠用于孤島運(yùn)行模式,并在一定程度上提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[18]將VSG運(yùn)用于孤立微網(wǎng)的頻率控制,改善了系統(tǒng)的頻率特性。文獻(xiàn)[19]對(duì)儲(chǔ)能裝置采用虛擬同步控制策略,其出力大小為頻差和頻率微分的線性組合,兩者的權(quán)重系數(shù)通過實(shí)時(shí)計(jì)算并自適應(yīng)調(diào)整,有效地減弱了負(fù)荷投切和風(fēng)電出力波動(dòng)引起的頻率變化。文獻(xiàn)[20]對(duì)儲(chǔ)能裝置采用VSG控制策略,提升了光儲(chǔ)柴獨(dú)立微網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性,并給出了相關(guān)參數(shù)的整定方法。

在上述的VSG方案中,有功功率—頻率控制中的指令功率一般保持不變,因此其主要參與慣性調(diào)節(jié)和一次調(diào)頻,在二次調(diào)頻過程中貢獻(xiàn)甚微。如果二次調(diào)頻僅由柴油發(fā)電機(jī)承擔(dān),當(dāng)可再生能源滲透率較高時(shí),可能導(dǎo)致頻差偏移過大。有鑒于此,本文提出一種基于模型預(yù)測(cè)控制(MPC)的VSG控制方法,根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),求解滿足頻率約束的優(yōu)化模型,得出系統(tǒng)所需的功率增量,并將此結(jié)果用于VSG指令功率調(diào)整,使其輔助柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行微網(wǎng)二次調(diào)頻,減小暫態(tài)過程中的頻率偏移。最后,通過仿真對(duì)比,驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

1 問題描述

1.1 獨(dú)立微網(wǎng)拓?fù)?/h3>

獨(dú)立微網(wǎng)一般由微電源、負(fù)荷及儲(chǔ)能裝置組成,典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參見附錄A圖A1。圖中,微電源主要包括柴油發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電系統(tǒng)及儲(chǔ)能型VSG。柴油發(fā)電機(jī)通過變壓器接至交流母線,為系統(tǒng)提供電壓和頻率參考;光伏系統(tǒng)采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法以最大化利用光伏發(fā)電;儲(chǔ)能裝置與逆變器構(gòu)成VSG接入,當(dāng)系統(tǒng)功率失衡時(shí)及時(shí)平衡功率,以減弱頻率波動(dòng)。

1.2 VSG模型及控制

VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參見附錄A圖A2。其中,Udc為VSG直流側(cè)電壓;uo=[uoa,uob,uoc]T和i=[ia,ib,ic]T分別為VSG的輸出電壓和電流;e=[ea,eb,ec]T為經(jīng)濾波后的電壓;u=[ua,ub,uc]T為電網(wǎng)電壓;LS和RS分別為濾波電感和電阻;Lg和Rg分別為線路電感和電阻。

VSG的有功頻率控制模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子方程,控制框圖參見附錄A圖A3。圖中:Pm和Pe分別為VSG的輸入和輸出有功功率;ω為系統(tǒng)的角頻率;ω0為額定角頻率;M為虛擬慣量;D為阻尼系數(shù)。與上述控制框圖對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)和同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子方程類似,有

(1)

由式(1)可知,M模擬了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,可以減緩擾動(dòng)后系統(tǒng)的頻率波動(dòng),且有功功率—頻率控制具有一次調(diào)頻的作用。然而,一次調(diào)頻為有差調(diào)節(jié),為使頻率恢復(fù)至額定值,一般需進(jìn)行二次調(diào)頻。雖然柴油發(fā)電機(jī)可用于二次調(diào)頻,但其調(diào)節(jié)速度較慢,可能無法滿足系統(tǒng)需求。作為電力電子設(shè)備,VSG響應(yīng)速度快,因此可以通過調(diào)整Pm的大小,使頻率恢復(fù)至額定值。另一方面,根據(jù)系統(tǒng)受擾后頻率變化情況實(shí)時(shí)調(diào)整VSG出力,可以改善暫態(tài)過程中頻率響應(yīng)特性。

2 基于VSG的MPC

2.1 MPC原理

MPC算法基本思想是:首先將系統(tǒng)離散化,再結(jié)合系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)及控制量,預(yù)測(cè)未來p個(gè)周期內(nèi)系統(tǒng)的狀態(tài),然后根據(jù)期望值求取當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)控制量。具體過程可用圖1加以說明[21]。

圖1 MPC過程Fig.1 Process of MPC

圖1中,y(k)為k時(shí)刻系統(tǒng)輸出,基于系統(tǒng)傳遞函數(shù),可得系統(tǒng)起于y(k)的未來一段時(shí)間內(nèi)的輸出,記為

Yp(k+1|k)=

[yp(k+1|k)yp(k+2|k) …yp(k+p|k)]

(2)

式中:下標(biāo)p表示預(yù)測(cè)域。

此外,預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來輸出還需預(yù)測(cè)域內(nèi)的控制輸入,即

Uk=

[u(k|k)u(k+1|k) …u(k+p-1|k)]

(3)

這也正是將要求解的優(yōu)化變量。

控制目標(biāo)是使系統(tǒng)輸出與參考值r(·)的偏差趨于零,同時(shí)滿足系統(tǒng)約束條件。即

(4)

其中

(5)

式(4)的解為:

[u*(k|k)u*(k+1|k) …u*(k+p-1|k)]

(6)

將其第1個(gè)分量作用于系統(tǒng),在k+1時(shí)刻,以新得到的測(cè)量量y(k+1)作為初始條件,重新計(jì)算式(4)。因此,MPC可概括為:在每個(gè)采樣周期用最新的測(cè)量值更新優(yōu)化問題,并將得到的解的第1個(gè)分量作用于系統(tǒng),如此循環(huán)進(jìn)行。

2.2 VSG的預(yù)測(cè)模型

式(1)所示的VSG控制方程可改寫為:

(7)

式中:ω′=ω-ω0；Tm=Pm/ω;Te=Pe/ω。

一般地,分布式電源出力波動(dòng)或負(fù)荷投切會(huì)造成功率供需失衡,將引發(fā)系統(tǒng)頻率波動(dòng),進(jìn)一步使VSG輸出電壓和系統(tǒng)母線電壓功角差改變,造成VSG輸出功率發(fā)生變化。因此,對(duì)于VSG而言,可將Te視為擾動(dòng)量,將VSG的功率設(shè)定值Pm視為控制輸入。在實(shí)際運(yùn)行中,系統(tǒng)頻率變化不大,則可認(rèn)為ω≈ω0。因此,Tm和Pm是線性關(guān)系,亦可將Tm作為輸入。

將式(7)轉(zhuǎn)化為離散模型:

ω′(k+1)=Aω′(k)+BuTm(k)+BdTe(k)

(8)

其中

式中:Ts為系統(tǒng)采樣時(shí)間。

進(jìn)而將式(8)改為增量模型,即

Δω′(k+1)=AΔω′(k)+BuΔTm(k)+BdΔTe(k)

(9)

式中：Δω′(k)為被控輸出量,其物理意義為系統(tǒng)角頻率變化率。

根據(jù)MPC基本原理,帶約束的MPC優(yōu)化問題可描述為:

(10)

式中:i=0, 1,…,p;Δω′(k)為k時(shí)刻實(shí)際測(cè)量值;ω′(k+i|k)為i時(shí)刻的角頻率差,因此與之對(duì)應(yīng)的參考值可選為零;Δω′(k+i|k)為控制輸出,表示i時(shí)刻的系統(tǒng)角頻率變化率;ΔUk為預(yù)測(cè)域內(nèi)控制輸入的增量表達(dá)式,即

ΔUk=

[ΔTm(k|k)ΔTm(k+1|k)…ΔTm(k+p-1|k)]

(11)

性能指標(biāo)主要包含系統(tǒng)頻差和VSG出力兩個(gè)部分,即

(βΔTm(k+i-1))2]

(12)

式中:α和β分別為系統(tǒng)角頻率差和VSG出力的權(quán)重系數(shù)。

權(quán)重系數(shù)的大小表征了性能指標(biāo)中各個(gè)目標(biāo)項(xiàng)的重要程度,選取合適的權(quán)重系數(shù)對(duì)整體的控制效果具有重要意義。然而,權(quán)重系數(shù)的選取一直是MPC的一個(gè)難點(diǎn),至今沒有統(tǒng)一和有效的理論指導(dǎo)權(quán)重系數(shù)的選取,主觀經(jīng)驗(yàn)依舊起主導(dǎo)作用[22]。但就本文的研究而言,性能指標(biāo)有兩項(xiàng),即系統(tǒng)角頻率的偏差和VSG的輸入轉(zhuǎn)矩,前者的作用是使角頻率盡快恢復(fù),后者的作用是盡可能減少VSG調(diào)節(jié)成本。借鑒已有的研究成果[23],權(quán)重系數(shù)可基于以下原則進(jìn)行選取:角頻率偏差與其權(quán)重系數(shù)相乘后的數(shù)值應(yīng)該和VSG輸入轉(zhuǎn)矩差與其權(quán)重系數(shù)相乘后的數(shù)值大小相當(dāng),即αω′≈βΔTm,否則,如果αω′?βΔTm,性能指標(biāo)主要目標(biāo)是減小VSG的出力成本,那么系統(tǒng)頻率可能無法快速恢復(fù);反之,如果αω′?βΔTm,性能指標(biāo)的主要目標(biāo)是使系統(tǒng)頻率恢復(fù),而不考慮VSG的出力成本,可能無法做到資源的合理利用,甚至因其出力調(diào)節(jié)的變化率過快而威脅系統(tǒng)穩(wěn)定性。據(jù)此可進(jìn)行權(quán)重系數(shù)的合理選取。

3 控制策略設(shè)計(jì)與分析

3.1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)微網(wǎng)頻率波動(dòng)情況,利用MPC算法計(jì)算出能夠提升頻率動(dòng)態(tài)特性的功率增量,以此來改變VSG輸入功率設(shè)定值。系統(tǒng)的控制框圖見圖2。

圖2中,鎖相環(huán)用于采集當(dāng)前時(shí)刻系統(tǒng)角頻率信號(hào),互感器量測(cè)的電壓電流用于計(jì)算輸出功率。結(jié)合VSG當(dāng)前輸入值Pm,可計(jì)算出下一時(shí)刻的輸入增量ΔTm,將其轉(zhuǎn)化為ΔPm用于VSG控制,產(chǎn)生電壓參考信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器工作。

MPC算法和VSG控制構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),即MPC-VSG。兩者的交互具體表現(xiàn)為VSG的輸出功率Pe和電網(wǎng)頻率f是MPC算法的輸入,MPC算法的輸出是VSG指令功率的增量。電網(wǎng)頻率f增加時(shí),VSG與系統(tǒng)功角差變小,VSG輸出功率Pe變小。當(dāng)f變大,Pe變小時(shí),經(jīng)過MPC算法計(jì)算后,輸出為一負(fù)值,即減小了VSG的功率輸入設(shè)定值,進(jìn)而使VSG輸出功率減小,電網(wǎng)頻率隨之降低;反之亦然。因此,上述MPC-VSG控制可有效抑制系統(tǒng)頻率的變化。

圖2 系統(tǒng)控制框圖Fig.2 System control diagram

3.2 控制策略求解

為了求解式(10),可先將其化為二次規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)形式。該模型中優(yōu)化變量為ΔUk,若能將目標(biāo)函數(shù)化為二次標(biāo)準(zhǔn)型,同時(shí)將不等式約束改寫成CΔUk≤b的線性標(biāo)準(zhǔn)形式,則可用內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行求解[21]。

首先,計(jì)算式(10)對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)輸出量Yp(k+1|k)。根據(jù)式(2)中對(duì)預(yù)測(cè)輸出量的定義及式(10)中第1個(gè)式子可推導(dǎo)得出Yp,ω(k+1|k)的表達(dá)式為:

Yp,ω(k+1|k)=

[ω′(k+1|k)ω′(k+2|k) …ω′(k+p|k)]=

SωΔω′(k)+γω′(k)+SuΔUk+SdΔd(k)

(13)

分析可知,預(yù)測(cè)域的選取過大,會(huì)加重計(jì)算負(fù)擔(dān),可能無法實(shí)現(xiàn)在線求解控制率,而預(yù)測(cè)域選取過小,可能會(huì)造成控制不精確,影響控制效果。本文預(yù)測(cè)域的選取參考文獻(xiàn)[24],式(13)中各系數(shù)為:

(14)

根據(jù)式(12)可得目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為:

J(ω′(k),ΔUk)=‖ΓωYp,ω(k+1|k)‖2+

‖ΓuΔUk‖2

(15)

式中:Γω和Γu分別為角頻率差和VSG出力的權(quán)重系數(shù)矩陣,即Γω=diag(α,α,α),Γu=diag(β,β,β)。

定義中間變量:

Ep(k+1|k)?-SωΔω′(k)-γω′(k)-SdΔd(k)

(16)

將式(13)代入(15)可得:

(17)

(18)

對(duì)于控制輸出的約束,可將其轉(zhuǎn)化為Cz≤b的形式,定義控制輸出量為:

Yc(k+1|k)=

[Δω′(k+1|k) Δω′(k+2|k) Δω′(k+3|k)]

(19)

推導(dǎo)可知:

Yc(k+1|k)=Sω,cΔω(k)+Su,cΔUk+Sd,cΔd(k)

(20)

(21)

因此,控制輸出約束可表示為:

(22)

綜合上述分析,可得到如圖3所示的控制策略流程。

圖3 控制策略流程圖Fig.3 Flow chart of control strategy

3.3 控制策略分析

VSG的輸入功率設(shè)定值來自于模型預(yù)測(cè)算法計(jì)算的結(jié)果,算法的穩(wěn)定性將直接影響控制策略的效果。而分析算法穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于將模型預(yù)測(cè)算法得到的結(jié)果作為VSG的功率輸入設(shè)定值代入系統(tǒng)狀態(tài)方程,校驗(yàn)微網(wǎng)頻率是否能夠恢復(fù)。

模型預(yù)測(cè)算法所提模型為有約束的離散模型。由于約束的存在,式(17)難以直接獲得控制律的解析表達(dá)式,為了分析算法穩(wěn)定性,可分情況討論。

1)當(dāng)式(17)的解落在可行域的邊界內(nèi),即式(22)取小于號(hào)時(shí),原模型退化為一個(gè)無約束模型,由式(17)可計(jì)算出控制率為:

(23)

用于調(diào)整VSG功率輸入的控制量為:

KEp(k+1|k)

(24)

將式(24)代入式(10)中的第1個(gè)式子可得:

Δω′(k+1)=(A-BuKSω)Δω′(k)-

BuKγω′(k)+(Bd-BuKSd)Δd(k)

(25)

(26)

2)當(dāng)式(17)的解達(dá)到約束邊界,即式(22)取等號(hào)時(shí),MPC算法得出的VSG的輸入功率設(shè)定值將為允許范圍內(nèi)VSG的出力上限。此時(shí),VSG按照此上限值輸出有功功率,微網(wǎng)頻率的變化情況將主要由系統(tǒng)內(nèi)其他機(jī)組及儲(chǔ)能裝置的調(diào)節(jié)作用決定。

綜上,本文所采用的MPC算法能夠保證VSG在微網(wǎng)出現(xiàn)擾動(dòng)后,能夠基于減小頻率變化率和頻率偏差的原則,迅速調(diào)整自身輸出功率,以提升頻率響應(yīng)特性。

4 仿真分析

4.1 仿真工況

在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境下對(duì)上述控制策略進(jìn)行測(cè)試,仿真算例的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。柴油發(fā)電機(jī)采用二階模型[16,18],調(diào)速器結(jié)構(gòu)及控制參考文獻(xiàn)[20, 25]進(jìn)行設(shè)計(jì),具體控制參數(shù)見附錄B表B1。光伏發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制[26],按照算法計(jì)算出的功率指令向微網(wǎng)注入功率,其大小受外界條件影響。VSG容量為10 kVA,具體控制參數(shù)見附錄B表B2。

MPC為離散系統(tǒng),結(jié)合系統(tǒng)復(fù)雜程度及MATLAB計(jì)算能力,采樣周期取為Ts=100 μs;約束條件中,角頻率的變化率閾值可參考ISO標(biāo)準(zhǔn)8525-5,即|Δω′(k)|≤2π×0.6/10 000。

結(jié)合本文仿真中工況,系統(tǒng)頻差的變化的上限大約為0.2 Hz,折合成角頻率約為1.26 rad/s,而VSG可調(diào)整出力的變化上限為4～5 kW,折合成轉(zhuǎn)矩約為13 N·m。角頻率偏差上限數(shù)值約為VSG可調(diào)整出力上限數(shù)值的10倍,因此可以選擇β=1,α=10β=10。

4.2 算例分析

仿真算例包含兩部分,分別測(cè)試在負(fù)荷投切和光伏電源出力波動(dòng)兩種情況下,本文所提的MPC-VSG控制策略和常規(guī)VSG控制方法[17-18]兩種模式下系統(tǒng)頻率的變化及各電源的出力情況。

1)負(fù)荷投切

仿真時(shí)長(zhǎng)為50 s。初始時(shí)刻,柴油發(fā)電機(jī)和光伏出力分別為15 kW和6 kW,VSG出力為5 kW,總負(fù)荷為26 kW,系統(tǒng)功率平衡,頻率穩(wěn)定于50 Hz。t=5 s時(shí)刻,投入5 kW負(fù)荷,t=25 s時(shí)刻,切除5 kW負(fù)荷。圖4(a)和圖4(b)分別給出了兩種不同控制模式下系統(tǒng)頻率變化和各電源出力情況。

由圖4(a)可知:當(dāng)負(fù)荷突然接入或切除時(shí),系統(tǒng)出現(xiàn)功率不平衡,頻率發(fā)生相應(yīng)變化。若采用傳統(tǒng)的控制方法,系統(tǒng)頻率波動(dòng)最大值約為0.34 Hz,超過安全閾值;而MPC下系統(tǒng)頻率波動(dòng)最大值僅為0.2 Hz,振蕩幅值減小至原來的58.8%,且頻率變化速度變慢。從圖4(b)可以看出,當(dāng)VSG采用MPC方法時(shí),其出力能夠較快響應(yīng)負(fù)荷投切引起的功率失衡,同步發(fā)電機(jī)出力調(diào)整速度變慢,調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān)變小。

圖4 負(fù)荷投切時(shí)仿真波形Fig.4 Simulation waveforms in load switching

2)光伏出力波動(dòng)

仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為50 s,柴油發(fā)電機(jī)和光伏出力分別為15 kW和10 kW,VSG出力為5 kW, 系統(tǒng)總負(fù)荷為30 kW。光伏電源按照最大功率點(diǎn)跟蹤控制,其輸入功率變化采用EN50530標(biāo)準(zhǔn)[27],t=5～16 s期間,光照減弱光伏輸入功率出現(xiàn)暫降,t=16 s時(shí)刻以后,光照恢復(fù)正常。其功率輸入見附錄B圖B1。

圖5(a)和圖5(b)比較了MPC和傳統(tǒng)控制模式下,系統(tǒng)頻率和各電源的出力情況。

圖5 光伏出力波動(dòng)時(shí)仿真波形Fig.5 Simulation waveforms in PV output fluctuation

由圖5可知,當(dāng)天氣條件變化引起光照強(qiáng)度改變時(shí),光伏出力發(fā)生相應(yīng)的變化。采用傳統(tǒng)控制時(shí),系統(tǒng)頻率波動(dòng)幅值約為0.45 Hz,而采用MPC-VSG時(shí),頻率波動(dòng)幅值減小至0.16 Hz,頻率動(dòng)態(tài)特性得到顯著提升,且同步發(fā)電機(jī)的出力波動(dòng)幅值減小。

從上述兩種工況的仿真結(jié)果可以看出,由于可再生能源出力波動(dòng)或負(fù)荷投切等因素造成微網(wǎng)內(nèi)功率不平衡時(shí),微網(wǎng)頻率出現(xiàn)明顯波動(dòng)。與傳統(tǒng)控制方法相比,MPC模式下的VSG能夠較快跟蹤系統(tǒng)功率變化,通過調(diào)整自身出力及時(shí)平衡功率,從而改善暫態(tài)過程中頻率動(dòng)態(tài)特性,同時(shí)減小了其他電源的調(diào)頻負(fù)擔(dān),提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。

5 結(jié)語

針對(duì)獨(dú)立微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷投切或光伏出力波動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)功率失衡,引起頻率振蕩甚至超過安全閾值的問題,本文提出一種基于MPC的VSG控制策略。首先建立了VSG頻率調(diào)節(jié)的預(yù)測(cè)模型,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了利用預(yù)測(cè)模型計(jì)算能夠提升微網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)特性的功率增量,并將其用于VSG出力調(diào)整的控制策略。通過對(duì)控制率求解算法收斂性的分析,為關(guān)鍵參數(shù)的選取提供了依據(jù)。兩種典型工況的仿真結(jié)果表明,在所提控制策略下,VSG能夠迅速調(diào)整自身出力,響應(yīng)系統(tǒng)功率變化,從而將頻率波動(dòng)限制在安全范圍內(nèi),改善了系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)特性。

值得一提的是,目前本文主要通過理論和仿真分析對(duì)所提控制策略的正確性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證,在今后的研究中,還將對(duì)控制策略進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,以促進(jìn)其應(yīng)用于工程實(shí)際。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] LASSETER R H. Microgrids[C]// Power Engineering Society Winter Meeting, January 27-31, 2002, New York, USA: 305-308.

[2] POGAKU N, PRODANOVIC M, GREEN T C. Modeling, analysis and testing of autonomous operation of an inverter-based microgrid[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(2): 613-625.

[3] 魯宗相,王彩霞,閔勇,等.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2007,31(19):100-107.

LU Zongxiang, WANG Caixia, MIN Yong, et al. Overview on microgrid research[J]. Automation of Electric Power Systems, 2007, 31(19): 100-107.

[4] CHEN L, MEI S. An integrated control and protection system for photovoltaic microgrids[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2015, 1(1): 36-42.

[5] MEEGAHAPOLA L G, ROBINSON D, AGALGAONKAR A P, et al. Microgrids of commercial buildings: strategies to manage mode transfer from grid connected to islanded mode[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2014, 5(4): 1337-1347.

[6] WANG Y, REN B, ZHONG Q C. Robust power flow control of grid-connected inverters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(11): 6887-6897.

[7] 時(shí)珊珊,魯宗相,閔勇,等.微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的頻率特性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011,35(9):36-41.

SHI Shanshan, LU Zongxiang, MIN Yong, et al. Analysis on frequency characteristics of island microgrid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(9): 36-41.

[8] OUREILIDIS K O, BAKIRTZIS E A, DEMOULIAS C S. Frequency-based control of islanded microgrid with renewable energy sources and energy storage[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2016, 4(1): 54-62.

[9] de BRABANDERE K, BOLSENS B, van den KEYBUS J, et al. A voltage and frequency droop control method for parallel inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(4): 1107-1115.

[10] 鄭永偉,陳民鈾,李闖,等.自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的微電網(wǎng)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(7):6-11.

ZHENG Yongwei, CHEN Minzhou, LI Chuang, et al. A microgrid control strategy based on adaptive drooping coefficient adjusting[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(7): 6-11.

[11] 陳任峰.光伏微網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:清華大學(xué),2013.

[12] ZHONG Q C, WEISS G. Synchronverters: inverters that mimic synchronous generators[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(4): 1259-1267.

[13] 鄭天文,陳來軍,陳天一,等.虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)及展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(21):165-175.DOI:10.7500/AEPS20150598006.

ZHENG Tianwen, CHEN Laijun, CHEN Tianyi, et al. Review and prospect of virtual synchronous generator technologies[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(21): 165-175. DOI: 10.7500/AEPS20150598006.

[14] BECK H P, HESSE R. Virtual synchronous machine[C]// 2007 9th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation, October 9-11, 2007, Barcelona, Spain: 1-6.

[15] GAO F, IRAVANI M R. A control strategy for a distributed generation unit in grid-connected and autonomous modes of operation[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2008, 23(2): 850-859.

[16] 石榮亮,張興,徐海珍,等.基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的多能互補(bǔ)孤立型微網(wǎng)運(yùn)行控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(18):32-40.DOI:10.7500/AEPS20151015005.

SHI Rongliang, ZHANG Xing, XU Haizhen, et al. Operation control strategy for multi-energy complementary isolated microgrid based on virtual synchronous generator[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(18): 32-40. DOI: 10.7500/AEPS20151015005.

[17] 楊向真,蘇建徽,丁明,等.微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的頻率控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù),2010,34(1):164-168.

YANG Xiangzhen, SU Jianhui, DING Ming, et al. Research on frequency control for microgrid in islanded operation[J]. Power System Technology, 2010, 34 (1): 164-168.

[18] 孟建輝,石新春,王毅,等.改善微電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的分布式逆變電源控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(4):70-79.

MENG Jianhui, SHI Xinchun, WANG Yi, et al. Control strategy of DER inverter for improving frequency stability of microgrid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(4): 70-79.

[19] LOPES L A C. Self-tuning virtual synchronous machine: a control strategy for energy storage systems to support dynamic frequency control[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2014, 29(4): 833-840.

[20] 石榮亮,張興,劉芳,等.提高光儲(chǔ)柴獨(dú)立微網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(22):77-85.DOI:10.7500/AEPS20160322016.

SHI Rongliang, ZHANG Xing, LIU Fang, et al. Control strategy of virtual synchronous generator for improving frequency stability of island photovoltaic-battery-diesel microgrid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(22): 77-85. DOI: 10.7500/AEPS20160322016.

[21] 陳虹.模型預(yù)測(cè)控制[M].北京:科學(xué)出版社,2013.

[22] CORTéS P, KOURO S, LA ROCCA B, et al. Guidelines for weighting factors design in model predictive control of power converters and drives[C]// IEEE International Conference on Industrial Technology, February 10-13, 2009, Gippsland, VIC, Australia: 1-7.

[23] 梁營玉,張濤,劉建政,等.向無源網(wǎng)絡(luò)供電的VSC-HVDC模型預(yù)測(cè)控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(11):78-89.

LIANG Yingyu, ZHANG Tao, LIU Jianzheng, et al. Model predictive control for VSC-HVDC supplying passive networks[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(11): 78-89.

[24] 鄭澤東,王奎,李永東,等.采用模型預(yù)測(cè)控制的交流電機(jī)電流控制器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(11):118-123.

ZHENG Zedong, WANG Kui, LI Yongdong, et al. Current controller for AC motors using model predictive control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(11): 118-123.

[25] 李涵,王毅,張麗榮,等.孤島模式下的微電網(wǎng)頻率的協(xié)調(diào)控制研究[J].電力科學(xué)與工程,2012,28(12):56-62.

LI Han, WANG Yi, ZHANG Lirong, et al. Frequency coordination control strategy for microgrid in island operation[J]. Electric Power Science and Engineering, 2012, 28(12): 56-62.

[26] 焦陽,宋強(qiáng),劉文華.光伏電池實(shí)用仿真模型及光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真[J].電網(wǎng)技術(shù),2010,34(11):198-202.

JIAO Yang, SONG Qiang, LIU Wenhua. Practical simulation model of photovoltaic cells in photovoltaic generation system and simulation[J]. Power System Technology, 2010, 34(11): 198-202.

[27] SHI H, ZHUO F, YI H, et al. A novel real-time voltage and frequency compensation strategy for photovoltaic-based microgrid[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(6): 3545-3556.

陳來軍(1984—),男,副教授,主要研究方向:新能源發(fā)電與儲(chǔ)能技術(shù)。

王 任(1992—),男,碩士研究生,主要研究方向:新能源發(fā)電與并網(wǎng)。

鄭天文(1987—),男,通信作者,博士,主要研究方向:新能源發(fā)電運(yùn)行控制。E-mail: tianwenscu@163.com