沈陽(yáng)化工大學(xué) 薛 嬋
本文將從下垂控制的基本原理出發(fā),對(duì)基于改進(jìn)下垂控制的微電網(wǎng)運(yùn)行控制進(jìn)行分析與探究,希望為相關(guān)人員提供一些幫助與建議,通過(guò)下垂控制的改進(jìn)使得無(wú)功均分精度得到提高,確保微電網(wǎng)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。
引言:微電網(wǎng)的微電源若使用下垂控制,會(huì)因微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電壓幅值輸出不等、線路阻抗存在差異等原因使得微電源在進(jìn)行無(wú)功功率輸出時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)均分,從而導(dǎo)致微電源之間產(chǎn)生無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象。因此,應(yīng)針對(duì)這些問(wèn)題對(duì)下垂控制進(jìn)行改進(jìn),實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行的有效控制,保證微電網(wǎng)的運(yùn)行安全。
目前,我國(guó)微電網(wǎng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用下垂控制,尤其是在微電網(wǎng)處于對(duì)等控制時(shí)。然而傳統(tǒng)下垂控制因復(fù)雜的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電壓輸出的幅值不同、線路有阻抗差異等,導(dǎo)致DG的無(wú)功輸出較難實(shí)現(xiàn)均分效果,如果情況較為嚴(yán)重,微電網(wǎng)還會(huì)有較大無(wú)功環(huán)流出現(xiàn)。國(guó)外與國(guó)內(nèi)學(xué)者都對(duì)其開(kāi)展了大量研究,比如對(duì)逆變器諧波與基波分頻下垂的控制器設(shè)置,就能對(duì)電壓的諧波進(jìn)行充分抑制,還能按照當(dāng)前容量對(duì)諧波域與基波域功率進(jìn)行科學(xué)分配,使得并聯(lián)逆變器的時(shí)候有效提升分配功率的精度。
如果將負(fù)荷端電壓幅值的反饋添加到傳統(tǒng)下垂控制之中,會(huì)使分配負(fù)荷的精度得以提高,不過(guò)此方法需要較大無(wú)功下垂系數(shù),不利于系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)下垂控制之中加入無(wú)功補(bǔ)償與電壓回復(fù)控制,可以對(duì)Q/V曲線里存在的電壓偏差進(jìn)行修正,并使分配的無(wú)功功率得到提高。在傳統(tǒng)下垂控制之中加入虛擬阻抗的技術(shù),在分布式電源的逆變式輸出側(cè)引入虛擬電抗,會(huì)使得輸出阻抗表現(xiàn)出感性,并對(duì)Q/V的曲線進(jìn)行修正,從而使分配無(wú)功精度的效果得到提升,不過(guò)虛擬阻抗的引入將降低系統(tǒng)的電壓,不利于電壓輸出的質(zhì)量。如果以動(dòng)態(tài)虛擬阻抗為基礎(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)控制,讓虛擬阻抗值可以進(jìn)行自行調(diào)整,使得線路電圧降落得到降低,便能對(duì)無(wú)功環(huán)流進(jìn)行抑制。如果借助虛擬阻抗使不同輸出線路的阻抗差異減小,可以增強(qiáng)微電源分配無(wú)功負(fù)荷的精度,不過(guò)依然不能有效解決該問(wèn)題。因此,應(yīng)尋找一種不對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響,且微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行不會(huì)受到負(fù)面影響的分配無(wú)功精度提升手段。
在逆變器中使用下垂控制,則其大體控制方法為:通過(guò)電流與電壓的雙環(huán)控制、功率的下垂控制、功率計(jì)算等方法獲得可以對(duì)逆變器輸出進(jìn)行控制的一個(gè)SPWM波,實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器輸出進(jìn)行控制的目標(biāo)。在本文,逆變器使用的是電流、電壓的雙環(huán)控制,讓逆變器擁有了較強(qiáng)電壓源外特征,電壓環(huán)可以對(duì)功率下垂控制而出現(xiàn)的參考電壓進(jìn)行快速跟蹤,電流環(huán)使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到有效改善。
下垂控制通常會(huì)被應(yīng)用到對(duì)等控制微電網(wǎng)并聯(lián)很多逆變器一同運(yùn)行的控制上。通過(guò)下垂控制,可以在感性的微電網(wǎng)阻抗輸出狀態(tài)下解耦Q/V與P/f。其中,逆變器與電壓源發(fā)揮等同效力。在逆變器等效輸出處于感性阻抗的時(shí)候,相比于負(fù)載阻抗,逆變器線路的阻抗與等效輸出的阻抗都比較小,但實(shí)際上相角偏差也較小。微電網(wǎng)里的輸出線路通常表現(xiàn)出阻感性或是阻性,不過(guò)控制器會(huì)對(duì)逆變器端口輸出電壓進(jìn)行直接調(diào)整,并非濾波器出口電壓,因此在對(duì)逆變器的輸出特征進(jìn)行考慮時(shí),要把變壓器與濾波器阻抗也進(jìn)行考慮。又因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)沒(méi)有較長(zhǎng)的傳輸線路,將變壓器與濾波器的阻抗加入之后,輸出阻抗依然表現(xiàn)出感性,因此應(yīng)將線路的電阻進(jìn)行忽略。線路電抗、變壓器電抗、濾波可以共同叫做微電源輸出的分布式電抗。
在微電源的逆變器中,LC濾波器會(huì)輸出較大的電桿,并且微電網(wǎng)沒(méi)有較長(zhǎng)的輸電線路,因此微電源阻抗的輸出依舊表現(xiàn)出感性,使得微電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中依然可以使用Q/V、P/f的下垂控制。應(yīng)將電壓補(bǔ)償量引入傳統(tǒng)的下垂控制之中,使得輸出線路得到壓降的補(bǔ)償,使不同微電源分配無(wú)功負(fù)荷的精度得到提高。要想使存在于微電網(wǎng)里面的接入點(diǎn)電壓幅值差異得到彌補(bǔ),將接入點(diǎn)電壓幅值的反饋控制引入傳統(tǒng)無(wú)功下垂的控制過(guò)程中,當(dāng)做補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功下垂控制量,并對(duì)接入點(diǎn)變化的電壓進(jìn)行全面跟蹤,然后對(duì)控制無(wú)功下垂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。微電網(wǎng)的幅值反饋量與電壓補(bǔ)償量通過(guò)調(diào)節(jié)PI可以獲得無(wú)功下垂曲線補(bǔ)償量初始值,對(duì)下垂曲線進(jìn)行平移處理,從而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié),讓不同微電源能夠輸出相同的電壓幅值。因此,無(wú)功下垂的控制經(jīng)過(guò)一系列改進(jìn),能夠讓分布式電源的無(wú)功功率發(fā)生改變,讓微電網(wǎng)里不同的分布式電源可以輸出相同的電壓幅值。
在微電網(wǎng)應(yīng)用下垂控制時(shí),下垂曲線因其特征使得母線電壓在運(yùn)行時(shí)和期望的母線電壓有一定的差異存在,加上系統(tǒng)中負(fù)載突變等大量不確定的因素所影響,使得母線電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。只有母線電壓保持穩(wěn)定才能確保負(fù)載可靠的運(yùn)行,因此大部分二次控制都對(duì)補(bǔ)償母線電壓進(jìn)行考慮,也就是利用下垂曲線的平移,使得曲線里的電壓初始值發(fā)生改變,然后對(duì)單元輸出電壓進(jìn)行直接控制。系統(tǒng)中各個(gè)單元電流電壓的信息都通過(guò)低速通信方法得到,利用補(bǔ)償器將縱截距的補(bǔ)償量進(jìn)行輸出使得下垂曲線得到調(diào)節(jié)??衫秒娏€通信、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)等方法進(jìn)行低速通信,該方法符合分布式微電網(wǎng)特征,得到了下垂控制中二次控制的廣泛應(yīng)用。按照系統(tǒng)要求的不同,補(bǔ)償器可以使用電流電壓雙補(bǔ)償、電流補(bǔ)償、電壓補(bǔ)償?shù)确绞?。將電壓補(bǔ)償器引入二次控制,從而使母線電壓得到回復(fù),實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)和并網(wǎng)的無(wú)縫切換。在切換時(shí),微電網(wǎng)離網(wǎng)時(shí)母線電壓的偏差信號(hào)通過(guò)補(bǔ)償器被送到電池單元,并和下垂曲線初始電壓相疊加,對(duì)曲線進(jìn)行平移,使得電池單元的側(cè)電壓輸出得到調(diào)節(jié),讓固態(tài)變壓器和微電網(wǎng)的母線電壓相一致,滿足并要的需要。
各個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)都有相應(yīng)控制目標(biāo),部分系統(tǒng)要求快速應(yīng)對(duì)負(fù)載突變,部分系統(tǒng)要求均分電流,從而使不同功率單元能夠有效的使用。因此在微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)用下垂控制時(shí),下垂曲線的系數(shù)能夠按照系統(tǒng)控制目標(biāo)的不同對(duì)有關(guān)物理量進(jìn)行關(guān)聯(lián),根據(jù)物理量做出的改變作出相應(yīng)變化。關(guān)聯(lián)的物理量按照計(jì)算時(shí)對(duì)下垂曲線系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。很多微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制與結(jié)構(gòu)要求相對(duì)簡(jiǎn)單,并且關(guān)聯(lián)參數(shù)僅和本地的單元信息相關(guān),因此無(wú)需通信就能夠補(bǔ)償下垂曲線。此外,出于對(duì)微電網(wǎng)具體運(yùn)行時(shí)母線電壓發(fā)生突變可能性以及電壓敏感負(fù)荷在很大程度上受到電壓突變影響的考慮,對(duì)電壓突變及時(shí)應(yīng)對(duì)的方法成為當(dāng)前微電網(wǎng)系統(tǒng)需要解決的重要問(wèn)題。微電網(wǎng)的系統(tǒng)功率經(jīng)過(guò)快速的擾動(dòng),會(huì)產(chǎn)生母線電壓突變現(xiàn)象,具體體現(xiàn)在母線電壓的變速速率比較大。因此,在補(bǔ)償下垂曲線的洗漱室,應(yīng)將系統(tǒng)的具體要求作為考慮前提,把下垂曲線的系數(shù)和余下的儲(chǔ)能裝置容量、母線電壓的變化率等不同物理量相關(guān)聯(lián),從而按照物理量變化的情況對(duì)下垂曲線的系數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)下垂控制得到改進(jìn)的目的。
在將微電網(wǎng)從孤島運(yùn)行的模式切換到并網(wǎng)的運(yùn)行模式時(shí),應(yīng)盡快做到靜態(tài)開(kāi)關(guān)兩邊的相位、頻率、電壓幅值大體一致,也就是大電網(wǎng)和微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行,使并網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊減少。應(yīng)借助微電網(wǎng)的模式控制切換器來(lái)測(cè)量靜態(tài)開(kāi)關(guān)兩邊電壓的信號(hào),多相角差、頻率差、電壓幅值差進(jìn)行計(jì)算并微調(diào),然后按照相位控制、頻率控制、電網(wǎng)電壓做到平滑地將微電網(wǎng)從孤島運(yùn)行的模式切換到并網(wǎng)運(yùn)行的模式。從孤島到并網(wǎng)的模式控制切換過(guò)程中,通過(guò)控制相位、頻率、電壓來(lái)得到對(duì)應(yīng)電壓幅值與頻率初值改變量,在經(jīng)過(guò)下垂曲線的平移獲得最終幅值、頻率、電壓等參考值。進(jìn)行并網(wǎng)之前,應(yīng)先控制電壓與頻率,然后控制香味,讓PCC兩側(cè)的電壓幅值差與相位差逐漸縮小到符合并網(wǎng)運(yùn)行的范圍之中,然后將斷路器閉合,達(dá)到從孤島運(yùn)行模式切換至并網(wǎng)運(yùn)行模式的目標(biāo)。
微電網(wǎng)具體的仿真過(guò)程如下:第一,在一秒之前,微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行的模式;第二,當(dāng)處在一秒的時(shí)候,微電網(wǎng)的負(fù)荷突變,有功負(fù)荷從五十千瓦增長(zhǎng)至六十千瓦,無(wú)功負(fù)荷從10kvar增長(zhǎng)到13kvar;第三,當(dāng)處在一秒半的時(shí)候,將頻率與電壓的控制模塊啟動(dòng),在1.6秒時(shí)再將相位控制的模塊啟動(dòng),這時(shí)大電網(wǎng)和微電網(wǎng)處于預(yù)同步控制的階段,一旦符合并網(wǎng)的條件則對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)。第四,當(dāng)處在三秒的時(shí)候,將PCC開(kāi)關(guān)斷開(kāi),微電網(wǎng)從并網(wǎng)運(yùn)行的模式成功切換至孤島運(yùn)行的模式,如圖1所示。
圖1 微電網(wǎng)仿真
總而言之,研究基于改進(jìn)下垂控制的微電網(wǎng)運(yùn)行控制具有十分重要的意義。通過(guò)下垂控制的改進(jìn),讓微電網(wǎng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),令不同微電源能夠?qū)ο嗤妷悍颠M(jìn)行輸出,使得微電源分配無(wú)功負(fù)荷的精度得到提高,從而增強(qiáng)微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,讓微電網(wǎng)系統(tǒng)得以安全運(yùn)行。