程 琳， 都小利， 田 彥

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心， 安徽 合肥 230022； 2.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 合肥 230051)

0 引言

近些年，分布式發(fā)電技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光伏新能源發(fā)電中[1]。光伏發(fā)電通過一個(gè)低電壓分布式微電網(wǎng)絡(luò)與區(qū)域電網(wǎng)相連，是基于功率電子變換器的電壓源型逆變器。對于逆變器的控制需要考慮許多方面的因素，例如各逆變器之間的有功、無功和諧波功率均分問題，如何提高電能質(zhì)量，如何處理不同負(fù)載情況等[2]。

目前常用的分布式發(fā)電與區(qū)域大電網(wǎng)并網(wǎng)的控制方法是下垂控制方法。該方法應(yīng)用在分布式發(fā)電與汽輪、水輪同步發(fā)電機(jī)的大電網(wǎng)并網(wǎng)控制策略中[3]。然而，下垂控制忽視了分布式光伏發(fā)電接口逆變器饋線阻抗對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，當(dāng)微電網(wǎng)中各分布式光伏發(fā)電的距離比較遠(yuǎn)，并且當(dāng)饋線阻抗比較大時(shí)，饋線阻抗對系統(tǒng)運(yùn)行的影響就不能被忽視。又由于各分布式光伏發(fā)電組的不同特性，相互的饋線阻抗的阻抗特性也有不同，因此各分布式光伏發(fā)電站之間的輸出功率便會彼此耦合，下垂控制無法保證當(dāng)分布式電源接入大電網(wǎng)后的電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)[4]。此外，同一個(gè)微電網(wǎng)中不同分布式光伏發(fā)電的輸出阻抗與饋線阻抗的不平衡也會導(dǎo)致微電網(wǎng)負(fù)荷在不同分布式光伏發(fā)電間不能夠按容量比例分配[5]。

為彌補(bǔ)下垂控制的不足，文獻(xiàn)[6]提出了一種增大下垂系數(shù)的控制策略來改進(jìn)并聯(lián)接口逆變器的功率分配特性，這種方法是通過調(diào)節(jié)下垂系數(shù)來影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然而這種方法的實(shí)用性較差，也無法防止接口處的輸出電壓存在較大的偏差。文獻(xiàn)[7]的改進(jìn)策略是在傳統(tǒng)的下垂控制中引入電壓幅值的反饋控制，從而減小不同接口逆變器輸出電壓幅值的不同，并根據(jù)分布式電源的容量比例來分配無功功率。目前大多數(shù)學(xué)者的研究改進(jìn)方法大多是針對無功功率進(jìn)行的調(diào)節(jié)，且大部分的改進(jìn)策略需要在各分布式發(fā)電間傳遞大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算，這很難實(shí)現(xiàn)有效快速控制和調(diào)節(jié)。因此，本文在微電網(wǎng)與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)能量控制模式下，提出了基于相位補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)下垂控制，并在線性負(fù)載以及非線性負(fù)載條件下，分別考慮了系統(tǒng)有功和無功功率的均分情況以及電壓/頻率的協(xié)調(diào)控制策略，仿真分析驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)策略的有效性。

1 下垂控制策略

下垂控制是將同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制策略引入到分布式電源與區(qū)域大電網(wǎng)的逆變器接口控制中，通過利用輸出電壓的頻率與幅值來控制逆變器輸出的有功無功功率。在孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)中，下垂控制主要是基于傳輸阻抗為感性的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)的[8]，下垂特性如圖 1所示。

(a)P-ω下垂特性 (b)Q-E下垂特性圖1 下垂特性曲線

圖1中ω*、E*為大電網(wǎng)系統(tǒng)在空載運(yùn)行時(shí)的電壓與角頻率，下垂控制中的輸出電壓與輸出功率之間的公式為：

(1)

其中，ω、E分別為變流器輸出電壓的額定頻率和幅值kp、kq分別為P-ω和Q-E下垂控制系數(shù)，P*和Q*分別為變流器輸出的額定有功功率和無功功率。圖2為下垂控制的原理框圖。

圖2 下垂控制的原理框圖

圖2中兩電平VSI為三相兩電平全橋逆變電路；Lf、Cf為LC濾波電路；Zline為微電網(wǎng)到區(qū)域電網(wǎng)PCC點(diǎn)饋線阻抗；Io、Uo為逆變器的輸出電壓與輸出電流；Vabc為調(diào)制信號。下垂控制是首先通過電壓電流檢測模塊分別測量逆變器的輸出電壓Uo與輸出電流Io，并計(jì)算輸出的有功無功功率。然后根據(jù)下垂控制的有功頻率下垂特性與無功幅值下垂特性計(jì)算逆變器的輸出參考電壓Uref。最后利用電壓電流環(huán)控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出電壓實(shí)現(xiàn)對輸出參考電壓的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。因此，為了使在下垂控制中可以根據(jù)輸出電壓的變化情況，對有功進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，并在無通信的情況下實(shí)現(xiàn)對輸出功率按容量比例分配，筆者在設(shè)計(jì)中增加了微電網(wǎng)與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)過程中的功率控制模塊。

2 微電網(wǎng)與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)中的功率控制

在分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)過程中，由于負(fù)荷波動和分布式光伏發(fā)電輸出功率的波動，使得大電網(wǎng)的頻率受到影響。為保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，利用負(fù)荷和光伏發(fā)電的預(yù)測信息，根據(jù)可能發(fā)生的情況預(yù)先安排光伏發(fā)電和發(fā)電機(jī)的發(fā)電計(jì)劃。微電網(wǎng)與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)中的功率控制系統(tǒng)是在區(qū)域大電網(wǎng)的頻率還沒有波動時(shí)，它能夠提前動作，從而減少可能發(fā)生的有功功率供需之間的差異，保證大電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，該結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微電網(wǎng)與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)功率控制結(jié)構(gòu)圖

圖3中的功率分配模塊是微電網(wǎng)與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)功率控制結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵。功率分配模塊的主要功能是通過負(fù)荷預(yù)測信息以及分布式光伏發(fā)電的預(yù)測信息并與混合發(fā)電系統(tǒng)的產(chǎn)出功率一起實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)的頻率協(xié)調(diào)控制。該模塊利用負(fù)載和光伏發(fā)電的預(yù)測信息，使輸出功率被重新分配，使得光伏發(fā)電和傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)盡可能地跟蹤預(yù)測負(fù)荷值的變化。也就是說，通過預(yù)先規(guī)劃未來大電網(wǎng)的發(fā)電計(jì)劃，使得柴油發(fā)電機(jī)和光伏發(fā)電可以提前動作，減少可用電力供需之間的差異，從而減小可能出現(xiàn)的大電網(wǎng)的頻率波動。功率分配的目標(biāo)是讓可再生能源在盡可能多地發(fā)電的同時(shí)最小化有功電源和需求之間的差異的絕對值。圖4是分布式光伏發(fā)電功率傳輸圖。

圖4 分布式光伏發(fā)電功率傳輸圖

在圖4中，E1∠φ1與E2∠φ2分別為光伏DG1、光伏DG2的輸出電壓，Z1∠θ1與Z2∠θ2分別為光伏DG1、光伏DG2接口逆變器與PCC點(diǎn)間的系統(tǒng)阻抗，V∠θ為微電網(wǎng)PCC點(diǎn)電壓，i1與i2分別是光伏DG1、光伏DG2的輸出電流。以DG1作為分析，DG1視在輸出功率為：

(2)

其中，P1為DG1輸出有功功率，Q1為無功功率，有Z1∠θ1=R1+jX1，其中X1=ω1L1，帶入式(2)得到：

(3)

從式(3)可以看出，為了滿足下垂控制特性，逆變器輸出有功功率P1應(yīng)與微電網(wǎng)與區(qū)域電網(wǎng)的并網(wǎng)系統(tǒng)角頻率ω成線性關(guān)系，從而可以分別對DG1、DG2進(jìn)行下垂控制。

3 改進(jìn)的下垂控制策略

在P-ω下垂控制中采用相位補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5中，逆變器的輸出電壓與大電網(wǎng)電壓之間的相位補(bǔ)償δ的值可以通過δp±δd計(jì)算得到。其中，δd為前饋增益kd的附加相位，δp為P-ω下垂控制所計(jì)算得到的相位。圖6是整個(gè)并網(wǎng)控制系統(tǒng)的描述框圖。

圖5 相位補(bǔ)償?shù)腜-ω下垂控制

在圖6所示的光伏發(fā)電與大電網(wǎng)并網(wǎng)的頻率控制框圖中，電網(wǎng)頻率分別經(jīng)過了下垂控制模塊和頻率控制模塊進(jìn)行二次調(diào)節(jié)。對于下垂控制模塊，GLPF(s)為低通濾波器，其截止頻率為5 Hz。在頻率控制模塊中，分布式光伏發(fā)電的頻率信號通過采用增益為τ的PLL一階傳遞函數(shù)GPLL(s)提取，且通過PI控制器Gfsec(s)來補(bǔ)償整個(gè)大電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率偏差。另外，附加相位偏移環(huán)路中的比例增益kd用于增強(qiáng)有功功率控制環(huán)路的穩(wěn)定性并抑制功率振蕩。根據(jù)圖6所示的控制框圖，能夠得到ω傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

(4)

將頻率ω與參考值ω*相比較，并且信號的差值由PI控制器處理并發(fā)送到每個(gè)分布式光伏發(fā)電單元，從而實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償。類似地，電壓幅值E與參考值E*進(jìn)行比較，并且將差值信號通過PI控制器處理后傳輸給各個(gè)分布式光伏發(fā)電單元，從而消除了下垂控制引起的電壓幅度穩(wěn)態(tài)誤差。

4 仿真分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)接入10 kV電網(wǎng)模型，電網(wǎng)等效系統(tǒng)的額定電壓為10 kV，額定頻率為50 Hz，最大短路容量為10 000 MVA，最小短路容量為8 000 MVA。光伏發(fā)電的額定電壓為400 V，額定頻率為50 Hz，額定輸出功率為0.1 MVA，額定功率因數(shù)為0.8，儲能電池的額定電壓為400 V，額定頻率為50 Hz，額定容量為125 kWh，額定功率為0.5 MW，額定功率因數(shù)為0.8，發(fā)電機(jī)額定電壓為400 V，額定頻率為50 Hz，額定輸出功率為0.1 MVA，額定功率因數(shù)為0.8。變壓器 0.4/0.69 kV的額定變比為0.4/0.69 kV，額定頻率為50 Hz，額定容量為1 MVA。變壓器0.69/10 kV的額定變比為0.69/10 kV，額定頻率為50 Hz，額定容量為2 MVA，通過10 kV/0.69 kV變壓器連接在中壓母線上。在t=1 s時(shí)并聯(lián)一個(gè)非線性負(fù)載84 μH、460 Ω和235 μF，在t=2 s時(shí)斷開。圖7為系統(tǒng)采用控制前后的電網(wǎng)輸出電壓幅值和頻率的仿真波形圖。

(a)未采用控制的電壓幅值仿真波形

(b)未采用控制的頻率變化仿真波形

(c)采用控制的電壓幅值仿真波形

(d)采用控制的頻率變化仿真波形

對比圖7中(a)、(b)與(c)、(d)可知，未采用控制的電網(wǎng)系統(tǒng)在正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)存在由下垂控制造成的0.01 Hz的頻率偏差，當(dāng)負(fù)荷突然斷開或者分布式光伏電源突然斷開時(shí)，輸出電壓的幅度和頻率也都會出現(xiàn)一定的降低。然而采用本文所述的微電網(wǎng)與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)中的功率控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)在正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電壓幅值和頻率均為額定值，當(dāng)負(fù)荷突然發(fā)生變化及光伏發(fā)電斷開時(shí)刻的系統(tǒng)電壓幅值和頻率均能在1 s左右恢復(fù)至額定值。

5 結(jié)論

下垂控制可以在分布式光伏間無互聯(lián)的情況下進(jìn)行功率分配，但是由于饋線阻抗不平衡等環(huán)境因素的影響，下垂控制很難實(shí)現(xiàn)各分布式光伏間按容量比例分配策略。本文針對電網(wǎng)系統(tǒng)在線路阻抗不均和負(fù)荷突變的工況下，按照微電網(wǎng)與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)能量流動特性，提出一種增強(qiáng)型功率均衡并網(wǎng)控制策略。在對每一級分布式光伏并網(wǎng)控制中，采用基于相位補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)型下垂控制策略，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的電壓幅值和頻率的補(bǔ)償控制，從而保證系統(tǒng)的電能質(zhì)量。仿真結(jié)果表明采用提出的改進(jìn)控制算法后，在負(fù)載突變及光伏發(fā)電斷開時(shí)刻的系統(tǒng)電壓幅值和頻率均能在短時(shí)間恢復(fù)至額定值。