龍 夏，鄧秋玲，向全所，柯夢(mèng)卿，張 群

(湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411104)

0 引言

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，具有微型、清潔、自主和靈活特性的微電網(wǎng)被人們廣泛接受，大力發(fā)展微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將成為中國(guó)未來(lái)電力能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)[1-2].分布式發(fā)電一般通過(guò)逆變器進(jìn)入交流微電網(wǎng)系統(tǒng)，微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性將直接受到逆變器穩(wěn)定性的影響.因此，逆變器的控制策略成為微電網(wǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一.微電網(wǎng)逆變器的控制方法一般采用主從控制和對(duì)等控制兩種控制方法[3-5]，主從控制方法已被廣泛研究.但是，由于主從控制本身存在缺陷，因此在應(yīng)用中存在一定的局限性.下垂控制通常表示為對(duì)等控制，基于并聯(lián)逆變器的下垂控制已經(jīng)廣泛用于微電網(wǎng)，因?yàn)樗芙档蛯?duì)通信可靠性的依賴性，下垂控制策略的研究逐步發(fā)展.文獻(xiàn)[6]提出微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行可以通過(guò)增加無(wú)功功率的分配精度來(lái)實(shí)現(xiàn).文獻(xiàn)[7]提出在基波和諧波域合理分配功率可以提高微電網(wǎng)的穩(wěn)定性.文獻(xiàn)[8]提出了電壓和電流控制策略在直流微電網(wǎng)中的應(yīng)用.文獻(xiàn)[9]提出了一種提高微電網(wǎng)穩(wěn)定性的新方法，但實(shí)現(xiàn)過(guò)程繁瑣.文獻(xiàn)[10]提出了一種基于電壓電流和雙電流控制的下垂控制方法，并通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的可行性.文獻(xiàn)[11-12]在文獻(xiàn)[10]的基礎(chǔ)上提出引入感應(yīng)式虛擬阻抗來(lái)改善電壓和電流的雙回路控制策略.仿真結(jié)果表明，通過(guò)引入感應(yīng)式虛擬阻抗可以減少系統(tǒng)循環(huán)，消除循環(huán)系統(tǒng)之間的影響.然而，在文獻(xiàn)[13]中沒(méi)有考慮引入感應(yīng)虛擬阻抗會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)逆變器輸出電壓下降.文獻(xiàn)[14]針對(duì)低壓微電網(wǎng)提出了一種具有反饋電感阻抗的電壓和電流雙回路下垂控制方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了控制策略的有效性和正確性，但在逆變器輸出電壓下降時(shí)也未考慮引入感應(yīng)虛擬阻抗.本文在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上改進(jìn)了基于感應(yīng)虛擬阻抗的電壓電流雙回路下垂控制策略，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制策略的有效性和穩(wěn)定性.

1 傳統(tǒng)下垂控制的原理

傳統(tǒng)下垂控制方法的思路來(lái)源于傳統(tǒng)電網(wǎng)中同步發(fā)電機(jī)的自同步和電壓下垂特性.利用傳統(tǒng)下垂控制方法中并聯(lián)逆變器模塊之間除了交流母線外沒(méi)有其他信號(hào)線，增強(qiáng)了微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的抗干擾能力、冗余能力.目前，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中有線互聯(lián)控制技術(shù)，無(wú)法克服地理位置、受電磁干擾嚴(yán)重、冗余性不佳等先天性的缺點(diǎn)，從而促進(jìn)了無(wú)線互聯(lián)下垂控制方法在逆變器并聯(lián)控制領(lǐng)域的發(fā)展.目前，該方法廣泛應(yīng)用于隔離微電網(wǎng)逆變器的控制.根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行需要，為了簡(jiǎn)化分析，取2臺(tái)逆變器構(gòu)成的并聯(lián)系統(tǒng)如圖1所示，其可以等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)阻抗的串聯(lián)等效模型.

圖1 并聯(lián)逆變器等效電路圖

從圖1中我們可以得到:

(1)

這里的Pi是有功功率；Qi是無(wú)功功率；Zi是阻抗；φi是阻抗角；θi是相角.當(dāng)X>>R,Z∠θ=X∠90°上述(1)式可簡(jiǎn)化為：

(2)

通常在傳統(tǒng)微電網(wǎng)中，獨(dú)立微電網(wǎng)并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的輸出阻抗和線路阻抗之和是電阻-電感.因此，如果采用逆變器的P/f,Q/V下垂控制策略來(lái)控制逆變器，則需要在獨(dú)立的微電網(wǎng)系統(tǒng)中加入感應(yīng)虛擬阻抗，使獨(dú)立微電網(wǎng)并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的輸出阻抗和線路阻抗之和呈現(xiàn)感性.

傳統(tǒng)下垂控制的特性曲線如圖2所示.

結(jié)合圖2其數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫為：

(3)

式(3)中：P和Q為DG輸出的有功和無(wú)功功率；fn、Vn為空載狀態(tài)下的頻率和電壓，m是P-f下垂系數(shù)；n是下垂Q-V系數(shù).

2 下垂控制的改進(jìn)

為了滿足下垂控制特性的要求，減弱逆變器輸出阻抗的影響，提高無(wú)功功率的系統(tǒng)分布精度，應(yīng)引入更大的感應(yīng)虛擬阻抗值.然而，在實(shí)際研究中，感應(yīng)虛擬阻抗的較大值將導(dǎo)致逆變器輸出電壓嚴(yán)重下降，如圖3所示.當(dāng)電壓和電流雙回路控制系統(tǒng)中未添加感應(yīng)虛擬阻抗時(shí)，該等式可寫為:

(4)

圖3 基于虛擬阻抗的電壓電流環(huán)控制策略

其中U是對(duì)應(yīng)于Q-V下垂控制特性的電壓，當(dāng)在電壓和電流雙回路控制中引入感應(yīng)虛擬阻抗時(shí)，相應(yīng)的等式如下：

(5)

添加感應(yīng)虛擬阻抗之前和之后的Q-V下垂控制特性曲線如圖4所示，圖4中a曲線表示當(dāng)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中沒(méi)有添加感應(yīng)虛擬阻抗時(shí)的下垂控制特性曲線Q-V.

圖4中曲線b表示當(dāng)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中添加感應(yīng)虛擬阻抗時(shí)的Q-V下垂控制特性曲線，由于感應(yīng)虛擬阻抗的存在，使系統(tǒng)電壓下降了，如ΔU表示在引入感應(yīng)虛擬阻抗后系統(tǒng)電壓的下降值.因此，為了保證逆變器輸出電壓的穩(wěn)定性，提高電源的可靠性，需要通過(guò)補(bǔ)償回路改善Q-V下垂控制，改進(jìn)的Q-V下垂控制特性曲線如曲線c所示.添加補(bǔ)償回路使Q-V下垂控制參考電壓合理上升，使得感應(yīng)虛擬阻抗的引入不會(huì)降低變頻器的輸出電壓. 相應(yīng)的等式如式(6)所示.

圖4 引入虛擬阻抗之前和之后的下垂控制曲線

Uref+ΔU=(U+ΔU)-LvI0=(U+ΔU)-

nQ-LvI0

(6)

根據(jù)公式(6)，可知改進(jìn)的Q-V下垂控制的控制方案如圖5所示.

圖5 改進(jìn)后的下垂控制

3 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證所提出的改進(jìn)下垂控制策略的正確性和有效性，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上構(gòu)建了一個(gè)獨(dú)立的微電網(wǎng)仿真模型，該仿真平臺(tái)由兩個(gè)分布式發(fā)電機(jī)組成，結(jié)構(gòu)模型如圖6所示.模擬參數(shù)的設(shè)置如表1所示，兩個(gè)分布式電源和逆變器輸出阻抗參數(shù)設(shè)置相同，本文分析了兩種情況下兩臺(tái)分布式電源逆變器優(yōu)化后的下垂控制的仿真.

有兩個(gè)DG，分別表示為DG1和DG2.K1、K2、K3是控制開(kāi)關(guān)，K4是可以控制系統(tǒng)運(yùn)行模式的開(kāi)關(guān).當(dāng)K4關(guān)閉時(shí)，微電網(wǎng)以并網(wǎng)模式運(yùn)行；當(dāng)K4打開(kāi)時(shí)，微電網(wǎng)以孤島模式運(yùn)行.

圖6 微電網(wǎng)示意圖

表1 系統(tǒng)參數(shù)

情況1:在初始時(shí)刻，K2、K3處于閉合狀態(tài)，K4處于斷開(kāi)狀態(tài).在0.4 s的時(shí)刻K3斷開(kāi)，此時(shí)的微電網(wǎng)系統(tǒng)切除負(fù)荷，在0.8 s時(shí)刻K3閉合，微電網(wǎng)系統(tǒng)增加負(fù)荷.仿真時(shí)間為1.5 s，孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)特性如圖7所示.圖7(a)分別反映了負(fù)載變化時(shí)DG1和DG2的有功功率變化.由于兩個(gè)分布式電源的并聯(lián)逆變器參數(shù)相同，因此有功功率的波動(dòng)基本相同，結(jié)合圖7(b)分析表明：系統(tǒng)在0.4 s時(shí)切斷了負(fù)載3的運(yùn)行，所以DG1和DG2輸出的有功功率減少而輸出的頻率增加.在0.8 s時(shí)負(fù)載3接入運(yùn)行，DG1和DG2輸出的有功功率增加而輸出的頻率減少，在微電網(wǎng)系統(tǒng)減少和增加負(fù)載的時(shí)候，DG1和DG2輸出的頻率始終維持在50～50.05 Hz的穩(wěn)定范圍內(nèi)波動(dòng)，符合P/f下垂控制特性要求.圖7(c)反映了負(fù)載變化時(shí)DG1和DG2的無(wú)功功率變化，結(jié)合圖7(d)中DG1和DG2輸出線電壓表明，由于在0.4 s切除負(fù)載3，DG1和DG2輸出的無(wú)功功率在0.4 s的時(shí)刻降低，而DG1和DG2輸出的線電壓略微有點(diǎn)增加.在0.8 s的時(shí)刻負(fù)載3又接入微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行，DG1和DG2輸出的無(wú)功功率增加而DG1和DG2輸出的線電壓略微有點(diǎn)增加.無(wú)論微電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)載增加還是減少，DG1和DG2輸出的線電壓始終維持在220 V左右，滿足Q-V下垂特性的要求.

情況2：在初始時(shí)刻，K1、K2、K3都處于閉合狀態(tài)，K4處于斷開(kāi)狀態(tài).在0.4 s時(shí)開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)，此時(shí)的微電網(wǎng)系統(tǒng)切除了分布式電源DG1，在0.6 s時(shí)K1閉合，分布式電源DG1又接入微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行，在0.8 s時(shí)K1再次斷開(kāi)，仿真時(shí)間為1.2 s.孤島狀態(tài)下微電網(wǎng)的運(yùn)行特性如圖8所示.

圖7 DG1和DG2在切除和接入負(fù)載的運(yùn)行特性

圖8 傳統(tǒng)下垂控制DG1和DG2輸出有功功率和無(wú)功功率的變化圖

圖8顯示了傳統(tǒng)下垂控制DG1和DG2輸出有功功率的變化，圖9(a)則是改進(jìn)后的下垂控制DG1和DG2的輸出有功功率的變化.通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的下垂控制在0.6 s時(shí)刻，DG1接入微電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)有功功率發(fā)生了大幅度的波動(dòng)，勢(shì)必會(huì)引起微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率的大幅度變化，不利于維持微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，然而圖9(a)顯示改進(jìn)后的下垂控制在0.6 s時(shí)刻并沒(méi)有發(fā)生大幅度波動(dòng)，反而還是維持在穩(wěn)定的狀態(tài).

通過(guò)對(duì)圖8(b)和圖9(b)的對(duì)比分析，也可以看出在0.6 s時(shí)刻，分布電源DG1接入微電網(wǎng)系統(tǒng)的時(shí)候，傳統(tǒng)下垂控制下的DG1和DG2輸出的無(wú)功功率發(fā)生了波動(dòng)，改進(jìn)后的下垂控制則維持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài).通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的下垂控制與改進(jìn)后的下垂控制中DG1和DG2輸出的有功功率和無(wú)功功率的對(duì)比，表明改進(jìn)后的下垂控制的策略可以實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電的即插即用.從圖9(c)和(d)分析可知，當(dāng)DG1進(jìn)行切除和并入微電網(wǎng)系統(tǒng)的操作時(shí)，獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功率發(fā)生了波動(dòng)，而微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率仍然可以保持穩(wěn)定.

圖9 DG1切除和接入獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性

4 結(jié)論

在孤島模式下，頻率和電壓的波動(dòng)將由負(fù)載的變化引起，導(dǎo)致微電網(wǎng)的不穩(wěn)定.如果波動(dòng)太嚴(yán)重，則無(wú)法保證系統(tǒng)能夠有效地供電，為此通常會(huì)使用下垂控制.結(jié)合微電網(wǎng)分布式電源系統(tǒng)實(shí)際工作情況，考慮并聯(lián)逆變器系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，本文對(duì)傳統(tǒng)的下垂控制法進(jìn)行改進(jìn)，并在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上改進(jìn)了一種適用于微電網(wǎng)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的控制方法，即基于感應(yīng)虛擬阻抗的電壓電流雙回路下垂控制策略，并進(jìn)行了仿真.通過(guò)與傳統(tǒng)的下垂控制對(duì)比表明，改進(jìn)后的下垂控制策略使得獨(dú)立微電網(wǎng)的線電壓和頻率有較好的穩(wěn)定性，同時(shí)更好的實(shí)現(xiàn)功率的均分，降低了電網(wǎng)功率波動(dòng)性.也表明了改進(jìn)后的下垂控制策略的有效性.