熊 蕙,任江波,顧喬根,常風(fēng)然

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102;2.南瑞集團(tuán)公司 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 211106;3.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021)

分布式發(fā)電具有污染少、就地消納等特有的優(yōu)勢(shì),能有效解決電網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中不可再生能源消耗問(wèn)題,是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的重要方向之一[1,2]。微電網(wǎng)可以有效管理和實(shí)現(xiàn)分布式電源的靈活并網(wǎng)及控制[3],既能與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行,也能脫離大電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行,運(yùn)行可靠性和靈活性高,但同時(shí)在運(yùn)行過(guò)程中也帶來(lái)了分布式電源多逆變器間無(wú)功不均分等新問(wèn)題[4]。

微電網(wǎng)通常采用下垂控制來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中分布式電源的運(yùn)行控制[5]。但下垂控制在無(wú)功均分方面也有一些缺陷,因?yàn)樽匀灰蛩睾徒尤氲姆植际诫娫吹乩砦恢玫牟町愋?使得各分布式電源的饋線長(zhǎng)短不一,饋線阻抗也不一樣[6]。通過(guò)下垂控制的分布式電源在各自的阻抗不一致的情況下,很難做到無(wú)功均分,從而導(dǎo)致一些分布式電源過(guò)載,系統(tǒng)各處無(wú)功電壓不平衡,出現(xiàn)無(wú)功環(huán)流,進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[7]。

為了解決下垂控制無(wú)功分配不均問(wèn)題,目前主要的改進(jìn)措施有3類:(1)改進(jìn)下垂控制。該措施通過(guò)將下垂控制進(jìn)行改進(jìn),雖然提高了分布式電源的無(wú)功功率均分能力,但還是有較大的誤差[8]。文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)下垂控制進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)了無(wú)功功率合理均分;(2)采用虛擬阻抗法進(jìn)行改進(jìn)。如文獻(xiàn)[10]通過(guò)在分布式電源主電路上增加一個(gè)虛擬電容來(lái)對(duì)分布式電源輸出的無(wú)功進(jìn)行控制,從而達(dá)到無(wú)功均分的目的。這種方法根據(jù)各個(gè)分布式電源的線路阻抗的不同來(lái)調(diào)節(jié)線路阻抗,使其接近相同,從而可減少線路無(wú)功環(huán)流。文獻(xiàn)[11,12]在逆變器控制中加入虛擬阻抗,使其能自動(dòng)匹配各個(gè)分布式電源饋線上的電壓降,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功均分;(3)利用分布式的控制架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。如文獻(xiàn)[13,14]采用基于多代理一致性的無(wú)功均分方法,無(wú)需集中控制器,又能使各分布式電源相互協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的整體控制。分布式協(xié)同無(wú)功均分方法在恢復(fù)系統(tǒng)電壓時(shí),將各個(gè)分布式電源的無(wú)功功率輸入到控制中進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)。

上述方法中,分布式控制的方法兼顧了集中式和分散式控制的優(yōu)勢(shì),利用局部信息交互、在無(wú)集中控制器的情況下有效實(shí)現(xiàn)了整體系統(tǒng)的協(xié)同[15],值得深入研究。采用基于多代理系統(tǒng)的控制方法,其收斂速度是控制中重要的關(guān)鍵點(diǎn),分布式控制的收斂速度決定了系統(tǒng)能否在最快的時(shí)間范圍內(nèi)完成無(wú)功均分,實(shí)現(xiàn)時(shí)間優(yōu)化。但系統(tǒng)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變和系統(tǒng)工況變化均會(huì)對(duì)控制的收斂時(shí)間產(chǎn)生影響。對(duì)此,本文基于多代理系統(tǒng)的控制方法提出了一種有限時(shí)間控制的分布式無(wú)功均分控制方法。該方法采用分布式通信結(jié)構(gòu)有效實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的協(xié)同,并提高系統(tǒng)的收斂速度。文中第2節(jié)簡(jiǎn)要介紹了分布式電源的下垂控制原理,第3節(jié)在下垂控制的基礎(chǔ)上,提出基于有限時(shí)間的分布式一致性控制作為孤島微電網(wǎng)無(wú)功均分的二次控制,第4節(jié)對(duì)所提控制方法進(jìn)行了多場(chǎng)景仿真驗(yàn)證。

1 分布式電源下垂控制及無(wú)功控制基本原理

1.1 分布式電源的下垂控制

一般電力系統(tǒng)在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),頻率會(huì)產(chǎn)生波動(dòng),這時(shí)就需要對(duì)系統(tǒng)頻率進(jìn)行調(diào)整,稱為一次調(diào)頻。下垂控制的原理就是運(yùn)用對(duì)電力電子逆變器的控制實(shí)現(xiàn)與一次調(diào)頻相似的系統(tǒng)調(diào)節(jié)。當(dāng)線路呈感性時(shí),下垂控制就是通過(guò)有功-頻率(P-f)特性曲線和無(wú)功-電壓(Q-U)特性曲線來(lái)調(diào)節(jié)微電網(wǎng)的頻率和電壓,使其保持恒定。當(dāng)線路呈阻性時(shí),此時(shí)采用反下垂控制方式,即通過(guò)有功-電壓(P-U)和無(wú)功-頻率(Q-f)的特性曲線來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率和電壓。

圖1是下垂控制的特性曲線。由圖1可見(jiàn),當(dāng)微電源輸出有功和無(wú)功功率發(fā)生變化時(shí),下垂控制就會(huì)根據(jù)相應(yīng)的線性關(guān)系調(diào)節(jié)電壓和頻率的大小,使其工作在一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)(即微電源根據(jù)下垂特性曲線從工作點(diǎn)A變到工作點(diǎn)B)。

由圖1可以給出有功功率P和頻率f,以及無(wú)功功率Q與電壓U的下垂控制方程

(1)

式中:fi、Ui為頻率、電壓的實(shí)際值,f0、U0為頻率、電壓的參考值,dp、dq為下垂控制系數(shù),P0、Q0為有功、無(wú)功參考值,Pi、Qi為有功、無(wú)功實(shí)際值。

典型控制結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中uFd、uFq為脈寬調(diào)制(Pulse width modulation,PWM)調(diào)制信號(hào)。

1.2 分布式電源無(wú)功控制原理

微電網(wǎng)中頻率是全局變量,分布式電源有功輸出不會(huì)受到線路阻抗的影響,可以很好地實(shí)現(xiàn)有功均分。但微電網(wǎng)中由于線路阻抗的不同,導(dǎo)致各個(gè)分布式電源輸出節(jié)點(diǎn)的電壓也不同,從而輸出的無(wú)功也不同,無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)功均分,使各分布式電源之間產(chǎn)生無(wú)功環(huán)流,從而影響微電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

針對(duì)分布式電源的無(wú)功均分,本文對(duì)下垂控制做如下改進(jìn)

(2)

式中:fi、Ui為第i個(gè)分布式電源的頻率和電壓幅值,f0為系統(tǒng)頻率參考值,U0為電壓參考值,dp、dq分別為有功頻率下垂系數(shù)和無(wú)功電壓下垂系數(shù),Pi、Qi為第i個(gè)分布式電源有功和無(wú)功的測(cè)量值,ΔQi為第i個(gè)分布式電源的無(wú)功補(bǔ)償值,由有限時(shí)間控制得到。

2 孤島微電網(wǎng)分布式無(wú)功均分優(yōu)化運(yùn)行策略

本文采用有限時(shí)間控制算法對(duì)下垂控制進(jìn)行修正,使微電網(wǎng)中各分布式電源實(shí)現(xiàn)無(wú)功均分。將每個(gè)分布式電源看作一個(gè)智能體,各智能體只和自己相鄰的通信單元進(jìn)行分布式通信,通過(guò)有限時(shí)間控制,實(shí)現(xiàn)所有通信單元的無(wú)功出力一致。

微電網(wǎng)的無(wú)功控制系統(tǒng)為

(3)

式中:xi是第i個(gè)智能體的狀態(tài)變量,Qi為第i個(gè)智能體的控制變量,各智能體只和與其相鄰的單位進(jìn)行分布式通信。

有限時(shí)間控制方程為

(4)

式中:a、b、c是該控制系數(shù),且00,c≥0;當(dāng)Qj>Qi時(shí),n為偶數(shù),當(dāng)Qj

為了使系統(tǒng)能適應(yīng)各種通信變化和智能體的投切,采用一種優(yōu)化的通信矩陣計(jì)算方法對(duì)hij進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)

(5)

式中:ki與kj是與第i個(gè)和第j個(gè)通信單元進(jìn)行通信的數(shù)量;λ是收斂因子,其大小能決定同一拓?fù)湎孪到y(tǒng)收斂的速度,0<λ<1。

圖3為微電網(wǎng)分布式控制結(jié)構(gòu)圖。各分布式電源相當(dāng)于一個(gè)智能體,根據(jù)相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò),各智能體只與相鄰的通信單元進(jìn)行無(wú)功信息交互,實(shí)現(xiàn)分布式通信;根據(jù)得到的相鄰單元的無(wú)功信息對(duì)自身的無(wú)功進(jìn)行調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)微電網(wǎng)的分布式協(xié)同控制。微電網(wǎng)分布式電源逆變器控制如圖4所示。

在下垂控制的基礎(chǔ)上,對(duì)分布式電源進(jìn)行二次控制,使分布式電源實(shí)現(xiàn)無(wú)功均分。通過(guò)有限時(shí)間控制的迭代結(jié)果對(duì)下垂控制進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,從而達(dá)到無(wú)功均分的目的

(6)

式中:Uref為空載時(shí)輸出的電壓幅值,dq為電壓下垂系數(shù),n為有限時(shí)間控制迭代次數(shù),ΔQi為下垂控制無(wú)功補(bǔ)償值。

3 仿真與分析

為了驗(yàn)證所提無(wú)功均分方法的無(wú)功均分效果,在電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC中搭建孤島微電網(wǎng)仿真模型,如圖5所示。由圖5可見(jiàn),微電網(wǎng)由3個(gè)容量參數(shù)相同的分布式電源DG1、DG2、DG3和相應(yīng)的負(fù)荷組成。通過(guò)對(duì)微電網(wǎng)的正常運(yùn)行、負(fù)荷變化和分布式電源的投切3個(gè)仿真場(chǎng)景進(jìn)行仿真,驗(yàn)證控制策略的無(wú)功均分能力。

3.1 微電網(wǎng)正常運(yùn)行

在場(chǎng)景A中,微電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)由下垂控制維持系統(tǒng)穩(wěn)定,由于線路阻抗不同,各分布式電源的無(wú)功出力也不一樣,此時(shí)系統(tǒng)各分布式電源間存在無(wú)功環(huán)流,t=4 s時(shí),二次控制策略啟動(dòng),對(duì)各分布式電源進(jìn)行無(wú)功均分控制,使得各分布式電源的無(wú)功出力達(dá)到一致。如圖6所示為運(yùn)行控制中各分布式電源的無(wú)功功率曲線。

4 s時(shí)控制策略啟動(dòng),根據(jù)有限時(shí)間控制方程對(duì)分布式電源無(wú)功功率進(jìn)行迭代,并將迭代結(jié)果輸入到二次控制中,實(shí)現(xiàn)無(wú)功均分控制。其一致性迭代結(jié)果如圖7所示。圖8為傳統(tǒng)漸進(jìn)一致性算法迭代結(jié)果。由圖7、8迭代結(jié)果可知,有限時(shí)間控制的分布式電源進(jìn)行7次就達(dá)到了收斂,而運(yùn)用傳統(tǒng)迭代方式進(jìn)行迭代則需要10次才達(dá)到收斂。

3.2 微電網(wǎng)出現(xiàn)負(fù)荷擾動(dòng)

在場(chǎng)景A的基礎(chǔ)上,在t=6 s時(shí)系統(tǒng)增加負(fù)荷,并在7 s時(shí)啟動(dòng)控制策略,驗(yàn)證系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)無(wú)功均分策略的有效性。微電網(wǎng)仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9仿真結(jié)果可知,負(fù)荷的擾動(dòng)引起了無(wú)功出力偏差,7 s時(shí)再次啟動(dòng)無(wú)功均分控制,修正各分布式電源的無(wú)功出力,使系統(tǒng)達(dá)到無(wú)功均分。

7 s時(shí)控制策略再次啟動(dòng),采集各分布式電源的無(wú)功出力,并對(duì)其進(jìn)行一致性迭代,最終達(dá)到無(wú)功均分。分布式電源二次控制的一致性迭代如圖10所示。圖11為采用傳統(tǒng)一致性方法的迭代結(jié)果?？刂七^(guò)程中,有限時(shí)間控制的分布式電源進(jìn)行6次就達(dá)到了收斂。運(yùn)用傳統(tǒng)迭代方式則需要迭代8次才能收斂。

3.3 分布式電源投切

在場(chǎng)景A的基礎(chǔ)上,在t=6 s時(shí)系統(tǒng)切除DG3,并在7s時(shí)啟動(dòng)控制策略,驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行分布式電源投切時(shí)無(wú)功均分策略的有效性。微電網(wǎng)仿真結(jié)果如圖12所示。

由圖12仿真結(jié)果可知,當(dāng)微電網(wǎng)進(jìn)行分布式電源投切時(shí),會(huì)引起系統(tǒng)無(wú)功出力不平衡,影響無(wú)功均分,所以在7 s時(shí)再次啟動(dòng)無(wú)功均分控制,修正微電網(wǎng)中剩余的分布式電源的無(wú)功出力,使系統(tǒng)再次達(dá)到無(wú)功均分。

7 s時(shí)控制策略再次啟動(dòng),采集剩余的分布式電源的無(wú)功出力,并對(duì)其進(jìn)行一致性迭代,最終達(dá)到無(wú)功均分。分布式電源二次控制的一致性迭代如圖13所示。圖14為采用傳統(tǒng)一致性方法的迭代結(jié)果。由圖13、14可知,控制過(guò)程中,有限時(shí)間控制的分布式電源進(jìn)行3次就達(dá)到了收斂。運(yùn)用傳統(tǒng)迭代方式則需要迭代5次才能收斂。

4 結(jié)論

本文提出了一種孤島微電網(wǎng)的無(wú)功均分方法,實(shí)現(xiàn)了分布式電源的無(wú)功均分,提高了微電網(wǎng)電能質(zhì)量。通過(guò)在多種場(chǎng)景下對(duì)微電網(wǎng)分布式電源的無(wú)功輸出情況進(jìn)行仿真,結(jié)果表明:(1)提出的孤島微電網(wǎng)分布式控制策略可適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化和分布式電源的可靠投切功能,加強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性,實(shí)現(xiàn)了分布式電源的即插即用功能;(2)構(gòu)建的面向孤島微電網(wǎng)的分布式去中心化協(xié)同控制架構(gòu),能通過(guò)有限時(shí)間控制修正下垂控制的無(wú)功出力,使微電網(wǎng)在各種場(chǎng)景下分布式電源的無(wú)功功率達(dá)到均分,有較好的適應(yīng)性;(3)通過(guò)與傳統(tǒng)的漸進(jìn)一致性控制對(duì)比,提出的有限時(shí)間控制方法能提升分布式協(xié)同無(wú)功均分的收斂性能,使系統(tǒng)擁有比一般控制方法更快的收斂速度,能使微電網(wǎng)在有限時(shí)間內(nèi)達(dá)到無(wú)功均分效果,且在系統(tǒng)發(fā)生各種擾動(dòng)的情況下也能得到很好的控制效果。