何浩宇 ，趙毅君 ，黃 美

（1.湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南工程學(xué)院 湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104；3.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機組及控制湖南省重點試驗室，湘潭 411104）

0 引言

在過去的幾十年間，分布式發(fā)電DG（distributed generation）的應(yīng)用迅速增加，與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電相比，DG具有安全可靠性高、安裝成本低、供電靈活性高等優(yōu)點.而以分布式發(fā)電為基礎(chǔ)的微電網(wǎng)，下垂控制作為一種常見控制策略，具有簡單可靠、無需機組間通訊協(xié)調(diào)、負荷即插即用等優(yōu)點［1］，其原理是模擬傳統(tǒng)電網(wǎng)中發(fā)電機的下垂特性，根據(jù)輸出功率的變化控制電壓源逆變器的輸出電壓和頻率［2］.

當微電網(wǎng)處于孤島運行時，由于負荷隨機性、波動性較強，且傳統(tǒng)下垂控制中下垂系數(shù)固定，導(dǎo)致負荷功率波動下系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性較差，因此協(xié)調(diào)微電網(wǎng)輸出穩(wěn)定電壓和頻率成為亟需解決的問題.文獻［3］提出了一種通過改變參考電壓來近似補償線路差異阻抗上的壓降，并采用動態(tài)下垂系數(shù)調(diào)節(jié)無功功率的策略，使得微電網(wǎng)無功功率的輸出分配精度提高.文獻［4］提出了一種以平移等處理后的正弦函數(shù)作為下垂控制特性曲線，采用動態(tài)下垂系數(shù)保證分布式電源出力穩(wěn)定的控制策略.文獻［5］提出了一種改變輸出電壓設(shè)定點的新型下垂控制方法，電壓收斂速度增加，但由于各個負載情況不同，其設(shè)定點電壓會存在差異，各個負載輸出電壓精度值會受到影響.

對此，本文提出一種改進的下垂控制策略，以傳統(tǒng)下垂中下垂系數(shù)固定為切入點，通過引入模糊比例—積分（proporion integration，PI）控制，采用實時動態(tài)調(diào)整的下垂系數(shù)策略，通過獲取頻率與電壓的變化來實時整定下垂系數(shù)，從而達到穩(wěn)定輸出頻率和電壓的效果，并從理論上分析了改進控制策略的原理，建立了傳統(tǒng)下垂控制模型與改進的動態(tài)下垂控制策略模型，通過MATLAB/Simulink平臺進行了仿真對比，驗證了該改進控制方法的有效性和可行性.

1 傳統(tǒng)下垂控制原理

傳統(tǒng)下垂控制通過P-f、Q-U的特性曲線進行調(diào)節(jié).在孤島運行情況下，采用下垂控制的微電網(wǎng)按照下垂系數(shù)輸出相應(yīng)功率.

如圖1所示為含逆變器的簡單微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，DG通過線路阻抗Z＝R+jX經(jīng)L連接到負載端，其功率表達式為：

式中：P為有功功率；Q為無功功率；US為逆變器輸出電壓；U為負載接點處電壓；Z為線路阻抗；θ為線路阻抗相角；δ為逆變器輸出電壓與負載接點處電壓相角.

一般來說，由于分布式發(fā)電線路阻抗表現(xiàn)為高度感性，即線路X?R，因此Z＝j(luò)X，θ=90°，而功率角δ很小，則cosθ≈ 0，sinθ≈ 1，（1）式可以寫為：

而逆變單元又可通過調(diào)節(jié)輸出頻率來控制其相位，即：

由以上分析可得到傳統(tǒng)下垂控制方程為：

式中：U和f分別為逆變器的實際輸出電壓、頻率；U0和f0分別為逆變器的額定輸出電壓、頻率；Q0和P0分別為逆變器額定輸出無功功率、有功功率；kp和kq分別為電壓下垂系數(shù)、頻率下垂系數(shù).

由式（4）可知，微電網(wǎng)的功率發(fā)生變化，逆變器的輸出頻率或電壓也會發(fā)生相應(yīng)變化，其對應(yīng)變化關(guān)系即為如圖2所示下垂控制P-f、U-Q曲線圖.

圖1 含逆變器的簡單微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 下垂控制P-f、U-Q曲線圖

2 基于模糊PI的下垂控制

2.1 模糊PI下垂控制原理

模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，適用于非線性、復(fù)雜對象，存在魯棒性好、容錯能力強等優(yōu)點；PID控制也是目前工業(yè)中最常用的控制方法，發(fā)展已較為成熟.而區(qū)別傳統(tǒng)PI控制中固定的Kp和Ki參數(shù)，模糊PI即為增加了模糊推理規(guī)則的PI控制策略，系統(tǒng)根據(jù)模糊規(guī)則實時調(diào)整Kp、Ki參數(shù)，使其輸出期望值.

如圖3模糊PI下垂控制結(jié)構(gòu)圖所示，傳統(tǒng)下垂控制方式為DG輸出經(jīng)過逆變、RLC濾波后給負載供電，其控制單元通過采集系統(tǒng)電壓電流參數(shù)后進行功率計算、下垂計算等，最終得到PWM驅(qū)動值，驅(qū)動逆變單元工作輸出期望電壓值；而模糊PI下垂方式在傳統(tǒng)下垂控制基礎(chǔ)上，采集電壓和頻率的波動，經(jīng)過模糊推理得到當前電壓、頻率下的Kp和Ki參數(shù)，用于調(diào)整并獲得此時最優(yōu)的下垂系數(shù)Kp和Kq，使得系統(tǒng)具有更良好的實時性，對于負載波動的敏感性下降，增強了微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

圖3 模糊PI下垂控制結(jié)構(gòu)圖

為彌補傳統(tǒng)下垂控制的缺陷，提高功率分配精度，需要增大下垂系數(shù)，而較大的下垂系數(shù)會影響系統(tǒng)功率輸出范圍，較小的下垂系數(shù)則影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度.本文所提出的實時整定下垂系數(shù)的控制器可描述為：

式中：Kpm、Kpn為比例系數(shù)，用于控制調(diào)節(jié)過程的系統(tǒng)響應(yīng)速率；K1m、K1n為積分系數(shù)，用于消除調(diào)節(jié)過程中的穩(wěn)態(tài)誤差.比例和積分系數(shù)的分工合作，使系統(tǒng)具有良好的暫態(tài)響應(yīng)特性，增加了微電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性，使負荷平穩(wěn)運行.

2.2 模糊化與模糊推理

模糊控制系統(tǒng)采集輸入變量的差值及差值變化率.以頻率控制為例，系統(tǒng)采集頻率的實際輸出值與額定值的差值e和差值變化率ec.其中e和ec的表達式如下：

式中：f為系統(tǒng)輸出頻率值，fref為輸出頻率額定值.

將獲取到頻率差值e、差值變化率ec進行模糊化處理.取合適的比例因子和量化因子，使模糊控制系統(tǒng)的輸入頻率偏差ef、頻率偏差變化率ecf和輸出的下垂控制參數(shù)Kp、Ki的基本論域均落在模糊集合{-6，-4，-2，0，2，4，6}范圍內(nèi)，其對應(yīng)的隸屬度函數(shù)關(guān)系如圖4所示.

圖4 模糊變量隸屬度函數(shù)圖

系統(tǒng)采用Mamdani型模糊推理方法，“if e is A and ec is B then kp/kiis C”的模糊控制規(guī)則［6-7］.獲得頻率輸入變量ef、ecf經(jīng)比例因子模糊化后的值，通過模糊規(guī)則推理，得到輸出變量的模糊值，經(jīng)過centriod重心法解模糊化即可得到Kp、Ki值.表1所示為Kp/Ki模糊控制規(guī)則.圖5所示為模糊推理輸出Kp曲面圖.

表1 Kp/Ki模糊控制規(guī)則

圖5 模糊推理輸出Kp曲面圖

3 仿真測試分析

3.1 仿真模型搭建

在Matlab/Simulink中搭建微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型如圖6所示.系統(tǒng)采用DC800 V直流電源模擬分布式電源，經(jīng)逆變模塊及RLC濾波模塊后輸出AC400 V電壓，為負載進行供電.

圖7所示為系統(tǒng)控制子模塊圖，即圖6中的pulse驅(qū)動模塊展開圖，系統(tǒng)采集輸出電壓電流，通過計算產(chǎn)生對應(yīng)占空比的PWM信號，即可控制逆變器輸出設(shè)定的電壓及頻率值.

圖8所示為模糊PI控制模塊圖，即圖7中下垂控制模塊展開圖，根據(jù)式（5）搭建，包含電壓及頻率兩個模糊PI控制器，分別以頻率的誤差及誤差變化率、電壓的誤差及誤差變化率為輸入，系統(tǒng)通過功率模塊送出的PQ值進行下垂控制計算，經(jīng)模糊PI計算后得到下垂系數(shù)，此下垂系數(shù)又是之前下垂計算中參數(shù)，如此便構(gòu)成負反饋結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)輸出期望值［8］.

系統(tǒng)采用兩個相同參數(shù)的DG并聯(lián)，包含電源、濾波器、電壓電流環(huán)、負載、模糊PI等組件，其各個組件的仿真參數(shù)選取如表2所示.

表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖6 系統(tǒng)仿真模型圖

圖7 系統(tǒng)控制子模塊圖

圖8 模糊PI控制模塊圖

3.2 仿真測試

為模擬在微電網(wǎng)負荷波動下，本文所提出改進控制策略的可行性，使用斷路器來實現(xiàn)負載功率變化.系統(tǒng)斷路器狀態(tài)及功率值如表4所示.

表4 系統(tǒng)斷路器狀態(tài)及功率值

時間/s 斷路器狀態(tài) 有功功率 無功功率0.1～0.310 kW 0 kVar 0.3～1.0 Breaker1、2斷開Breaker3閉合Breaker2、3閉合Breaker1斷開15 kW 10 kVar

如圖9（a）所示為傳統(tǒng)下垂控制功率變化波形，可見當斷路器動作時刻，曲線噪聲大，功率值波動較高，在t＝0.3 s時由于有功和無功功率增加而出現(xiàn)較大沖擊；圖9（b）為模糊PI下垂控制功率變化波形，曲線在斷路器動作時波動起伏小而平滑，較傳統(tǒng)下垂控制有明顯效果.

圖9 （a）傳統(tǒng)下垂控制功率變化波形

圖9 （b）模糊PI下垂控制功率變化波形

如圖10（a）所示為傳統(tǒng)下垂控制電壓波形.由于采用固定下垂系數(shù)，t＝0.1 s時，無功功率減小了5 kW，其輸出電壓出現(xiàn)明顯上升；t＝0.3 s時，無功功率增加10 kW，輸出電壓出現(xiàn)略微下降.如圖10（b）所示為模糊PI下垂控制電壓波形，采用實時調(diào)整的下垂系數(shù)策略，t＝0.1 s時電壓基本穩(wěn)定，而t＝0.3 s時電壓也未見波動，可見采用模糊PI控制實時調(diào)整下垂系數(shù)值，能夠使得電壓幅值在負荷功率波動情況下基本穩(wěn)定.

圖10 （a）傳統(tǒng)下垂控制電壓波形

圖10 （b）模糊PI下垂控制電壓波形

如圖11（a）所示為傳統(tǒng)下垂控制頻率波形圖，可見當系統(tǒng)功率變化時，輸出頻率產(chǎn)生較大波動，且波動時間長、穩(wěn)定速度慢；圖11（b）所示為模糊PI下垂控制頻率波形圖，當微電網(wǎng)功率變化時，因采用模糊PI下垂控制實時整定下垂系數(shù)，輸出頻率波動較小，且穩(wěn)定速度快，輸出效果基本穩(wěn)定，符合預(yù)期效果.

圖11 （a）傳統(tǒng)下垂控制頻率波形

圖11 （b）模糊PI下垂控制頻率波形

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)下垂控制抗負荷波動能力較差的現(xiàn)狀，且為了解決微電網(wǎng)對線路參數(shù)較為敏感的問題，本文提出了一種基于智能控制的下垂控制策略，引入模糊PI推理方法實時整定下垂系數(shù)，用于同時控制孤島微電網(wǎng)輸出頻率及電壓的穩(wěn)定性.通過在Matlab/Simulink中傳統(tǒng)下垂控制方法和本改進控制方法的仿真對比，仿真結(jié)果驗證了此改進控制策略能夠減小有功功率和無功功率的波動對電壓和頻率的影響，使孤島微電網(wǎng)在負荷功率波動情況下，維持電壓幅值和頻率的輸出曲線平滑，抗負荷波動性提高，讓微電網(wǎng)系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定.