朱昊，黃琪萍，劉新斌，吳偉強(qiáng)，陸生兵，聞俊義，江海洋

（1.國網(wǎng)浙江長興縣供電有限公司，浙江 湖州313100；2.浙江省長興縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，浙江 湖州313100）

作為可再生能源與分布式發(fā)電的有效利用形式，微電網(wǎng)技術(shù)正在成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。微電網(wǎng)是由微電源、儲(chǔ)能裝置、電力電子器件、負(fù)荷和控制系統(tǒng)組成的整體，即可并網(wǎng)運(yùn)行又可孤島運(yùn)行[1-2]。

由微電源和儲(chǔ)能裝置等組成的小容量低壓微電網(wǎng)既滿足用戶對高質(zhì)量電能的需求，又能在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)獨(dú)立運(yùn)行為微電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐。同時(shí)，微電網(wǎng)系統(tǒng)的容量和慣性相對較小，易受到來自分布式電源和負(fù)荷波動(dòng)的影響，因此存在電能輸出間歇性和波動(dòng)性大、網(wǎng)絡(luò)潮流復(fù)雜、繼電保護(hù)和穩(wěn)定控制困難等問題。

微電網(wǎng)中恒壓恒頻控制策略主要是在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，維持微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，同時(shí)能夠有效地跟隨負(fù)荷功率的變化。

基于傳統(tǒng)V/f控制策略的微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，易受負(fù)荷波動(dòng)的影響而導(dǎo)致電壓和頻率的偏移，對微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響[3-5]。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)基于下垂特性的控制器，在孤島運(yùn)行模式下進(jìn)行控制，但由于電壓和頻率的偏移造成DG不能工作在額定運(yùn)行狀態(tài)，降低能源利用率。文獻(xiàn)[7-8]在頻率控制中加入積分控制器，實(shí)現(xiàn)逆變器的無差調(diào)頻，維持了微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定運(yùn)行，但是控制器參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜。文獻(xiàn)[9]考慮低壓微電網(wǎng)線路阻抗特性，對虛擬頻率和電壓進(jìn)行解耦控制，但是其控制算法復(fù)雜，且其頻率和電壓評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際不符。文獻(xiàn)[10]提出一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)控制器，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)運(yùn)行孤島頻率無靜差，電壓幅值偏移量小以及并網(wǎng)恒功率輸出等控制目標(biāo)，但控制參數(shù)整定較復(fù)雜，且受負(fù)荷擾動(dòng)影響較大。

本文考慮傳統(tǒng)V/f控制策略的局限性，對傳統(tǒng)V/f控制策略進(jìn)行改進(jìn)，將自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)V/f控制策略中，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)在孤島主從模式下的頻率和電壓幅值的無差調(diào)節(jié)，以及微電網(wǎng)中功率的平衡控制，維持了微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 微電網(wǎng)V/f控制器設(shè)計(jì)

1.1 典型V/f控制器設(shè)計(jì)

V/f控制策略的目的是控制微電源的輸出電壓幅值和頻率，為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓和頻率參考，同時(shí)也能很好響應(yīng)負(fù)荷功率的變化[14-17]。

V/f控制策略常采用電壓電流雙環(huán)控制方案。電壓外環(huán)保證輸出電壓的穩(wěn)定；電流內(nèi)環(huán)能夠及時(shí)跟蹤電流信號，加快逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，保證電能質(zhì)量的要求。由于電容電流對負(fù)荷擾動(dòng)具有較好的抑制作用，故采用電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制。

電壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)

由圖3，Un-ref為電壓給定信號；Un為輸出電壓信號；icn-ref為電流給定信號；icn為電容電流信號；icn-ref與icn比較經(jīng)電流P調(diào)節(jié)器后形成控制量U*；KPWM為SPWM逆變器傳遞函數(shù)。

1.2 基于自抗擾技術(shù)的V/f控制器設(shè)計(jì)

本文將自抗擾控制技術(shù)引入電壓電流雙環(huán)控制部分中?；谧钥箶_技術(shù)的微電網(wǎng)V/f控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 基于自抗擾技術(shù)的V/f控制器的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

Udc表示直流電壓源，經(jīng)空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）轉(zhuǎn)換成三相交流電；采用LC濾波器濾除高次諧波，Lf為濾波電感；Cf為濾波電容；Rf為濾波電阻；Zin為線路阻抗；Z為負(fù)載；Ui、Ii分別為逆變器輸出電壓和濾波電感上的電流；Uldi為濾波電容電壓；Ici為濾波電容電流；I1di為負(fù)載和網(wǎng)電流之和；U1ni為負(fù)載電壓；U1i、U2i分別為開關(guān)點(diǎn)兩側(cè)的電壓；下標(biāo)i為a、b、c三相。Udref、Uqref分別為計(jì)算得到的電壓參考信號；icdref、icqref分別為電流環(huán)的參考輸入信號。u*為可控正弦調(diào)制信號。

電流電壓雙環(huán)控制中電壓外環(huán)采用自抗擾控制技術(shù)；電流內(nèi)環(huán)采用電容電流瞬時(shí)值比例控制，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

通過自抗擾技術(shù)的控制，在較短的時(shí)間內(nèi)，逆變器輸出電流能很快穩(wěn)定。與傳統(tǒng)PI控制比較，自抗擾控制下的逆變器輸出電流能夠平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)目的。

當(dāng)系統(tǒng)存在來自外部或內(nèi)部擾動(dòng)時(shí)，可能會(huì)引起并網(wǎng)沖擊電流。自抗擾控制技術(shù)較強(qiáng)的抗干擾能力，可為系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障。同時(shí)加入電壓前饋環(huán)節(jié)，以抑制逆變器輸出電壓對微電網(wǎng)的影響。

1.3 中間微分反饋控制

考慮V/f控制策略維持微電網(wǎng)運(yùn)行電壓和頻率穩(wěn)定、無靜差的要求，引入中間微分反饋環(huán)節(jié)，用來抑制微電網(wǎng)運(yùn)行暫態(tài)過程較大的超調(diào)量。

采用PI的中間微分反饋控制[18]，相對于傳統(tǒng)PID控制，系統(tǒng)傳函少了一個(gè)零點(diǎn)。即采用PI的微分先行控制可以較好地抑制系統(tǒng)的超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。中間微分反饋控制結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 中間微分反饋控制

Gc(s)表示控制器；G(s)表示受控對象；TD S表示中間微分反饋時(shí)間常數(shù)。

在中間微分反饋控制中，微分環(huán)節(jié)的輸出信號包括被控制參數(shù)以及其變化速度值。將其作為控制量的一部分，使系統(tǒng)克服超調(diào)作用加強(qiáng)，從而補(bǔ)償過程滯后，改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。

對DG輸出電壓進(jìn)行中間微分反饋控制，可以有效地抑制輸出電壓幅值的超調(diào)量。其控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 含中間微分反饋的線性自抗擾雙環(huán)控制

2 微電網(wǎng)控制器參數(shù)整定

基于主從控制模式，首先確定典型V/f控制器控制參數(shù)計(jì)算方法；然后，加入中間微分反饋控制環(huán)節(jié)，確定中間微分參數(shù)，并在其基礎(chǔ)上對典型V/f控制器進(jìn)行改進(jìn)，引入自抗擾控制環(huán)節(jié)，最后恒功率控制策略采用經(jīng)典算法，確定控制參數(shù)。

2.1 V/f控制器參數(shù)整定

根據(jù)圖3，在典型雙環(huán)控制中引入中間微分反饋控制環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 含中間微分反饋的雙環(huán)控制

電流內(nèi)環(huán)比例控制的作用主要是為了提升內(nèi)環(huán)響應(yīng)的快速性。基于MATLAB/rltool仿真平臺(tái)，確定電流內(nèi)環(huán)比例參數(shù)，不同系數(shù)k下，電流比例增益?zhèn)骱聢D，如圖7所示。

圖7 電流比例增益?zhèn)骱聢D

伯德圖中頻段特性反映的是閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，中頻段的斜率與寬度反映的是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的平穩(wěn)度。不同系數(shù)k下，電流內(nèi)環(huán)階躍響應(yīng)如圖8所示。

圖8 電流內(nèi)環(huán)階躍響應(yīng)

當(dāng)k=0.034218時(shí)，電流內(nèi)環(huán)階躍響應(yīng)曲線最合理，符合電流內(nèi)環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及快速性的要求，故k=0.034218。

電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)伯德圖和單位響應(yīng)曲線，如圖9、10所示。

圖9 雙環(huán)控制系統(tǒng)伯德圖

圖10 雙環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)

2.2 恒功率控制器參數(shù)整定

恒功率控制策略中電流環(huán)PI控制器參數(shù)整定方法與V/f控制策略類似，直流電壓源、濾波器等參數(shù)與V/f控制策略一致。

3 算例仿真

基于MATLAB/simulink仿真平臺(tái)，對所提出的微電網(wǎng)控制策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證。微電網(wǎng)仿真模型如圖11所示。

圖11 微電網(wǎng)仿真模型

分布式電源DG1和DG2并聯(lián)組成微電網(wǎng)模型，并通過升壓變壓器與配電網(wǎng)相連。DG1采用V/f控制策略；DG2采用PQ控制策略。

微電網(wǎng)與大電網(wǎng)解列，處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，微電網(wǎng)中DG1采用基于自抗擾技術(shù)的V/f控制策略，DG1額定輸出功率為SDG1=(8+j5)kVA；DG2采用PQ控制策略，維持自身輸出功率的恒定,DG2額定輸出功率SDG2=(2+j1)kVA。初始狀態(tài)下S1oad1=SDG2=(8+j5)kVA；S1oad2=SDG2=(2+j1)kVA

3.1 微網(wǎng)有功和無功功率輸出

當(dāng)t=0.5 s,微網(wǎng)切除可中斷負(fù)荷Sint1=(0.5+j0.5)kVA；當(dāng)t=1s,微網(wǎng)切除可中斷負(fù)荷Sint2=(1.5+j1)kVA；當(dāng)t=1.5 s,投入可中斷負(fù)荷Sint2=(1.5+j1)kVA；當(dāng)t=2 s,投入可中斷負(fù)荷Sint1=(0.5+j0.5)kVA。孤島模式下DG1和DG2輸出有功和無功功率曲線，如圖12所示。

圖12 孤島模式下DG有功和無功功率輸出

由圖12可知，微網(wǎng)孤島主從控制仿真中，DG1為主微源，維持微網(wǎng)頻率和電壓幅值的穩(wěn)定輸出。DG2為從微源，采用PQ控制策略，維持自身輸出功率的恒定。

當(dāng)t∈[ ]0.5,1.5 s時(shí)，微電網(wǎng)系統(tǒng)切除可中斷負(fù)荷；當(dāng)t∈[ ]1.5,2.5 s時(shí)，微電網(wǎng)系統(tǒng)投入可中斷負(fù)荷，由于DG1為微網(wǎng)系統(tǒng)的主微源，所以主要承擔(dān)微電網(wǎng)輸出功率的調(diào)節(jié)，維持微網(wǎng)的功率平衡，滿足微網(wǎng)負(fù)荷的變化需求；DG2主要維持功率輸出的恒定，同時(shí)，DG2的有功功率輸出，在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)也略有變化，說明DG2在一定程度上參與了微電網(wǎng)有功功率的調(diào)節(jié)。

3.2 微網(wǎng)頻率響應(yīng)對比分析

在仿真模型的基礎(chǔ)上，分別采用基于自抗擾技術(shù)和傳統(tǒng)PI控制的微電網(wǎng)V/f控制策略。在負(fù)荷波動(dòng)的情況下，比較微電網(wǎng)頻率響應(yīng)結(jié)果，如圖13所示。

圖13 微網(wǎng)頻率響應(yīng)

由圖15可知，在V/f控制策略中加入自抗擾技術(shù)，相對于傳統(tǒng)PI控制，其優(yōu)勢體現(xiàn)在較好的抗干擾能力。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，自抗擾控制結(jié)構(gòu)中，微網(wǎng)頻率的穩(wěn)態(tài)值為50 Hz，無靜差；暫態(tài)過程較短，且頻率波動(dòng)均維持在(50±0.2)Hz范圍內(nèi)。

3.3 微網(wǎng)電壓幅值對比分析

在仿真模型的基礎(chǔ)上，分別采用基于自抗擾技術(shù)和傳統(tǒng)PI控制的微電網(wǎng)V/f控制策略。在負(fù)荷波動(dòng)的情況下，比較微電網(wǎng)電壓幅值響應(yīng)結(jié)果，如圖14所示。

圖14 微網(wǎng)電壓幅值受負(fù)荷波動(dòng)的影響

由圖14，當(dāng)t∈[ 0.5,1.5 ]s，可中斷負(fù)荷切除，PI控制結(jié)構(gòu)下的微電網(wǎng)電壓幅值上升；當(dāng)t∈[ 1.5,2.5 ]s，投入可中斷負(fù)荷，微電網(wǎng)電壓幅值下降。自抗擾控制結(jié)構(gòu)下的微電網(wǎng)電壓幅值基本不發(fā)生偏移，具有理想的動(dòng)態(tài)控制特性。

4 結(jié)束語

將線性化自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)的控制策略中，相對于傳統(tǒng)PI控制，參數(shù)整定過程簡單，控制效果理想，具有較強(qiáng)抑制不確定性干擾的能力。

該控制策略能夠使微電網(wǎng)在孤島模式下穩(wěn)定運(yùn)行，維持微電網(wǎng)頻率和電壓幅值的恒定以及微電網(wǎng)的功率平衡。

V/f控制策略中的自抗擾結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，有利于抑制微網(wǎng)運(yùn)行過程中負(fù)荷波動(dòng)等不確定性干擾，為微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。