陳懷忠，孟夢錦，徐日良

（浙江工業(yè)職業(yè)技術學院，浙江 紹興 312000）

0 引 言

光伏微電網(wǎng)以其清潔、低能耗的優(yōu)點受到國際社會的廣泛關注。然而，由于光伏微電網(wǎng)的間歇性和不確定性，在從并網(wǎng)到孤島模式的過渡過程中，對微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運行產(chǎn)生了很大的影響。由于光伏微電網(wǎng)發(fā)電對周邊環(huán)境的改變非常敏感，對光伏微電網(wǎng)控制的快速性和準確性提出了更高的要求。因此，有必要研究光伏微網(wǎng)從并網(wǎng)到孤島切換的功率等參數(shù)控制。在光伏微電網(wǎng)發(fā)電過程中，下垂控制技術常用于逆變器控制中。便于光伏微電網(wǎng)切換到孤島模式，并保持逆變器輸出電壓不變。光伏微電網(wǎng)下垂控制主要是實現(xiàn)系統(tǒng)中各參數(shù)的解耦控制，從而實現(xiàn)負載有功和無功功率的智能平均分配，使得光伏微電網(wǎng)輸出頻率和電壓保持穩(wěn)定。但由于受到線路阻抗等因素的影響，在傳統(tǒng)的下垂控制下，光伏微電網(wǎng)在負載變化時，不同光伏電源的功率平均分配效果有待提高。微電網(wǎng)對負荷有功、無功功率的智能均分調(diào)節(jié)能力不足，導致孤島和并網(wǎng)運行方式切換時，功率分配不能達到智能均分，從而影響電網(wǎng)頻率波動。針對上述不足，研究一種基于虛擬阻抗的下垂控制策略。通過引入虛擬阻抗下垂控制策略，可以進一步增強系統(tǒng)的有功和無功功率共享效應[1,2]。

1 光伏微電網(wǎng)下垂控制模型

圖1是光伏電池等效模型。由電流源Is、二極管D、電阻Rs以及電阻Rsh構(gòu)成。Is為電池短路電流。

圖1 光伏電池等效模型

光電池的I-U特性為

式中：I為工作電流；Io為反向飽和電流；Is為光生電流；U為輸出電壓；Rsh為跨接電阻；Rs為由電極導體電阻等效的串聯(lián)電阻；A為PN結(jié)理想因數(shù)；T為絕對溫度；K為玻爾茲曼；q為電荷常數(shù)。

理想狀況下，Rs近似為0，Rsh近似無窮大，式（1）可表述為

光電池輸出功率為

式中：P為光電池的輸出功率。說明光電池的輸出功率與日照度呈非線性關系，與電壓和電流呈比例關系。

選擇2組容量相等的光伏，作為光伏微電網(wǎng)發(fā)電電源。光伏微電網(wǎng)發(fā)電的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在圖2中，光伏微電網(wǎng)通過公共連接點（Point of Common Coupling，PCC）并入配電網(wǎng)。負載 1 和負載2分別作為局部荷載連接至微電源1和微電源2。光伏微電網(wǎng)逆變器一般采用有功和無功控制調(diào)節(jié)微電網(wǎng)相關參數(shù)。當光伏微電網(wǎng)孤島產(chǎn)生，光伏微電網(wǎng)與大電網(wǎng)脫離，光伏微電網(wǎng)的微電源所提供的功率由負荷決定。當光伏額定負載大于負載功率時，通常采用下垂控制策略，以減少光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)運行向孤島運行模式切換帶來的參數(shù)波動影響。

圖2 光伏微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

2 下垂控制原理

主要模擬發(fā)電機相角和功率的運行特征，下垂控制的主要目標是使光伏微電網(wǎng)獲得平穩(wěn)的頻率、電壓、功率等[3]。下垂控制的表達式為

式中：Uo為公共耦合點處電壓的有效值；Ui為第i個微電網(wǎng)電源的相電壓；θi為微功率輸出電壓與公共耦合點電壓之間的相位角差；Xi為第i個微電網(wǎng)到負載的傳輸線電抗；Pi和Qi分別是第i個微電網(wǎng)電源有功和無功輸出。式（4）、式（5）表明，相位角差θi決定了微功率有功功率Pi的傳輸，Pi與θi成正比，Pi從領先點傳輸?shù)綔簏c。微電網(wǎng)輸出電壓與公共耦合點電壓的幅值差決定了分布式微電網(wǎng)無功功率Qi的傳輸，Qi從高壓點傳輸?shù)降蛪狐c。通過控制微電網(wǎng)輸出的無功功率，達到控制其輸出電壓幅值的目的[4]。Un控制有功功率P的輸出，fn控制無功功率Q的輸出，可以表示為

式中：Un和fn分別為逆變器電壓輸出和頻率輸出值；Uref和fref分別為逆變器電壓輸出參考值和頻率輸出參考值；Qref和Pref分別為下垂曲線無功和有功基點值；Q和P分別為逆變器無功實際輸出值和有功實際輸出值；m和n為下垂控制系數(shù)。下垂控制曲線如圖3所示。

從圖3（a）Q-U下垂控制可以看出，光伏微電網(wǎng)電源的無功輸出與逆變器輸出電壓密切相關，改變逆變器電壓輸出值，可以調(diào)節(jié)光伏微電網(wǎng)電源無功功率。增加逆變器電壓輸出，系統(tǒng)無功功率降低；降低變頻器電壓輸出，系統(tǒng)無功功率升高。

從圖3（b）P-f下垂控制可以看出，光伏微電網(wǎng)電源的有功輸出與逆變器輸出頻率密切相關，改變逆變器頻率輸出值，可以調(diào)節(jié)光伏微電網(wǎng)電源有功功率。增加逆變器頻率輸出，系統(tǒng)有功功率降低；降低逆變器頻率輸出，系統(tǒng)有功功率升高[5]。

圖3 下垂控制曲線

3 改進的下垂控制策略

光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)中，在常規(guī)下垂控制策略下，微電源線路阻抗等因素影響微電源功率分配效果，負荷有功、無功智能均分調(diào)節(jié)能力不足。

在微電源輸出線路中引入虛擬阻抗，使得光伏微電網(wǎng)線路總阻抗發(fā)生變化。引入虛擬阻抗之后，微電源電路阻抗呈感性，改變了逆變器電壓輸出值，可以調(diào)節(jié)光伏微電網(wǎng)電源無功功率。

引入虛擬阻抗后，使光伏微電源負載與微電網(wǎng)之間輸出呈感性阻抗，其特點如下。

（1）不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（2）在光伏微電網(wǎng)電源的輸出端沒有接入1個“真正的”電感。由此引入“虛擬阻抗”的概念，這個阻抗在實際微電網(wǎng)電源中不存在，只是在光伏微電網(wǎng)電源負載與逆變器輸出端模擬引入1個虛擬阻抗，新的阻抗可以在電路中等效得到[6,7]。

引入虛阻抗后，整個光伏微電網(wǎng)的電源電路阻抗值自動優(yōu)化。經(jīng)過阻抗優(yōu)化改進后，光伏微電網(wǎng)電源阻抗為感性特征，系統(tǒng)中的功率可以合理分配和優(yōu)化[8,9]。

4 效果分析

下垂控制引入虛擬阻抗后，光伏微電網(wǎng)運行模型包括G1微電網(wǎng)和G2微電網(wǎng)。分別采用傳統(tǒng)下垂控制和基于引入虛擬阻抗改進控制策略進行模擬[10]。

光伏微電網(wǎng)的運行過程如下。首先，設置2臺逆變器在負載I下穩(wěn)定運行，無功功率為40 kVA，負載II過一段時間投入運行。系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，無功功率為100 kVA。負荷II在運行一段時間后切除，系統(tǒng)無功功率重新降至40 kVA。

基于傳統(tǒng)的下垂控制，G1與G2之間的無功差值最大可達10 kVA。在傳統(tǒng)的控制策略下，當負荷變化增大或減小時，系統(tǒng)的輸出無功功率不能均勻分布，G1和G2的無功輸出值相差較大。

引入虛擬阻抗后，G1與G2之間無功差值最大小于1 kVA，無功功率的平均分配效果較好，系統(tǒng)可以實現(xiàn)功率的平均分配。

5 結(jié) 論

在孤島與并網(wǎng)模式切換過程中，光伏微電網(wǎng)采用傳統(tǒng)的下垂控制，會出現(xiàn)負荷有功、無功功率的智能調(diào)節(jié)和分配能力不足。這一不足將導致系統(tǒng)功率分配不優(yōu)化。分析基于虛擬阻抗改進下垂控制方法的基本原理，設計了一種基于虛擬阻抗的改進下垂控制策略。該控制策略可以重構(gòu)線路阻抗，實現(xiàn)自動功率均分控制。通過引入虛擬諧波阻抗控制，可以有效提高微電網(wǎng)的功率共享效果，改善電能質(zhì)量。