劉陳瑞揚(yáng)， 付立軍， 胡祺， 馬凡， 王光宇

(海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

0 引 言

隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、微網(wǎng)技術(shù)等的不斷發(fā)展，風(fēng)光柴儲(chǔ)多能源發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)或孤立海島地區(qū)應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。除了傳統(tǒng)大電網(wǎng)中的同步電機(jī)型電源，逆變型分布式電源也是多能源微網(wǎng)的重要組成部分[3]。其中傳統(tǒng)的柴發(fā)機(jī)組具備獨(dú)立供電、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[4]，可保證系統(tǒng)的供電可靠性和運(yùn)行穩(wěn)定性[5]。而風(fēng)電、光伏等可再生能源通過逆變器接入微網(wǎng)與柴發(fā)機(jī)組并聯(lián)，能夠利用地區(qū)資源實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)、節(jié)能減排與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高能源利用率[6]。但由于異構(gòu)電源間固有的控制和物理結(jié)構(gòu)以及饋線阻抗等差異，使得異構(gòu)電源動(dòng)態(tài)特性差異大[7-8]，并聯(lián)供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨挑戰(zhàn)。

分布式電源的接口逆變器按控制方式，可主要分為下垂電壓型和鎖相環(huán)電流型[9]，下垂電壓型又包括傳統(tǒng)下垂控制和虛擬同步發(fā)電機(jī)控制兩種。當(dāng)柴發(fā)機(jī)組與兩類不同的逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，若負(fù)載突變，各自暫態(tài)響應(yīng)也有所不同。傳統(tǒng)下垂控制型電壓源逆變器由于缺乏慣性和阻尼，在負(fù)載突變時(shí)響應(yīng)速度快，承擔(dān)起主要階躍負(fù)荷[10]，可能引發(fā)嚴(yán)重的暫態(tài)功率振蕩[11]。為了防止逆變器過載引發(fā)的系統(tǒng)失穩(wěn)，文獻(xiàn)[12-13]通過添加虛擬阻抗的方法對逆變器進(jìn)行限流，緩解了暫態(tài)有功超調(diào)量和同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差，提高了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。也可在逆變器中引入慣性和阻尼，即虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)[14-15]，使逆變器與柴發(fā)機(jī)組有相似的機(jī)械特性，改善微網(wǎng)穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[16-17]計(jì)及調(diào)速和勵(lì)磁系統(tǒng)影響，提出了逆變器模擬柴發(fā)機(jī)組動(dòng)態(tài)特性的控制方法，實(shí)現(xiàn)了良好的暫態(tài)功率均分效果，但是控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、均分效果對模型參數(shù)選取敏感，針對多臺發(fā)電機(jī)和逆變器組成的微網(wǎng)系統(tǒng)，工程適用性有待進(jìn)一步研究。

而實(shí)際上，光伏、風(fēng)機(jī)等可再生能源常采用鎖相環(huán)電流型逆變器[18-19](current source inverter,CSI)并網(wǎng)運(yùn)行，該控制技術(shù)較為成熟。在柴發(fā)機(jī)組與逆變器并聯(lián)供電的獨(dú)立微電網(wǎng)中，逆變器也同通常采用基于鎖相同步的電流源控制方式，運(yùn)行過程中，柴發(fā)機(jī)組負(fù)責(zé)維持系統(tǒng)電壓和頻率恒定，CSI根據(jù)上層電站監(jiān)控或能量管理指令以功率源模式運(yùn)行[20]，在負(fù)載突變時(shí)逆變器難以對功率快速響應(yīng)，不平衡功率主要由柴發(fā)機(jī)組響應(yīng)[16]，給系統(tǒng)頻率和電壓穩(wěn)定帶來風(fēng)險(xiǎn)。針對該問題，文獻(xiàn)[21]通過檢測系統(tǒng)頻率的變化，高頻時(shí)限制逆變器輸出功率，低頻且發(fā)電機(jī)過載時(shí)切除負(fù)載，從而穩(wěn)定系統(tǒng)頻率，但此策略屬于緊急控制，同時(shí)會(huì)影響部分負(fù)載的正常運(yùn)行。文獻(xiàn)[22]對逆變器電流指令的線性調(diào)節(jié)來調(diào)整其輸出功率，進(jìn)而分配和發(fā)電機(jī)各自所承擔(dān)的負(fù)載功率，但缺乏對負(fù)載擾動(dòng)情況下的研究討論，因此線性調(diào)節(jié)電流指令具有局限性。文獻(xiàn)[23]考慮了負(fù)載擾動(dòng)情況，通過濾波器提取負(fù)載電流暫態(tài)變化量，進(jìn)而調(diào)整逆變器的電流指令值，但該方案仍依賴于上層能量管理給出的指令。文獻(xiàn)[24]則改進(jìn)電流指令值的控制方式，使其能夠響應(yīng)負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的頻率變化，進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)有功電流指令值，但該方案僅實(shí)現(xiàn)了有功功率的暫穩(wěn)態(tài)均分，缺少對無功功率和線路阻抗影響等的討論。

綜上所述，采用基于鎖相同步的電流源控制方式是逆變電源較常采用的控制方案。電流源型逆變電源與柴發(fā)機(jī)組并聯(lián)組網(wǎng)系統(tǒng)中，目前多從上層監(jiān)控和能量管理去調(diào)整逆變器與發(fā)電機(jī)的功率分配，該調(diào)節(jié)相對較慢，負(fù)荷突變擾動(dòng)下使得系統(tǒng)暫態(tài)功率主要由柴發(fā)機(jī)組承擔(dān)，給系統(tǒng)頻率和電壓穩(wěn)定帶來挑戰(zhàn)，有必要對逆變器的控制方法進(jìn)行改進(jìn)，提升異構(gòu)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)功率均分性能。本文以柴發(fā)機(jī)組和電流源模式逆變器并聯(lián)運(yùn)行為研究對象，基于對傳統(tǒng)并聯(lián)同步機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的認(rèn)識，改進(jìn)逆變器電流指令控制，使電流源逆變器輸出功率根據(jù)系統(tǒng)電壓頻率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，改善了負(fù)載突變擾動(dòng)下異構(gòu)電源間暫穩(wěn)態(tài)功率均分效果，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

本文首先給出同步發(fā)電機(jī)和逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析大功率負(fù)載突變時(shí)存在的問題。在此基礎(chǔ)上借鑒傳統(tǒng)同步機(jī)間功率均分過程，對逆變器恒電流控制進(jìn)行改進(jìn)，引入有功頻率下垂和無功電壓下垂外環(huán)控制，并對暫穩(wěn)態(tài)功率均分性能進(jìn)行分析。最后通過仿真對比驗(yàn)證本文所提出控制方法的有效性。

1 并聯(lián)供電結(jié)構(gòu)與運(yùn)行性能

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

柴發(fā)機(jī)組和逆變器典型并聯(lián)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，同步發(fā)電機(jī)輸出和逆變器經(jīng)LC濾波后輸出通過線路阻抗向母線上負(fù)載供電。該系統(tǒng)常用的控制策略為柴發(fā)機(jī)組維持母線電壓頻率的恒定，逆變器以電流源模式運(yùn)行注入功率。

圖1 柴發(fā)機(jī)組與逆變器并聯(lián)供電系統(tǒng)

同步發(fā)電機(jī)具體控制框圖如圖2所示，其中調(diào)速系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、油門執(zhí)行器和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組成，其中：Psg為發(fā)電機(jī)有功功率；kp_sg為發(fā)電機(jī)有功下垂系數(shù)；Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；wref和wsg分別為參考轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器通過轉(zhuǎn)差信號調(diào)節(jié)油門開度指令，油門執(zhí)行器在給定油量信號下驅(qū)動(dòng)控制油門動(dòng)作，而實(shí)際油門開度有一定范圍，且執(zhí)行器動(dòng)作發(fā)生到油門開度變化需要經(jīng)過一段時(shí)延，因此引入限幅和時(shí)延環(huán)節(jié)模擬實(shí)際動(dòng)態(tài)過程。

圖2 同步發(fā)電機(jī)控制框圖

柴發(fā)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)則采用PI控制，其中：Usg為發(fā)電機(jī)輸出端電壓；Uref為參考電壓；Qsg為發(fā)電機(jī)無功功率；kq_sg為發(fā)電機(jī)無功下垂系數(shù)。勵(lì)磁系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)端電壓與指令電壓的偏差得到相應(yīng)的勵(lì)磁電壓Vf。

逆變器為三相兩電平逆變結(jié)構(gòu)，輸出經(jīng)LC濾波和線路阻抗后，向母線上負(fù)載供電。逆變器控制框圖如圖3所示，其中：Uinv為逆變器輸出電壓；Lf為濾波電感；I為電感電流；θpll為輸出電壓相角；Idref和Iqref為電流指令值的dq軸分量；Ed和Eq為電流環(huán)輸出的電壓參考信號dq軸分量?？刂平Y(jié)構(gòu)中主要包含鎖相控制和電流內(nèi)環(huán)控制。當(dāng)逆變器與柴發(fā)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，與柴發(fā)機(jī)組的同步通過逆變器的鎖相控制實(shí)現(xiàn)，逆變器采用電流源控制模式，根據(jù)上層電站監(jiān)控或能量管理的指令輸出特定電流。

圖3 逆變器控制框圖

1.2 大功率負(fù)載突變下系統(tǒng)運(yùn)行性能

基于圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，逆變器根據(jù)上層電站監(jiān)控或能量管理的指令輸出特定電流，由于上層電站監(jiān)控或能量管理的調(diào)節(jié)相對較慢，大功率負(fù)載突變擾動(dòng)下，以電流源模式運(yùn)行的逆變器不具備功率快速響應(yīng)能力，使得柴發(fā)機(jī)組與逆變器并聯(lián)供電系統(tǒng)難以快速實(shí)現(xiàn)異構(gòu)電源間暫穩(wěn)態(tài)功率均分，大功率負(fù)載突變帶來的系統(tǒng)功率缺額或過剩主要由柴發(fā)機(jī)組的調(diào)速控制和勵(lì)磁控制響應(yīng)，會(huì)對獨(dú)立電力系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，即有：

(1)

因能量守恒定律，式(1)在任何時(shí)刻均成立，逆變器由于采用恒電流控制，其輸出有功和無功功率保持不變，即ΔPinv=0,ΔQinv=0。當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，其變化的功率全部由柴發(fā)機(jī)組承擔(dān)，即

(2)

為驗(yàn)證上述分析的有效性，在PSCAD中建立柴發(fā)機(jī)組與逆變器并聯(lián)的仿真模型，仿真驗(yàn)證大功率負(fù)載突變擾動(dòng)下系統(tǒng)運(yùn)行性能。首先仿真驗(yàn)證大功率負(fù)載突增下的運(yùn)行性能，初始時(shí)柴發(fā)機(jī)組和逆變器并聯(lián)帶阻感負(fù)載1，30 s時(shí)投入阻感負(fù)載2，系統(tǒng)大功率負(fù)載突增，結(jié)果如圖4所示；其次仿真驗(yàn)證大功率負(fù)載突卸時(shí)運(yùn)行性能，初始時(shí)并聯(lián)帶阻感負(fù)載1，30 s時(shí)卸除負(fù)載1，系統(tǒng)大功率負(fù)載突卸，結(jié)果如圖5所示。

圖4 負(fù)載突增系統(tǒng)運(yùn)行性能

圖5 負(fù)載突卸系統(tǒng)運(yùn)行性能

由圖4可知，暫態(tài)時(shí)突增的功率全部由發(fā)電機(jī)組承擔(dān)，導(dǎo)致柴發(fā)機(jī)組存在過載風(fēng)險(xiǎn)，逆變器由于采用恒電流控制保持功率不變，不對系統(tǒng)有功和無功過剩響應(yīng)，暫態(tài)時(shí)系統(tǒng)頻率和母線電壓幅值下降，達(dá)到系統(tǒng)頻率和電壓下限風(fēng)險(xiǎn)；由圖5可知，逆變器未對系統(tǒng)功率缺額響應(yīng)，有功和無功出力難以及時(shí)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組存在逆功率情況，并且系統(tǒng)頻率失穩(wěn)以及系統(tǒng)過壓，從而引發(fā)系統(tǒng)解列風(fēng)險(xiǎn)。因此需要對傳統(tǒng)的恒電流控制方法進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)際中系統(tǒng)頻率不會(huì)達(dá)到60 Hz，發(fā)電機(jī)具有超速保護(hù)裝置，當(dāng)頻率過高時(shí)超速保護(hù)裝置會(huì)使柴油機(jī)立即停車或降速。

2 暫穩(wěn)態(tài)功率均分改進(jìn)思路

在交流電力系統(tǒng)中，有功功率的擾動(dòng)會(huì)引起系統(tǒng)頻率的動(dòng)態(tài)，無功功率的擾動(dòng)會(huì)引起系統(tǒng)電壓的動(dòng)態(tài)。因此傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)間并聯(lián)組網(wǎng)系統(tǒng)中，通過有功頻率下垂和無功電壓下垂來實(shí)現(xiàn)多機(jī)間暫穩(wěn)態(tài)功率均分，其具體控制方案如圖6所示。當(dāng)多機(jī)間有功出力不均時(shí)，有功出力大的機(jī)組基于有功頻率下垂控制通過調(diào)速器減小柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm，有功出力小的機(jī)組基于有功頻率下垂控制通過調(diào)速器增大柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩；當(dāng)多機(jī)間無功出力不均時(shí)，無功出力大的機(jī)組基于無功電壓下垂控制通過勵(lì)磁控制降低發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓Vf，無功出力小的機(jī)組則增大發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓。從而實(shí)現(xiàn)多機(jī)間有功和無功暫穩(wěn)態(tài)功率均分。

圖6 同步機(jī)并聯(lián)功率均分控制

針對獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)中多逆變器并聯(lián)組網(wǎng)，同樣借鑒了有功頻率下垂和無功電壓下垂來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多逆變器間暫穩(wěn)態(tài)功率均分，具體控制方案如圖7所示。當(dāng)多逆變器間有功出力不均時(shí)，有功出力大的逆變器基于有功頻率下垂控制通過積分器減小功角θ，有功出力小的逆變器則增大功角；當(dāng)多逆變器間無功出力不均時(shí)，無功出力大的逆變器基于無功電壓下垂控制通過電壓控制減小電壓內(nèi)環(huán)直軸電壓指令Ed，無功出力小的機(jī)組則增大電壓內(nèi)環(huán)直軸電壓指令。從而實(shí)現(xiàn)多逆變器間有功和無功暫穩(wěn)態(tài)功率均分。

圖7 逆變器并聯(lián)功率均分控制

因此，通過將有功頻率下垂和無功電壓下垂外環(huán)控制引入電流源逆變器，逆變器可對系統(tǒng)有功和無功缺額或過剩做出響應(yīng)。以負(fù)載突增為例，當(dāng)逆變器檢測到系統(tǒng)因大功率有功負(fù)載突增而帶來的頻率降低時(shí)，有功調(diào)頻控制增大逆變器有功出力，使得逆變器和柴發(fā)機(jī)組共同承擔(dān)系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)有功功率缺額，改善系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)中無功負(fù)載大功率突增時(shí)，柴發(fā)機(jī)組端電壓上升，無功出力增大，此時(shí)無功電壓下垂控制通過勵(lì)磁控制器增大發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓，逆變器的調(diào)壓控制同樣會(huì)增大其無功出力，使得逆變器和柴發(fā)機(jī)組共同承擔(dān)系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)無功功率缺額，改善系統(tǒng)電壓動(dòng)態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)柴發(fā)機(jī)組與逆變器暫穩(wěn)態(tài)功率均分。

針對基于鎖相同步的電流源逆變器，輸出電壓定向在鎖相環(huán)dq坐標(biāo)系的直軸，交軸電壓設(shè)為0，由圖8可知直軸電流指令與有功功率相關(guān)，交軸電流指令與無功功率相關(guān)。設(shè)計(jì)如圖9所示的有功調(diào)頻無功調(diào)壓控制方案，通過鎖相環(huán)檢測電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)，由電網(wǎng)頻率指令值、實(shí)際值和有功下垂環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)的頻率偏差驅(qū)動(dòng)有功電流控制環(huán)節(jié)以調(diào)整d軸參考電流；通過檢測電壓幅值動(dòng)態(tài)，電壓幅值指令值、實(shí)際值和無功下垂環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)的電壓偏差驅(qū)動(dòng)無功電流控制環(huán)節(jié)以調(diào)整q軸參考電流。通過設(shè)計(jì)合適的下垂系數(shù)和有功無功電流控制環(huán)節(jié)的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)柴發(fā)機(jī)組和逆變器之間暫穩(wěn)態(tài)功率均分。

圖8 逆變器電壓電流矢量圖

圖9 逆變器有功調(diào)頻無功調(diào)壓控制方法

3 均分性能分析及改進(jìn)控制

3.1 穩(wěn)態(tài)有功均分性能分析

穩(wěn)態(tài)時(shí)柴發(fā)機(jī)組和逆變器的有功調(diào)頻下垂控制存在以下關(guān)系式：

(3)

式中：ωinv為逆變器頻率；ωref_sg和ωref_inv為相應(yīng)的頻率指令值；kp_inv為逆變器有功頻率下垂系數(shù)；Pinv為逆變器的有功功率。交流系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，柴發(fā)機(jī)組與逆變器的頻率一致，均為系統(tǒng)頻率。若要求穩(wěn)態(tài)時(shí)兩電源按額定容量比輸出有功功率，則只需設(shè)置相同的參考頻率和相應(yīng)的有功下垂系數(shù)，即滿足下式：

(4)

式中：Ssg和Sinv分別為發(fā)電機(jī)和逆變器額定容量。由式(4)可知，穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率分配與線路阻抗無關(guān)，與有功頻率下垂系數(shù)有關(guān)。

3.2 穩(wěn)態(tài)無功均分性能分析

穩(wěn)態(tài)時(shí)柴發(fā)機(jī)組和逆變器的無功調(diào)壓下垂控制存在以下關(guān)系式：

(5)

式中：Uref_sg和Uref_inv為發(fā)電機(jī)和逆變器的電壓幅值指令值；kq_inv為逆變器無功電壓下垂系數(shù)；Qinv為逆變器的無功功率。同樣地，通過設(shè)置相同的電壓幅值參考值和相應(yīng)的無功下垂系數(shù)，若柴發(fā)機(jī)組和逆變器對應(yīng)的傳輸線路長度參數(shù)也一致，穩(wěn)態(tài)時(shí)兩個(gè)電源的端電壓幅值也相同，即Usg=Uinv，則穩(wěn)態(tài)時(shí)無功功率可按容量均分。但是端電壓的幅值受線路阻抗的影響，實(shí)際中線路阻抗參數(shù)通常不一致，端電壓幅值存在偏差，從而影響無功功率均分精確度。

圖10為兩機(jī)并聯(lián)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖，逆變器和發(fā)電機(jī)輸出端電壓幅值分別為Uinv和Usg，與公共耦合點(diǎn)(point of common coupling,PCC)端電壓相角差分別為δ1和δ2。連接輸出端和PCC的等效阻抗分別為Rinv+jXinv和Rsg+jXsg，負(fù)載阻抗為RL+jXL。實(shí)際中負(fù)載阻抗遠(yuǎn)大于等效阻抗，相角差幾乎為0。以逆變器為例，其等效阻抗上產(chǎn)生的壓降有如下近似：

圖10 兩機(jī)并聯(lián)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

(6)

式中:Uref為參考電壓幅值；Upcc為PCC點(diǎn)端電壓幅值；ΔU1為逆變器等效阻抗上壓降幅值。當(dāng)線路呈感性，即忽略阻性成分時(shí)，結(jié)合式(5)和式(6)得

(7)

整理式(7)可得穩(wěn)態(tài)時(shí)兩電源按額定容量比輸出無功功率的條件是

(8)

因此，當(dāng)傳輸線路等效阻抗不一致時(shí)，需要滿足式(8)，兩電源的輸出電壓才能保持一致，柴發(fā)機(jī)組和逆變器才能按容量均分無功功率。而實(shí)際并聯(lián)運(yùn)行的等效阻抗通常不能滿足上式，線路參數(shù)也不易獲取，故難以實(shí)現(xiàn)無功精確分配。且隨著線路阻抗差異的變大，無功均分效果越差，如圖11所示。

圖11 無功之比變化趨勢

有功功率之所以能夠?qū)崿F(xiàn)均分且不受線路影響是因?yàn)榇嬖谙到y(tǒng)頻率這一公共變量，針對并聯(lián)運(yùn)行無功均分問題，可通過控制同一公共變量實(shí)現(xiàn)無功功率均分。即由原先采集各電源輸出端電壓改為采集并網(wǎng)點(diǎn)電壓，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，無功調(diào)壓下垂控制存在以下關(guān)系式：

(9)

整理式(9)有

(10)

只需設(shè)置相同電壓幅值參考值和和相應(yīng)的無功下垂系數(shù)，則可使穩(wěn)態(tài)時(shí)兩電源無功功率按容量均分。采用該方案時(shí)無功功率均分不受線路阻抗差異影響，并且控制簡單，只需將端電壓反饋修改為并網(wǎng)點(diǎn)電壓即可。

3.3 暫態(tài)有功均分性能分析

為了實(shí)現(xiàn)柴發(fā)機(jī)組和逆變器的暫態(tài)功率均分，二者需要有相似的暫態(tài)響應(yīng)特性，鑒于電磁時(shí)間尺度暫態(tài)響應(yīng)較快，該時(shí)間尺度內(nèi)的暫態(tài)功率是否均分對系統(tǒng)影響不大，因此本文重點(diǎn)對機(jī)電時(shí)間尺度的暫態(tài)響應(yīng)特性及功率均分性能進(jìn)行分析。

圖12 暫態(tài)過程等效電路

負(fù)載Z2投入時(shí)，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)是電壓源，若電流指令不調(diào)，則突增的負(fù)荷全部由發(fā)電機(jī)來承擔(dān)，因此發(fā)電機(jī)輸出有功和無功功率會(huì)瞬間增大，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率下降，機(jī)端電壓下降。有功功率的變化會(huì)引起系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程，該過程可分為慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻兩個(gè)階段如圖13所示。首先是慣性響應(yīng)階段，負(fù)載突增使得電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生突增，機(jī)械轉(zhuǎn)矩短時(shí)間內(nèi)保持不變，電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械轉(zhuǎn)矩間的不匹配導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子減速，此時(shí)轉(zhuǎn)速變化率大，但變化量?。唤酉聛硎且淮握{(diào)頻階段，調(diào)速系統(tǒng)開始響應(yīng)轉(zhuǎn)速的變化，負(fù)載突增引起的轉(zhuǎn)速下降輸入至調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)而提高輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩，使機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩再次達(dá)到平衡。一次調(diào)頻為有差調(diào)節(jié)，其穩(wěn)定時(shí)的轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)有功出力相關(guān)。

圖13 柴發(fā)機(jī)組有功擾動(dòng)下頻率暫態(tài)響應(yīng)過程

為了使柴發(fā)機(jī)組和逆變器實(shí)現(xiàn)暫穩(wěn)態(tài)功率均分，即當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，逆變器也應(yīng)具有和發(fā)電機(jī)類似的對系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)的過程。柴發(fā)機(jī)組轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)會(huì)反映在系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)上，而逆變器可通過自身的鎖相環(huán)獲得系統(tǒng)頻率。由于逆變器本身并沒有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的特性，因此可將逆變器模擬出該慣性響應(yīng)過程，即應(yīng)具備檢測出頻率的變化率的能力。

假設(shè)突變的有功功率為ΔPload，發(fā)電機(jī)和逆變器突變的有功功率分別為ΔPsg和ΔPinv，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jsg，Δωsg為轉(zhuǎn)速差，則有功負(fù)荷突變時(shí)，慣性響應(yīng)階段有

(11)

若逆變器具有微分控制環(huán)節(jié)，有

(12)

其中Dinv為逆變器虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。聯(lián)立上兩式，可得系統(tǒng)頻率變化率

(13)

由式(13)可知，引入逆變器的微分控制環(huán)節(jié)有利于改善系統(tǒng)的頻率變化率，即通過提高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低頻率變化率，而慣性響應(yīng)階段頻率變化率大，當(dāng)在逆變器有功控制環(huán)節(jié)中引入微分項(xiàng)skd1，即使逆變器和發(fā)電機(jī)共同參與慣性響應(yīng)階段，可對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。這實(shí)際上增加了系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，從而降低了頻率的變化率，并且降低了穩(wěn)態(tài)時(shí)頻率偏差。

在逆變器有功調(diào)頻控制環(huán)節(jié)中，微分環(huán)節(jié)的作用是快速檢測出系統(tǒng)頻率的變化以調(diào)節(jié)有功電流指令，使逆變器具備慣性響應(yīng)能力；而PI環(huán)節(jié)和延時(shí)環(huán)節(jié)則是近似模擬柴發(fā)機(jī)組一次調(diào)頻階段的調(diào)速器動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。因此，設(shè)計(jì)如下圖所示的逆變器有功調(diào)頻控制方案。

圖14 逆變器有功調(diào)頻控制

逆變器有功電流指令的具體表達(dá)式為下式。

(14)

式中：idref為逆變器d軸電流指令，kp為有功調(diào)頻下垂系數(shù)，ω為鎖相環(huán)檢測出的電網(wǎng)頻率，kp1、ki1和kd1分別為有功調(diào)頻PID控制器比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，T1為有功電流指令控制延時(shí)環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。

圖15 文獻(xiàn)[24]中逆變器有功調(diào)頻控制

3.4 暫態(tài)無功均分性能分析

對于發(fā)電機(jī)的無功動(dòng)態(tài)響應(yīng)，假定在負(fù)載突增時(shí)逆變器的電流指令值尚未變化，當(dāng)無功負(fù)荷增加時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓會(huì)立刻降低，引起發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)行勵(lì)磁裝置動(dòng)作，使勵(lì)磁電壓增大以增加暫態(tài)電勢E′，使得機(jī)端電壓幅值趨向于穩(wěn)定在無功電壓下垂曲線所決定的穩(wěn)態(tài)關(guān)系上。雖然系統(tǒng)擾動(dòng)瞬間暫態(tài)電勢E′不發(fā)生突變，但是暫態(tài)過程中E′并非保持常數(shù)。這里為簡化分析忽略發(fā)電機(jī)飽和效應(yīng)和阻尼繞組影響，對于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組有如下電壓平衡關(guān)系式：

(15)

其中：rf和if為勵(lì)磁電阻和勵(lì)磁電流；ψf為勵(lì)磁磁鏈。

等式(15)兩邊乘上xad/rf即可得到

(16)

在任何時(shí)刻均有

(17)

其中xd和id分別為直軸電抗和直軸電流，因此式(16)可改寫為

(18)

式(18)即為發(fā)電機(jī)暫態(tài)電動(dòng)勢變化方程，該式表明暫態(tài)電動(dòng)勢受控于勵(lì)磁電壓，而暫態(tài)無功與暫態(tài)電動(dòng)勢正相關(guān)，即暫態(tài)無功與勵(lì)磁電壓正相關(guān)，并且暫態(tài)過程從勵(lì)磁電壓至?xí)簯B(tài)電動(dòng)勢需通過一階慣性環(huán)節(jié)。無功負(fù)荷突變下柴發(fā)機(jī)組無功暫態(tài)響應(yīng)過程如圖16所示。

圖16 柴發(fā)機(jī)組無功擾動(dòng)下電壓暫態(tài)響應(yīng)過程

為了使逆變器獲得與同步發(fā)電機(jī)類似的無功電壓暫態(tài)特性，即需要模擬出暫態(tài)電動(dòng)勢的變化過程，該過程包含一階慣性環(huán)節(jié)，因此設(shè)計(jì)如圖17所示的逆變器無功調(diào)壓控制方案，采用PI控制器和延時(shí)環(huán)節(jié)等效發(fā)電機(jī)無功調(diào)壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。其中為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無功均分，圖7中逆變器輸出電壓Uinv已改為下圖中的并網(wǎng)點(diǎn)電壓Upcc。

圖17 逆變器無功調(diào)壓控制

逆變器無功電流指令的具體表達(dá)式為

(19)

式中：iqref為逆變器q軸電流指令;kq為無功調(diào)頻壓下垂系數(shù);kp2和ki2分別為無功調(diào)壓PI控制器比例系數(shù)和積分系數(shù);T2為無功電流指令控制延時(shí)環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。

3.5 暫穩(wěn)態(tài)功率均分改進(jìn)控制

綜上，設(shè)計(jì)如圖18所示的柴發(fā)機(jī)組與逆變器并聯(lián)運(yùn)行暫穩(wěn)態(tài)功率均分控制方法。與原有控制方案相比，逆變器新引入的有功調(diào)頻下垂控制和無功調(diào)壓下垂控制可分別對dq軸電流指令進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過新引入的電流指令外環(huán)控制，逆變器獲得和柴發(fā)機(jī)組相似的有功調(diào)頻與無功調(diào)壓能力，大功率負(fù)載擾動(dòng)下，逆變器和柴發(fā)機(jī)組共同對系統(tǒng)電壓頻率動(dòng)態(tài)做出響應(yīng)，調(diào)整各自有功無功出力，通過控制器參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)逆變器和柴發(fā)機(jī)組具備相似的有功調(diào)頻無功調(diào)壓暫態(tài)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程，從而實(shí)現(xiàn)了逆變器和柴發(fā)機(jī)組暫穩(wěn)態(tài)功率均分。

4 算例驗(yàn)證

基于上述分析，為了驗(yàn)證所提控制方法的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建了如圖18所示的仿真模型，其中線路阻抗2為線路阻抗1的2倍，阻感負(fù)載2的阻感值和負(fù)載1相同，忽略線路電阻。并聯(lián)系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

表1 并聯(lián)系統(tǒng)主要參數(shù)

圖18 柴發(fā)機(jī)組與逆變器并聯(lián)暫穩(wěn)態(tài)功率均分控制

因系統(tǒng)各點(diǎn)頻率均相同，有功均分性能不受線路阻抗影響，僅分析采用不同反饋電壓時(shí)無功均分效果。逆變器采用改進(jìn)控制方法，30 s前系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，BK1為合閘狀態(tài)，30 s時(shí)BK2合閘，45 s時(shí)BK2分閘。

當(dāng)采集各電源輸出端電壓至無功電流環(huán)時(shí)，即對應(yīng)式(5)。仿真中設(shè)置逆變器線路阻抗與發(fā)電機(jī)線路阻抗不同，因此穩(wěn)態(tài)時(shí)無功均分精確度受到影響，結(jié)果如圖19(a)所示；當(dāng)采集并網(wǎng)點(diǎn)電壓至無功電流環(huán)時(shí)，即對應(yīng)式(9)。線路阻抗的差異并不會(huì)影響到并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值，因此穩(wěn)態(tài)時(shí)各電源將按容量比輸出無功功率。由于已采用所提出改進(jìn)控制方法，圖19(b)中采用反饋并網(wǎng)點(diǎn)電壓的方案實(shí)現(xiàn)了良好的無功功率均分效果，并且控制簡單。

圖19 不同反饋電壓無功均分效果對比

下面對比改進(jìn)控制方案與原有恒電流指令方案和文獻(xiàn)[24]中改進(jìn)方案。由于該文獻(xiàn)中僅分析了有功功率均分的控制結(jié)構(gòu)，因此僅對有功功率和系統(tǒng)頻率進(jìn)行比較。在大功率負(fù)載突變時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行情況，如圖20所示。30 s前系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，BK1處于合閘狀態(tài)，BK2為分閘狀態(tài)，即柴發(fā)機(jī)組和逆變器并聯(lián)帶阻感負(fù)載1，30 s時(shí)BK2合閘，負(fù)載2投入，系統(tǒng)有功和無功功率突增一倍；45 s時(shí)BK1和BK2分閘，負(fù)載全部切除，系統(tǒng)進(jìn)行大功率負(fù)載突卸。

圖20 恒流控制與改進(jìn)控制對比

從圖20(a)中可以看出，在恒電流控制下，逆變器輸出功率維持恒定，暫穩(wěn)態(tài)不平衡功率全部由柴發(fā)機(jī)組提供。大功率負(fù)載突增時(shí)，逆變器不對突增的功率做出響應(yīng)，導(dǎo)致柴發(fā)機(jī)組存在過載風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)頻率和母線電壓達(dá)到下限風(fēng)險(xiǎn)；大功率負(fù)載突卸時(shí)，柴發(fā)機(jī)組存在逆功率問題，系統(tǒng)頻率失穩(wěn)以及過壓，并且在仿真結(jié)果中得到驗(yàn)證。

圖20(b)中應(yīng)用圖15中的控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了良好的有功功率均分效果，在頻率變化率小的階段中暫態(tài)效果較好，但是由于缺乏微分環(huán)節(jié)，因此在頻率變化率大的階段，有功功率突變明顯，超調(diào)量較大，暫態(tài)過程的均分效果較差。

圖20(c)中應(yīng)用的改進(jìn)控制方法，dq軸電流指令能夠根據(jù)系統(tǒng)頻率和電壓的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，進(jìn)而調(diào)節(jié)逆變器與柴發(fā)機(jī)組間的功率分配。在大功率負(fù)載突增時(shí)，系統(tǒng)頻率和電壓下降，柴發(fā)機(jī)組通過增大機(jī)械轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁電壓提高有功和無功功率；逆變器檢測系統(tǒng)頻率和電壓變化，通過改進(jìn)電流外環(huán)控制增大dq軸電流指令提高輸出有功和無功功率，并且改進(jìn)的電流控制能夠使逆變器的暫穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程能夠和柴發(fā)機(jī)組一致，逆變器有功調(diào)頻控制中的微分環(huán)節(jié)用于檢測頻率變化率，在柴發(fā)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率大變化量小的慣性響應(yīng)階段，快速檢測系統(tǒng)擾動(dòng)調(diào)節(jié)有功電流指令，因此相比圖20(b)進(jìn)一步改善了暫態(tài)性能。大功率負(fù)載突卸時(shí)同理。仿真結(jié)果中均分效果得到改善，且系統(tǒng)頻率偏移量減小，避免了頻率失穩(wěn)，同時(shí)提高了電壓穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)控制方式下柴發(fā)機(jī)組和電流源模式逆變器并聯(lián)供電系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)功率均分性能較差問題，首先闡述了傳統(tǒng)控制的局限性，借鑒了傳統(tǒng)同步機(jī)并聯(lián)組網(wǎng)系統(tǒng)的控制思想，提出了一種新的控制方法，并對柴發(fā)機(jī)組和逆變器暫穩(wěn)態(tài)功率均分性能進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：

1)逆變器基于鎖相環(huán)檢測系統(tǒng)頻率變化，通過有功下垂控制環(huán)節(jié)輸出有功電流；逆變器檢測并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值變化，通過無功電壓下垂控制環(huán)節(jié)輸出無功電流，可實(shí)現(xiàn)與柴發(fā)機(jī)組間暫穩(wěn)態(tài)功率均分。

2)對于穩(wěn)態(tài)功率均分性能，柴發(fā)機(jī)組和逆變器有功功率均分條件易滿足，其與線路阻抗無關(guān)，與有功頻率下垂系數(shù)有關(guān)；無功功率均分受線路阻抗參數(shù)影響，但通過控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓可使穩(wěn)態(tài)無功功率實(shí)現(xiàn)均分效果。

3)對于暫態(tài)功率均分性能，逆變器采用PID有功調(diào)頻下垂控制調(diào)節(jié)輸出有功電流，可實(shí)現(xiàn)與柴發(fā)機(jī)組暫態(tài)有功功率均分，其中PI環(huán)節(jié)和延時(shí)環(huán)節(jié)等效一次調(diào)頻階段柴發(fā)機(jī)組調(diào)速器動(dòng)態(tài)響應(yīng)，微分環(huán)節(jié)等效慣性響應(yīng)階段轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)響應(yīng)；逆變器采用PI無功調(diào)壓下垂控制調(diào)節(jié)輸出無功電流，可實(shí)現(xiàn)與柴發(fā)機(jī)組暫態(tài)無功功率均分，其中PI環(huán)節(jié)和延時(shí)環(huán)節(jié)等效柴發(fā)機(jī)組無功調(diào)壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。

逆變器采用上述控制方法，通過合理設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，可使逆變器和柴發(fā)機(jī)組具有相似的有功調(diào)頻和無功調(diào)壓暫穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程，從而實(shí)現(xiàn)柴發(fā)機(jī)組和逆變器暫穩(wěn)態(tài)功率均分，增強(qiáng)了獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定性。