朱彥軍，吳青峰，吳志生

(1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2. 太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

1 引言

為了將風(fēng)機(jī)、光伏等具有污染小、發(fā)電成本低、可再生性和配置靈活優(yōu)點(diǎn)的可再生能源(Renewable Energy Sources， RES)整合在一起，學(xué)者們提出了微電網(wǎng)(如圖1)的概念，并將微電網(wǎng)被看作是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段[1]。微電網(wǎng)內(nèi)通常部署多臺(tái)分布式電池儲(chǔ)能單元(Distributed Battery Energy Storage Unit， DBESU)以平抑RES輸出能量的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)供電的可靠性和穩(wěn)定性[2]。傳統(tǒng)下垂控制具有無(wú)通訊，造價(jià)低，即插即用特性，自動(dòng)均分負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在DBESU逆變器的控制中。微電網(wǎng)線路長(zhǎng)度和老化程度差異會(huì)影響線路阻抗的一致性，進(jìn)行影響DBESU逆變器采用傳統(tǒng)下垂控制時(shí)的無(wú)功功率均分效果。無(wú)功功率不均分會(huì)造成設(shè)備之間產(chǎn)生環(huán)流，威脅電力電子器件和設(shè)備的運(yùn)行[4]。

圖1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的均分，減少環(huán)流，學(xué)者提出一些方案。文獻(xiàn)[5]利用中央控制器計(jì)算出功率參考值，并將反饋給逆變器，逆變器根據(jù)參考值調(diào)節(jié)功率，取得良好的功率均分效果。但引入中央控制器會(huì)造成系統(tǒng)造價(jià)高、可擴(kuò)展性差，一旦中央控制器發(fā)生故障會(huì)造成控制的失敗。文獻(xiàn)[6]通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)實(shí)現(xiàn)了功率的均分，但是下垂系數(shù)的實(shí)時(shí)改變可能導(dǎo)致系統(tǒng)的失穩(wěn)。文獻(xiàn)[7，8]中分析出功率均分效果與線路阻抗密切相關(guān)，并提出利用虛擬阻抗調(diào)節(jié)阻抗值，進(jìn)而達(dá)到良好的無(wú)功功率均分效果。但虛擬阻抗也影響系統(tǒng)電壓質(zhì)量。文獻(xiàn)[9]將一個(gè)小的交流電壓信號(hào)注入到微電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)功率的均分。但是，該方案會(huì)導(dǎo)致電壓的諧波畸變。文獻(xiàn)[10]提出的改進(jìn)型下垂控制方案以電壓偏移為代價(jià)實(shí)現(xiàn)孤島微電網(wǎng)DBESU無(wú)功功率均分。文獻(xiàn)[11]提出一種分布式控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)孤島微電網(wǎng)功率的均分。該方案采用部分反饋線性化，并通過(guò)考慮結(jié)構(gòu)不確定性來(lái)保證魯棒性。但是，該方案計(jì)算量大，控制復(fù)雜。

上述功率均分方案在實(shí)現(xiàn)無(wú)功均分的同時(shí)，會(huì)降低電能質(zhì)量。針對(duì)該問(wèn)題，文獻(xiàn)[12]利用分層控制恢復(fù)初級(jí)下垂控制引起的電壓偏移，但是該方案需要中央控制器。文獻(xiàn)[13]引入動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器來(lái)提高電壓質(zhì)量。但是動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的引入增加了系統(tǒng)的硬件成本。文獻(xiàn)[14]提出一種基于多代理的二次電壓和頻率控制策略，能夠使電壓和頻率恢復(fù)到參考值。但是，該方案需要建立控制方案的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算量較大。

綜上可知：已存的無(wú)功功率均分方案以電壓的偏移為代價(jià)或需要設(shè)計(jì)額外的電壓恢復(fù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的恢復(fù)，增加系統(tǒng)建設(shè)成本。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出一種基于多代理的無(wú)功功率均分方案，在實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率均分的同時(shí)，維持電壓維持在參考值。此外，該方案不需要額外的中央控制器或電壓補(bǔ)償裝置，降低系統(tǒng)成本。

2 傳統(tǒng)下垂控制分析

2.1 DBESU結(jié)構(gòu)圖

微電網(wǎng)內(nèi)多DBESU并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖如圖2。圖中各臺(tái)DBESU通過(guò)電壓型三相橋式逆變器為負(fù)荷供電。線路長(zhǎng)度和老化程度差異導(dǎo)致線路阻抗值Zi各不相同。系統(tǒng)負(fù)荷為阻感性負(fù)荷，投切開(kāi)關(guān)CB可控制負(fù)荷的投入與切除。

圖2 DBESU的結(jié)構(gòu)

2.2 傳統(tǒng)下垂控制

本文研究對(duì)象為中高壓微電網(wǎng)，微電網(wǎng)中的線路阻抗呈現(xiàn)感性特性。此時(shí)，孤島微電網(wǎng)DBESU逆變器常采用P-ω下垂控制算法，其表達(dá)式如下[15]

ω=ωref-m(P-P0)

(1)

E=Eref-n(Q-Q0)

(2)

式中ω和E分別表示DBESU逆變器輸出的角頻率和電壓的幅值；ωref和Eref分別為ω和E的參考值；m和n分別表示下垂系數(shù)；P和Q分別表示逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率；P0和Q0分別表示P和Q的參考值。

當(dāng)線路阻抗不同時(shí)，DBESU的逆變器采用傳統(tǒng)下垂控制輸出的穩(wěn)態(tài)無(wú)功功率為[16]

(3)

式(3)中V為公共耦合點(diǎn)電壓，X為線路阻抗中的感性成分。

若微電網(wǎng)配備兩臺(tái)DBESU，則兩臺(tái)DBESU逆變器采用下垂控制時(shí)輸出的穩(wěn)態(tài)無(wú)功功率比值為

(4)

對(duì)式(4)分析可知：DBESU逆變器采用下垂控制時(shí)，逆變器輸出的無(wú)功功率與線路阻抗近似成反比關(guān)系。因此，當(dāng)線路阻抗存在差異時(shí)，DBESU逆變器輸出的無(wú)功功率無(wú)法均分。

3 所提方案

3.1 無(wú)功均分方案

為消除DBESU逆變器采用傳統(tǒng)下垂控制時(shí)存在無(wú)功功率均分偏差，對(duì)式(2)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種基于多代理的無(wú)功均分方案如式(5)：

(5)

式(5)中kQ為下垂系數(shù)，Qave為所有DBESU逆變器輸出無(wú)功功率的平均值。其它變量的含義和式(2)一致。

為計(jì)算式(5)中的Qave，引進(jìn)多代理技術(shù)，將微電網(wǎng)內(nèi)各個(gè)DBESU視作一個(gè)代理，各相鄰代理之間利用一致算法[17]按照?qǐng)D3所示的通訊結(jié)構(gòu)進(jìn)行通訊，即可算出式(5)中Qave。一致算法的優(yōu)勢(shì)在于，在不需中央控制器的前提下，僅通過(guò)相鄰代理之間的通訊就可方便的求出變量的平均值，降低系統(tǒng)通訊量和建設(shè)成本。

基于一致性算法的Qave求解公式如下式

(6)

式(6)中Qave＿i代表無(wú)功功率的平均值，σ代表比例因子，θij[k]的初始值為0。

圖3 DBESU 代理的通訊結(jié)構(gòu)

3.2 無(wú)功功率均分原理

圖4 無(wú)功均分原理圖

圖5為DBESU逆變器的控制框圖。首先，利用電壓和電流互感器測(cè)出DBESU逆變器的輸出電壓和電流；接著，利用電壓和電流計(jì)算出逆變器輸出的有功和無(wú)功功率；然后，根據(jù)式(1)和式(5)算出電壓幅值和相角，式(5)中Qave利用式(6)求出；最后，式(1)和式(5)算出電壓幅值和相角就可合成電壓環(huán)的參考電壓Vref。

圖5 逆變器的整個(gè)控制框圖

4 仿真驗(yàn)證

為對(duì)所提方案的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，利用PSCAD仿真軟件搭建了圖2所示三臺(tái)DBESU并聯(lián)的仿真模型，并對(duì)所提方案在不同工況下的效果進(jìn)行仿真分析。仿真參數(shù)如表1。

表1 仿真參數(shù)

工況1：已存功率均分方案

為驗(yàn)證所提方案的先進(jìn)性，首先和目前已存的無(wú)功功率均分方案作對(duì)比。文獻(xiàn)[10]提出一種基于下垂控制的無(wú)功均分方案，圖6為文獻(xiàn)[10]所提無(wú)功均分方案的仿真波形，在t=2s時(shí)投入負(fù)荷2。由圖6分析可知：雖然文獻(xiàn)[10]方案可以實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷下的無(wú)功均分，可是在無(wú)功功率均分的過(guò)程中會(huì)引起嚴(yán)重的公共耦合點(diǎn)電壓(VPCC)偏移，甚至VPCC會(huì)偏移到規(guī)定的范圍(311±5%)以下。

圖6 文獻(xiàn)[10]所提方案

工況2：所提的方案

圖7為本文所提方案，負(fù)荷變化情況和工況1保持一致。由圖可知：和圖6不同，本文所提方案不僅實(shí)現(xiàn)了無(wú)功功率的均分，而且在無(wú)功功率均分過(guò)程中電壓不會(huì)發(fā)生偏移現(xiàn)象。無(wú)功功率均分以后VPCC能夠恢復(fù)到額定值(311V)。值得注意的是：t=2s加重負(fù)荷后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)節(jié)，電壓仍能恢復(fù)到額定值，克服傳統(tǒng)下垂控制在負(fù)荷加重時(shí)出現(xiàn)電壓偏移的缺點(diǎn)，在從而驗(yàn)證了所提方案的先進(jìn)性。

圖7 所提方案

工況3：即插即用

隨著微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷不斷增加，為保證負(fù)荷的可靠供電，要求所提方案應(yīng)具有良好的即插即用特性。為了驗(yàn)證所提方案的即插即用特性，在t=2s時(shí)分別切除和投入DBESU3。圖8(a)說(shuō)明在切除DBESU3后，DBESU1和DBESU2輸出的無(wú)功功率增加以補(bǔ)充DBESU3退出造成的功率缺額。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)節(jié)，DBESU1和DBESU2仍能實(shí)現(xiàn)無(wú)功均分。在圖8(b)中，在DBESU3重新投入系統(tǒng)后仍然能夠?qū)崿F(xiàn)所有DBESU的無(wú)功均分。說(shuō)明所提方案具有良好的即插即用特性。

圖8 即插即用

工況4：通訊延遲

所提方案在計(jì)算無(wú)功功率平均值時(shí)需要進(jìn)行通訊，因此會(huì)存在通訊延遲問(wèn)題。采用CAN協(xié)議的通訊系統(tǒng)的通訊延遲一般為毫秒級(jí)。為了驗(yàn)證所提方案在通訊延遲下的可靠性，在仿真中設(shè)置在t=2s時(shí)發(fā)生通訊延遲，通訊延遲的時(shí)間分別為0.2s和0.4s。仿真結(jié)果說(shuō)明：所提方案在發(fā)生通訊延遲時(shí)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)節(jié)仍能取得良好的無(wú)功功率均分效果。

圖9 通訊延遲

工況5：下垂系數(shù)對(duì)無(wú)功均分速度的影響

圖10為不同下垂系數(shù)kQ的無(wú)功功率波形，由圖分析已知：通過(guò)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)kQ可以調(diào)節(jié)無(wú)功功率均分的速度。在一定的范圍內(nèi)，下垂系數(shù)越大，無(wú)功功率均分的速度越快。

圖10 不同下垂系數(shù)下的無(wú)功均分過(guò)程

5 結(jié)論

本文提出一種基于多代理的改進(jìn)型下垂控制方案實(shí)現(xiàn)DBESU的逆變器輸出無(wú)功功率的均分。和傳統(tǒng)的無(wú)功均分方案相比，該方案的優(yōu)點(diǎn)在于：

1)在保持電壓在額定值的前提下，實(shí)現(xiàn)了不同負(fù)荷下DESU逆變器輸出無(wú)功功率均分。

2)所提方案在負(fù)荷加重后，仍能將電壓恢復(fù)到額定值，克服傳統(tǒng)下垂控制在負(fù)荷加重時(shí)出現(xiàn)電壓偏移的缺點(diǎn)，

3)所提方案不需要中央控制器，通訊量小，成本低，具有良好的即插即用特性，在通訊延遲的情況下具有良好的魯棒性，通過(guò)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)可以調(diào)節(jié)無(wú)功均分的速度。