張繼勇 王凱 馬一鳴 楊茂朕 李馨雨 嵇仁君

（揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院）

0 引言

隨著社會(huì)科技的不斷進(jìn)步，人們對(duì)能源的需求量日益增加，導(dǎo)致能源短缺和環(huán)境破壞等問題。分布式能源作為清潔能源將成為未來能源主流，但由于其輸出的不確定性，易影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。為了使分布式能源穩(wěn)定接入大電網(wǎng)，最大化清潔能源的利用率，學(xué)者們提出了微電網(wǎng)這一概念[1]。

微電網(wǎng)包含孤島和并網(wǎng)兩種運(yùn)行模式。當(dāng)選取傳統(tǒng)下垂控制時(shí)，母線電壓跟隨微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)變化，對(duì)輸出電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，易造成功率分配不均[2]。

針對(duì)上述問題，學(xué)者們對(duì)下垂控制的控制電壓頻率進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)[3]提出一種基于儲(chǔ)能SOC自適應(yīng)控制策略，采用分層協(xié)調(diào)控制，能夠維持母線電壓穩(wěn)定，但是控制過程比較依賴通信。文獻(xiàn)[4]提出一種改進(jìn)式負(fù)荷功率分配控制策略，無功功率能夠被合理分配，但控制器的參數(shù)選取較為繁瑣。文獻(xiàn)[5]提出一種基于低帶寬通信（LBC）的改進(jìn)下垂控制方法，實(shí)現(xiàn)了分散控制方案，所有控制能夠?qū)崿F(xiàn)本地控制。

由于微電網(wǎng)孤島運(yùn)行狀態(tài)下，負(fù)載端負(fù)荷增加會(huì)引起微網(wǎng)母線電壓降落和頻率波動(dòng)。本文提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)下垂控制策略，下垂控制系數(shù)能夠跟隨負(fù)載變化，減小電壓降落量并穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。通過MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)對(duì)上述控制策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的正確性和有效性。

1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

由分布式電源構(gòu)成的微電網(wǎng)簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)如圖1所示，微電源簡(jiǎn)化成直流電源Udc，經(jīng)過逆變器逆變成三相交流電源，并經(jīng)負(fù)載后將功率傳輸?shù)诫娋W(wǎng)系統(tǒng)交流母線側(cè)。

圖1 微電網(wǎng)等效電路簡(jiǎn)圖

由圖1可知線路上的復(fù)功率S為：

將式（2）代入式（1）可得：

根據(jù)式（3）可得微電源輸出有功功率和無功功率表達(dá)式為：

假設(shè)線路呈感性，而線路中電阻對(duì)于電抗的影響很小，可忽略不計(jì)，即可取Z=R+jX≈jX。由極限定義，若δ→0，可取 sinδ→δ，cosδ→1。

由此，式（4）為：

微電網(wǎng)系統(tǒng)要求并入交流母線電壓保持恒定，可認(rèn)為E保持不變。當(dāng)線路阻抗呈感性和δ很小的情況下，由式（5）可得有功功率P與阻抗角δ有關(guān)，無功功率Q與電壓U有關(guān)。由于：

由式（6）可知，有功功率P與頻率f有關(guān)，即P由f決定。

2 自適應(yīng)下垂控制器設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)下垂控制

微電網(wǎng)所接逆變器的輸出有功功率P由頻率f決定，輸出無功功率Q由電壓U決定，其存在的線性關(guān)系又稱為逆變器的下垂特性。下垂特性公式為：

式中，kP、kQ為下垂系數(shù)，調(diào)節(jié)下垂系數(shù)可使所接負(fù)載的功率分配與額定功率高程度匹配。若下垂系數(shù)的絕對(duì)值越大，對(duì)于負(fù)荷的功率分配效果越好，但對(duì)于相同有功功率P或無功功率Q的調(diào)節(jié)會(huì)造成對(duì)應(yīng)頻率f和電壓U的較大偏差。

根據(jù)式（7）可得到P-f與Q-U之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 下垂特性曲線

在t1、t2時(shí)刻，微電網(wǎng)所接負(fù)載的有功功率分別為P1、P2，系統(tǒng)頻率為f1、f2。由圖2下垂特性曲線可知，有功功率從P1增加到P2（A點(diǎn)移向B點(diǎn)），下垂系數(shù)不變，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率降低為f2。同理，若微電網(wǎng)所接無功功率增加，母線電壓幅值也會(huì)相應(yīng)降低，這會(huì)對(duì)所接負(fù)荷產(chǎn)生不良影響。由于一些電氣負(fù)載對(duì)電壓或者頻率非常敏感，電壓與頻率只能小范圍的波動(dòng)。當(dāng)有功功率增加時(shí)，若需要對(duì)應(yīng)的頻率變化范圍變小，則應(yīng)適當(dāng)改變下垂控制中的下垂系數(shù)。

2.2 自適應(yīng)下垂控制

微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式時(shí)，若采用傳統(tǒng)下垂控制原理對(duì)逆變器進(jìn)行控制，則微電網(wǎng)所接負(fù)載的變化也會(huì)影響交流母線電壓的變化，會(huì)造成母線電壓及頻率波動(dòng)，偏離額定值。在微電網(wǎng)中，為使負(fù)載中有功功率增加后頻率偏移量減小，需要將下垂系數(shù)kP轉(zhuǎn)化為具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的kPP。

由式（7）可得：

將式（8）代入式（7）可得：

式中，PP、PP0為t、t0時(shí)刻負(fù)載有功功率；kPP為自適應(yīng)調(diào)節(jié)的下垂系數(shù)，能夠根據(jù)PP與PP0的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。為了使分布式能源能夠穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)PP-PP0＜Pmin時(shí)，取PP-PP0=Pmin；當(dāng)PP-PP0＞Pmin時(shí)，取PP-PP0=Pmax。

某些電氣設(shè)備允許的電壓幅值偏移量很小，為了保證設(shè)備的正常運(yùn)行，需要將母線電壓的偏移量控制在一定的范圍內(nèi)。當(dāng)母線電壓幅值在[Umin，Umax]范圍內(nèi)時(shí)，下垂系數(shù)不變，即采用傳統(tǒng)下垂控制；當(dāng)母線電壓幅值超出[Umin，Umax]范圍時(shí)，選用自適應(yīng)控制，對(duì)參考電壓值進(jìn)行調(diào)整，從而穩(wěn)定輸出電壓幅值。

由式（7）可得母線電壓幅值超出[Umin，Umax]范圍時(shí)的自適應(yīng)下垂方程：

將式（10）代入式（7）可得：

式中，U為母線電壓額定幅值；QQ、QQ0為t、t0時(shí)刻負(fù)載無功功率；kQQ為自適應(yīng)調(diào)節(jié)的下垂系數(shù)，能夠跟隨負(fù)載端無功負(fù)荷的改變而改變。

上述改進(jìn)式下垂控制策略能夠跟隨負(fù)載端有功功率和無功功率變化，調(diào)節(jié)下垂系數(shù)，減小母線電壓和頻率的偏移量。自適應(yīng)下垂控制器控制框圖如圖 3所示。

圖3 自適應(yīng)下垂控制器控制框圖

3 仿真分析

為了驗(yàn)證本文中所提控制策略的準(zhǔn)確性，在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)搭建了如圖3所示的微電網(wǎng)平臺(tái)，其中的參數(shù)如下：額定頻率fn=50Hz；無功功率為0時(shí)的電壓幅值U0=311V；額定有功功率Pn=20kW；本地負(fù)載load1的參數(shù)為P1=20kW，Q1=10kvar；本地負(fù)載load2的參數(shù)為P2=10kW，Q2=10kvar；本地負(fù)載load3的參數(shù)為P3=10kW；Q3=10kvar；L=0.5mH；C=1.5mF；R=0.02Ω。

為了能夠明顯地觀測(cè)出負(fù)荷擾動(dòng)下本文所提出的自適應(yīng)下垂控制的控制方法效果，設(shè)置仿真時(shí)間為3s。在t=0s時(shí)刻，負(fù)載端接有本地負(fù)載load1，此時(shí)微電網(wǎng)達(dá)到額定運(yùn)行狀態(tài)；t=1s時(shí)刻，接入本地負(fù)荷load2；t=2s時(shí)刻，接入本地負(fù)載load3。在負(fù)載擾動(dòng)下觀測(cè)到負(fù)載端電壓、電流波形，微電源輸出的有功功率和無功功率的波形如圖4～圖7所示。

圖4 負(fù)載端電壓

圖7 輸出無功功率

在0s時(shí)負(fù)荷load1接入，此時(shí)系統(tǒng)達(dá)到額定運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)負(fù)載端電流約為30.4A；在1s時(shí)負(fù)荷load2接入，此時(shí)負(fù)載端電流約為60.4A；在2s時(shí)負(fù)荷load3接入，此時(shí)電流為89.9A?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)荷的不斷接入，有功功率和無功功率增加，負(fù)載端電流也在不斷增加，電壓幅值維持在302V左右。其微電網(wǎng)電壓幅值及系統(tǒng)頻率如圖8～圖11所示。

圖5 負(fù)載端電流

圖6 輸出有功功率

在1s與2s時(shí)，突增負(fù)載會(huì)增加微網(wǎng)中有功功率和無功功率，采用傳統(tǒng)下垂控制的系統(tǒng)頻率和電壓幅值偏移量較大。由圖 8、圖 10可知，傳統(tǒng)下垂控制下，在接入負(fù)載時(shí)系統(tǒng)頻率下降0.1Hz，電壓幅值下降2.1V。由圖 9、圖11可知，采用本文所提自適應(yīng)下垂系數(shù)控制，在1s與2s時(shí)刻系統(tǒng)頻率會(huì)依次下降0.01Hz，電壓幅值會(huì)降低0.8V左右。

圖8 傳統(tǒng)下垂控制下系統(tǒng)頻率

圖9 自適應(yīng)下垂控制下系統(tǒng)頻率

圖10 傳統(tǒng)下垂控制下電壓幅值

圖11 自適應(yīng)下垂控制下電壓幅值

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所提出的自適應(yīng)下垂系數(shù)控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)下垂系數(shù)隨著負(fù)載端有功功率和無功功率的變化而變化。當(dāng)微網(wǎng)孤島系統(tǒng)中電源側(cè)功率過大時(shí)，通過增大下垂系數(shù)以穩(wěn)定系統(tǒng)，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率平衡；當(dāng)系統(tǒng)中負(fù)荷所分配到的功率不足時(shí)，能夠適當(dāng)減小下垂系數(shù)，以減小系統(tǒng)頻率的偏移量。該策略能夠?qū)⑾到y(tǒng)頻率和電壓幅值控制在一定的范圍內(nèi)，提高了孤島運(yùn)行下微網(wǎng)的可靠性。