李瑋，代少君，王東旭

（國網(wǎng)武漢供電公司，湖北武漢 430013）

微電網(wǎng)是一種根據(jù)一定的拓撲結構運行的電力系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的集中式電力網(wǎng)相比，其能夠根據(jù)不同的地理位置、電力特性及時調整供電模式。依據(jù)不同用戶需求，使用了一種適用于分布式電源的新型電力模式。微電網(wǎng)是一種重要的網(wǎng)絡，其主要模式有并網(wǎng)和孤島兩種。在并網(wǎng)模式中，控制電網(wǎng)的總電壓、頻率，使電能共享變得簡單；在孤島模式下，通常采用下垂控制，以實現(xiàn)各換流器的容量比分布。通過調整電流變換器的電壓幅度和頻率，使其維持在額定的范圍內(nèi)。然而，逆變器和AC 母線之間存在著線路阻抗，使其運行點與下降曲線的標準點偏差很大，導致電源電壓、頻率偏差不變，對電壓質量造成不良影響[1]；使用二次控制方式來降低電壓和頻率的偏差，然而該方法所使用的分類算法受到大量分類數(shù)據(jù)影響，無法精準分配功率。另外，在二次控制方法中，結合集中控制模式，要求微電網(wǎng)中心控制器與故障接地的全部故障進行通信，這也增加了系統(tǒng)通信帶寬。一旦集中控制中心出現(xiàn)通信中斷問題，則整個系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)[2]。為了進一步優(yōu)化孤島光伏微電網(wǎng)不平衡電壓的控制效果，通過分層控制的方式控制有功和無功電壓，實現(xiàn)孤島光伏微電網(wǎng)不平衡電壓分層控制研究。

1 不平衡電壓雙層控制方法

1.1 雙層控制結構

孤島光伏微電網(wǎng)不平衡電壓雙層控制結構如圖1所示。

圖1 雙層控制結構

圖1 中雙層控制結構的設計是為了協(xié)調分布的發(fā)電機和電壓質量，其相較于單層控制結構更加復雜，在控制過程中需要綜合考量多個元件的電壓分布情況。

在孤島光伏微電網(wǎng)中，主控制器是最小的控制層，其可以通過上層的反饋有效地控制每個發(fā)電站的負荷[3]。同時，為了提高微電網(wǎng)的接入能力，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡控制，通過分層、分段的網(wǎng)絡協(xié)作控制[4]，實現(xiàn)了對孤島微電網(wǎng)電壓、頻率的有效控制。

1.2 雙層控制策略

針對孤島條件下的微電網(wǎng)輸出功率和負荷不均衡問題，采用不同的電壓、頻率，實現(xiàn)微電網(wǎng)的等級控制。

1.2.1 上層控制

上層負責制定操作方案，根據(jù)電壓、電流、功率等信息及時調整操作方案，并調節(jié)微電網(wǎng)的電壓、頻率[5-7]。電力系統(tǒng)的有功功率與頻率、無功功率和電壓梯度成正比關系，該方法能調節(jié)電網(wǎng)的有功功率、無功功率，從而達到對電網(wǎng)電壓振幅的控制[8]。

孤島光伏微電網(wǎng)多個分布的發(fā)電機往往是并聯(lián)的。從圖2 中可以看出，多臺分布式發(fā)電機通過連接線路并聯(lián)至相同的負荷母線。

圖2 分布式電源接入負載母線等效電路

由圖2 可知，微電網(wǎng)的分布供電方式可以在同一時間將足夠的電力輸送到公用負荷母線上，以確保各逆變器的輸出電壓完全一致。各分布式電源的容量平衡分布方式有效地控制了各分布式電源的有功功率、無功功率[9-10]，并在此基礎上找出了一個平衡點，實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

1.2.2 下層控制

下層控制根據(jù)所發(fā)出的電能質量級別命令來設計相應的控制策略，具體的協(xié)同控制戰(zhàn)略是：孤島微電網(wǎng)的輸出功率和負載需求不匹配，導致了電力系統(tǒng)的低容量運行[11]。由于該方案的功率消耗很小，僅有一臺具有下垂控制的微型計算機，因此能夠根據(jù)下垂控制的特性來增加或減少輸出，從而保證了系統(tǒng)的能量平衡[12]。

通過對微電網(wǎng)的分級管理，可以把其所做的工作全部交給上級，降低了復雜度，使微電網(wǎng)標準化。此外，采用微電網(wǎng)級別控制后，該系統(tǒng)具有較大的靈活性，

可以方便地將分布式發(fā)電等控制功能引入到系統(tǒng)中。

2 不平衡分層補償控制

為了實現(xiàn)孤島光伏微電網(wǎng)電壓不平衡補償，避免對集中控制器的依賴，提出了雙環(huán)比例積分的PI調節(jié)方法，有效保證了對補償信號的精準跟蹤[13]。

在非對稱條件下，輸出功率是由分層頻率和輸入功率決定的。在分層結構中，使用低通濾波器濾除冗余分量，獲取對應的有功和無功功率分量。根據(jù)雙層控制結構，結合下垂機制，修正各個單元正、負序分量，進而達到對每個單元功率平均分配的目的[14]。下垂機理由以下公式組成：

式中，ω1、ω0分別表示經(jīng)過濾波器處理后生成的角頻率和額定角頻率；V2、V0分別表示經(jīng)過濾波器處理后生成的電壓和額定電壓；α1、α2分別表示角頻率和電壓下垂系數(shù)；W1、W2分別表示有功功率和無功功率；、分別表示經(jīng)過濾波器處理后生成有功功率和無功功率[15]。

虛擬阻抗可以在不損失功率的情況下，增加系統(tǒng)的阻尼，降低有功和無功功率的耦合。將電壓矢量定向結果輸入到坐標系dq中，該坐標系的d軸為虛擬阻抗控制，q軸為電壓控制[16-19]。

虛擬阻抗控制可由式（2）表示：

負載變化下的電壓下垂控制示意圖如圖3所示。

圖3 電壓下垂控制示意圖

圖3 中，當孤島光伏微電網(wǎng)穩(wěn)定運行時，正常工作點是A 點，下垂直線為L1；在電網(wǎng)中添加負載后，工作點變?yōu)榱薆 點，電壓由A 降到了B，同時負載也發(fā)生了較大變化。此時，如果電壓下降過大，將會對電網(wǎng)造成嚴重影響。當電壓恢復到A 點時，采用雙環(huán)比例積分的PI 調節(jié)策略，對電壓不平衡度補償。

構建的第一環(huán)電壓參考值為：

構建的第二環(huán)電壓參考值為：

由于基準電壓包含正、負序兩種信息，所以使用雙環(huán)比例積分的PI 調節(jié)策略既能調節(jié)正、負序電壓，又能防止序分量的分離。這種方法是通過采用各個分布式電源的軸負序成分量來補償不平衡的，從而達到對各個分布式電源不平衡的補償。

3 實驗分析

3.1 孤島光伏微電網(wǎng)拓撲結構

以孤島光伏微電網(wǎng)為例，其典型的拓撲結構如圖4 所示。

圖4 孤島光伏微電網(wǎng)拓撲結構

孤島光伏微電網(wǎng)以光電板為主要電源，采用變換器、濾波方法，對電網(wǎng)的輸出信號變換、濾波，使其滿足用戶要求，并在此基礎上，采用預先設置的控制策略，實現(xiàn)了對母線電壓和功率的控制。

3.2 實驗過程

以圖4 所示的拓撲結果為基礎設計實驗，具體實驗步驟如下所示：

第一步：當t=0 s 時，系統(tǒng)啟動，分布式電源1 至n開始供電，并逐漸進入穩(wěn)定狀態(tài)。

第二步：當t=4 s 時，系統(tǒng)在負載不平衡的情況下被引入，從而導致了系統(tǒng)的非平衡運行。

第三步：當t=6 s 時，在非均衡條件下，系統(tǒng)會出現(xiàn)非均衡操作。

第四步：當t=8 s 時，分布式電源n停止操作，分布式電源1 和2 繼續(xù)供電。

根據(jù)上述步驟獲取8 s 內(nèi)電路負載吸收的有功和無功功率，如表1 所示。

表1 電路負載有功和無功功率數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表1 可知，電路負載吸收的有功、無功功率從穩(wěn)定狀態(tài)突然降低，并保持不變。

3.3 實驗結果與分析

分別使用下垂控制策略、二次控制策略和分層控制方法，對比分析電壓不平衡度，如圖5 所示。

圖5 不同方法電壓不平衡度對比分析

由圖5 可知，在實施控制方案前，電壓不平衡度在0.5 s 前由0 上升到5.7%；在0.5～4 s 時間范圍內(nèi)，不平衡度保持5.7%不變；在4～4.5 s 時間范圍內(nèi)，不平衡度由5.7%上升到7.9%；在4.5～8 s 時間范圍內(nèi)，不平衡度保持7.9%不變。

針對電壓不平衡度隨著時間變化顯著升高的趨勢，使用下垂控制策略，電壓不平衡度在0.5 s 前由0上升到4.8%；在0.5～4 s 時間范圍內(nèi)，不平衡度保持4.8%不變；在4～4.5 s 時間范圍內(nèi)，不平衡度由4.8%上升到7.2%；在4.5～8 s 時間范圍內(nèi)，不平衡度保持7.2%不變。使用該策略與控制前電壓不平衡度相差不大，說明使用該策略控制效果不明顯。使用二次控制策略，電壓不平衡度在0.5 s 前由0 上升到3.8%；在0.5～4 s 時間范圍內(nèi)，不平衡度保持3.8%不變；在4～4.5 s 時間范圍內(nèi)，不平衡度由3.8%上升到6.1%；在4.5～8 s 時間范圍內(nèi)，不平衡度保持6.1%不變。因此，使用該策略的不平衡電壓控制效果優(yōu)于下垂控制策略。使用分層控制方法，電壓不平衡度在0.5 s前由0 上升到1.8%；在0.5～4 s 時間范圍內(nèi)，不平衡度保持1.8%不變；在4～4.5 s 時間范圍內(nèi)，不平衡度由1.8%上升到2.1%；在4.5～8 s 時間范圍內(nèi)，不平衡度保持2.1%不變。因此，使用該策略的不平衡電壓控制效果優(yōu)于下垂控制策略、二次控制策略。

通過上述分析結果可知，使用分層控制方法，小負載接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過短暫的負載變化后，電網(wǎng)又重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結束語

文中在明確孤島光伏微電網(wǎng)中因負荷不均衡所造成的電壓不均衡問題的基礎上，建立了雙層控制結構，設計了分層控制結構，實現(xiàn)電壓不平衡的分布式協(xié)同優(yōu)化控制。為了進一步促進電力工業(yè)的安全、可靠和經(jīng)濟發(fā)展，針對孤島微電網(wǎng)中的電壓不平衡問題，利用分布式電源補償控制。

在下一步研究中，深入探討分布式電源與其他電能質量控制系統(tǒng)之間的交互和控制區(qū)域的耦合關系，并研究微電網(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和配電系統(tǒng)。