李海龍,趙艷雷,周國(guó)良,畢永健,劉 政,丁宏勛
(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255000)
分布式發(fā)電技術(shù)可有效解決能源問(wèn)題[1]。但DG接入分散,大規(guī)模分布式電源單機(jī)入網(wǎng)會(huì)對(duì)大電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊,由DG組成微電網(wǎng)可解決上 述 問(wèn) 題[2]。
微電網(wǎng)控制策略大多依賴通信,由于受地理位置或環(huán)境限制,部分微電網(wǎng)不具備通信條件[3]。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)的同步定頻電流 (Synchronous Fixed-Frequency Current,SFC)控制方法,微電網(wǎng)內(nèi)的DG無(wú)需通信,完全即插即用。但孤島模式下負(fù)荷變化會(huì)引起微電網(wǎng)電壓波動(dòng),因此需要對(duì)同步定頻微電網(wǎng)電壓進(jìn)行二次調(diào)節(jié)[5]。二次調(diào)壓主要有兩類控制方式,即集中式控制[6]和分布式控制[7]。集中式控制是由中央控制器采集DG信息并進(jìn)行二次調(diào)整,對(duì)通信要求較高。分布式控制的DG只需通過(guò)本地控制器進(jìn)行二次調(diào)整,無(wú)需通信或需要低速通信,且魯棒性較強(qiáng),是目前二次調(diào)壓研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]提出了一種同步定頻微電網(wǎng)并網(wǎng)/孤島切換策略,但未涉及同步定頻微電網(wǎng)電壓二次調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[9]提出了一種自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的調(diào)壓方法,具有良好的動(dòng)態(tài)性能,但是未考慮多臺(tái)變換器并聯(lián)的場(chǎng)景。文獻(xiàn)[10]應(yīng)用多智能體一致算法優(yōu)化微電網(wǎng)電壓,但需要一定的通信數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[11]僅通過(guò)相鄰微源間通信對(duì)孤島微電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),降低了通信的要求,但需要冗余鏈路以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,建設(shè)成本較高。文獻(xiàn)[12]通過(guò)提升變換器輸出基準(zhǔn)電壓提升母線電壓,但未考慮負(fù)載變化的場(chǎng)景。文獻(xiàn)[13]提出了基于二次無(wú)差調(diào)壓的改進(jìn)U-I下垂控制策略,可將電壓恢復(fù)至額定電壓,但并不能保證微網(wǎng)內(nèi)各DG動(dòng)作同步。文獻(xiàn)[9]~[13]的調(diào)壓方法不適用于多逆變器、多負(fù)載且無(wú)通信的同步定頻微電網(wǎng)。
本文在SFC控制方法基礎(chǔ)上,針對(duì)孤島模式下由負(fù)荷變化引起的微電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大的問(wèn)題,基于就地電壓信息提出了同步定頻微電網(wǎng)調(diào)整下垂曲線的無(wú)通信二次調(diào)壓策略,通過(guò)調(diào)整DG輸出電壓,使得負(fù)載端電壓始終在設(shè)定的范圍內(nèi)。同時(shí)為保證DG動(dòng)作的同步性,提出了基于衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)的下垂曲線調(diào)整方法,使微電網(wǎng)內(nèi)各DG同步調(diào)整下垂曲線。
同步定頻微電網(wǎng)即微網(wǎng)內(nèi)分布式電源以衛(wèi)星授 時(shí) 信 號(hào) 秒 脈 沖(One Pulse Per Second,1PPS)為基準(zhǔn),各DG輸出的電流相位相同且頻率固定[4]。同步定頻微電網(wǎng)如圖1所示。
圖1 同步定頻微電網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of synchronous fixed-frequency microgrid
圖中:DG為分布式電源;PCC為公共連接點(diǎn);DG1~DGn通過(guò)一個(gè)并網(wǎng)開關(guān)與大電網(wǎng)連接。并網(wǎng)模式下,各DG采用有功、無(wú)功給定控制(PQ控制),輸出的有功和無(wú)功功率固定;孤島模式下,DG采用下垂控制策略,DG輸出電壓和電流隨負(fù)荷變化,故本文針對(duì)孤島模式下的微電網(wǎng)研究二次調(diào)壓策略。
同步定頻微電網(wǎng)一般由多個(gè)DG系統(tǒng)和負(fù)載組成,以單個(gè)DG系統(tǒng)為例,其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 DG控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 DG control system structure
圖中:Lf和Cf分別為濾波電感和電容;Z為線路 阻 抗;ia,ib,ic為DG輸 出 電 流;ua,ub,uc為DG輸出 電 壓;id,iq和ud,uq分 別 為DG輸 出 電 流 和 輸 出電壓在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq分量;ud,uq經(jīng)下垂方程計(jì)算出電流參考值id*,iq*設(shè)置為零,使得三相輸出電流相位與衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)同步且幅值等于id*。由電流環(huán)計(jì)算出交流側(cè)參考電壓dq分量ud*和uq*,結(jié)合參考角度 ωt,轉(zhuǎn)換成abc三相靜止坐標(biāo)系下的三相調(diào)制電壓信號(hào)指令值,實(shí)現(xiàn)對(duì)DG輸出電壓的調(diào)節(jié)。
DG電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 DG電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)Fig.3 DG current loop control structure
由圖3可得電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)方程為
式中:Kp,Ki分別為比例和積分系數(shù)。
電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器比例環(huán)節(jié)可減少DG輸出電流與參考電流id*的偏差,積分環(huán)節(jié)可消除DG輸出電流與id*的靜差,實(shí)現(xiàn)對(duì)id*的無(wú)差跟蹤。目前對(duì)于電流環(huán)的研究設(shè)計(jì)已十分充分[14],本文對(duì)I-U下垂控制策略及二次調(diào)壓原理展開分析。
本文在SFC控制的基礎(chǔ)上采用I-U下垂控制策略,其方程為
式中:I為輸出電流;Iref為參考電流(也稱下垂曲線截距);K為下垂系數(shù);U為輸出電壓有效值。
當(dāng)DG輸出功率增加時(shí),DG輸出電流增加,輸出電壓減??;當(dāng)DG輸出功率減小時(shí),DG輸出電流減小,輸出電壓增加。因此,當(dāng)負(fù)荷變化導(dǎo)致電壓跌落或電壓過(guò)高時(shí),需要對(duì)各DG進(jìn)行二次調(diào)壓,以滿足電能質(zhì)量的要求。
本文根據(jù)DG輸出電壓幅值調(diào)節(jié)下垂曲線截距,對(duì)下垂曲線進(jìn)行平移調(diào)整,其中DG輸出電壓幅值,平移下垂曲線法如圖4所示。
圖4 負(fù)載功率改變時(shí)DG工作點(diǎn)變化Fig.4 Variation diagram of DG operating point when load power changes
圖中:Iref1,Iref2分別為下垂曲線1(低檔下垂曲線)和下垂曲線2(高檔下垂曲線)的截距;B點(diǎn)電壓和D點(diǎn)電壓分別為最小電壓閾值Umin和最大電壓閾值Umax。
為防止電壓振蕩,設(shè)置了調(diào)整死區(qū)。負(fù)載增加時(shí),初始狀態(tài)DG工作點(diǎn)為A點(diǎn),增加負(fù)載后,DG工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了B點(diǎn),達(dá)到最小電壓閾值,此時(shí)DG下垂曲線調(diào)整為高檔下垂曲線,工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到C點(diǎn),且C點(diǎn)電壓小于D點(diǎn)電壓。負(fù)載減小時(shí),初始狀態(tài)DG工作點(diǎn)為C點(diǎn),此時(shí)減小負(fù)載,DG工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到D點(diǎn),達(dá)到最大電壓閾值,則DG下垂曲線調(diào)整為低檔下垂曲線,工作點(diǎn)又回到了A點(diǎn),且A點(diǎn)電壓大于B點(diǎn)電壓。
2.3.1下垂曲線截距計(jì)算設(shè)計(jì)
忽略線路阻抗的影響,對(duì)下垂曲線截距進(jìn)行設(shè)計(jì),此處采用標(biāo)幺值進(jìn)行計(jì)算。設(shè)定電壓最小閾值為Umin,最大閾值為Umax。在低檔下垂曲線中,當(dāng)DG輸出電壓達(dá)到Umin時(shí)需要進(jìn)行調(diào)壓,此時(shí)DG輸出電流達(dá)到最大值Imax,DG輸出功率最大。調(diào)壓后DG輸出電壓要小于Umax,否則會(huì)出現(xiàn)電壓振蕩。假定調(diào)壓后DG輸出電壓達(dá)到Umax,則令:
由式(3)即可計(jì)算出Iref2,上述計(jì)算忽略了調(diào)壓后DG輸出功率略微增加的情況。
本文所采用的I-U低檔下垂曲線為I=11-10U,設(shè) 定Umin為0.95 p.u.,Umax為1.05 p.u.,由 式(3)可 得Iref2=11.85 p.u.,考 慮 到 死 區(qū),取Iref2=11.83 p.u.,即高檔下垂曲線為I=11.83-10U。
2.3.2電壓閾值計(jì)算設(shè)計(jì)
由于不同線路的阻抗不同,需要針對(duì)不同線路中DG的電壓閾值進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用I-U下垂控制時(shí),DG輸出電壓電流是由下垂曲線和代表線路電氣特性的曲線共同決定的[15],線路特性曲線方程為
式中:Zn,Un,In分別為第n臺(tái)DG所在線路的線路阻抗、DG輸出電壓和輸出電流;UPCC為公共連接點(diǎn)電壓(公共母線電壓)。
以兩臺(tái)DG為例,線路阻抗與DG輸出電壓電流關(guān)系如圖5所示。
圖5 線路阻抗與DG輸出電壓電流關(guān)系Fig.5 Relationship between line impedance and DG output voltage and current
圖5中Z2>Z1,當(dāng)DG設(shè)置同樣下垂曲線時(shí),I1>I2,U1<U2,為 保 證DG1和DG2靈 敏 度 相 同,需要調(diào)整其電壓閾值。
聯(lián) 立 式(2),(4)可 得:
忽略負(fù)載與公共母線之間的線路阻抗,則負(fù)載電壓Uload=UPCC,根據(jù)需求設(shè)定Uload取值范圍后,即可由式(5)計(jì)算出不同線路中的DG最小/最大電壓閾值。
在微電網(wǎng)中,各DG并聯(lián)運(yùn)行向公共連接點(diǎn)供電,DG并聯(lián)等效電路如圖6所示。
圖6 DG并聯(lián)等效電路圖Fig.6 DG parallel equivalent circuit diagram
圖 中:Un∠φn為 第n(n=1,2)臺(tái)DG的 輸 出 電壓;UPCC∠0 °為公共 連接點(diǎn)電壓;In為第n臺(tái)DG的輸出電流;Iload為負(fù)載端電流;Zn=Rn+jXn為線路阻抗;Zload為微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷。
根據(jù)圖6可知,第n臺(tái)DG輸出的有功功率Pn、無(wú) 功 功 率Qn分 別 為
低壓微電網(wǎng)中線路呈阻性,線路中的感性分量可忽略。與此同時(shí),DG與PCC點(diǎn)相角差 φn接近 于0(φn<0),則sin φn≈φn,cos φn≈1。故 結(jié) 合 式(6)可得DG輸出有功和無(wú)功功率為
由式(7)可知,當(dāng)DG從低檔下垂曲線切換到高檔下垂曲線時(shí),由于調(diào)壓作用,DG輸出有功功率和無(wú)功功率均增加。而調(diào)壓前后兩臺(tái)DG下垂參數(shù)始終一致。因此,本文所提二次調(diào)壓策略并不會(huì)對(duì)功率分配造成較大影響,DG功率分配差額主要來(lái)源于線路阻抗差異。
在無(wú)通信的環(huán)境下,由于沒(méi)有中央控制器,各DG只能采集就地信息,無(wú)法得知其他DG運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)增加/減小負(fù)載時(shí),如果各DG動(dòng)作不同步,則可能出現(xiàn)各DG工作在不同下垂曲線的情況,引起較大的功率不平衡。為解決此問(wèn)題,本文提出基于衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)的下垂曲線同步調(diào)整方法。各DG以1PPS秒脈沖信號(hào)為基準(zhǔn),在接收到秒脈沖信號(hào)時(shí),每隔一段時(shí)間檢測(cè)一次當(dāng)前電壓,如果電壓低于最小電壓閾值或者高于最大電壓閾值,則調(diào)整下垂曲線。本文將檢測(cè)時(shí)間間隔設(shè)置為10 ms,即每半個(gè)周期檢測(cè)一次當(dāng)前電壓,不管何時(shí)增加/減小負(fù)載,各DG總是在相同的時(shí)刻檢測(cè)并調(diào)整下垂曲線,使得各DG動(dòng)作同步。電壓檢測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示。
圖7 電壓檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)于1PPS信號(hào)位置Fig.7 Voltage detection point relative to 1PPS signal position diagram
由圖7可知,DG的A相電流上升沿和1PPS秒脈沖信號(hào)計(jì)算出的參考相位一致,同時(shí)DG每次接收到1PPS脈沖信號(hào)都將重新計(jì)時(shí),以提高計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。初始狀態(tài)下,DG下垂曲線為低檔下垂曲線,DG調(diào)整下垂曲線過(guò)程如圖8所示。
圖8 DG調(diào)整下垂曲線過(guò)程Fig.8 Process of DG adjustment droop curve
在Matlab/Simulink中搭建微電網(wǎng)模型,系統(tǒng)一次接線圖如圖9所示。仿真參數(shù)如表1所示。
表1 實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)Table 1 Experimental simulation parameters
圖9 微電網(wǎng)仿真及實(shí)驗(yàn)一次接線圖Fig.9 Microgrid simulation and experiment primary wiring diagram
仿真模型包括兩臺(tái)DG,DG1,DG2容量比為1∶1,兩臺(tái)DG采用相同的下垂曲線參數(shù),DG基準(zhǔn)相電流為16 A,基相電壓為110 V。為模擬實(shí)際情況中線路阻抗不相等的場(chǎng)景,本文設(shè)定線路阻抗Z1=(0.1+j0.01)Ω,Z2=(0.4+j0.04)Ω。
根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算各DG電壓閾值,計(jì)算最小/最大電壓閾值時(shí)分別設(shè)定UPCC為209,231 V,由于線路中Xn較小可近似忽略,根據(jù)式(5)可得DG1最小/最大電壓閾值為0.955/1.055 p.u.,DG2最小/最大電壓閾值為0.969/1.067 p.u.。
初始狀態(tài)下,兩臺(tái)DG下垂方程均為I=11-10U,負(fù)載功率為8 kW,此時(shí)負(fù)載電壓幅值為538.7 V。在0.15 s時(shí),增加8 kW負(fù)載功率,即總的負(fù)載功率為16 kW,在0.3 s時(shí),再降低8 kW負(fù)載功率。
仿真結(jié)果如圖10所示。
圖10 無(wú)調(diào)壓措施負(fù)載端電壓電流波形Fig.10 Waveform of load terminal voltage and current without voltage regulation measures
由圖10可知,在增加8 kW負(fù)載功率后,負(fù)載端電壓降低,而負(fù)載電流增加,符合下垂方程特性,負(fù)載電壓從538.7 V減小到了499.0 V,相比正常電壓幅值537 V跌幅為7.08%,電壓跌落較嚴(yán)重。由此可見(jiàn),在沒(méi)有調(diào)壓措施的情況下,微電網(wǎng)電壓隨負(fù)荷波動(dòng)較大,為保證微電網(wǎng)電能質(zhì)量,需要對(duì)微電網(wǎng)電壓進(jìn)行二次調(diào)節(jié)。
圖11為DG增加了調(diào)壓措施的部分波形。設(shè)置初始負(fù)載功率為8 kW,在0.15 s時(shí)增加8 kW負(fù)載功率,在0.3 s時(shí)再降低8 kW負(fù)載功率。
圖11 有調(diào)壓措施微電網(wǎng)波形Fig.11 Waveform of microgrid with voltage regulating measures
表2 為負(fù)載功率變化時(shí)負(fù)載端詳細(xì)參數(shù)。
表2 負(fù)載端詳細(xì)參數(shù)Table 2 Detailed parameters of the load side
初始時(shí)負(fù)載端電壓處于正常范圍,在0.15 s增加負(fù)載后,由于下垂特性DG輸出電壓降低,導(dǎo)致負(fù)載端電壓迅速跌落,此時(shí)DG檢測(cè)到輸出電壓小于最小電壓閾值,執(zhí)行二次調(diào)壓程序,將下垂曲線切換為高檔,DG輸出電壓升高,使負(fù)載端電壓迅速升高。同理,在0.3 s減小負(fù)載后,由于下垂特性DG輸出電壓升高且達(dá)到了最大電壓閾值,再次執(zhí)行二次調(diào)壓程序,將下垂曲線切換回低檔,DG輸出電壓降低,使負(fù)載端電壓恢復(fù)正常。由表2可知,當(dāng)負(fù)載功率為16 kW時(shí),有調(diào)壓措施時(shí)負(fù)載端電壓偏差為-0.13%,與無(wú)調(diào)壓措施時(shí)-7.08%的電壓偏差相比有明顯改善。由此可見(jiàn),在有調(diào)壓措施的情況下增加或減小負(fù)載,微電網(wǎng)電壓波動(dòng)較小,驗(yàn)證了二次調(diào)壓策略的有效性。在調(diào)壓過(guò)程中,由于DG每10 ms檢測(cè)一次當(dāng)前輸出電壓,因此輸出電壓幅值會(huì)有短暫的低于最小電壓閾值或高于最大電壓閾值的情況,屬于正常現(xiàn)象。由圖11(c)可知,在整個(gè)投切負(fù)載的過(guò)程中,DG1和DG2總是同步調(diào)整下垂曲線截距,驗(yàn)證了基于衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)的下垂曲線同步調(diào)整方法的有效性。
將負(fù)載功率設(shè)置為4 kVar無(wú)功功率和12 kW有功功率,在低檔下垂曲線和高檔下垂曲線下,DG1和DG2的輸出功率如圖12所示。
圖12 不同下垂曲線下各DG輸出功率Fig.12 Output power of each DG under different droop curves
圖中:P1和Q1分別為DG1輸出有功功率和無(wú)功功率;P2和Q2分別為DG2輸出有功功率和無(wú)功功率。
DG1和DG2在低檔和高檔下垂曲線輸出功率對(duì)比如表3所示。
表3 各DG輸出功率對(duì)比Table 3 Comparison of output power of each DG
由圖12和表3可以看出,增加下垂曲線截距對(duì)功率分配影響較小,且可以提高DG輸出功率,目前有較多DG功率平均分配方法,本文不再針對(duì)功率分配進(jìn)行研究。
為進(jìn)一步驗(yàn)證所提策略有效性,搭建了包含兩臺(tái)30 kV?A逆變器和兩臺(tái)20 kV?A負(fù)載的微電網(wǎng),通過(guò)DL850E型錄波儀采集記錄數(shù)據(jù)。系統(tǒng)一次接線如圖9。圖13為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)照片。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)DG1,DG2和負(fù)載距離較近,可近似忽略線路阻抗影響,因此DG1與DG2采用相同的下垂參數(shù)和電壓閾值,I-U下垂曲線低檔為I=11-10U,高檔為I=11.83-10U,最小電壓閾值標(biāo)幺值為0.96 p.u.,最大電壓閾值標(biāo)幺值為1.06 p.u.,為方便查看實(shí)驗(yàn)波形,將實(shí)驗(yàn)中同步檢測(cè)電壓時(shí)間間隔設(shè)定為20 ms。
圖13 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)照片F(xiàn)ig.13 Photo of the experimental platform
實(shí)驗(yàn)中負(fù)載1和負(fù)載2均為6 kW,初始時(shí)僅投入負(fù)載1,一段時(shí)間后投入負(fù)載2,隨后再切除負(fù)載2。圖14為實(shí)驗(yàn)波形。
圖14 實(shí)驗(yàn)波形Fig.14 Experimental waveform
圖14(a)為無(wú)調(diào)壓措施實(shí)驗(yàn)波形,左側(cè)為投入負(fù)載2時(shí)實(shí)驗(yàn)波形,右側(cè)為切除負(fù)載2時(shí)實(shí)驗(yàn)波形。投入負(fù)載2前,負(fù)載端電壓幅值為546 V,投入負(fù)載2后,負(fù)載端電壓下降到509 V。增加負(fù)載會(huì)導(dǎo)致負(fù)載端電壓降低,與仿真現(xiàn)象一致,因此需要進(jìn)行二次調(diào)壓。圖14(b)為有調(diào)壓措施實(shí)驗(yàn)波形,左側(cè)為投入負(fù)載2時(shí)實(shí)驗(yàn)波形,投入負(fù)載2之前負(fù)載端電壓幅值為546 V,投入負(fù)載2后,負(fù)載端電壓出現(xiàn)短暫的電壓下降,DG輸出電壓達(dá)到最小電壓閾值,DG切換到高檔下垂曲線,使DG輸出電壓升高,負(fù)載端電壓恢復(fù)至543 V。右側(cè)為切除負(fù)載2時(shí)實(shí)驗(yàn)波形,在切除負(fù)載2后,負(fù)載端電壓出現(xiàn)短暫的電壓過(guò)高,DG輸出電壓達(dá)到最大電壓閾值,DG切換回低檔下垂曲線,負(fù)載端電壓恢復(fù)至546 V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致,驗(yàn)證了本文所提二次調(diào)壓策略的有效性。
針對(duì)同步定頻微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行模式時(shí),負(fù)荷變化會(huì)引起電壓波動(dòng),本文提出了一種微電網(wǎng)電壓二次調(diào)節(jié)方法,該方法在無(wú)通信的情況下通過(guò)檢測(cè)就地電壓幅值調(diào)整下垂曲線,實(shí)現(xiàn)對(duì)同步定頻微電網(wǎng)電壓的二次調(diào)節(jié)?;谛l(wèi)星授時(shí)信號(hào)提出一種同步調(diào)整下垂曲線的方法,使各DG同步調(diào)整下垂曲線。本文所提二次調(diào)壓策略對(duì)DG功率分配影響較小,且可以提高DG輸出功率。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在增加/減少負(fù)載功率后,本文提出的無(wú)通信二次調(diào)壓方法可以使負(fù)載端電壓始終處于設(shè)定的電壓閾值范圍內(nèi),驗(yàn)證了二次調(diào)壓策略的有效性。本文所提調(diào)壓策略易于實(shí)施,調(diào)壓過(guò)程迅速且無(wú)需通信,有較高的實(shí)用價(jià)值。