[關(guān)鍵詞]孤島微電網(wǎng)；下垂控制；虛擬阻抗

引言

在廣泛建設(shè)電力系統(tǒng)的過程中，我國的能源資源等逐漸呈現(xiàn)出較為明顯的緊缺局面。解決能源短缺，創(chuàng)造清潔電力能源成為了我國當(dāng)前發(fā)展的首要目標(biāo)?；诖?，全新的微電網(wǎng)應(yīng)運而生，它可以通過分布式電源、儲能裝置等眾多設(shè)備結(jié)構(gòu)組成小型發(fā)配電系統(tǒng)。但微電網(wǎng)處于孤島狀態(tài)，為了使其長期保持穩(wěn)定的負(fù)荷運行狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的控制策略。常見的應(yīng)對策略為下垂控制方式，它能夠確保微電網(wǎng)在面對各類緊急事故或自然災(zāi)害時始終保持穩(wěn)定運行。但隨著微電網(wǎng)的發(fā)展，下垂控制技術(shù)也呈現(xiàn)出一定的不足，急需加以優(yōu)化。

一、微電網(wǎng)下垂控制技術(shù)原理

通過并聯(lián)多個微電源所形成的電網(wǎng)系統(tǒng)就是微電網(wǎng)。為了滿足無通信狀態(tài)下的微電源電壓與頻率控制，一般可采用下垂控制技術(shù)。其原理是通過比較微電源輸出功率及負(fù)荷實際消耗功率的方式，根據(jù)下垂特性對電壓與頻率賦值輸出的參考值進(jìn)行計算，進(jìn)而在對頻率賦值及電壓加以調(diào)整的過程中，獲得負(fù)荷消耗功率值與輸出功率值的平衡狀態(tài)。

這一控制過程建立在微電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗的基礎(chǔ)上，若此時微電網(wǎng)沒有產(chǎn)生超過負(fù)荷消耗有功功率參數(shù)值的有功功率，此時則需要通過P/f完成對下垂特性的有效控制，促使輸出頻率不斷降低，使輸出的有功功率保持相對較高的狀態(tài)。若與之相反，微電源生成了比負(fù)荷消耗功率值相對更大的有功輸出功率，則可通過升高頻率的方式減小輸出功率。同理，若微電源形成了差異性的負(fù)荷消耗以及無功功率，則可按照QN下垂特性對電壓幅值進(jìn)行調(diào)整。通過反復(fù)調(diào)節(jié)的方式，達(dá)到最終的期望運行工作點。

具體的計算主要是基于下垂控制方法，先由功率計算模塊進(jìn)行測量，隨即獲得相應(yīng)的負(fù)載端電壓及凈輸出電流。表現(xiàn)在對微電源當(dāng)前有功輸出功率以及無功功率分別進(jìn)行計算，進(jìn)而對比設(shè)定的無功功率與參考功率，結(jié)合下垂控制曲線獲得指令電壓以及指令頻率，隨后分別處理電壓以及電流，并通過電壓及電流雙環(huán)控制器調(diào)節(jié)PI，最終獲取正弦調(diào)制信號。

二、下垂控制技術(shù)的局限

作為在微電網(wǎng)中最為有效的控制方法，下垂控制可滿足自主控制需求，即在無通信狀態(tài)下也能夠根據(jù)電網(wǎng)的運行情況自動進(jìn)行控制。但是傳統(tǒng)下垂控制有一定不足之處，這是由于其通過對輸出電壓及頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)從而獲取無功以及有功，因此在增加輸出功率時，可能會對電壓以及頻率產(chǎn)生影響導(dǎo)致其參數(shù)下降。由于接口逆變器具有差異性的線路阻抗，會對功率均分效果產(chǎn)生直接影響，具有較小線路阻抗的逆變器承擔(dān)的功率相對更多，反之若阻抗較大，則功率相對較小。當(dāng)微電網(wǎng)運行時，基于多個并聯(lián)微電源的構(gòu)成形式，可通過簡化逆變器并聯(lián)運行模型的方式加以分析。利用下垂控制微電網(wǎng)時，能夠使PCC電壓與逆變器輸出電壓向量之間具有相對較小的夾角。

為保證微電源能夠按照既定的比例合理分配微電源的逆變器輸出功率，不僅需要保障逆變器具有與參考電壓一致的參考頻率，還要求逆變器輸出下垂系數(shù)與容量之間具有反比關(guān)系，輸出端的阻抗與下垂系數(shù)之間保持正比關(guān)系。當(dāng)微電網(wǎng)處于正常運行狀態(tài)時，由于其具有低壓特征，此時的逆變器呈現(xiàn)出阻感性或是阻性等輸出線路特征，既難以滿足相同相位以及電壓幅值的輸出要求，又無法滿足下垂系數(shù)與輸出端線路阻抗正比的關(guān)系。同時由于下垂控制具有較快速度導(dǎo)致電壓或頻率等穩(wěn)定性較差，此時即使較小的負(fù)荷波動也可能會造成參數(shù)突變，進(jìn)而為孤島微電網(wǎng)的供電效果產(chǎn)生影響，從而無法滿足正常運行要求。

三、下垂控制策略優(yōu)化設(shè)計

（一）下垂控制機制設(shè)計

基于上文對下垂控制原理的分析，通過對逆變器的電壓幅值以及輸出頻率加以調(diào)整，可以促使二者保持良好平衡，確保對電網(wǎng)負(fù)荷及發(fā)電功率有效控制。鑒于下垂控制在以往的應(yīng)用過程中存在著一定的不足，為保障下垂控制在微電網(wǎng)的運行過程中始終保持良好的應(yīng)用狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)對其下垂控制進(jìn)行優(yōu)化?；诖?，本文提出一種全新的虛擬阻抗自適應(yīng)控制策略，其主要目的是在以往的下垂控制原理基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬阻抗應(yīng)用理念，滿足自適應(yīng)的有效調(diào)整需求，并進(jìn)一步根據(jù)微電網(wǎng)運行的基礎(chǔ)測試需求，精準(zhǔn)計算下垂系數(shù)。

通過對微電網(wǎng)下垂控制中的阻抗控制范圍進(jìn)行采集，并根據(jù)微電網(wǎng)運行中的負(fù)荷值及實際控制范圍精準(zhǔn)計算下垂系數(shù)，可以在下垂控制與虛擬阻抗相結(jié)合的全新模式下，通過對微電網(wǎng)的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，進(jìn)而對下垂系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保下垂控制能夠充分滿足微電網(wǎng)差異性的運行要求及環(huán)境負(fù)荷參數(shù)。對微電網(wǎng)的發(fā)電功率及實時運行負(fù)荷進(jìn)行采集，還可以對頻率的偏差情況進(jìn)行計算。公式表示為：

K=S2+D2/D1（1）

在公式（1）中，S表示為微電網(wǎng)產(chǎn)生的電壓偏差；D1和D2則分別為電網(wǎng)運行過程中的初始電壓幅值及實測電壓幅值；K表示微電網(wǎng)運行的頻率偏差。根據(jù)當(dāng)前測定所得的具體成果，可在對電壓幅值進(jìn)行調(diào)整的同時控制輸出頻率，進(jìn)而對下垂控制當(dāng)前的頻率特征進(jìn)行分析。

根據(jù)圖1的內(nèi)容進(jìn)一步對比處于虛擬阻抗的下垂控制頻率變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在增加下垂控制次數(shù)的過程中，微電網(wǎng)逆變器的實際覆蓋范圍也得到了擴大，且運行速度也有了相應(yīng)提高。基于此，則可以設(shè)計下垂控制技術(shù)。由于逆變器發(fā)生相互作用，可以構(gòu)成完整的交互網(wǎng)絡(luò)并促使微電網(wǎng)始終保持良好的平穩(wěn)運行狀態(tài)。因此，設(shè)計下垂控制機制的核心在于調(diào)節(jié)逆變器電壓幅值以及其對應(yīng)輸出頻率，使其保持平衡的功率負(fù)荷狀態(tài)。若微電網(wǎng)中出現(xiàn)明顯的負(fù)荷變化情況，受到控制機制的影響，可在最短時間內(nèi)根據(jù)這一現(xiàn)象快速做出反饋，及時對逆變器的電壓及輸出頻率等作出調(diào)節(jié)反應(yīng)，保持平衡的功率與負(fù)荷參數(shù)，促使孤島微電網(wǎng)保持安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)。此外，通過下垂控制機制的設(shè)計，可以重啟故障逆變器，若發(fā)現(xiàn)無法重啟，則可對其進(jìn)行自動隔離。當(dāng)微電網(wǎng)運行中，某一逆變器發(fā)生故障無法正常運行時，可以通過下垂控制及時檢測，并通過對其他逆變器進(jìn)行調(diào)整的方式，重啟故障設(shè)備并進(jìn)行隔離，保障控制環(huán)境始終處于較為良好的狀態(tài)。

（二）下垂控制模型

在設(shè)計完下垂控制的交互機制之后，需要為下垂控制創(chuàng)建模型。具體可以建立在結(jié)合虛擬阻抗應(yīng)用過程中所形成的自適應(yīng)狀態(tài)，根據(jù)孤島微電網(wǎng)運行狀態(tài)下的使用需求，創(chuàng)建基于逆變器并聯(lián)的控制模型。第一步可以根據(jù)多代理系統(tǒng)特征，按照分布式問題的形式，對微電網(wǎng)運行設(shè)備故障檢測以及控制進(jìn)行轉(zhuǎn)化，即將孤島微電網(wǎng)設(shè)備當(dāng)作多個不同的智能代理，并為其創(chuàng)建相應(yīng)的智能控制器，從而集中控制孤島微電網(wǎng)中的各項設(shè)備結(jié)構(gòu)，并對微電網(wǎng)整體進(jìn)行有效的監(jiān)測。第二步則可以基于虛擬阻抗的接引與應(yīng)用，在下垂控制當(dāng)中進(jìn)行連接。在模型當(dāng)中，將虛擬阻抗看做可變阻抗，同樣具有對逆變器電壓幅值及輸出頻率加以調(diào)節(jié)控制的作用。不僅如此，虛擬阻抗的參數(shù)值可以根據(jù)微電網(wǎng)的實時運行狀態(tài)進(jìn)行自動分析，進(jìn)而自動啟動適應(yīng)性調(diào)節(jié)功能，使微電網(wǎng)整體呈現(xiàn)出更加良好的運行狀態(tài)。此時所構(gòu)成的虛擬阻抗參數(shù)如表1所示。

對上表中的數(shù)據(jù)展開進(jìn)一步的研究分析，可知調(diào)整虛擬阻抗的既定參數(shù)后，可以通過并聯(lián)具有相同容量逆變器的方式，對逆變器的環(huán)流分量進(jìn)行檢驗測定。這一過程涉及到的參數(shù)包括下垂控制在微電網(wǎng)進(jìn)行控制時的初始范圍參數(shù)及實際范圍參數(shù)，因此，不僅需要對下垂控制過程中的范圍動態(tài)延伸變化參數(shù)進(jìn)行采集統(tǒng)籌，并結(jié)合虛擬阻抗與微電網(wǎng)的距離參數(shù)精確計算逆變器當(dāng)前的實際環(huán)流分量參數(shù)，還需要根據(jù)實際測定結(jié)果，結(jié)合環(huán)流分量參數(shù)的變化動態(tài)，對孤島微電網(wǎng)逆變器現(xiàn)有運行參數(shù)加以界定，進(jìn)而分析判斷逆變器處于何種運行狀態(tài)，從而為下垂控制的虛擬阻抗自適應(yīng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的控制范圍，并生成對應(yīng)模型。

該模型應(yīng)當(dāng)包含基于虛擬阻抗下垂控制對于微電網(wǎng)能夠產(chǎn)生的動態(tài)可控范圍且該模型應(yīng)當(dāng)能夠通過計算虛擬阻抗的感應(yīng)頻率與阻抗實際感應(yīng)范圍的比值，并計算虛擬阻抗單項距離與阻抗差值之間的乘積，將這兩個參數(shù)相乘，得到虛擬阻抗自適應(yīng)設(shè)計的最低限度值。經(jīng)過計算，可以利用虛擬阻抗在微電網(wǎng)的下垂控制，形成自適應(yīng)的運行效果，從而生成優(yōu)化模型。隨后在模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)整定向，以確保下垂控制模型可在孤島微電網(wǎng)運行過程中形成更加快速的故障檢測效率，從而有效縮短故障檢測響應(yīng)時間，確保微電網(wǎng)在運行中出現(xiàn)任何故障問題時，均可在較短時間內(nèi)解決。此外，該模型還能夠及時隔離故障設(shè)備并重啟，從而避免設(shè)備故障引發(fā)微電網(wǎng)整體發(fā)電損失。

（三）補償核驗

完成下垂控制的虛擬阻抗優(yōu)化建模之后，需要確保下垂控制應(yīng)用于微電網(wǎng)時能夠形成較為良好的自適應(yīng)狀態(tài)，從而縮短故障檢測時間，這需要通過補償核驗的方式加以處理。通過對微電網(wǎng)運行過程中的電壓偏差及輸出頻率進(jìn)行實時監(jiān)測記錄的方式，結(jié)合對逆變器相位參數(shù)以及輸出功率的動態(tài)測量記錄值，對當(dāng)前下垂控制模型對微電網(wǎng)起到的下垂控制效果加以分析。若發(fā)現(xiàn)下垂控制出現(xiàn)一定的偏差，則可通過補償核驗的方式進(jìn)一步調(diào)整下垂控制策略。

根據(jù)以往相關(guān)工作案例進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，微電網(wǎng)逆變器往往具有一定的運行規(guī)律。因此，當(dāng)下垂控制策略發(fā)揮其作用時，可利用補償核驗的方式，通過編制適應(yīng)下垂控制策略的核驗機制，進(jìn)一步補償下垂控制過程中所產(chǎn)生的誤差并科學(xué)修正處理。具體而言，補償核驗的具體流程為：首先，設(shè)定同類目標(biāo)作為既定補償目標(biāo)；其次，對其展開修正處理，并開啟下垂控制，實現(xiàn)對各個節(jié)點的有效關(guān)聯(lián)；最后，根據(jù)微電網(wǎng)下垂控制過程中的電壓偏差、相位偏差及頻率偏差等，對補償修正范圍進(jìn)行設(shè)置。

（四）控制效果檢驗

為了驗證本文提出的虛擬阻抗自適應(yīng)下垂控制策略是否具有良好的應(yīng)用效果，本文以某孤島微電網(wǎng)為例進(jìn)一步展開實地研究。該孤島微電網(wǎng)從發(fā)電機直出供電，供電參數(shù)為6.3 kV，期間通過升壓變壓器給平臺供電，再通過單點電滑環(huán)，升至15.2 kV，電滑環(huán)的最大功率為10 MW，發(fā)電機最大功率為7.6 MW。電網(wǎng)整體為中性點不接地系統(tǒng)，無零線，包含火線與地線。通過搭建測試環(huán)境，選定輔助平臺，根據(jù)上述微電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)設(shè)定仿真測試目標(biāo)，隨后標(biāo)定處于協(xié)同控制及單項控制下的電網(wǎng)輸出頻率及波動比測試指標(biāo)后，經(jīng)過實際測試結(jié)果分析得出，經(jīng)過與虛擬阻抗相結(jié)合之后，基于自適應(yīng)狀態(tài)，可控制在1.05以下的控制補償差。這一結(jié)果證明經(jīng)過優(yōu)化之后的下垂控制方法能夠?qū)ξ㈦娋W(wǎng)運行故障起到更加高效的檢測作用，下垂控制效果良好，可以保障微電網(wǎng)穩(wěn)定運行，具有良好應(yīng)用價值。

結(jié)語

作為當(dāng)前階段清潔能源的主要應(yīng)用形式，微電網(wǎng)對于電力系統(tǒng)的創(chuàng)新建設(shè)具有重要意義。孤島微電網(wǎng)作為微電網(wǎng)運行狀態(tài)中的一種特殊形式，對于運行穩(wěn)定性提出了更高的要求。為了滿足孤島微電網(wǎng)的運行需求，需要對下垂控制策略進(jìn)行必要的優(yōu)化，通過設(shè)計結(jié)合虛擬阻抗的全新自適應(yīng)性下垂控制策略，將其應(yīng)用到孤島微電網(wǎng)中，能夠取得良好的控制效果，促進(jìn)微電網(wǎng)事業(yè)健康發(fā)展。