基于改進(jìn)下垂控制的微網(wǎng)運(yùn)行控制策略

徐瑞林， 徐 鑫， 鄭永偉， 陳民鈾， 李 闖

(1.重慶市電力公司電力科學(xué)研究院， 重慶 401123；2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044)

基于改進(jìn)下垂控制的微網(wǎng)運(yùn)行控制策略

徐瑞林1， 徐 鑫1， 鄭永偉2， 陳民鈾2， 李 闖2

(1.重慶市電力公司電力科學(xué)研究院， 重慶 401123；2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044)

針對(duì)傳統(tǒng)下垂控制器在微網(wǎng)并網(wǎng)模式運(yùn)行時(shí)受電網(wǎng)頻率或電壓幅值波動(dòng)的影響，難以實(shí)現(xiàn)恒功率輸出的問題，提出了一種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)實(shí)現(xiàn)恒功率輸出的控制策略。同時(shí)為平抑微網(wǎng)孤島模式運(yùn)行時(shí)因連網(wǎng)線路阻抗不同而產(chǎn)生的環(huán)流設(shè)計(jì)了無功環(huán)流抑制單元。此外，為了保證微網(wǎng)在運(yùn)行模式切換時(shí)平滑過渡而設(shè)計(jì)了預(yù)同步控制器。所提出的控制策略通過Matlab/Simulink仿真平臺(tái)驗(yàn)證了其正確性和可行性。

微網(wǎng)； 孤島模式； 并網(wǎng)模式； 平滑切換； 下垂控制

隨著石油和煤炭等能源價(jià)格的不斷上漲，世界各國不得不應(yīng)對(duì)能源危機(jī)帶來的挑戰(zhàn)[1]。分布式發(fā)電具有許多優(yōu)點(diǎn)，因此受到越來越多的關(guān)注。常見的分布式發(fā)電DG(distributed generator)技術(shù)包括風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、小水電、柴油發(fā)電機(jī)、燃料電池、微型燃料汽輪機(jī)、生物質(zhì)能發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、海洋能發(fā)電及各種儲(chǔ)能技術(shù)[2]。微電網(wǎng)的提出有效解決了各種分布式電源接入電網(wǎng)的影響，并提供高效、安全、可靠的電能供應(yīng)[3]。

微網(wǎng)具有兩種典型的運(yùn)行模式，即并網(wǎng)模式和孤島模式。兩種模式間平滑切換是保證微網(wǎng)安全過渡的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[4]提出了多臺(tái)不同容量的逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，通過合理設(shè)置下垂系數(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制，但沒有考慮連接線路阻抗不同而產(chǎn)生的環(huán)流的抑制。文獻(xiàn)[5]提出了雙模式逆變器，在孤島運(yùn)行時(shí)采用V/f控制，在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)采用PQ控制，雖符合微網(wǎng)運(yùn)行的需求，但前者屬于電壓控制，后者屬于電流控制，兩者的切換難度大，易導(dǎo)致切換失敗。文獻(xiàn)[6，7]設(shè)計(jì)了基于下垂特性的控制器，在兩種運(yùn)行模式下都采用下垂控制，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)會(huì)因電網(wǎng)電壓幅值和頻率偏離額定值導(dǎo)致分布式發(fā)電不能工作于額定運(yùn)行狀態(tài)，降低分布式能源的利用率。

本文在傳統(tǒng)下垂控制器的基礎(chǔ)上，首先添加了無功環(huán)流抑制單元以平抑微網(wǎng)孤島模式運(yùn)行時(shí)因連網(wǎng)線路阻抗不同而產(chǎn)生環(huán)流；其次，增加了下垂系數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)單元，使得微網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)下垂特性曲線的下垂系數(shù)能根據(jù)電網(wǎng)電壓幅值或頻率的波動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)在兩種運(yùn)行模式間平滑切換且在并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)能按照調(diào)度指令保持輸出功率恒定；再次，為了保證微網(wǎng)在運(yùn)行模式切換時(shí)平滑過渡，設(shè)計(jì)了預(yù)同步控制器。最后通過Matlab/Sinmulink仿真平臺(tái)對(duì)所提出的控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

DG構(gòu)成的微網(wǎng)與配電網(wǎng)連接示意圖如圖1所示，微網(wǎng)中控制系統(tǒng)MGCCS(micro-grid central control system)通過信號(hào)線(虛線)控制各斷路器(CB、CB1、CB2)。由圖1可知，微網(wǎng)由DG、逆變器、儲(chǔ)能設(shè)備、斷路器、負(fù)載、母線、線路構(gòu)成，根據(jù)負(fù)載的重要程度接在不同的母線上。DG具有隨機(jī)性，一般要求配備儲(chǔ)能裝置向負(fù)載提供高質(zhì)量電能，因此DG需要通過逆變器才能與常規(guī)配電網(wǎng)連接。本文主要研究逆變器的控制策略，為了簡化分析，假定逆變器直流側(cè)電壓已通過相應(yīng)的控制策略保持恒定，分析中用理想直流電壓源等效。

圖1 微網(wǎng)與配電網(wǎng)連接示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 孤島V/f下垂控制器設(shè)計(jì)

在低壓配電網(wǎng)中，線路傳輸?shù)挠泄β蔖主要取決于線路兩端的電壓差U1-U2，而無功功率Q則主要取決于線路兩端電壓的相位差δ[8]。文中采用LCL低通濾波器濾除SVPWM逆變器產(chǎn)生的高次諧波，受濾波器對(duì)功率傳輸特性的影響，采用的下垂控制方程[9]如下：

(1)

式中：U*和ω*分別為空載電壓和空載角頻率；n1、m1為孤島下垂系數(shù)；U、Q、ω、P為運(yùn)行參量。

當(dāng)微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，由于DG逆變器與母線間的線路長度各不相同，可能會(huì)在線路中產(chǎn)生環(huán)流，如不加環(huán)流抑制單元會(huì)增大線路損耗，甚至造成逆變器損壞。根據(jù)文獻(xiàn)[10]對(duì)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流特性的分析，得知線路壓降不等是產(chǎn)生無功環(huán)流的根本原因。為抑制環(huán)流，本文根據(jù)線路阻抗和流過線路的功率設(shè)計(jì)了無功環(huán)流抑制環(huán)節(jié)，其線路壓降計(jì)算公式[11]如下：

(2)

式中：Pline、Qline分別是流過線路的有功功率和無功功率；R、X分別是線路的電阻值和電抗值。利用測(cè)得的始端功率和始端電壓根據(jù)式(2)計(jì)算出線路壓降ΔUline加到空載電壓U*，使得逆變器輸出電壓升高，抵消連接線路電壓降，實(shí)現(xiàn)兩線路末端電位相等(在并聯(lián)處斷開時(shí)，兩端電壓差為零)，從而抑制無功環(huán)流。

2.2 并網(wǎng)PQ下垂控制器設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)容量相對(duì)于分布式電源容量可視為無窮大，當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行后，微網(wǎng)電壓和頻率都隨著配電網(wǎng)電壓和頻率的變化而變化。為了提高分布式能源的利用率，希望分布式電源能夠不受配電網(wǎng)電壓和頻率波動(dòng)的影響而采用PQ控制方式保持輸出功率恒定。本文通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)實(shí)現(xiàn)分布式電源輸出功率恒定。現(xiàn)以圖2(a)為例介紹其基本原理如下：當(dāng)配電網(wǎng)受到干擾使電壓幅值增大時(shí)，逆變器運(yùn)行點(diǎn)由a變到b使得DG輸出的無功功率Q減小，通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)單元減小U/Q下垂系數(shù)n使逆變器從工作于下垂曲線1切換到工作于下垂曲線2，即運(yùn)行點(diǎn)從b變到c，此時(shí)DG輸出的無功功率返回到原來的值Q1，從而實(shí)現(xiàn)了恒無功功率輸出。同理也可以分析配電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)P/ω下垂系數(shù)使有功功率輸出恒定。

圖2 下垂特性

根據(jù)式(1)，可以推出并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(3)

式中：Ugrid、ωgrid為配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電壓和角頻率；n2、m2為動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的下垂系數(shù)，能夠跟隨Ugrid、ωgrid的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)額定功率輸出；Pn、Qn為額定功率，也可以為調(diào)度功率。

當(dāng)微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，把下垂系數(shù)n1、m1切換為能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的下垂系數(shù)n2、m2，即并網(wǎng)時(shí)采用的下垂控制方程如下：

(4)

當(dāng)Ugrid增大時(shí)，Q小于Qn，根據(jù)式(3)動(dòng)態(tài)減小n2，逆變器參考電壓U增大，使得逆變器輸出功率Q增大，當(dāng)Q不等于Qn時(shí)，逆變器參考電壓U繼續(xù)增大，直到Q=Qn時(shí)，參考電壓U=Ugrid，從而實(shí)現(xiàn)輸出無功功率恒定。反之則亦然。

當(dāng)ωgrid減小時(shí)，P大于Pn，根據(jù)式(3)動(dòng)態(tài)增大m2，逆變器參考角頻率減小，功率角δ也相應(yīng)地減小，使得逆變器輸出有功功率P減小，直到P=Pn時(shí)，逆變器參考角頻率ω=ωgrid，實(shí)現(xiàn)有功功率恒定。

2.3 預(yù)同步控制器設(shè)計(jì)

微網(wǎng)并網(wǎng)過程需要解決的問題是如何運(yùn)行DG，并將其很好地接入到當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)。要實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，則要求兩者有相同的頻率、電壓幅值和相位。預(yù)同步并網(wǎng)控制器就是對(duì)該幅值、相位和頻率進(jìn)行檢測(cè)并控制在可接受的范圍內(nèi)[12]。本文設(shè)計(jì)的預(yù)同步控制器根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓信號(hào)，計(jì)算出電壓相位差和幅值差，再根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)的位置分別送入相應(yīng)的DG逆變器控制器，分別采用壓差控制技術(shù)和鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)[13]，使并網(wǎng)點(diǎn)滿足并網(wǎng)運(yùn)行條件。現(xiàn)以微網(wǎng)與配電網(wǎng)間的斷路器CB為例進(jìn)行說明，其預(yù)同步控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 預(yù)同步控制器結(jié)構(gòu)

在圖3中，配電網(wǎng)電壓Ugrid和微網(wǎng)電壓Umg經(jīng)幅值和相位計(jì)算單元分別求出其兩者的差值，再將差值分別送入DG1和DG2逆變器控制器，當(dāng)兩者小于并網(wǎng)運(yùn)行條件設(shè)定值時(shí)，發(fā)出斷路器CB合閘指令，斷路器CB合閘操作，從而微網(wǎng)與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。這種控制策略減少了接于微網(wǎng)母線負(fù)載的停電時(shí)間，提高了微網(wǎng)的可靠性。

經(jīng)過前面三點(diǎn)改進(jìn)后的下垂控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。開關(guān)S1、S2、S3根據(jù)微網(wǎng)的運(yùn)行模式接入不同環(huán)節(jié)。S1接入不同的下垂系數(shù)，當(dāng)微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，S1接入m1、n1；當(dāng)微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，S1接入動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的下垂系數(shù)m2、n2。S2投切預(yù)同步控制單元，當(dāng)逆變器從孤島到并網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)，才閉合S2；當(dāng)并網(wǎng)完成后，S2斷開。S3投切環(huán)流抑制單元，只有當(dāng)逆變器孤島運(yùn)行時(shí)，S3閉合，其余時(shí)間都處于斷開狀態(tài)。

圖4 改進(jìn)的下垂控制器結(jié)構(gòu)

3 算例仿真分析

針對(duì)本文提出的對(duì)傳統(tǒng)下垂控制器的三點(diǎn)改進(jìn)，利用Matlab/Simulink仿真軟件對(duì)微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)無功環(huán)流的抑制、微網(wǎng)并網(wǎng)過渡時(shí)的并網(wǎng)控制、微網(wǎng)并網(wǎng)后的恒功率輸出和微網(wǎng)全運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其微網(wǎng)仿真模型按圖1構(gòu)建，主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 微網(wǎng)仿真主要參數(shù)

3.1 孤島無功環(huán)流抑制仿真

微網(wǎng)仿真參數(shù)如表1所示。微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，在0.4 s投入無功環(huán)流抑制環(huán)節(jié)，其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 孤島無功環(huán)流抑制效果

從圖5可知，在0.4 s以前(屬于傳統(tǒng)下垂控制器)，其環(huán)流為1.2 A，而在0.4 s以后(屬于改進(jìn)后的下垂控制器)，其環(huán)流下降為0.4 A。無功環(huán)流抑制環(huán)節(jié)的投入有效地抑制了環(huán)流，從而有利于逆變器的安全運(yùn)行。

3.2 并網(wǎng)過渡控制仿真

微網(wǎng)先處于孤島運(yùn)行狀態(tài)。在0.5 s時(shí)，MGCCS發(fā)出微網(wǎng)和配網(wǎng)預(yù)同步指令。以微網(wǎng)和配網(wǎng)(CB斷路器兩端)的A相相電壓為代表的預(yù)同步過程如圖6所示。

從圖6可以看出，在0.5 s時(shí)MGCCS發(fā)出預(yù)同步指令，微網(wǎng)和配網(wǎng)的相位相差90°，經(jīng)過約0.7 s(1.2 s處)后，兩者的電壓相位和幅度差異都滿足并網(wǎng)要求，MGCCS發(fā)出CB合閘指令，微網(wǎng)進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

圖6 微網(wǎng)和配網(wǎng)的A相相電壓預(yù)同步過程

3.3 并網(wǎng)后恒功率輸出仿真

在1.2 s以后，微網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)t∈[12 s 3.8 s]時(shí)，控制器屬于傳統(tǒng)下垂控制器，在2.2 s配網(wǎng)受到干擾導(dǎo)致電壓升高3.8 V，3.0 s干擾消除。當(dāng)3.8 s后投入下垂系數(shù)調(diào)節(jié)單元，在t∈[3.8 s 6 s]屬于改進(jìn)后的下垂控制器，其間4.0 s時(shí)，配電網(wǎng)受干擾電壓升高3.8 V，4.5 s后干擾消除，5 s時(shí)，負(fù)載Load增大到13 kW、11 kvar。其仿真結(jié)果如圖7所示。

(a) 有功功率變化情況

(b) 無功功率變化情況

從圖7可知，在t∈[1.2 s 3.8 s]時(shí)，有功功率雖沒有受到配網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，但DG1沒有處于額定功率輸出。在t∈[3.8 s 6 s]時(shí)，DG1和DG2都處于額定輸出狀態(tài)。從圖(b)可以明顯地看出：在t∈[1.2 s 3.8 s]時(shí)，DG輸出的無功功率受到配電網(wǎng)電壓的影響波動(dòng)較大，而在t∈[3.8 s 6 s]時(shí)，DG輸出的無功功率不受配電網(wǎng)電壓和Load負(fù)載變化的影響，始終保持額定恒功率輸出。仿真結(jié)果證明了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)并網(wǎng)后，各分布式電源恒功率輸出策略的正確性和有效性。

3.4 微網(wǎng)全運(yùn)行狀態(tài)仿真

假設(shè)微網(wǎng)初始處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，其微網(wǎng)全運(yùn)行狀態(tài)仿真過程如下：

t=0.4 s：MGCCS發(fā)出指令投入環(huán)流抑制單元；

t=0.8 s：MGCCS發(fā)出并網(wǎng)指令。此時(shí)并網(wǎng)預(yù)同步控制器開始投入，計(jì)算并網(wǎng)點(diǎn)CB兩端的電壓差值與相位差值,送 入inv1和inv2；

t=1.73 s：預(yù)同步控制器檢測(cè)到電壓幅值差和相位差同時(shí)小于設(shè)定值，MGCCS發(fā)出CB合閘指令。為了更清楚顯示改進(jìn)下垂控制器的效果，將下垂系數(shù)調(diào)節(jié)單元延時(shí)0.5 s投入；

t=3.0 s：Load由3 kW、3 kvar增到13 kW、11 kvar；

t=4.0 s：load變回到原來的值，即：3 kW、3 kvar；

t=4.5 s：因配電網(wǎng)受到干擾，頻率從50 Hz增大到50.2 Hz；

t=5.0 s：干擾消除，配電網(wǎng)頻率恢復(fù)到50 Hz；

t=5.5 s：MGCCS檢測(cè)到配電網(wǎng)發(fā)生故障，發(fā)出CB斷開指令；

t=6.0 s：Load又增加到13 kW、11 kvar；

t=7.0 s：環(huán)流抑制環(huán)節(jié)投入運(yùn)行；

t=8.0 s：仿真結(jié)束。

在仿真結(jié)果圖8中，DG1、DG2、Grid、Load曲線分別為分布式電源1、分布式電源2、配電網(wǎng)輸出和微網(wǎng)母線負(fù)載Load吸收的相應(yīng)的功率，Line1和Line2曲線為流過線路1和2的功率。

(a) 各單元輸出的有功功率

(b) 各單元輸出的無功功率

(c) 分布式電源DG輸出的線電流

(d) 母線上的線電壓

上面的算例仿真了微網(wǎng)的多個(gè)運(yùn)行狀態(tài)。從圖8(c)中可知：并網(wǎng)運(yùn)行瞬間產(chǎn)生的沖擊電流比較小。從圖8(a)、(b)可知：在2 s到4.5 s并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，DG1和DG2能夠?qū)崿F(xiàn)額定功率輸出。在時(shí)間區(qū)間[2.1 s 3 s]和[4 s 5.5 s]內(nèi)，配電網(wǎng)在吸收有功功率，發(fā)出無功功率。在[3 s 4 s]內(nèi)，由于負(fù)載Load增大，增加的功率由配電網(wǎng)提供，DG1和DG2的輸出功率保持不變。在4.5 s至5 s期間，受到配電網(wǎng)頻率波動(dòng)的影響，經(jīng)過過渡時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)恒功率輸出。從圖8(d)中可清楚地看到：整個(gè)仿真運(yùn)行過程中，電壓幅值的變化都在[367 V 385 V]內(nèi)，滿足電能質(zhì)量要求。

4 結(jié)語

針對(duì)連網(wǎng)線路阻抗不同而產(chǎn)生的環(huán)流，設(shè)計(jì)了無功環(huán)流抑制單元，并簡述了傳統(tǒng)下垂控制方法的基本原理。當(dāng)分布式電源處于并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，受到配電網(wǎng)電壓和頻率波動(dòng)的影響，傳統(tǒng)下垂控制器無法實(shí)現(xiàn)恒功率輸出，通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)了分布式電源的恒功率輸出。預(yù)同步控制器的應(yīng)用減少了并網(wǎng)同步過渡運(yùn)行時(shí)間，并且保證了運(yùn)行模式切換的平滑過渡。利用Matlab/Simulink仿真軟件的算例仿真結(jié)果說明了控制策略的正確性和可行性。

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徐瑞林(1965-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制工作。Email:xr1_cq@163.com

徐 鑫(1981-)，男，博士，主要從事電力系統(tǒng)通信相關(guān)工作。Email:xuxin_cq@163.com

鄭永偉(1985-)，男，碩士研究生，通信作者，研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電技術(shù)、微電網(wǎng)運(yùn)行與控制。Email:aoyun200888pm8@126.com

陳民鈾(1954-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄芸刂啤⒂?jì)算智能及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。Email:minyouchen@cqu.edu.cn

ImprovedDroopControlSchemeforMicro-gridOperation

XU Rui-lin1， XU Xin1， ZHENG Yong-wei2， CHEN Min-you2， Li Chuang2

(1.Chongqing Power Corporation Electric Power Research Institute,Chongqing 401123, China；2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment amp; System Security and New Technology (Chongqing University), Chongqing 400044, China)

The conventional droop controller is difficult to achieve the constant power output on the micro-grid grid-connected operation mode when the frequency or voltage magnitude of the grid fluctuate, the improved droop control scheme which can dynamically adjust the drooping coefficient is proposed for realizing the constant power output on grid-connected mode. At the same time, a suppressor is designed to suppress the reactive circulation current on island operation mode caused by the different connection impedance. Moreover, a pre-synchronizing controller is designed for insuring micro-grid smooth transition between the island operation mode and grid-connected operation mode. Lastly, the proposed control scheme have been validated in accuracy and feasibility by Matlab/Simulink simulation.

micro-grid； island mode； grid-connected mode； smooth transition； droop control

TM727

A

1003-8930(2012)06-0014-06

2011-11-09；

2011-12-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177177)；重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目(CSTC2011AC3076)