逆變電源在微網中的控制策略仿真研究*

張 淳，潘再平

（浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

0 引 言

微網將一定區域內的分布式電源組織起來，形成了一個微型電網為本地區的負載供電或與大電網連接。而在一些偏遠地區或島嶼上，則更希望能充分利用各個分布式電源，實現能量的自給自足。在獨立運行期間，微網中風能、光伏等所占比例較大時，因其自身的不穩定性，會出現能量供需不平衡的情況，引起微網電壓的變化。因此，系統中需要有功率可調的電源，隨時根據電網運行情況增大或減小輸出功率，維持系統能量平衡。

微網的典型工作方式分并網運行、孤島運行以及二者切換幾個狀態，構成微網的分布式電源多通過電力電子器件與電網連接。逆變器的控制方法主要包括恒壓恒頻（V/f）、恒功率（PQ）和下垂（droop）控制。3種控制方法各有特點：V/f 控制能直接控制輸出電壓和頻率，適用于主從策略中主要發電單元的控制；PQ 控制能夠直接控制有功功率和無功功率，使其按照指定的參考值向微網傳遞能量，但需電網自身能維持電壓，適合于功率比例較小的分布式電源應用；而droop控制利用感性線路阻抗下并聯電源輸出有功功率與頻率、無功功率與電壓幅值近似呈下垂曲線的特性，根據輸出功率改變電壓和頻率或者反向應用。其中，droop 控制是借鑒了以SPWM 逆變器為接口的不間斷電源（UPS）的均流控制方法，能夠在各發電單元無相互通信前提下，實現并聯運行，合理分配負載功率，保持系統穩定。

針對微網控制策略已有多篇文章論述。文獻[1-3]分別從小信號和向量等角度建立數學模型，為控制參數優化等微網研究提供了依據。文獻[4]針對以并網運行為常態的微網在孤島運行強制發生時，系統如何自動維持穩定以及其中儲能元件的作用加以分析；文獻[5]則針對傳統V/f 下垂控制的不足，基于V/δ加以改進修正，在孤島運行中有效跟蹤功率變化動態特性，優化微網內部負荷分配，但僅限于對有功功率的研究；文獻[6]介紹了微網工作模式切換中電源網側變流器的控制方式，即在PQ 和V/f 兩種方式中選擇切換，但對象只針對單一電源；文獻[7]則針對低壓電網中因線路阻抗近似呈阻性而導致電源輸出有功無功不解耦的情況，采取了適當變換進行解耦，并完成了基于小信號的穩定性分析。

本研究則基于線路阻抗等效為感性條件下，針對微網處于孤島運行中電壓頻率的維持，以及各電源輸出的有功和無功分配，進行仿真分析。

1 微網結構與控制原理

1.1 微網結構

微網結構如圖1 所示[8]，由直流源代替分布式發電電源中整流后的輸出，經三相逆變器和LC 濾波后逆變成三相交流電與交流母線相連，連結成微網獨立為負載供電。此時，微網與大電網間的開關處于關斷狀態[9]。

1.2 下垂控制原理與公式

對于并聯電源，其輸出功率存在以下關系式[10]：

圖1 微網結構

式中：i—電源編號，U—微網電壓，Ui—電源端口輸出電壓，δi—電源端口電壓Ui與微網電壓U 的相位差，Li—輸出阻抗。

因為逆變器的輸出阻抗大多為高度感性，筆者將其等效為感抗。一般相位差δ都很小，可有sinδ≈ δ，而相位差 δ與頻率 f 成正比，故存在P 與 f 之間的下垂特性關系，同理Q/U 下垂特性也存在。本研究考慮微網中分布式電源與內部負荷的動態變化，還增加了下垂控制修正項，用以提高系統穩定性。下垂控制公式為：

式中：a,b—頻率和電壓幅值的下垂系數，其值為負；a′,b′—修正項系數；f0，U0—額定條件下的頻率與電壓幅值；P0，Q0—額定條件下電源的輸出有功功率和無功功率，大小由電源容量不同而異，其非零值的設置保證即使在微網內功率平衡或者與大電網并網狀態下電源仍保持一定功率輸送；P，Q—由當前輸出電壓、電流經計算而得到的有功功率和無功功率；f*，U*—當前狀態下，頻率和電壓幅值的參考值。

可調電源功率參考值的計算由幾部分構成：頻率波動反映的功率補償值，輸出端電壓跌落反映的功率補償值和額定功率。系統內其他電源功率偏差造成了頻率波動，可反向利用下垂特性，估算出一個功率補償值；而同時由公式（1）可知，電源輸出功率不僅與頻率近似成正比，且與輸出端電壓Ui也呈正相關，電源的輸出端電壓的差值也能夠一定程度上反映出當前微網中功率的缺失狀況，用于可調電源有功功率參考值的計算中。無功功率則可由下垂特性曲線，根據端電壓差值獲得。故用于估算可調電源功率參考值的公式為：

式中：m2—電壓與有功的比例系數；m1，n—下垂系數的倒數，但此處的下垂系數與其他電源無關，而是針對整個微網內部中有功與頻率、無功與電壓幅值間的對應關系確定的。

一般來說，每單位赫茲頻率的偏差所反映的整個微網內有功功率的偏差應大于單個電源，電壓幅值與無功功率的關系情況相同，故具體數值應另行設置。

2 控制策略與方案

2.1 綜合控制方案

在微網孤島運行中，下垂控制的應用實現了各并聯電源的均流，避免了環流，同時共同參與了微網電壓的調節。但對于一個實際的微網，一般會令風電、光伏等處于最大功率狀態工作，此時電源的輸出有功功率受電源側（如風力發電機機側變流器、光伏DC/DC 電路）的控制結果直接影響。由于自然環境中風速、光照強度的不確定性，加之負載的變化，微網系統中需要由可調電源隨時根據電壓頻率情況調節輸出功率。文獻[4]與文獻[9]的方法是通過中央控制器輸出可調電源功率的參考值，令可調電源以恒功率方式工作，該方法對通訊要求較高，不適合基層分布式電源的自動化控制。如果不依賴中央控制器，而是在可調電源控制器處就根據輸出端電壓的情況將下垂特性曲線反向應用，自動修正輸出功率參考值，則理論上可以彌補微網能量的不平衡，減小電壓和頻率的浮動。

故本研究提出一個微網綜合控制方案，其系統結構框圖如圖1 所示，令一部分電源（DG1、DG2）以最大功率輸出，逆變器采用下垂控制，有功功率參考值就采用當前電源的最大功率，無功功率參考值根據各電源容量設定；而可調電源（DG3）則通過檢測電網電壓的頻率和幅值，先根據微網整體的下垂曲線估計得到功率參考值，再依據電源自身容量所具有的下垂特性調整輸出電壓幅值和頻率。該方案使逆變電源全部參與了微網系統電壓的調節，適用于多個逆變電源并聯但缺少大比例穩定電源的情況。

2.2 逆變器控制策略

下垂控制環節中，系統檢測的電壓、電流值濾波后，可計算出電源實際輸出的有功功率P，經過低通濾波器后，通過下垂系數調節可得到頻率參考值 f*；無功功率Q 通過下垂公式調節后可得到電壓幅值參考值。實質上，下垂控制也是一種恒壓、恒頻控制，只不過其電壓、頻率的參考值不是固定的指令值，而是跟隨功率變化而定的。

頻率參考值 f*經過積分后得到相位角θ，以此定向；本研究將電壓參考值U*設定為d 軸電壓參考值，而將q 軸電壓參考值設為0。電壓參考值經過電壓電流雙閉環控制得到PWM 觸發脈沖。電壓電流環采用“電壓外環電容電流內環”的方式，因為相較于電壓外環電感電流內環，前者的輸出特性更硬，更適合作為恒壓源逆變器來支撐微網電壓。

可調電源功率補償控制框圖如圖2 所示，系統檢測到的三相電壓Uabc，經過鎖相環可計算出當前電源輸出端電壓的幅值和頻率，再利用公式（3）將兩部分補償功率值與電源額定功率相疊加，可估算出此時可調電源應輸出的功率參考值。再通過針對可調電源自身設置的下垂系數作為電壓源輸出，與微網內其他電源共同維持電網電壓和頻率。其中，頻率和端電壓分別與有功功率的比例系數根據未進行補償前的實驗結果獲得的波動狀況計算得到。

圖2 可調電源功率補償控制框圖

3 仿真實驗

仿真一系統結構如圖2 所示，其中，DG1 和DG2 均以下垂控制方式工作，DG3 作為可調電源同時加入參考功率補償環節。仿真二系統與之作為對比，結構與圖1 相同，只是其中DG3 也以下垂控制方式工作，缺少參考功率補償的環節。兩種比較方法的下垂參數除功率補償環節之外均一致，系數設置如表1 所示。

表1 控制參數設置

仿真初始，設定各電源參考功率分別為：Pref1=200 kW，Qref1=100 kvar；Pref2=300 kW，Qref2=100 kvar；Pref3=400 kW，Qref3=100 kvar。系統負載功率初始值為Pload=900 kW，Qload=300 kvar。在平穩運行后的第4 s，DG1 有功功率參考值減小為100 kW；第7 s，負載功率增加200 kW，100 kvar。

仿真一的結果如圖3 所示，在DG1 輸出有功減少的情況下，DG3 輸出有功隨之增加；在負載增加時，DG3 增大有功輸出。電壓幅值與頻率變化情況如圖4所示：微網負載處電壓幅值先不變，然后在第7 s 跌落近5 V；頻率則先降低0.02 Hz，再降低0.03 Hz。而仿真二的結果如圖5 所示，電壓一次變化1 V、11 V，頻率依次減小0.035 Hz、0.11 Hz。對比圖4、圖5 可見，仿真一的電壓幅值和頻率波動更小，由此可以證明DG3 的功率補償環節在其中起到了一定的作用。

4 結束語

圖3 各電源輸出有功功率與無功功率（仿真一）

圖4 電壓幅值與頻率（仿真一）

圖5 電壓幅值與頻率（仿真二）

本研究在Matlab/Simulink 平臺上仿真驗證了基于下垂特性的功率補償方法，即在下垂控制的基礎上，反向利用下垂特性估計出可調電源應發出功率的參考值，再與系統中其他電源一起通過下垂控制共同維持微網電壓和頻率。該過程在發電單元控制器中完成，減少了與中央控制層以及電源之間的通訊強度，實現了“即插即用”的對等控制。仿真結果表明，該方法能夠在一定程度上減小因負載和電源波動造成的電壓跌落與頻率波動，具有較好的可行性。

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