地方負荷對微電網下垂特性影響及改進措施

方如舉，張元敏

（許昌學院電氣信息工程學院，許昌 461000）

隨著傳統能源的日趨緊張，以帶有蓄電池儲能裝備的風力發電、光伏發電以及其他發電形式集于一體的微電網，在電網構成中的比重逐漸增多，其發揮的作用也將會越來越大。微電網結構作為一種新的供電模式有其自身的優勢，微電網電源可以根據負載需要就近配置[1]，可以減少長距離輸電帶來的電能損耗。但是微電網電源提供的電能受環境影響較大，因此存在一定的間歇性，此外各分布式電源之間的相對物理位置較遠[2-3]，如何實現各電源之間的通信以及功率分配是微電網控制技術的難點。針對微電網中各分布式電源之間的通信困難，廣泛被使用的控制方法是下垂控制，可實現分布式電源的即插即用。一般根據運行需要，微電網中的分布式電源實際運行工作模式主要有3種：并網模式、孤島模式以及在兩種模式之間的切換過程[4-7]。并網模式下，各分布式電源可工作在最大輸出功率模式、功率控制模式或下垂控制模式[8-12]；但由于分布式電源的相對位置較遠，造成各電源之間的通信較為困難，因此后兩者是微電網中分布式電源主要的并網工作模式。而在孤島模式下，需要一臺分布式電源能夠對系統的工作提供穩定的輸出電壓來支撐系統的穩定運行（這個任務往往由備用電源承擔），其他的分布式電源工作在最大輸出功率模式、功率控制模式或下垂控制模式[13]。

1 微電網結構以及下垂特性分析

1.1 微電網結構

對于分布式電源來說，除了要對自身所帶地方性負荷供電外，還需通過輸電線路對微電網中的公共負荷提供電能。但一般公共負載距離分布式電源的相對位置較遠，因此在微電網系統中同樣需要升壓變壓器來提高電壓等級進行遠距離輸電后，再通過降壓變壓器降壓對公共負載供電，這樣做的目的同樣是為了減少網絡損耗[14]。為保證供電的可靠性，微電網系統還需配備一定容量的備用電源。備用電源可與電網共同對負載供電，也可在電網退出后，工作在孤島條件下對微電網系統中的負載供電[15-16]。在這種模式下，備用電源需要能夠提供穩定的輸出電壓，圖1 為能滿足這種要求的微電網結構示意。圖中DG1～DGn 為各個分布式電源；LD1～LDn 為各個分布式電源所帶的地方負荷；Load1～Loadn 為公共負荷；T1～TN為各個分布式電源的升壓變壓器；TL1～TLn為集中式負荷的降壓變壓器；L1～LN為各個輸電線路；Tp1為備用電源的升壓變壓器；Tg1為配套的電網升壓變壓器；PCS1與蓄電池共同構成微電網的備用電源。

圖1 微電網結構示意Fig.1 Schematic structure of micro grid

1.2 下垂特性分析

為了簡化對下垂控制策略的分析方便，首先僅僅對帶有兩臺分布式電源且不帶地方性負荷構成的微電網系統進行分析。圖2 為兩臺分布式電源在不帶地方負載條件下構成的微電網結構的等值電路圖[17]。Z1、Z2分別為各分布式電源變壓器阻抗以及線路阻抗折算到公共端的阻抗之和為各個分布式電源的輸出電壓矢量；U1、U2為各分布式電源的電壓幅值；δ1、δ2為各分布式電源的電壓相位；Load 為公共負荷；Uco公共點處的電壓幅值，設公共點處的電壓相位為零?？梢缘贸鰪姆植际诫娫? 和分布式電源2 輸出電流I˙O1、I˙O2可分別表示為

圖2 分布式電源的等值電路Fig.2 Equivalent circuit of distributed grid

如果考慮到線路中變壓器的影響即等值電路中電抗的值遠遠大于電阻，因此阻抗角δ1、δ2很小，那么對應的輸出有功、無功功率分別為

式中：P1和Q1為分布式電源1 輸出的有功和無功功率；P2和Q2為分布式電源2 輸出的有功和無功功率。

可見，每臺分布式電源輸出的有功功率只和其輸出電壓的相位有關，通常分布式電源的相位改變可以通過改變其輸出的頻率來實現。而無功功率只與其輸出電壓的幅值相關。因此可以通過改變分布式電源輸出電壓的幅值來達到改變其無功功率的輸出，通過改變逆變器輸出的頻率來改變有功功率的輸出?；谶@種控制思想，提出了下垂控制策略[18-19]，傳統的分布式電源下垂控制公式為

式中：m、k 分別為相應的下垂調整系數；U0和δ0表示分布式電源在額定功率下輸出的電壓幅值以及相位角。從理論上講，當兩臺分布式電源的各項參數完全一致時，對于相同的功率改變量，其對應的頻率以及電壓幅值的改變量也應該相同，但是由于微電網中分布式電源輸出的功率受到各種因素的影響，這種理想的下垂特性很難實現。

2 地方性負荷對下垂特性的影響及改進的控制措施

2.1 地方性負荷對下垂控制特性的影響

圖3 為帶地方性負荷的兩臺分布式電源組成的微電網等值電路，圖中X1、X2為虛擬電感；XL1、XL2、為線路以及變壓器的電抗之和，這里僅考慮電抗的影響為各個分布式電源的輸出電壓矢量；U1、U2為各分布式電源的電壓幅值；δ1、δ2為各分布式電源的電壓相位為各個地方性負荷上的電壓矢量；U1″、U2″為各個地方性負載上的電壓幅值為各個地方性負載上的電壓相位；LD1、LD2 為相應的地方性負荷；Load 為公共端負荷；U˙co為公共點處的電壓矢量；Uco公共點處的電壓幅值，公共點處的電壓相位為零。設兩臺分布式電源輸出的有功功率分別為P1、P2；無功功率分別為Q1、Q2?？梢缘?/p>

式中，m1和m2可以看作分布式電源1 和分布式電源2 的輸出功率對虛擬電抗X1和X2相位偏差的影響系數；mL1和mL2代表分布式電源1 和分布式電源2 和各自地方性負荷需求功率差值對地方性負荷上的電壓相位影響系數。

圖3 考慮虛擬電感以及地方性負荷的等值電路Fig.3 Equivalent circuit with virtual impedance and local load

由式（4）可以進一步求出兩臺分布式電源輸出電壓的相位差值為

式中，PLD1、PLD2為相應的地方性負荷有功功率消耗。同時根據有功功率與相位下垂公式可得

式中：P10、P20為分布式電源1 和分布式電源2 額定輸出的有功功率；δ10、δ20分別為在額定輸出功率條件下，分布式電源1 和分布式電源2 的相位角；kp1、kp2分別為分布式電源1 和分布式電源2 有功功率下垂調整系數?？梢赃M一步求得

由式（5）和式（7）可進一步得

當兩臺分布式電源額定功率相同時，并且所有的對應系數完全相等，式（8）可進一步簡化為

可見，即使做到兩臺分布式電源結構參數和控制參數完全一致時，由于地方性負荷的影響，并不能保證兩臺額定功率相同的分布式電源輸出的有功功率一致。同理，對于無功功率的影響與有功功率類似，不再贅述。

由于地方性負荷的影響，即使兩臺逆變器在輸出電壓或頻率相等時，其有功功率以及無功功率的改變量卻差別較大。這樣會造成部分分布式電源輸出功率較大，而另外一部分分布式電源的輸出功率較小，系統的整體利用率較差。一般單臺光伏并網逆變器的狀體轉換效率要高92%，由于整體利用率的下降，會造成部分分布式電源達不到指標要求，且當微電網系統內分布式電源的輸出功率超過5%時，還會引起輸出電能質量下降，當輸出偏差超過10%時會進一步引起部分分布式電源因發熱而損壞。

因此傳統的下垂控制方法對帶有地方性負荷的微電網系統中分布式電源的控制方案顯然不是最佳的。

2.2 改進的下垂控制

針對傳統下垂控制方法在微電網中運用過程時具有的缺點，提出了一種對下垂系數進行補償的控制方法，通過對分布式電源輸出功率的變化率進行跟蹤，把變化率的變化量反饋到下垂控制系數，較好地對地方負荷以及公共負荷變化引起的公共母線上電壓的幅值以及頻率變化起到較好的抑制。改進后由頻率-有功功率和電壓幅值-無功功率表示的下垂公式為

式中：f0、U0、P0以及Q0代表分布式電源在額定情況下的頻率、電壓幅值以及輸出的有功功率和無功功率；kp1、kq1為相應的下垂控制系數；kp2、kq1為相應的功率修正系數；Dp、Dq為相應的微分算子；DpP、DqQ 反映的分布式電源的輸出功率變化率，與傳統的下垂公式（6）相比較可以把kp1-kp2DpP 和kq1-kq2DqP 看成新的下垂公式調整系數；當上一時間分布式電源的輸出功率較大時，從式（10）可以看出整個下垂公式調整系數變小，因此下一時間頻率輸出的調整就會減少，從而對前一時間的調整量進行補償；而且改進后的下垂控制公式只對自身的分布式電源輸出功率變化率進行跟蹤，而對其他分布式電源的工作不造成任何影響。圖4為單個分布式電源的整體控制結構，包括改進的下垂控制、電流控制以及電壓控制3 個部分。ω0、U0、P0、Q0分別為系統在額定情況下，分布式電源電壓角頻率、幅值、輸出的有功功率、無功功率的給定值；igrid為分布式電源流入到電網中的電流，用來計算虛擬電感對地方性負荷上電壓的影響；vd、vq為電網電壓采樣轉換到dq 坐標系下的分量；id、iq為分布式電源輸出電流采樣轉換到d、q 坐標系下的分量；vsd、vdq為觸發脈沖在d、q 坐標系下的分量；iabc、vabc表示分布式電源輸出的三相電流、三相電壓的瞬時值，主要實現對分布式電源瞬時功率的計算，以及通過對瞬時功率的變化及時跟蹤，并把跟蹤結果反饋到各自的控制系統，實現對下垂系數的動態補償。電流控制的輸出值、再經過dq逆變換后作為調制波，最后形成SVWM 觸發脈沖來對分布式電源的主電路觸發，形成閉環控制系統。

圖4 分布式發電單元的控制結構Fig.4 Control structure of distributed generation unit

3 系統的仿真實驗結果

根據所提出的改進下垂控制策略，在Matlab環境下建立由兩臺分布式電源組成的微電網系統，具體的仿真參數如下。

圖5 傳統下垂控制下，參數一致分布式電源輸出功率Fig.5 Output power of distributed powers with uniformly parameter for conventional droop control

圖6 改進下垂控制下，參數一致分布式電源輸出功率Fig.6 Output power of distributed powers with uniformly parameter for improvement droop control

圖7 改進下垂控制下，阻抗不同分布式電源輸出功率Fig.7 Output power of distributed pwers with different impedances for improvement droop

圖5～圖7 分別為相同參數下使用傳統的下垂控制以及和采取改進后的下垂控制方法時，兩臺分布式電源輸出的有功功率及無功功率波形。從圖5 中可以看出，雖然兩臺分布式電源的額定功率以及系統的結構參數和控制參數完全一致，由于地方性負載的不同影響，分布式電源的有功功率和無功功率的輸出均不相等。圖6 為線路參數安全一致的情況下，在采取新的下垂控制措施后，兩臺逆變器輸出的功率波形。圖7 為兩臺分布式電源的線路阻抗不同時，功率輸出結果。由于線路參數的不同，對控制整個過程有一定影響，在參數相同時，兩臺分布式電源同時調節，因此達到穩定輸出功率的時間較短，而對于不同的線路阻抗，調節功率輸出達到穩定輸出的時間較長，但是最終也能達到功率的基本平均分配。由于控制采取的是PI 控制手段，因此在起始時，會有部分功率輸出的調整時間，功率輸出有差別，但是調整時間很快結束。

從仿真結果來看在采取改進的下垂控制方案時，雖然地方性負荷不同，但是分布式電源的有功功率和無功功率的輸出基本一致，基本消除了參數不同而帶來的影響。

4 結語

通過微電網的等值電路以及下垂公式，詳細分析了地方性負荷對分布式電源輸出功率的影響。針對傳統下垂控制策略的缺點，提出了一種基于功率變化補償的改進下垂控制方案，從仿真結果來看，對于分布式電源輸出的有功功率以及無功功率的控制都取得了較好的控制效果?？刂品椒m然只是對兩臺分布式電源的模型進行分析，但在控制方案中，由于每臺分布式電源只對自身輸出功率變換進行跟蹤反饋，并不影響其他分布式電源的運行，因此所采取的控制方法可進一步推廣到由多臺分布式電源組成的微電網系統中。

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