基于PSCAD的微電網(wǎng)孤網(wǎng)模式建模與仿真

商士民, 潘庭龍, 紀(jì)志成

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇無錫214122)

基于PSCAD的微電網(wǎng)孤網(wǎng)模式建模與仿真

商士民, 潘庭龍*, 紀(jì)志成

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇無錫214122)

針對傳統(tǒng)下垂控制受微網(wǎng)線路阻杭因素的影響,無功功率難以實(shí)現(xiàn)精確的分配問題,采用一種無功-電壓微分(Q-d U/d t)下垂控制。該策略是基于電壓幅值變化率的電壓補(bǔ)償控制方法,實(shí)現(xiàn)無功功率的精確分配。在PSCAD中分別建立該方法的控制系統(tǒng)模型,并對系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行模式進(jìn)行仿真研究,結(jié)果驗(yàn)證了控制系統(tǒng)模型的有效性。

微電網(wǎng);下垂控制;動態(tài)仿真

隨著分布式發(fā)電滲透率的增加,微電網(wǎng)在電網(wǎng)中的作用越來越大,當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障時,微電網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開,獨(dú)立運(yùn)行,保證重要負(fù)荷繼續(xù)供電,孤網(wǎng)運(yùn)行模式能提高經(jīng)濟(jì)效益,改善用戶用電水平。微電網(wǎng)是由微電源(Micro-Source,MS)與負(fù)荷、儲能裝置、控制裝置等結(jié)合起來,形成單一的可控小型電力系統(tǒng),提供電能和熱能給用戶,也可簡稱為“微網(wǎng)”[1-3]。因其能充分協(xié)調(diào)分布式電源與大電網(wǎng)之間的功率潮流,被越來越多的專家學(xué)者所重視,并在很多國家得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。孤網(wǎng)運(yùn)行是微電網(wǎng)的重要特征,是提高微電網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷供電可靠性的強(qiáng)有力保證。因此,對微電網(wǎng)的孤網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的建模、仿真和分析其動態(tài)特性,對發(fā)展微網(wǎng)的高級控制策略具有重要意義。

在微網(wǎng)系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的有功功率/頻率下垂控制和無功功率/電壓下垂控制一般在下垂控制的分布式發(fā)電中被采用[6-9]。由于分布式微源的復(fù)雜性和多變性以及下垂控制對輸出阻抗的依賴性,傳統(tǒng)的下垂控制方法很難實(shí)現(xiàn)功率的精確分配。為此國內(nèi)外學(xué)者對傳統(tǒng)下垂控制方法進(jìn)行了改進(jìn),在線路阻抗不匹配時,對電壓下垂系數(shù)和阻抗系數(shù)進(jìn)行修正,可以實(shí)現(xiàn)無功功率的精確分配[10]。針對包含多個分布式電源的微網(wǎng)在孤島運(yùn)行模式下的功率分配問題,提出一種下垂特性和平均功率相結(jié)合的控制方法[11]。針對傳統(tǒng)下垂特性控制方法的不足,增加P-δ下垂控制修正和Q-U下垂控制修正項(xiàng),可有效跟蹤功率變化的動態(tài)特性[12]。

實(shí)際運(yùn)行中每個微電源的線路阻抗參數(shù)通常是無法匹配的,仍然還會存在無功功率分配不平衡以及負(fù)荷點(diǎn)電壓過低的問題。文中采用Q-˙V下垂控制方法,這種方法能夠克服逆變器之間線路阻抗不匹配的影響,并且能夠?qū)崿F(xiàn)更好的無功功率均分。文中以PSCAD為仿真環(huán)境,對微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)建模,仿真驗(yàn)證采用控制策略的正確性和有效性。

1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

作為研究對象,文中涉及的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Block diagram ofm icro-grid

圖1中,DG1和DG2分別為兩個分布式微源,文中重點(diǎn)是研究微電網(wǎng)的控制系統(tǒng),為了簡化研究對象,均以理想直流電源代替分布式電源,兩個微源分別經(jīng)過采用SPWM調(diào)制的逆變器逆變?yōu)槿嘟涣麟?然后經(jīng)過LC濾波器濾除高次諧波,各個微源支路的線路阻抗為Ri+jXi,Load為網(wǎng)絡(luò)負(fù)載負(fù)荷。

微網(wǎng)通常有并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種運(yùn)行模式。并網(wǎng)運(yùn)行是指微網(wǎng)與大電網(wǎng)相連接,與主配電網(wǎng)進(jìn)行電能交換,由大電網(wǎng)補(bǔ)給微源自身發(fā)電的不足功率或吸收多余的功率。孤島運(yùn)行又稱離網(wǎng)運(yùn)行,是指當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障或計(jì)劃需要時,與主配電網(wǎng)斷開,由微源、控制系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)構(gòu)成一個獨(dú)立的小型供電系統(tǒng)對用戶負(fù)載進(jìn)行供電。

文中微電網(wǎng)控制策略為:孤島模式下兩微源均采用下垂(Droop)控制。下文將進(jìn)行Droop控制建模以及仿真分析。

2 傳統(tǒng)的功率下垂控制建模

傳統(tǒng)的下垂(Droop)控制是一種電力電子逆變器無互連線的并聯(lián)控制技術(shù),它與同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻類似,通過解耦下垂特性曲線中的變量來調(diào)節(jié)微網(wǎng)系統(tǒng)頻率和電壓幅值,進(jìn)行有功和無功的分配[13-14]。這種控制方法主要模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的控制特性,在傳統(tǒng)電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子頻率會一直變化,直到它發(fā)出的有功功率滿足負(fù)荷的需求,而電壓就是通過無功功率平衡來維持。在微網(wǎng)中,通常采用有功-頻率(P-f)和無功-電壓(Q-U)這樣關(guān)聯(lián)的下垂控制方法[15]。

當(dāng)微源輸出有功功率增加時降低其頻率,當(dāng)微源輸出無功功率增加時降低電壓幅值;反之則分別增大頻率和電壓幅值。根據(jù)下垂特性曲線可得到頻率和電壓的下垂控制方程為[16-17]

式中:fn和Un分別為逆變器i輸出角頻率和電壓幅值的額定值;kpi和kqi分別為頻率、電壓下垂系數(shù);pn和Qn分別為有功功率和無功功率在額定頻率下的輸出功率;Qn一般設(shè)為零;pi和Qi分別為實(shí)際測得逆變器輸出的有功和無功功率。P-f,Q-U型下垂特性曲線如圖2所示。

圖2 下垂控制特性曲線Fig.2 Droop control characteristic curves

采用電力電子逆變器接口的微源下垂控制結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中外環(huán)功率控制包含3個部分,如圖4所示。

在PSCAD中利用功率測量器實(shí)測出微源輸出的瞬時功率,然后通過低通濾波濾除高頻分量得到平均功率;平均功率、額定輸出功率、系統(tǒng)的額定頻率以及電壓幅值作為下垂控制的輸入,通過下垂控制得到輸出電壓頻率和幅值的參考值;參考值通過電壓合成產(chǎn)生三相對稱的參考電壓。參考電壓經(jīng)變換后作為電壓電流雙環(huán)控制器的輸入,dq0坐標(biāo)系下P-f和Q-V多環(huán)控制的目的主要是提高控制器的性能,改善逆變器的輸出電壓幅值,多環(huán)控制后得到的可控正弦調(diào)制信號輸入到SPWM模塊中。

圖3 下垂控制結(jié)構(gòu)Fig.3 Block diagram of d roop control

圖4 有功和無功功率控制結(jié)構(gòu)Fig.4 Block diagram of power control

當(dāng)微網(wǎng)中多個分布式電源并聯(lián)時,微源可采用傳統(tǒng)的頻率有功功率(P-f)下垂控制,依據(jù)各自的容量實(shí)現(xiàn)有功功率的平均分配,輸出有功功率與各自的容量成正比,不受線路阻抗壓降的影響。因?yàn)槲⒕W(wǎng)系統(tǒng)的頻率是唯一的,所以P-f控制能夠使逆變器輸出的有功功率始終是均勻分配的。但是傳統(tǒng)的下垂控制中Q-U控制會產(chǎn)生無功功率分配的誤差,因?yàn)闊o功的分配不僅與分布式電源的容量有關(guān),還與傳輸線路的壓降有關(guān),這里只要對下垂控制進(jìn)行改進(jìn),補(bǔ)償線路上產(chǎn)生的壓降就能使并聯(lián)的各微源輸出的電壓相等,就能達(dá)到傳統(tǒng)下垂控制的效果,實(shí)現(xiàn)無功功率的均分。

3 無功功率-電壓微分(Q)下垂控制建模

在低壓微網(wǎng)中,有功-頻率下垂控制影響有功功率分配的主要因素還是功率角,功率角和頻率有關(guān),不受線路阻抗差異的影響,通過調(diào)節(jié)頻率下垂特性使頻率維持在合理范圍內(nèi),有功功率就可以得到有效的分配。因此,文中主要針對的是無功功率的合理分配問題。微網(wǎng)中無功功率的來源主要是感性負(fù)載或者容性負(fù)載。針對無功功率的不同需求,功率管理系統(tǒng)通過多種控制方法并加入無功補(bǔ)償器,保證系統(tǒng)中無功的平衡。

在傳統(tǒng)的Q-V下垂控制中,無功功率的控制主要是通過逆變器進(jìn)行控制的,微源輸出的無功功率是線路阻抗和下垂參數(shù)共同影響的,并且通常在不穩(wěn)定的運(yùn)行點(diǎn)。為了克服線路阻抗對無功潮流的影響,文中引入一個無功功率輸出和電壓幅值的動態(tài)關(guān)系方程,采用改進(jìn)型Q下垂控制,用代替V,對電壓進(jìn)行補(bǔ)償,使電壓幅值保持在合理的穩(wěn)定狀態(tài)。控制器如圖5所示。文中同時引入電壓導(dǎo)數(shù)值恢復(fù)機(jī)制,使電壓導(dǎo)數(shù)等于0,在穩(wěn)定狀態(tài),這樣電壓值V就能夠維持在一個常值。

這里ni是Q˙下垂系數(shù),為達(dá)到的額定值,設(shè)定在0 V/s,τ為調(diào)節(jié)時間t內(nèi)具體的時間點(diǎn);QoX是無功設(shè)定值和對應(yīng),主要是和無功容量相關(guān)。Voi是標(biāo)準(zhǔn)相位電壓幅值,是輸出電壓幅值命令值。在穩(wěn)定狀態(tài)時,所有的逆變器工作在相同的值,這樣可以得到式(3),如果電壓導(dǎo)數(shù)下垂系數(shù)按照式(4)設(shè)定,那么從式(3)和式(4)可以得到每個逆變器輸出的無功功率可以滿足式(5)方程:

圖5 Q控制器Fig.5 Control block diagram of Q dot

圖6 Q˙控制的下垂特性Fig.6 Droop characteristic of Q-˙V control

由圖6可知,所有微電源的額定電壓微分值d Voi/d t最終的穩(wěn)定值都相等,但若d Voi/d t值不為0時,則輸出電壓不穩(wěn)定。文中提出一種電壓補(bǔ)償控制方法使電壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),電壓導(dǎo)數(shù)必須經(jīng)過調(diào)整恢復(fù)到0。定義控制機(jī)制可表述如下:

這里kresi是電壓導(dǎo)數(shù)恢復(fù)增益,QRXi是額定無功功率增益。為了簡化,提出式(7)和式(8)兩種假設(shè)。式(7)是為了確保無功功率均分,式(8)為了達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 微網(wǎng)模型仿真與分析

仿真參數(shù)如下:(1)DG1的額定功率Pn1= 2.5 kW,傳統(tǒng)下垂控制系數(shù)kp1=-1e-5,kq1= -3e-4,=50 Hz=380 V,濾波器參數(shù)Lf= 0.6 mH,Cf=1 500μF,Rf=0.01Ω,線路阻抗R1+ jX1=0.064+j0.001,電壓環(huán)控制器參數(shù)kV-P=10, Ti=0.01 s,電流環(huán)控制器參數(shù)kI-P=10;(2)DG2的額定功率Pn2=5 kW,下垂系數(shù)kp2=5e-6,kq2= 1.5e-4,線路阻抗R2+jX2=0.064+j0.002,其他參數(shù)和DG1相同。無功電壓微分(Q-˙V)下垂控制系數(shù)n1=-3e-3(V/Var),n2=-6e-3(V/Var),Qo1= 400 Var,Qo2=200 Var,Vox=380 V,Kres1= Kres2=0.5(1/V),QRX1=800 Var,QRX2=400 Var。在0～2 s有功負(fù)荷為10 kW,無功負(fù)荷15 kVar,在2 s時有功負(fù)荷變?yōu)?5 kW,無功負(fù)荷變?yōu)?0 kVar,在3 s時又恢復(fù)為初值。

圖7為傳統(tǒng)下垂控制下的仿真波形圖。從仿真結(jié)果可以看出,在不同線路阻抗下,隨著負(fù)荷需求的變化,DG2的有功功率始終是DG1有功功率的2倍,即微源的有功功率始終能按容量平衡分配,而當(dāng)負(fù)荷功率增加時,DG1和DG2不能按容量平衡分配無功功率,功率分配精度低;而且負(fù)載增加時,負(fù)載處的電壓明顯降低,其值低于最低電壓要求,這對敏感性負(fù)載來說是不允許的。

圖8為微網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用文中提出的改進(jìn)的下垂控制時的運(yùn)行仿真結(jié)果。從圖中可以看出,當(dāng)負(fù)載增加時,無功功率按各自容量實(shí)現(xiàn)了平衡分配,負(fù)荷處的電壓始終大于360 V,達(dá)到最低電壓的要求。

圖7 傳統(tǒng)下垂控制下的微網(wǎng)運(yùn)行仿真Fig.7 Operation results of m icro-grid under traditional droop control

圖8 改進(jìn)型下垂控制下的微網(wǎng)運(yùn)行仿真Fig.8 Operation results ofm icro-grid w ith im proved droop control

5 結(jié) 語

分析微網(wǎng)傳統(tǒng)下垂控制策略的不足之處受線路參數(shù)的影響,線路參數(shù)不匹配時,無功功率在微源中不能均衡分配。基于電壓補(bǔ)償原理,通過無功-電壓微分(Q-˙V)的下垂控制方法來實(shí)現(xiàn)無功功率的合理分配。通過仿真比較了傳統(tǒng)下垂控制和改進(jìn)的下垂控制的微網(wǎng)運(yùn)行特性,驗(yàn)證了改進(jìn)的下垂控制能保證微網(wǎng)系統(tǒng)頻率始終維持在限定的范圍內(nèi),并且在不同線路阻抗下提高了無功功率的分配精度。

在包含風(fēng)電光伏等多微源的實(shí)際微網(wǎng)中,頻率穩(wěn)定性問題和電壓穩(wěn)定性問題是微網(wǎng)穩(wěn)定性控制的重要內(nèi)容,文中改進(jìn)的下垂控制預(yù)計(jì)可以提高實(shí)際微網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。有關(guān)微網(wǎng)孤島運(yùn)行模式向并網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑切換有待后續(xù)研究。

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(責(zé)任編輯:楊 勇)

M odeling and Simulation of M icro-Grid Isolated M ode Based on PSCAD

SHANG Shimin, PAN Tinglong*, JIZhicheng
(School of Internet of Things Engineering,Jiangnan Nniversity,Wuxi214122,China)

In the micro-grid island mode,the frequency and voltage of the system are important technical control parameters.Traditional droop control can hardly realize the accurate power assignment in micro-grid because of some influencing factors,such as the characteristics of line impedance,a strategy of reactive power-voltage differential(Q-d U/d t)power control is applied.The voltage compensation controlmethod based on the voltage amplitude variation rate(d U/d t)is applied to realize the accurate reactive power assignment.The above control system model is established in the PSCAD,and the isolated operation model is studied,the results validate the effectiveness of the control system correctly.

micro-grid,droop control,dynamic simulation

TM 76

A

1671-7147(2015)03-0299-06

2014-12-17;

2015-01-18。

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2012550);江蘇省高校科研成果產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目(1256010241120850)。

商士民(1988—),男,安徽蚌埠人,電氣工程專業(yè)碩士研究生。

*通信作者:潘庭龍(1976—),男,江蘇建湖人,教授,碩士生導(dǎo)師。主要從事新能源控制技術(shù)、功率變換技術(shù)等研究。Email:tlpan@jiangnan.cdu.cn