引入負荷電壓和電流前饋的V/f控制方法

邵明燕，李曉磊，王曉燕，孫　冰，劉紀東（國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南　250012）

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引入負荷電壓和電流前饋的V/f控制方法

邵明燕，李曉磊，王曉燕，孫冰，劉紀東
（國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南250012）

摘要：為了穩定離網模式下微網的頻率和電壓，以含有多種分布式發電的微網系統為研究對象，提出一種基于蓄電池的孤立微網的頻率電壓控制策略。針對傳統的V/f控制策略沒有考慮負荷結構變化的問題，蓄電池的控制基于V/f控制的思想，增加負荷電流和電壓的前饋，計及系統負荷結構和參數的雙重變化。根據該控制方法建立詳細的蓄電池的充放電控制系統，并與傳統的V/f控制策略進行比較。同時，將該控制方法應用于包含有多種分布式發電的微網系統，對孤島模式下不同系統狀態進行仿真和分析。仿真結果表明，引入負荷電壓電流前饋的V/f控制方法是有效的和實用的，該控制方法能快速調節離網模式下微網的頻率和電壓。

關鍵詞：微網；光伏發電；頻率電壓控制；蓄電池

0　引言

隨著分布式發電在電網中滲透率增加，其對電網的影響也進一步加重。為了協調分布式發電與大電網之間的關系，CERTS率先提出微網的概念［1］。這是一個集多種分布式發電、儲能系統、負荷于一體的微型電網，它可以提高電力系統用戶端的供電可靠性，并且可為電網到達不了的地區提供可靠電力［2-4］。微網可運行于并網和離網兩種方式下，在并網模式下，微網的頻率和電壓由大電網來支持。但處于離網模式下的微網，就面臨著系統發電和用電不匹配時頻率和電壓調整的問題。解決這個問題的一項措施是引進蓄電池［5］。蓄電池充放電是基于電力電子變換設備的，它有很快的響應速度，可快速充放電維持系統穩定。現在國內外對微網的頻率電壓控制策略的研究很多，文獻［6］詳細說明了4種基于下降參數的頻率電壓控制方法，包括開環的V/f控制策略，abc坐標系下具有電壓反饋的控制策略，dq坐標系下具有電壓反饋的控制策略，dq坐標系下具有電壓、頻率反饋的控制策略。這幾種控制策略都是模擬傳統電力系統中并聯同步發電機的頻率控制特性來自動分配總的負荷，進而調節系統的頻率，是對含有多個并聯運行的逆變器的微網的有效控制方法。文獻［7］提出一種引進前饋技術的控制方法，但是只涉及一個微源，不涉及各微源的并聯運行。實際的微網中大多數微源不可調度，對每個微源加儲能裝置又不經濟，而蓄電池通過獨立逆變器與配電網母線相連，可有效地減少微網系統中儲能裝置的個數，又可達到調節系統頻率的作用。關于微網系統的建立與控制，不少學者都有研究，文獻［8］建立了包含風力發電、光伏發電以及蓄電池的微網系統，仿真了孤島和并網兩種模式下的系統狀態，但是沒有詳細的控制策略的說明。文獻［9］建立了包含多個電力電子接口的微源的微網系統，提出的功率管理系統為每個微源提供有功參考，達到分配負荷功率的目的，所提出的管理系統只是適合于可調度的微源。

針對目前電壓頻率控制未計及負荷的結構變化，以及建立微網時未考慮微源發電的實際情況，為了更加符合實際的電力系統和快速調節微網頻率電壓，計及光伏發電的間歇性和隨機性，建立含有多種分布式發電的微網系統，建立詳細的光伏發電系統和蓄電池的充放電及其控制系統，將負荷電流和電壓的前饋控制引入了基于傳統的電壓頻率droop控制的控制系統，對于負荷動態變化有更快的響應。

1　微網系統控制策略

1.1微網系統分析

圖1所示為所研究的微網系統，包含光伏發電、風力發電、燃料電池發電、蓄電池充放電系統以及負荷。

圖1　微網系統總體結構

微網可運行于并網和離網兩種模式，通過并網斷路器的通斷控制微網的運行方式。研究離網模式下的微網系統的頻率電壓控制方法。離網模式下的微網沒有大電網的支持，其頻率和電壓需要微源和儲能系統的協調控制。風力發電輸出功率波動性強，因此在其直流側加儲能裝置，以保證功率平滑輸出。燃料電池輸出功率受外界條件影響較小，可輸出恒定的功率。太陽能取之不盡，因此光伏發電系統的控制目的是盡可能地發出功率，即采用最大功率跟蹤控制。光伏發電輸出功率隨著外界條件的變化而變化，當外界條件變化時，光伏輸出功率有較大的波動，勢必會引起孤立微網的頻率和電壓的波動。儲能系統是微網系統中可調度的發電裝置，通過控制儲能系統的充放電調節系統的頻率和電壓。微源之間協調控制，使得離網模式下的微網穩定運行。

1.2儲能系統的控制策略

微網在孤島模式下，發電和負荷隨時有大的干擾，當系統中有功和無功功率出現不平衡時，系統中頻率和電壓將會出現波動，嚴重時會造成系統崩潰。經逆變器接入的儲能系統可承擔起系統中電壓和頻率的調節，根據系統中由droop控制獲得的電壓和頻率參考值，快速調節儲能系統的有功無功出力，達到平衡功率的目的。蓄電池的主電路如圖2所示，其中Eeq、r為蓄電池的等效電壓和內阻，isabc、ioabc分別為濾波前后的電流，L、C為濾波電感和電容，Zeq為等效負荷，系統中負荷為分散負荷，利用智能表傳輸數據先經加法器后再輸入控制器，即等效的總負荷電流。

圖2　蓄電池主電路

由圖2可得

對式（1）進行dq變換，得

為了有效減少負荷變化對系統電壓頻率帶來的干擾，可以引入負荷的動態特性［7］。在傳統電壓頻率控制策略的基礎上引進負荷電流和電壓的前饋，如圖3所示。

圖3　電壓頻率控制策略

圖3中，是無功功率、有功功率參考值，分別乘以下垂系數后產生電壓和頻率的參考值。傳統的電壓頻率控制是電壓偏差經PI控制器后產生交軸電流參考值頻率偏差經PI控制器后產生直軸電流參考值在此控制策略基礎上增加負荷電流和電壓的前饋，即分量。

由圖3可得

由電流控制電壓型變換器輸入輸出關系可知

時間常數T與PI控制器、PWM型逆變器以及LC濾波器的數學模型有關［10］，是一個很小的數值。

將式（4）、（5）兩側分別進行拉氏變換并代入式（6）、（7）中得

將式（2）、（3）兩側分別進行拉氏變換并將式（8）、（9）代入可得

T是一個很小的時間常數，因此G（s）-1≈0，即有

由方程（12）、（13）可見由于引入負荷電流和電壓的前饋作用，母線d、q電壓只受Ed（s）、Eq（s）的影響，與負荷無關，負荷的動態特性減少了對頻率和電壓的影響。

1.3微網中微源的控制策略

光伏發電輸出功率與運行點電壓和電流有很大的關系。通過最大功率跟蹤策略控制光伏板的運行電壓，使其運行在最大功率點（Umax，Pmax）。采用的方法是電壓擾動法，即給定一定的電壓擾動ΔU，光伏板輸出功率變化量為ΔP，如果ΔU·ΔP＞0，則按照原來的擾動方向繼續擾動U，否則按照原來相反方向擾動U。光伏板輸出的功率經PWM逆變器輸出到用戶側，PWM逆變器采用傳統的電壓前饋解耦控制，即通過有功功率、無功功率的解耦，實現有功功率、無功功率分別由直軸電流id、交軸電流iq單獨控制。光伏發電系統總體控制策略框圖如圖4所示。

圖4　光伏系統控制策略

圖4中，idref=Pref/1．5usd，iqref=Qref/1．5usd，Qref設置為0。

風力發電輸出的隨機波動性更大，為了減少對微網系統的影響，在風力發電系統直流側添加儲能裝置，用于平滑風功率的輸出。此時，風力發電可以等效為一恒功率源［10］。燃料電池輸出功率比較穩定，受外界條件影響較少，對微網影響也很小。風力發電和燃料電池發出功率均控制為恒定值，不參與調頻。

2　微網系統仿真分析

2.1負荷變化情形蓄電池系統仿真分析

根據圖3提出的控制策略，使用Matlab仿真軟件搭建如圖5所示的蓄電池及其控制模型，該系統運行于離網模式下。系統相電壓有效值為220 V，系統額定頻率為50 Hz，在t=1 s時刻，負荷由電阻電感負荷變為電阻電感電容負荷。模式1是引入負荷電流和電壓的情形，模式2是未引入負荷電流和電壓的情形。兩種模式的系統電壓頻率響應對比如圖6～9所示。

圖5　蓄電池的控制策略

圖6　蓄電池有功功率出力

由圖6可以看出，模式1的有功功率輸出增加的速度明顯快于模式2的有功功率增加速度。導致模式1對應的頻率基本沒有變化，模式2的頻率有較大的波動，如圖7所示。由于增加了容性負荷，為穩定系統電壓，蓄電池發出的無功功率減少，如圖8所示。相對應的，模式1較模式2電壓變化幅度更小，但兩種模式電壓變化均不大，如圖9所示。可見，由于引進負荷電流和電壓的前饋，系統頻率和電壓的響應更加迅速，相比之下，對頻率的調節效果更加明顯。

圖7　系統的頻率響應

圖8　蓄電池無功功率出力

圖9　系統相電壓有效值

2.2負荷有功變化情形微網系統仿真分析

建立圖1所示的微網系統的Matlab仿真圖。系統參數為：單個光伏板在溫度T=25℃，光照強度1 000 W/m2下，Voc=43．5 V，Isc=5．1 A，Vm=35 V，Im= 4．55 A，光伏發電系統由100個光伏板串并聯組成，即Pm=15 kW。燃料電池額定功率為50 kW，風力發電額定功率為100 kW，母線線電壓為380 V，系統頻率為50 Hz，負荷1為130 kW，負荷2為100 kW。

負荷突變時控制策略仿真結果與分析。在t=1 s時刻，微網系統負荷突然由130 kW增加到230 kW，并在t=2 s時刻負荷又減少為130 kW，由于光伏發電系統、風力發電以及燃料電池的逆變器采用的控制策略沒有調頻調壓作用，因此其對系統頻率變化沒有響應，所發出功率不變，為此天氣狀況下所捕獲的功率。在t=1 s時刻，系統有功負荷增加，PG＜PL，蓄電池電壓頻率控制器動作，功率輸出發生相應變化，由-35 kW增加到65 kW，并最終穩定于65 kW。同樣，在t=2 s時刻，PG＞PL，為平衡系統功率，蓄電池出力也發生相應的變化，如圖10所示。頻率響應如圖11所示，可見系統頻率沒有因為負荷的突增而發生變化，說明引入負荷電流電壓前饋的蓄電池的控制調節非常快速。微網母線相電壓有效值如圖12所示，在負荷突變時刻只有微小的波動，并迅速恢復到220 V。可見，提出的頻率控制策略可有效、快速地調節孤立微網的頻率和電壓。

圖1　0各微源輸出功率

圖11　微網系統頻率

圖12　母線相電壓有效值

3　結語

建立包含有光伏發電、風力發電、燃料電池以及蓄電池的微網系統，提出一種調節孤立微網頻率和電壓的方法。由仿真結果可以看出，所提出的蓄電池的控制策略，將負荷電流和電壓引入減小了負荷變化對系統電壓頻率的影響，有效提高了蓄電池調壓調頻的速度，使得蓄電池可有效調節孤立微網的電壓和頻率。并且使用蓄電池經獨立的逆變器接入系統并采用droop控制可為微網后續建設提供方便。

參考文獻

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邵明燕（1989），女，工程師，從事配電線路運維檢修、配電網規劃工作；

李曉磊（1989），男，工程師，從事變電設備檢修工作；

王曉燕（1982），女，工程師，從事配電線路運維檢修、配電網規劃工作；

孫冰（1988），男，工程師，從事配電線路運維檢修、配電網規劃工作；

劉紀東（1969），男，技師，從事配電線路運維檢修、配電網規劃工作。

V/f Control Strategy Introducing the Feed Forward of Voltage and Current

SHAO Mingyan，LI Xiaolei，WANG Xiaoyan，SUN Bing，LIU Jidong
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Abstract:To stabilize the voltage and frequency of the microgrid operated in islanded mode，a control strategy of voltage and frequency based on battery is proposed which sets as a research object an islanded microgrid containing kinds of distributed generators（DG）．In order to shoot the problem of traditional control of V/f that load structural changes is not taken into account，the control of battery introduces the voltage and current feed forward based on traditional V/f control strategy．According to this control method，the detailed charging/discharging system of battery is established and compared with traditional control scheme．At the same time，the proposed method is applied to an islanded microgrid and various states are simulated of searched microgrid．Simulation results demonstrate that the control strategy introducing the feedforward of voltage and current is valid and practical and can regulate the voltage and frequency rapidly．

Key words:microgrid；PV；V/f control；battery

中圖分類號：TM727；TM91

文獻標志碼：A

文章編號：1007-9904（2016）02-0005-06

作者簡介：