基于電壓源變流器下垂控制的微電網分層控制

邢益俊

（海南電網有限責任公司建設分公司 海口 570203）

基于電壓源變流器下垂控制的微電網分層控制

邢益俊

（海南電網有限責任公司建設分公司 海口 570203）

為了解決微電網基于下垂策略的控制問題，本文提出了一種多時間尺度的微電網分層控制策略。分為兩層控制策略進行分析，并在PSCAD/EMTDC仿真軟件中對控制策略進行了驗證。

1 引言

隨著分布式能源的發展，微電網受到了廣泛的關注[1]。為了解決微電網中采用VSC下垂控制所存在的問題，本文提出了一種多時間尺度的微電網分層控制策略。并在PSCAD/EMTDC仿真軟件中對控制策略進行了驗證。

2 微電網多時間尺度分層控制策略

本文提出了一種多時間尺度的微電網分層控制策略。

2.1 小時級（第三層）

在小時級時間尺度上，主要包括優化發電調度和實時發電功率調整。在優化發電調度階段，基于新能源出力預測和負荷預測，計算得到額定電壓和額定頻率下的額定功率。

2.2 分鐘級（第二層）

由于大負荷波動而引起的微電網電壓和頻率偏差超過允許的范圍，通過調整下垂曲線的空載電壓和頻率的定值，保證電能質量。此外，在此層還實現了聯絡線功率流的控制、微電網并網到孤島切換的過渡控制。

2.3 秒級（第一層）

通過微源的下垂增益，實現下垂控制過程中準確的功率分配。該層控制策略由微源控制器完成，在段時間內實現負荷功率的平衡。

3 微電網第一層控制

3.1 第一層控制

本文采用下垂控制與虛擬阻抗技術結合的控制策略。

設mi＞0，ni＞0，變流器下垂控制可以描述為：

式中：wi_ref、Ei_ref分別為變流器頻率和電壓的參考值；wi*、Ei*分別為系統的額定頻率和電壓；Pi*、Qi*分別為第三級控制策略中微源的額定有功功率和額定無功功率；mi、ni分別為有功和無功的下垂增益；Pi、Qi為微源實時有功功率和實時無功功率。

當通過第三級的功率分配比例來確定下垂增益時，需要滿足式（2）：

根據式（1），當Pi=0，Qi=0時，空載頻率和電壓分別為：

根據式（3），微源空載時的頻率和電壓定值都是一樣的，并且在第一層控制中不變。下垂特性僅由空載頻率和下垂增益決定，可以描述為：

3.2 功率分配

當系統處于穩定狀態時，系統中所有微源的運行頻率都相同：

根據式（1）和式（2），可以得到：

通過以上分析，采用傳統的下垂控制策略，可以簡單的實現功率分配。

同理，對于無功功率有：

同時，需要滿足式（8）：

由于輸出阻抗的非線性和負荷分配的不平衡，難以滿足等式（8）的條件，從而導致電壓偏差。為了避免這種現象，本文采用了大下垂增益，能有效的控制功率分配誤差在允許的范圍內。

4 微電網第二層控制

4.1 二次調頻調壓控制

本文在第二層控制中考慮了二次調頻和調壓控制。二次調頻調壓可以描述為：

其中，頻率和電壓的調節量Δwi*、ΔEi*可以通過式（10）計算得到。

其中，Pi（p.u.）、Qi（p.u.）分別為有功功率和無功功率的標幺值。

通過二次調頻調壓，可以將系統的頻率和電壓穩定在額定電壓附件。

4.2 無縫切換的過渡控制

由于在并網和離網運行時都采用了下垂控制策略，當微電網從離網模式向并網模式切換時，需要實現同步控制。

在實現同步控制時，需要分別采集PCC點的主網電壓和微電網電壓，并且通過通信系統傳送給控制器。同步控制過程可以描述為：

式中：θg、θm分別為主網和微電網電壓相角；Eg、Em分別為主網和微電網電壓幅值。

5 算例分析

本文在PSCAD/EMTDC仿真軟件中對所提出的算法進行了仿真驗證。

5.1 算例一

在0-3S，分布式電源DR1和DR2分別帶負荷Load1和Load2啟動；5S時刻，DR2與DR1同步運行；6～8S，DR1和DR2運行在傳統下垂控制模式；12S時刻，Load4接入系統運行；20S時刻，DR1和DR2的無功電壓下垂增益從分別從0.8、0.4調節至4、2。仿真時長30S，仿真步長50uS。

當DR1和DR2采用傳統下垂控制策略并行運行時，有功功率分配由有功下垂增益決定。在20S之前，由于線路壓降不一致，無功功率存在明顯的偏差，并且DR1負載端的無功功率大于DR2負載端的無功功率。很小的線路阻抗偏差很容易引起變流器過流。20S之后，由于采用了大下垂增益控制策略，無功功率偏差得到了良好的抑制。

5.2 算例二

在案例二中，0-12S時段的運行狀態與案例一中一致。12S時刻，Load4投入運行；17S時刻，Load5投入運行；23S時刻，啟用二次電壓控制策略，并且將空載時下垂特性電壓從321V調節至365V。隨著無功負荷的增加，系統電壓從0.95p.u.將至0.85p.u.，超出了運行允許范圍。通過二次電壓控制后，系統電壓回升至0.94p.u.，提高了電能質量。DR1和DR2的功率分配保持不變。由于在仿真實驗中采用了純阻抗負荷，無功負荷隨著系統電壓的增加而增加，從而導致系統電壓不能回歸額定值。

5.3 算例三

在0-15S期間，微網運行在孤網模式。16S和18S時刻，順序啟動了DR1和DR2的電壓幅值和電壓相位的自動同步控制。本文提出的自同步控制策略能夠在0.5S內實現兩個系統的狀態同步。

6 結論

為了解決微電網基于VSC下垂控制中出現的問題，本文提出了一種分層控制策略，并且在PSCAD/EMTDC仿真環境中進行了驗證。本文提出的控制策略有兩個優點：

（1）該控制策略能夠提高系統功率比例分配精度，保證電能質量。能夠實現系統并網到離網的無縫切換。

（2）該控制策略能夠與微電網能量管理系統和經濟調度策略結合，在不同的層次實現控制目標。在微電網運行策略中，不需要改變原有的VSC控制策略，能實現不同運行模式間的平滑切換。

[1]M.C.Chandorkar，D.M.DivanandR.Adapa，“Controlofparallelconnected invertersinstandaloneacsupplysystems，”IEEETrans.IndustrialApplication,vol.29，pp：136～143，Jan.1993.

[2]王成山，高菲，李 鵬，等.低壓微網控制策略研究[J].中國電機工程學報，2012，32（25）：2～8.

TM46

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1004-7344（2016）03-0063-02

2016-1-5