一種改進的類功率下垂控制研究

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(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

1 引言

當前，能源需求趨緊，以保護環境為前提的可持續發展理念受到廣泛重視。國際上對分布式發電領域給予了更多的期待。作為分布式電源大規模應用的有效技術實現途徑，微網技術可通過柔性控制降低分布式能源并網對大電網的影響，實現能源的高效利用。而微網中的部分微源如光伏、蓄電池等均以逆變器為媒介，實現與微網相連。因此，實現微網逆變器的并聯運行下垂控制的研究具有十分重要的現實意義[1-3]。

傳統的下垂控制的思想在于，利用本地信息計算有功功率和無功功率，根據下垂特性曲線，調整微源接口的逆變器的輸出電壓和頻率[4]。為實現均流，則需通過測量公共耦合點處電壓參與下垂控制。但是，傳統的下垂控制缺乏對具體線路阻抗特性的考量，其假設前提為輸電線路為感性的架空線路，對于存在阻性或者阻感性的輸電線路的微網不適用。文獻[5]提出采用旋轉坐標，通過坐標變換，從而避免線路阻抗對于功率的耦合作用。但是，公共耦合點處的電壓反饋信號的傳輸增加了通訊成本，傳輸距離和信號傳輸準確性也成為必須考慮的問題。文獻[6]提出了類功率的概念，但是僅停留在所有微源均采用完全相同的線路，也未對微源容量不同對于分配的影響加入考慮。因此，本文提出一種改進的的類功率下垂控制策略，僅根據本地信息，以微源單元輸出量為觀測量，通過類功率的形式，實現控制量的解耦，完成不同容量微源單元的功率分配。

本文通過分析并聯微源模型，提出類功率下垂控制方法，實現控制量的解耦和負荷功率的精確分配。通過仿真分析，證明了類功率下垂控制策略的可行性和優越性。

2 微源并聯系統功率分配分析

考慮如圖1所示兩個微源并聯模型，進行并聯系統分析。微源單元為分布式電源通過逆變器接口經過濾波單元的等效交流源。

圖1 微源并聯系統模型

本文中計算僅根據可測的本地信息，利用KCL定律，有：

(1)

公共耦合點電壓可表示為：

(2)

那么，可求得微源1輸出電流為：

(3)

本文在計算輸出復功率時可采用微源單元輸出電壓即本地電壓，而非公共耦合點電壓，求得微源1輸出復功率為：

(4)

為了表示方便后文描述，令：

(5)

將式(5)帶入式(4)，微源1發出的復功率簡化為：

(6)

即，微源1發出的有功與無功功率為：

(7)

同理，可得微源2發出的有功與無功功率為：

(8)

由式(7)與式(8)，微源發出的有功與無功功率均與U1、U2、φ1、φ2相關。而傳統的下垂控制把線路視為感性，即x>>r時，認為相位角由有功功率決定，電壓由無功功率決定，忽略了有功功率與電壓的關系、無功功率與相位角的關系。當微源所在為低壓微網時，即線路為阻性或阻感性，那么有功功率與電壓的關系、無功功率與相位角的關系不能被忽略。

因此，有功功率與電壓的關系、無功功率與相位角的關系應該考慮入下垂控制的控制律設計中。那么，是否能尋求某兩個變量，通過相關變形，使得這兩個變量僅僅與電壓或者是相位角有關，從而實現控制量的解耦呢？因此，本文利用“類功率”的概念，僅利用本地信息，根據有功功率與無功功率的線性組合，尋找 “類有功功率”P1t、P2t，使其差值僅與相位角有關的；尋找“類無功功率”Q1t、Q2t，使其差值僅與電壓差有關的。

除了控制量解耦與通訊成本，在下垂控制設計中，各微源對負荷功率的分配也是探究要點之一。在不同容量微源并聯的微網中，環流大小是衡量系統功率分配的重要指標。如果能按照額定容量比k精確分配負荷功率，精確設定電壓和頻率參考點，則并聯微源能夠穩定運行，同時抑制環流。那么，“類功率”實現控制量解耦的同時，是否能實現微源出力對應容量成比例滿足負荷功率需要呢？如果微源發出的類有功功率和類無功功率對應成比例，是否真正的輸出有功功率與無功功率也能滿足精確的負荷功率分配呢？本文將在隨后解答這個問題。

3 類功率下垂控制

由前文可知，類功率為有功功率與無功功率的線性組合，即：

(9)

假設微源1、2容量比為k。如果兩微源按照容量之比發出類有功功率和類無功功率，則有：

P1t-kP2t=(k11P1+k12Q1)-k(k21P2+k22Q2)=

(10)

Q1t-kQ2t=(k13P1+k14Q1)-k(k23P2+k24Q2)=

k14c+kk23b+kk24c)+U1U2cos(φ1-

φ2)(k13c-k14b-kk23c+kk24b)

(11)

若要求微源的類有功功率功率僅與相角相關，那么經調節使得相角差為0時，微源1、2須根據容量比精確分配負荷的類有功功率功率。而要求微源的類無功功率僅與電壓差相關，那么經調節使得電壓滿足對應關系時，微源1、2須根據容量比精確分配負荷的類無功功率功率。則式(10)與式(11)的相關參數須滿足：

(12)

即類功率參數的選擇須滿足式(12)；同時，等效輸出阻抗滿足r2/r1=x2/x1=k時，類功率按照微源容量等比例分配。

所以，有：

(13)

此時類有功功率的差值僅與相角差有關，類無功功率的差值僅僅與電壓差有關：

(14)

由式(14)可知，如果有φ1>φ2，則必然推出P1t>kP2t；若U1>U2，則必然推出Q1t>kQ2t。因此，經過調節，系統會穩定在P1t=kP2t與Q1t=kQ2t。

那么，記U1=U2=U。此時微源1、2輸出的有功功率和無功功率關系如下：

(15)

(16)

由于，此時有r2/r1=x2/x1=k，故有P1=kP2和Q1=kQ2。也就是說，當微源輸出的類有功功率和類無功功率對應容量成比例時，它們輸出的實際有功功率和無功功率也對應成比例，從而消除了環流，有利于系統的穩定運行。

根據上述推導，所選下垂控制方式為類下垂功率控制：

(17)

4 仿真分析

為驗證控制策略的合理性，在MATLAB/SIMULINK平臺中搭建仿真模型進行仿真實驗。

以圖1所示的兩微源并聯進行仿真。微源1與微源2容量比為1∶2。系統初始工況為2個微源分別帶有功負荷20kW和40kW；在0.5s時，兩微源并聯；在1s時，公共耦合點新增有功負荷40kW和無功負荷24kVar。主要考察不同容量微源并聯時，分別工作在傳統功率下垂控制與類功率下垂控制下的微源是否按照容量比增發功率滿足負荷需求，考察環流大小。Droop曲線為傳統下垂控制；QuasiDroop曲線為類功率下垂控制。

從圖2可以看出，對比傳統的功率下垂控制律和類功率下垂控制律：在傳統的下垂控制方法下基本可實現有功功率的按比例分配，原因在于系統穩定時兩微源的頻率會拉入同步。所以只要將設定下垂系統成比例，則可滿足有功功率的按比例分配。但是由于存在電壓偏差，無法滿足無功功率的按比例分配。同時輸出電流的幅值和相位差值無法忽略，即存在著明顯的環流。而與之相比，在類功率下垂控制方法下，基本可以實現有功功率與無功功率的按照容量等比例下降，且輸出電流的幅值和相位很小，環流較小，實現了較為精確的功率分配和環流抑制效果。

5 結論

本文根據不同容量微源并聯系統特點，提出了一種改進的類功率下垂控制策略，消除控制量的耦合，實現不同容量微源對于負荷功率的精確分配。

首先分析了微源的并聯模型。根據本地信息，推出微源的輸出功率的表達式。引入“類功率”的概念，利用有功功率和無功功率的線性組合形式得出類有功功率和類無功功率，使得類有功功率僅與微源輸出頻率相關，類無功功僅僅與微源輸出電壓相關，實現了控制量的解耦。同時，實現負荷功率按照微源容量進行分配，完成功率的精確分配。最后以不同容量微源并聯進行仿真實驗。不同容量微源并聯時，能夠有效地減少系統環流，提高功率的分配精度。仿真實驗證明，無互聯線的類功率下垂控制策略在無需測量公共耦合點處電壓的情況下，具有良好的負荷功率分配特性。

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