基于虛擬阻抗的微網下垂解耦改進控制策略研究

王林川，魏 建，孫志龍

(東北電力大學，吉林 吉林 132012)

基于虛擬阻抗的微網下垂解耦改進控制策略研究

王林川，魏 建，孫志龍

(東北電力大學，吉林 吉林 132012)

基于下垂控制的微網控制策略，可以實現無信號互聯的多逆變型微源并聯運行，運行可靠性高，控制結構簡單。但傳統的下垂控制基于線路的阻抗為感性為主，而實際中微網多并聯與中低壓配網當中，其線路以電阻性為主，不滿足傳統下垂解耦控制的要求，影響下垂控制效果。針對這一問題，首先對線路的功率傳輸特性進行分析，得出下垂解耦控制的條件。其次，在傳統下垂控制中加入虛擬阻抗控制，優化線路的阻感比，同時在下垂控制中加入線路阻抗壓降，實現無功功率精確分配。最后，在matlab/Simulink環境下搭建微網控制模型，驗證控制策略的有效性。

微電網；分布式電源；下垂控制；電壓電流雙閉環；虛擬阻抗

1 引言

隨著全球能源枯竭，環境日益惡化，微網以其清潔、自制、友好等特點受到廣泛的關注。[1]微網是由分布式電源(DG)、儲能裝置、負荷以及監控保護系統組成的小型發配電系統[2]，具有并網和孤網兩種運行模式。穩定運行時，微網與大電網并聯運行，為電網提供一定功率支撐。當檢測到大電網或微網內部故障時，微網通過靜態開關自動與大電網斷開，形成孤網運行模式，繼續為微網內部負荷供電，從而提高供電的可靠性。

現有的微網的控制方式主要分為主從控制和對等控制兩大類[3]。前者利用全局信息實現控制，對通信的要求較高；后者通過模擬發電機的P-f，Q-V靜態下垂特性，利用本地信息實現控制，無需信號線互聯且魯棒性較好，有利于實現“即插即用”功能，因此被廣泛運用于微網的控制中。傳統的發1電機運行于感性的電網中，發出的有功功率與相角差強相關，無功功率與電壓差強相關，因此可以實現在感性環境下的PQ解耦控制。但微電網多為中低壓網絡，線路以阻性或阻感性為主，難以實現V/f下垂解耦控制，從而減弱了下垂控制的效果。

本文以微網中的逆變器并網型微源為研究對象，針對傳統下垂控制難于在中低壓微網中實現功率解耦控制，在傳統的下垂控制的基礎上，加入了虛擬阻抗控制環節，優化線路阻感比，實現PQ解耦控制。其次，在傳統下垂控制的基礎上，加入了有功功率和無功功率的微分環節，改善下垂并聯控制的動態性能。最后在仿真平臺Matlab/Simulink上對所提出的控制策略進行仿真驗證。

2 微電網結構

本文研究的微網結構如圖1所示。微網中的分布式電源認為是直流電壓源或經過整流器后得到的直流源，經過逆變器變換為交流后經饋線與微網交流母線相連。由于微網內的DG與微網交流母線距離不等，因此饋線阻抗也各不相同。微網經靜態開關與大電網相連，實現并離網雙模式運行。DG均采用無互聯線的下垂控制策略進行控制，發出的功率首先供給本地負荷，多余的功率經過饋線輸送給公共負荷。

圖1 微網結構

3 下垂控制原理分析

為了分析單臺DG的功率傳輸特性，將其等效為如圖2所示的簡化電路。圖中，DG輸出電壓和公共連接點(PCC)電壓分別為U0∠δ和UPCC∠0，逆變器與PCC之間的饋線阻抗ZL=R+jX。

圖2 單臺微源簡化等效電路

逆變器輸出有功和無功功率表達式為：

系統穩定運行情況下，功角δ較小，則有sinδδ和 cosδ=1。同時，假定線路以感性為主，則有X>>R，對上式化解得：

式中ΔU=U0-UPCC。由上式可以看出，微源可通過調節輸出電壓相位δ來調節有功功率的輸出，通過調節輸出電壓幅值U0來調節無功功率的輸出，從而實現微源對輸出有功功率和無功功率的解耦控制。由于電壓的相位不易測量，頻率與相角存在積分關系，因此可以通過調節頻率來間接實現對電壓相位的調節。由此構造的下垂控制方程為：

ω=ω0-mP

U=E0-nQ

式中ω0和E0分別為微源空載時的角頻率和電壓幅值；m和n分別為電壓角頻率和幅值的下垂系數。當微源輸出的有功功率突然增大，下垂控制使微源輸出電壓的頻率降低，減小其相角，從而減少有功輸出，反之則增加輸出；電壓幅值和輸出無功也有相同的特性。因此，下垂控制具有內在負反饋的過程，若參數選取適當，可最終達到穩定狀態，實現負荷在微源間的共享[4]。

4 基于虛擬阻抗的改進下垂控制

以上關于下垂控制的推導是以線路感性X>>R為前提的，實際中微網大多接于中低壓配電網中，線路阻抗以電阻性為主，因此對下垂解耦控制產生不利影響。為了解決這一問題，有的學者提出通過串聯外接電感，調節線路的阻抗使其為感性，但這會使成本增加，降低經濟性。因此，可以通過調整控制系統結構和參數來調節微源輸出阻抗，優化線路阻感比。

4.1 電壓電流雙閉環控制

微源采用的是傳統的電壓電流雙環控制結構如圖3所示，其中外環為輸出電壓外環，采用PI控制，穩定輸出電壓；內環為電感電流內環，采用比例控制，提高系統的動態性能[5]。

圖3 電壓電流閉環控制框圖

微源輸出電壓的傳遞函數為：

U0=G(s)Uref-Z0(s)·i0

其中G(s)為電壓增益，反映了受控電壓對電壓指令Uref的跟蹤性能；Z0為微源的等效輸出阻抗，由公式可以看出其大小不僅受濾波器參數的影響，還和控制器參數密切相關。由于上述微源控制參數的設計必須以保證控制器穩定為前提，因此對微源輸出阻抗的調節范圍小，使得該方法在實際應用中，存在相對較大的局限性[6]。

4.2 虛擬阻抗控制

虛擬阻抗控制是在原有的電壓參考值的基礎上減去輸出電流在虛擬阻抗Zv上的壓降，得到新的電壓參考值，等效外接電感對微源輸出電壓的影響，其表達式為：

代入輸出電壓的傳遞函數得：

U0=G(s)Uref-(Z0(s)+G(s)ZV)·i0=

圖4 基于虛擬阻抗的等效電路

4.3 下垂控制策略改進

同時，為了提高下垂控制的動態性能，在傳統的下垂控制當中加入有功無功功率的微分項，改進后的控制方程變為：

式中md和nd為微分項下垂系數。

圖5 改進后的下垂控制框圖

5 仿真分析

為了驗證提出的控制策略的有效性，本文采用的仿真結構圖如圖1所示。兩臺逆變型微源經過輸電線路與交流母線相連，實現并聯運行。系統電壓為380V。兩臺DG的參數相同，容量均為30kVA，額定頻率50Hz，空載電壓幅值為311V。負荷1和負荷2為本地負荷，均為10kW+5kVar；負荷3為公共負荷，為20kW+10kVar。線路參數為0.64+j0.101Ω/km，線路1長度為0.5km，線路2為1km。

仿真開始時，本地負荷投入，0.3s時公共負荷投入。仿真時間設為1s。首先，采用傳統下垂控制進行仿真分析，仿真結果如6所示。

圖6 傳統下垂控制微源有功無功波形

如圖6所示，實線為DG1發出的功率，虛線為DG2發出的功率。由于線路阻抗不是以感性為主，有功無功間存在耦合，影響下垂控制的效果。采用本文提出的控制策略后，仿真結果如圖7所示。

圖7 基于虛擬阻抗改進后微源有功無功波形

圖8 PCC處電壓電流波形

由于虛擬阻抗的加入，優化了線路的阻感比，降低了功率間的耦合關系，實現了有功和無功的解耦控制，驗證了控制策略的有效性。由于頻率是全局變量，達到穩態時各微源輸出頻率相等，均分有功負荷。但受饋線阻抗不等的影響，無功功率沒有在微源間實現均分。

6 結論

微網多并聯運行與低壓配電網當中，輸電線路以阻性為主，不滿足傳統下垂控制的解耦條件。虛擬阻抗的加入，可以在較大范圍靈活調節微源的等效輸出阻抗，從而優化線路阻感比，實現基于傳統下垂特性的解耦控制。由于線路阻抗不匹配導致無功功率分配不均的問題，將在下一階段進行研究。

[1] 楊新法,蘇劍,呂志鵬,等.微電網技術綜述[J].中國電機工程學報,2014,1:57-70.

[2] 王成山,肖朝霞,王守相.微網綜合控制與分析[J].電力系統自動化,2008,7:98-103.

[3] 張明銳,杜志超,黎娜,等.高壓微網孤島運行時頻率穩定控制策略研究[J].中國電機工程學報,2012,25:20-26.

[4] 程軍照,李澍森,吳在軍,等.微電網下垂控制中虛擬電抗的功率解耦機理分析[J].電力系統自動化,2012,7:27-32.

[5] 王成山,肖朝霞,王守相.微網中分布式電源逆變器的多環反饋控制策略[J].電工技術學報,2009,2:100-107.

[6] 荊龍,黃杏,吳學智.改進型微源下垂控制策略研究[J].電工技術學報,2014,2:145-152+184.

[7] 王波一,王鶴,蘭森,等.基于改進微分進化算法的微電網優化運行研究[J].東北電力大學學報,2013,Z1:27-32.

[8] 黃杏,金新民.微網用分布式電源變流器下垂特性控制策略[J].電工技術學報,2012,8:93-100.

Research on Droop Decoupling Control Strategy of Microgrid Based on Virtual Impedance

WANG Lin-chuan,WEI Jian,SUN Zhi-long

(Northeast Powor University,Jilin 132012,China)

The control strategy based on droop control can realize the multi-microsource parallel operation with no signal interconnection,running reliability and simple structure control.But conventional droop control based on the line impedance is inductive mainly,and actual in microgrid multiple parallel and in the low voltage distribution network,the line with the resistive based,does not meet the requirements of the traditional droop decoupling control,influence droop control effect.In view of this problem,the power transmission characteristic of the line is analyzed firstly,and the condition of the droop decoupling control is obtained..Secondly,in the traditional droop control,the virtual impedance control is added,the impedance ratio of the optimized line is controlled,and the active reactive power is controlled independently.Finally,the microgrid control model is established under the simulation software matlab/Simulink.The simulation result verifies the effectiveness of the control strategy.

microgrid；distributed generation；droop control；voltage and current closed-loop；virtual impedance

1004-289X(2017)01-0041-04

TM71

B

2015-12-23

王林川(1955-)，男，教授，研究方向為電力系統穩定與控制。