基于改進下垂控制的微電網有功與頻率控制策略*

李燕青，郭通，袁燕舞

（河北省輸變電設備安全防御重點實驗室，華北電力大學，河北保定071003）

0 引 言

微電網是以分布式發電技術為基礎，融合儲能裝置、控制裝置和保護裝置的一體化單元，靠近用戶終端負荷，能夠工作在并網和自治兩種模式，核心是提高供電可靠性、集約應用分布式新能源、改善電能質量［1］。微電網代表了未來一種電力能源組織結構發展趨勢，對推進節能減排和實現能源可持續發展具有重要意義。微電網的控制結構可以分為三種：主從控制，對等控制和分層控制。主從控制和分層控制中各分布式單元都需要進行通信，一旦通信發生故障，微電網系統就不能正常運行，而下垂控具有無需通信便能實現負荷變化在各逆變電源之間按照電源容量分配的優點［2-3］。目前的研究大體上可分為兩類，一類是利用系統小信號模型研究控制器參數選取對系統穩定性影響［4-7］，一類是通過在下垂曲線方程中加入特定項來改善系統暫態響應［8-12］。

文章從改善傳統下垂控制的穩態性能上出發，提出了微網在離網和聯網下的兩種改進控制策略，利用改進的控制策略，可以實現微網離網運行時的零頻率偏差，并網運行時根據需要使電源發出指定的有功功率，仿真驗證了所提策略的有效性。

1 下垂控制的基本原理

下垂控制的整體結構圖如圖1所示，按照功能可分為三個模塊：功率控制器、電壓控制器、電流控制器［11］。

圖1 下垂控制整體結構圖Fig.1 Overall structure diagram of droop control

功率控制器主要實現逆變器輸出功率的測量，得到的瞬時功率經過低通濾波得到變化緩慢的平均功率，平均功率經過人為制定的下垂曲線得到逆變器輸出電壓和頻率的參考值；電壓控制器根據功率控制器輸出的參考電壓值V0*，經過一定的控制策略（PI控制），得到電流控制器的參考電流值i1*；電流控制器的主要任務是根據從電壓控制器得到的參考輸入，經過一定的控制策略，給出逆變器的參考調制電壓波形，逆變器按照此調制電壓逆變出所需頻率和幅值的PWM波形的電壓，此PWM電壓經過由Ll，Rl，Cl組成的低通濾波器，得到所需的正弦波電壓V0，該電壓再經過線路阻抗Rc，Lc向負荷供電，或者與其它下垂控制的微源接口逆變器并聯，也可能經過PCC與配電網進行連接。

下面對下垂控制各模塊的具體工作過程做一介紹如圖2所示（以有功頻率調節為例）。

假設系統初始運行于A點，有功為P0，頻率為ω0。現由于某種原因系統中有功負荷增加，功率控制器檢測到逆變器輸出有功增大，經過下垂曲線降低參考電壓的輸出頻率，電壓控制器和電流控制器按照新給出的參考電壓頻率共同作用，即調節逆變器開關管的開閉狀態，使逆變器輸出端電壓頻率降低。此時，由于負荷本身的頻率調節效應，負荷吸收的功率會隨電壓頻率降低而減小，這樣，逆變器在下垂曲線的控制下輸出有功增加，負荷在自身調節特性約束下吸收有功減少，經過一個過渡過程，系統會到達新的穩態運行點A′，此時系統的有功功率為P1，頻率為ω1。

由以上的分析過程可以看出，下垂控制對微網系統有功和頻率的調節類似于傳統電力系統的一次調頻過程，而下垂控制也正是借鑒了傳統電力系統中發電機有功頻率的這一關系，將其賦予了逆變器而得出的一種控制策略。

2 下垂控制的改進

下垂控制的有功頻率下垂方程為：

式中 P0i對應頻率為ω0時的功率；Pi為逆變器實際發出的有功功率；mi對應有功頻率下垂系數。一般情況下，在下垂控制中P0i取值為逆變器的額定功率不再改變，這就使得傳統下垂控制在調節過程中喪失了很多靈活性，如果在下垂控制調節過程中同時改變P0i的值，就可以使傳統下垂控制獲得很多優良的穩態性質，現以離網和并網兩種情形分述如下：

（1）A離網運行時

為了改善離網運行時微網系統穩態頻率偏離額定值的現象，離網運行時下垂控制的有功頻率特性改進如圖3所示。

圖3 離網時改進有功頻率下垂控制Fig.3 The improved active frequency droop control strategy when off grid

圖3中PIR是逆變器的額定功率，K是一個影響頻率調節速度的比例因子。從圖中可以看出原來固定不變的P0i現在成為一個受頻率偏差Δωi的影響的變量，由于前向通道中有一個積分環節，使得微網系統進入穩態后，系統頻率ωi與額定頻率ω0的偏差Δωi為零。在該過程中，P0i的值不斷改變，相當于在垂直方向上移動逆變器的下垂曲線，所以調節過程中仍可以保證微源按比例分擔負荷。實際上，通過改變P0i來使離網系統頻率恢復到額定值的過程相當于傳統電力系統的二次調頻過程，此改進相當于為微網系統增加了調頻器，而傳統下垂控制卻只能進行一次調頻。

（2）B聯網運行時

采用下垂控制的逆變型電源聯網運行時，微網系統與大電網形成一個整體，具有相同的的頻率ω0，可以利用這個特點來指定逆變型電源聯網運行時發出的有功功率。聯網運行時下垂控制的有功頻率特性改進如圖4所示。

圖4 聯網時改進有功頻率下垂特性Fig.4 The improved active frequency droop control strategy when connected to the grid

圖4中PIR與K的含義和圖3中一樣。Ki的取值影響P0i環的調節速度。當逆變型電源采用這種改進的控制結構由離網狀態轉入聯網狀態運行時，由于大電網的影響，穩態后逆變型電源輸出電壓的頻率必然等于電網的額定頻率ω0，即頻率差Δωi為零，又由于穩態后積分環節的輸入必須為零，所以圖4中P0i*與P0i的差值也必須為零，這樣穩態時逆變器下垂曲線上的P0i等于預先設定的值P0i*，而P0i又對應于額定頻率時逆變器發出的有功，所以最終聯網運行的逆變電源發出的有功功率將等于預先設定的值P0i*。

對于微型燃氣輪機等可調微源，可將P0i*設定為微源的額定功率，對于儲能裝置，由于聯網運行時需要從電網吸收有功功率進行充電，可以將P0i*設定為負值，大小為儲能裝置的額定功率，這樣當運行模式發生變化時，微源將自動以新的設定功率投入運行。

3 仿真結果

為了驗證所提出的改進下垂控制的效果，在SIMULINK中進行了仿真試驗，仿真所用模型如圖5所示，仿真所用參數如表1所示。

表1 仿真參數表Tab.1 Simulation parameters table

圖5 仿真模型結構圖Fig.5 Structure diagram of simulation mode

其中DG1和DG2是兩個容量可調的微源，蓄電池擔當儲能裝置，三者均通過改進下垂控制接入微網母線中，DG3代表不可調功率元件，如光伏電池等，仿真中采用恒功率控制策略。

利用該模型分別進行離網和聯網運行條件下的仿真，仿真結果如下所示：

（1）A離網運行仿真

圖6為DG1和DG2在傳統下垂控制下的有功和頻率仿真曲線。

圖6 離網時傳統有功頻率下垂特性仿真曲線Fig.6 Simulation curve of traditional active frequency droop characteristic

仿真中假定在0.75 s時負荷突然增加，可以看到兩微源共同增加了出力來應對負荷的增加，但由于傳統下垂控制中P0i的值維持不變，不具有頻率恢復的機制，所以系統頻率在穩態后有所下降。

圖7為改進下垂控制下的DG1和DG2的有功和頻率仿真曲線，可以看到盡管負荷同樣在0.75 s時增加，兩微源也同樣增加了出力，但由于改進策略在逐漸增大P0i的值，升高了有功頻率下垂曲線，所以穩態后系統頻率得以恢復到額定值，同時也保證了兩微源按比例分擔增加的負荷，驗證了所提策略的有效性。

圖7 離網時改進有功頻率下垂特性仿真曲線Fig.7 Simulation curves of improved active frequency droop characteristic

圖8為兩種情況下的DG3的有功響應曲線，可以看到，由于采用恒功率控制，在負荷增加前后，DG3的有功出力基本維持不變，符合恒功率的控制目的。

圖8 DG3的有功響應曲線Fig.8 Active response curves of DG3

（2）B聯網運行仿真

圖9為可調電源DG1在圖4所示改進控制策略下由離網轉聯網運行的有功和頻率仿真曲線。仿真中假設在0.3 s發生并網，可以看到在并網以前DG1發出的有功功率約為35 kW，頻率略低于額定頻率，并網后，隨著暫態過程的進行，DG1出力自動變為預先設定的自身額定功率30 kW，頻率達到50 Hz，驗證了圖4控制策略的有效性。

圖9 聯網時可調微源的有功頻率仿真曲線Fig.9 Active power frequency simulation curve of adjustable micro source

圖10為蓄電池組在圖4所示控制策略下由離網轉聯網運行的有功和頻率仿真曲線，仿真中假定t＝0.5 s時并網，從圖中可以看到在并網以前蓄電池組發出有功功率，釋放電能，并網運行后，蓄電池組吸收電網發出的有功功率，進行充電，同時系統頻率達到了額定頻率50 Hz，達到了儲能裝置在微網中的控制效果。

圖10 聯網時儲能裝置的有功頻率仿真曲線Fig.10 Active power frequency simulation curve of energy storage device

4 結束語

首先分析了下垂控制在微網中調節系統有功功率與頻率的原理，在此基礎上，提出了下垂曲線在離網和聯網運行下的兩種改進措施，通過調整下垂曲線中與額定頻率ω0對應的功率P0i的值，可以實現離網運行時的頻率恢復過程，達到穩態后無頻率偏差運行；聯網運行時通過改進的控制措施，可調容量電源可以根據預先設定的有功功率值自動投入運行，儲能裝置則可以自動從發出有功功率切換為從電網中吸收有功功率，并可以保證系統穩定，最后通過仿真驗證了所提出的改進策略的有效性。