基于自適應虛擬阻抗的微電網分布式電源控制

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(1.上海電力學院, 上海 200090;2.南瑞集團公司(國網電力科學研究院), 南京 210003)

直流微電網具有各微源協調控制方便、線路成本低且無功功率損耗無等優點,目前已成為微電網重要的發展方向[1-2]。直流微電網中,由于多個分布式發電(Distributed Generation,DG)單元并聯連接在公共直流母線上,線路電阻存在且不一致時,會產生環流,從而影響各分布式電源之間的電流分配及系統的穩定,因此不同分布式電源之間的協調控制是微電網穩定運行的關鍵。其中,不同分布式電源之間的電流分配已成為主要研究問題[3-8]。

下垂控制[9]是一種典型的分布式控制策略。在分布式電源之間負荷電流分配中,傳統下垂控制由于線路電阻的影響難以保證其合理分配。文獻[3]通過將一個線性補償項添加到傳統的下垂控制器中來達到減小母線電壓波動的目的,但為了提高分配精度,需選擇較大的下垂系數,此外,文中并沒有綜合考慮線路電阻的影響。文獻[4]在下垂控制中加入虛擬阻抗以減少線路電阻對電流分配的影響,但是所提方案改變了整個系統結構,造成了新的不穩定因素,一定程度上影響了系統的可靠運行。文獻[5]為了實現電流分配,在傳統下垂控制中添加平均電壓和平均電流控制器,但每一個轉換器需要根據其他轉換器的輸出電壓和電流值來計算平均值,通信要求較高。文獻[6]提出了一種改進的下垂控制來實現負荷功率自動分配,雖采用本地信息,無需依賴通信,具有較高的可靠性,但控制方法過于單一且系統參數變化時易影響控制結果。文獻[7]提出了另一種改進的下垂控制,通過調節虛擬阻抗來實現負荷功率分配,并采用二次控制方法補償電壓偏移,但過于依賴于中央控制器,造成操作靈活性不足。文獻[8]為了實現各分布式電源間電流的精確分配,采用了不對稱分布式電壓補償控制的方法。

針對上述問題,為了消除不匹配的線路電阻和不對稱負荷對電流分配的影響,本文提出了一種基于自適應虛擬阻抗的分布式控制策略。該控制策略在傳統下垂控制的基礎上,結合本地和相鄰DG單元輸出的電流和初始虛擬阻抗值,根據系統特性自動調節等效輸出虛擬阻抗,使接口變流器的虛擬電阻與線路電阻的和逐漸收斂于相同值,以實現電流的動態均衡分配。另外,虛擬阻抗控制中由于線路電阻的影響帶來的電壓偏移,則通過添加電壓控制器利用動態一致性觀察法進行補償。

1 變流器均流策略分析

本文采用的帶有分布式負荷的直流微電網,系統結構如圖1所示。圖1中各DG單元通過相應的變流器連接于公共直流。

圖1 帶有分布式負荷的直流微電網

圖1中,Ui和Ii分別為第i個變流器輸出的直流電壓和電流;Ri和Iri分別為第i條線路的線路電阻和流過線路電阻的電流;IRi和IR分別為流過局部負載和公共負載的電流;Udc為公共母線電壓。

根據電路理論分析,線路直流電流為

(1)

若各變流器輸出電壓是采用相同的參考值并考慮局部負載電流,則第i個變流器輸出的直流電流Ii為

Ii=Iri+IRi

(2)

結合式(1)和式(2)可得

(3)

從式(3)可以看出,線路電阻和不平衡的負載分布都會影響各變流器的輸出電流。在理想情況下,所有變流器工作在相同的運行狀態。但實際上并非所有的變流器都處于相同的運行狀態,因此線路電阻不同或者負荷波動時都會影響電流的分配。

在低壓微電網系統中,線路阻抗通常呈現阻性,而微電網孤島運行時呈低壓特性,因此本文系統為阻性,可忽略虛擬電感。本文在微電網的分布式電源變流器中添加虛擬電阻控制回路,使系統呈現阻性,具體如圖2所示。圖2中,兩個簡化變換器框圖表示兩個DG單元帶有虛擬電阻并考慮線路電阻的戴維南等效簡化模型。

圖2 直流微電網中兩個簡化變換器框圖

(4)

式中:Ki=Ri+Rdi,i=1,2。

根據KVL(基爾霍夫電壓定律)方程可得

(5)

根據式(4)和式(5)可得各變流器的輸出電流為

(6)

(7)

由式(6)和式(7)可得

(8)

對于同樣電壓等級系統的變流器可近似得

(9)

結合式(8)和式(9)可得輸出電流均勻分配的條件是變流器輸出總阻抗滿足

(10)

由式(10)可以看出,在直流微電網中,只需滿足K1=K2,就可實現負載電流均勻分配,即I1=I2。

2 分布式虛擬阻抗控制一致性問題

2.1 分布式控制分析

在微電網控制中,集中控制需要通過中央控制器控制所有DG單元的信息,對通信要求高,一旦某條線路發生通信故障,將無法確定其余DG單元的控制指令,情況嚴重時會造成系統崩潰,可靠性不高。

本文所提出的分布式控制策略通過一個稀疏的通信網絡有向圖[10],使得DG單元僅使用本地和相鄰單元的信息(局部信息),避免了全局信息的使用,可靠性得到了提高[11-12]。圖3為本文采用的分布式通信結構。此結構帶有冗余鏈路稀疏的通信網絡有向圖。

圖3 分布式通信結構

分布式通信結構中,若有n個DG單元,即可表示為v={v1,v2,v3,…,vn}。(vj,vi)為編號為j的DG單元DGj指向編號為i的DG單元DGi有向邊,表示DGi能夠接收DGj的信息,即DGj是DGi的鄰居,所有有向邊構成的集合為E。若DGi的所有相鄰的有向邊集合Ni={j(vj,vi)∈E},即其為DGi的鄰居集。對于有向圖來說,DGi只能從鄰居j∈E中接收信息。圖3中,v1,v2,v3,v4分別代表4個DG單元,v={v1,v2,v3,v4},DG2和DG4有向邊指向DG1,即DG2和DG4是DG1的鄰居,DG1只能從DG2和DG4接受信息,因此DG2和DG4是DG1的鄰居集。

2.2 一致性虛擬阻抗分析

在傳統下垂控制中,電壓電流的耦合關系由于線路電阻的存在而加大,且線路電阻影響電流分配精度,導致電流分配不可控,使得線路電阻大的輸出電流小,線路電阻小的輸出電流大。

令平均線路電阻

(11)

結合式(10)和式(11)可得

(12)

由式(12)可以看出,不同的虛擬電阻對應不同的線路電阻。本文結合各DG單元輸出的電流和線路電阻值,采用一致性算法[13],自適應調節虛擬阻抗。

其迭代格式為

(13)

式中:Ni——所有有向邊構成的集合;

xi(u)——u時刻狀態;

aij——鄰接矩陣A的元素,A=[aij]描述各DG單元間的聯系,若有(vj,vi)∈E,aij=1,否則aij=0。

一致性理論是基于局部信息交換的分布式模式,利用一致性算法,通過更新信息狀態,各微電源的等效虛擬阻抗值會逐漸收斂于相同值。該算法不但能夠提高控制效果,還能提高收斂速度,其流程如圖4所示。

圖4 一致性算法控制流程

3 控制結構分析

3.1 分布式控制的一致性虛擬阻抗調節

虛擬阻抗法可以提高功率分配[14]。傳統的虛擬阻抗控制無法有效解決多個DG單元之間各線路阻抗不一致情況下電流的均勻分配問題。本文采用分布式虛擬阻抗控制,通過一致性算法,以實現DG單元之間電流的均勻分配。

初始虛擬阻抗控制為

(14)

本節設計了分布式控制的一致性自適應虛擬阻抗調節,利用本地DG單元的電流和線路電阻信息進行一致性迭代,再利用相鄰單元的信息更新虛擬阻抗值。

在本文中,通過式(13)的一致性算法協調過程,利用動態一致性觀察法[15],估計各DG單元承擔的虛擬阻抗和電流平均值,其計算公式為

(15)

式中:Ki(u),Ii(u)——u時刻第i個DG單元的虛擬阻抗值和電流值;

Kj(u),Ij(u)——u時刻第j個DG單元的虛擬阻抗值和電流值。

本文將i臺DG單元的下垂系數標定為Rd=[Rdc1,Rdc2,Rdc3,…,Rdci]T,將電流分配的控制等效為實現Rd的一致性。Rdci為可變虛擬阻抗,包含了線路電阻和虛擬阻抗,呈阻性。當Rd收斂到相同值時,各變流器的等效輸出阻抗相等,從而實現各變流器之間電流均勻分配,實現最終均衡,即

Rdc1=Rdc2=Rdc3=…=Rdci

(16)

I1=I2=I3=…=Ii

(17)

本文中,各DG單元初始虛擬阻抗值相等,僅利用本地和鄰居的虛擬阻抗和電流信息調節。另外,負荷迅速變化且等效輸出阻抗仍然存在差異時,為了確保電流的均勻分配,在下垂控制中添加電流控制器,進一步調節輸出電流,使各DG單元控制中實現相同的電流增量。

綜上所述,分布式控制的一致性自適應虛擬阻抗調節為

(18)

式中:R*——虛擬電阻參考值;

Gp(s),Gr(s)——校正阻抗和電流的PI控制調節器。

DG單元利用本地的電流、虛擬電阻,線路電阻信息進行一致性迭代,利用相鄰的單元的信息更新等效虛擬阻抗值,即線路電阻小的DG單元自動調節虛擬電阻值相對增大,而線路電阻大的則調節虛擬阻抗值相對減小,使接口變流器的虛擬電阻與線路電阻的和趨于相等,以減小輸出電流差值。

3.2 電壓調節的分析

電壓控制是微電網的另一個控制目標[16]。在傳統的下垂控制中,當直流輸出電流不為零時,就會存在直流電壓偏差。電壓調節的常用方法是把變流器的平均輸出電壓作為總線電壓的參考值[5,7],各單元之間需要獲得其他單元信息(全局信息),導致系統可靠性降低。利用動態一致性觀察法,通過使用相鄰單元的信息(局部信息)來估計整個微電網的平均電壓。

從式(12)可以看出,傳統下垂控制存在電壓偏差為

ΔUi=IiRdii=1,2

(19)

為了補償下垂控制和虛擬阻抗引起的電壓偏差,本文引入了針對直流母線電壓的二次控制方法如下

δUi

(20)

δUi為補償電壓偏移值,即

(21)

(22)

式中:Ce——耦合增益;

Uj——相鄰單元的電壓值。

DGi的平均電壓是通過處理本地的輸出電壓和相鄰單元的輸出電壓而收斂到的平均電壓。此法可對母線電壓偏差進行補償并提高系統可靠性,在多微電源存在的情況下,可以減少由下垂控制和不一致的線路電阻帶來的電壓偏差,使系統能夠穩定運行。

本文所提出的控制策略控制框圖如圖5所示。由圖5可知,本文通過添加電流控制器和虛擬電阻控制器調整下垂系數使線路電阻與虛擬電阻之和動態均衡,從而實現負載電流的均勻分配。另外,在下垂控制中添加了電壓控制器,可以消除虛擬阻抗控制引起的電壓偏差。

圖5 本文提出的控制策略控制框圖

4 仿真分析

為驗證本文提出的自適應虛擬阻抗策略和電壓恢復控制策略的有效性,利用MATLAB/Simulink搭建了帶有4個容量相同且并聯運行的DG單元組成的的微電網系統仿真模型,并對不同狀況下電流分配結果進行驗證分析,各單元均采用本文所提自適應虛擬阻抗控制和電壓恢復策略。其中,微電網運行在孤島模式,直流負荷包括公共負荷和本地負荷,光伏額定功率為3 kW,輸出電壓參考值為380 V。仿真驗證包括4個部分。

4.1 負荷波動下電流運行特性分析

由于線路電阻存在且不同,所以導致各變流器輸出電流和有功功率存在差異,且負荷波動時影響電流分配。在線路電阻存在差異的情況下,分析負荷波動對電流分配的影響,仿真結果如圖6所示。

圖6 本文所提的控制策略下帶有4條線路電阻的仿真結果

初始狀態下公共負荷為100 Ω,線路電阻分別為8 Ω,5 Ω,2 Ω,0.8 Ω。I1,I2,I3,I4分別表示1#～4#變流器輸出的直流電流;P1,P2,P3,P4分別表示1#～4#變流器輸出的有功功率。由圖6可看出,系統運行約0.3 s時,電流和有功功率分配誤差逐漸減少達到均衡,0.8 s時公共負荷突然減少至50 Ω,1.6 s時又突然增加至70 Ω。根據本文提出的控制策略,系統在擾動后能迅速切換到新的工作運行點,實現了分布式電源間輸出電流和輸出功率的均勻分配,滿足負荷可靠供電,系統穩定運行,驗證了本控制方法的有效性。

4.2 本地負荷波動時電流運行特性分析

以本地負荷投切為例,驗證本地負荷擾動時本文策略的有效性。其中,微電網中公共負荷為80 Ω,各變流器的線路電阻分別為8 Ω,5 Ω,2 Ω,0.8 Ω,且投切本地負荷均為100 Ω。仿真結果如圖7所示。圖7中,初始狀態下,各DG單元本地負荷均處于切除狀態,輸出電流和輸出功率均勻分配,系統穩定運行。系統運行0.8 s時,4#變流器中的本地負荷突然接入;經過0.3 s,變流器的輸出電流和功率通過本文所提出的控制策略再次實現均分;1.6 s時,4#變流器中的本地負荷再次斷開,僅剩下公共負荷。從圖7可看出,各變流器輸出電流和功率仍能夠均勻分配,滿足控制要求。因此,在考慮局部負荷情況時,本文所提出的下垂控制策略仍能提高電流的分配精度,使系統穩定運行。

圖7 本文所提的控制策略下本地負載連接或中斷時性能的仿真結果

4.3 部分變流器退出情況下電流運行特性分析

以部分變流器退出運行為擾動,對本文所提控制策略的有效性進行驗證,仿真結果如圖8所示。初始狀態下無通信故障。

圖8 本文所提的控制策略在變流器故障時性能的仿真結果

由圖8可以看出:系統運行0.8 s時,4#變流器退出運行,其輸出電流下降到零,由于系統存在冗余鏈路,負載通過其他變流器供電,其他變流器的輸出電流和輸出功率增加,在新的狀態下重新均勻分配,并在新的狀態下穩定運行;系統運行1.6 s時,1#變流器退出運行,1#變流器中的虛擬阻抗不再調整,2#變流器和3#變流器仍能運行,電流在新的狀態下重新分配。利用本文所提的分布式控制策略,DG單元僅使用了本地和相鄰單元的信息,無需全局信息,DG3不能接受DG1信息時,由于存在冗余鏈路,仍能實現電流的均勻分配。

4.4 負荷波動情況下輸出電壓仿真分析

圖9為欠壓補償前各變流器輸出電壓的仿真結果。由圖9可以看出,在沒有電壓補償且線路電阻不同的情況下,公共負荷或者本地負荷在0.8 s和1.6 s時波動,各變流器輸出電壓在365～375 V之間,系統不能在額定電壓下穩定運行。

圖10為電壓補償后各變流器輸出電壓的仿真結果。由圖10可以看出,小擾動發生后,各變流器輸出電壓動態響應過程中超調量較小,響應較快,上下波動范圍不超過5 V,且輸出電壓穩定在額定電壓,滿足了負荷可靠供電的要求,保證了系統的穩定性,驗證了本文控制方法的有效性。

圖9 本文所提的控制策略在變流器電壓補償前性能的仿真結果

圖10 本文所提的控制策略在變流器電壓補償后性能的仿真結果

5 結 語

本文提出的基于自適應虛擬阻抗的分布式控制策略,在DG網絡拓撲結構下,各DG單元只需利用本地和相鄰單元的實時輸出的電流和虛擬阻抗值,根據系統特性自動調節等效輸出虛擬阻抗,較好地解決了直流微電網中線路電阻不匹配和負荷不對稱情況下各DG單元之間電流分配不平衡的問題,同時改善了母線的電壓質量。