基于下垂控制的低壓微網控制策略

陳 瑩，義 琦

（廣西大學 行健文理學院，廣西 南寧 530000）

0 引 言

微電網是建立在用戶側附近的小型發電系統[1]。由于線路電壓等級的不同，線路阻抗所呈現的阻感性也不相同[2]。本文根據低壓輸電線路的特性，提出適用于低壓微網的下垂控制方法，并通過MATLAB軟件仿真。

1 低壓微電網的結構與線路阻抗

以光儲作為發電單元為例，微網主要包含發電單元、逆變單元、負載以及電網電源4個部分[3]。逆變單元一般靠近發電單元安放，從逆變單元到用戶側交流母線的電壓等級不同，線路阻抗的阻感性也不相同[4]。典型線路阻抗如表1所示，其中X為感抗值，R為阻抗值，X/R為阻抗比。

表1 典型線路阻抗

對于微電網而言，發電單元往往建立在距離用戶較近的地方，傳輸線路一般為低壓線路，線路阻抗與傳統大電網不同，因此不可直接套用傳統大電網的下垂控制方法[5,6]。

2 控制策略

兩個光伏分布式電源并聯發電的微網結構如圖1所示。其中，DG1和DG2為光伏發電單元，通過光伏逆變器轉換為三相交流電，傳輸到交流母線后供給負載。

圖1 微網結構示意圖

經化簡，得到該微網模型的等效電路圖如圖2所示。其中，E∠0為交流母線上的電壓；Un∠δn為逆變器n的輸出電壓，n=1,2；Z1∠θ1為負載阻抗；Zn∠θn為逆變器n的線路阻抗，n=1,2[7]。

圖2 光伏逆變器并聯運行等效電路圖

A點處的視在功率為：

根據式（1）可求得A點處的有功功率PA和無功功率QA為別為：

在逆變器的作用下，C點處功率為：

求得對應的有功功率PC和無功功率QC分別為：

由此可得PCC節點處功率與逆變器輸出電壓的幅值相角之間的關系，其中相角通常用頻率f代替相角并帶入計算[8]。

由于傳統分布式電源都是遠距離高壓輸送電能，因此輸出線路阻抗呈感性[9]。線路阻抗角θ≈90°，此時PCC節點處的功率為：

傳統下垂控制方法為：

式中，U和U*分別為逆變器輸出電壓幅值的參考值和額定值；f和f*分別為逆變器輸出頻率的參考值和額定值；P和P*分別為逆變器輸出有功功率的參考值和額定值；Q和Q*分別為逆變器輸出無功功率的參考值和額定值；m和n分別為有功功率和無功功率對應的下垂控制系數。

微電網一般建立在用戶側附近，采用中低壓輸送電能，因此輸出電路阻抗呈阻感性。若直接采用傳統下垂控制方法控制逆變器輸出，那么會由于受線路阻抗中的阻性部分影響，輸出效果較差。

光伏微網一般通過低壓傳輸線路接入用戶側，線路阻抗的感性很小[10]。若線路阻抗角θ≈0°，此時PCC節點處的功率為：

此時，下垂控制方法應改為：

雖然阻抗中感性部分所占比例較小，但依然會引起逆變器輸出在傳輸過程中產生不小的偏差。

下垂控制方法實際上是通過檢測逆變器輸出的功率變化來判斷負載的需求，而在傳輸過程中由于線路阻抗的干擾，阻性線路阻抗和感性線路阻抗對下垂控制調節的影響并不相同。本文將線路阻抗等效化為純阻性和純感性兩個部分進行分析，并結合純感性線路情況下的下垂控制方法和純阻性線路阻抗情況下的下垂控制方法提出改進后的下垂控制方法。

單個微源供電的線路阻抗等效電路如圖3所示。將線路阻抗Z∠θ等效拆分為兩個部分，分別是阻性阻抗R和感性阻抗jωL，設兩者之間的電勢設為U′∠δ′，該處有功功率和無功功率分別為P′和Q′。

圖3 線路阻抗等效電路圖

當負載發生變化時，通過式（12）的下垂控制方法克服線路阻抗R所產生的影響，使U′∠δ′跟隨對于控制律變化。U′∠δ′輸出的電壓幅值增量ΔUR和頻率增量ΔfR分別為：

式中，m1和n1分別為克服阻性線路阻抗時電壓和頻率對應的下垂控制系數。

再用式（9）的下垂控制方法令U∠δ隨U′∠δ′的變化而變化。U∠δ輸出的電壓幅值增量ΔUL和頻率增量ΔfL分別為：

式中，ΔP2=P-P′；ΔQ2=Q-Q′；m2和n2分別為電壓和頻率對應的下垂系數。

設U′∠δ′處功率P′、Q′與逆變器輸出功率P、Q的關系為：

將線路阻抗看做感性部分先單獨作用，再由阻性部分單獨作用。即將感性部分作用后所產生的電壓幅值增量ΔUL和頻率增量ΔfL嵌入式（12）控制方法中，以克服感性部分線路阻抗的影響，得新的下垂控制方程為：

令m1=m，τ2m1m2=m′，τ1n1n2=n，n1=n′。式（16）可化簡為：

式中，m和m′是電壓幅值下垂系數；n和n′是電壓頻率下垂系數。

根據式（18）改進下垂控制方法，在MATLAB軟件中搭建該模型，如圖4所示。

圖4 改進后的下垂控制模型

3 模型仿真

模擬在距離用戶側PCC節點線路長度為1 000 m處安裝光伏微源DG1，其額定輸出電壓的幅值為403 V，頻率為50 Hz。額定情況下，輸出有功功率為2 127 W，無功功率為2 400 Var。經估算，線路阻抗約為（0.642+j0.083）Ω。配置系統模型對應參數，進行投切實驗。

3.1 引入傳統下垂控制方法

由于低壓線路阻抗角約為7.366 5°，阻抗角較小，因此可近似認為線路阻抗為純阻性。利用對應線路阻抗為純阻性情況下的下垂控制方法進行仿真實驗。根據式（12）在MATLAB軟件平臺上搭建出對應線路阻抗為純阻性情況下的下垂控制模型如圖5所示。

圖5 下垂控制模型（純阻性）

其中，下垂控制系數m=0.68，n=0.000 16，逆變器輸出限幅403 V。在0 s時，將負載設置為P=2 100 W，Q=1 300 Var，3 s時，切斷700 Var無功負載，6 s時，切斷1 500 W有功負載。投切實驗仿真結果如圖6所示。

圖6 引入下垂控制方法（純阻性）后，供給負載功率波形

由仿真結果可知，當負載發生變化時，逆變器供給負載的功率隨之變化，但受到線路阻抗的影響，調節后系統功率的供需關系存在明顯誤差。其原因主要是線路阻抗中感性部分不受控，引起的誤差。

圖7 改進下垂控制后，供給負載功率波形圖

3.2 引入改進下垂控制方法

為了解決線路阻抗中感性部分不受控這一問題，用改進后的下垂控制方法代替純阻性線路阻抗對應的下垂控制方法，進行相同的投切實驗。配置各項下垂控制系數m=0.006 8，n=0.000 17，m′=0.039 8，n′=0.000 16。仿真結果如圖8所示。

由圖7可知，在3 s時，負載需求的無功功率下降，系統供給負載功率發生突變，新的下垂控制律能迅速做出調節，并將供給負載的功率調節至供需匹配，在6 s時，突然切除部分有功負載，系統能快速檢測到并做出調節，使功率的功率關系回歸穩定。

實驗結果表明，改進后的下垂控制方法對比純阻性線路阻抗對應的下垂控制方法，能克服線路阻抗中感性部分的影響，使系統調節更精確。改進后的下垂控制不但提高了系統的供給準確度，還提高了系統的魯棒性。