低壓微電網(wǎng)孤島運行模式下改進下垂控制

周國慶，嚴干貴，趙書健，韓添祎

(1.東北電力大學，吉林 吉林 132012; 2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司營銷服務(wù)中心，長春 130062;3.國網(wǎng)張家口供電公司，河北 張家口 075000)

近年來，面對環(huán)境污染問題和傳統(tǒng)能源危機的嚴峻形勢，國內(nèi)外學者對新能源的分布式發(fā)電(distributed generation, DG)技術(shù)開展了大量的研究工作。風電、光伏、微型燃氣輪機等分布式發(fā)電單元已經(jīng)越來越多地投入到電網(wǎng)中向公共負荷供電。易受環(huán)境影響的分布式電源具有隨機性和波動性的特點，使其并網(wǎng)后會對用戶輸送不穩(wěn)定的電能以及可能造成安全問題。通過低壓微電網(wǎng)作為載體的分布式電源供電系統(tǒng)可以有效地解決分布式發(fā)電的眾多問題[1]。

微電網(wǎng)是一個能夠獨立生產(chǎn)、消耗、監(jiān)控及控制電能的小型電力系統(tǒng)。并網(wǎng)運行時，采用主從控制方式，電壓與頻率由系統(tǒng)決定，較易達到輸出功率與負荷之間的平衡。在孤島運行模式下，微電網(wǎng)中多個分布式電源并聯(lián)運行，一般采用對等控制管理地理位置分散的DG單元。對等控制下所有的DG單元沒有主從的等級關(guān)系[2]，以預先設(shè)定的控制來參與有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)，不需要通信設(shè)備的連接；對等控制主要是基于無聯(lián)絡(luò)線的傳統(tǒng)下垂控制策略而成，其原理是模擬同步發(fā)電機的一次調(diào)頻控制[3]，利用有功功率/頻率下垂特性曲線和無功功率/電壓下垂特性曲線，在負載功率變化時，多個并聯(lián)的逆變電源檢測自身輸出功率同時沿著各自的下垂曲線反向微調(diào)各自輸出的電壓幅值和頻率，使各自達到新的穩(wěn)定點，實現(xiàn)功率分配。

下垂控制是在中高壓電網(wǎng)中等效輸電線路阻抗為感性時適用，而低壓微電網(wǎng)輸電線路阻抗模型一般呈現(xiàn)阻性或者阻感性?；谧韪行缘南麓箍刂?，會引入有功功率和無功功率耦合控制問題，難以進行負荷的精確分配。除了線路阻抗模型中阻性成分帶來的功率耦合，不同DG線路阻抗存在差異，會影響負荷無功功率在并聯(lián)逆變器之間的均分效果。圍繞以上問題，已有相關(guān)學者針對微電網(wǎng)傳統(tǒng)下垂控制方面進行了一些研究和改進。其中，文獻[4]提出P-U的反下垂控制，引入自適應虛擬電阻來解決有功功率和無功功率耦合及功率均分問題，但考慮微電網(wǎng)中并聯(lián)運行的微型燃氣輪機傳統(tǒng)P-f的下垂特性不足，兼容效果不好。文獻[5]提出增大下垂控制系數(shù)可以提升無功功率分配能力，但是下垂系數(shù)過大會導致逆變器輸出電壓和公共連接點的電壓偏差，不利于分布式電源的穩(wěn)定工作。文獻[6]提出自調(diào)節(jié)的下垂控制策略，該改進策略在控制回路中引入比例積分環(huán)節(jié)改變無功功率與電壓的關(guān)系，實現(xiàn)按DG容量分配的目標，但是，會降低系統(tǒng)的動態(tài)性能的靈活性以及文中在比例積分控制參數(shù)的選取上沒有詳細說明。文獻[7]采用虛擬同步機的分析方法，改動輸出的等效阻抗值，解決孤島模式電壓跌落問題。文獻[8]提出基于并聯(lián)電源的荷電狀態(tài)指令值，改變下垂特性曲線，最終能夠優(yōu)化電源間的功率儲存和分配。

為了實現(xiàn)并聯(lián)DG單元的輸出無功功率按DG容量比例分配供電以及削弱無功功率環(huán)流現(xiàn)象, 本文提出了一種基于虛擬阻抗和電壓補償環(huán)節(jié)的改進下垂控制策略。通過引入虛擬阻抗，使各DG等效輸出阻抗比值的倒數(shù)與其各容量比值相同，解決無功功率因輸電線路長短差異而不能按DG容量均分的問題；然后，在電壓補償環(huán)節(jié)中考慮阻性成分壓降，對各逆變電源輸出的電壓進行補償，抑制系統(tǒng)的無功功率環(huán)流。

1 傳統(tǒng)下垂控制和無功功率分配

1.1 傳統(tǒng)下垂控制原理分析

以圖1的2臺DG并聯(lián)運行等效模型為例來分析低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)下垂控制原理及其功率傳輸特性。以2臺逆變電源并聯(lián)運行為例，DG通過逆變器和傳輸饋線連接到公共負荷上，其中逆變器等效為電壓源。

圖1 2臺DG并聯(lián)運行等效結(jié)構(gòu)模型

U1、U2、δ1、δ2分別為DG1、DG2逆變器輸出電壓幅值和相角；E為公共連接點電壓幅值，設(shè)為參考電壓，相角為0；Z1、Z2、θ1、θ2分別為逆變器1、2與負荷之間的等效輸出阻抗幅值和相角；ZL為負載阻抗。等效輸出阻抗包括連接阻抗和線路阻抗。連接阻抗為濾波電路、變壓器等包括在內(nèi)的輸出阻抗。

DGi逆變器輸入功率Pi、Qi為：

(1)

(2)

等效輸電線路阻抗模型呈感性時，X≥R(Z=R+jX)，θ近似為90°。通常功角δ較小，可近似認為sinδ≈0，cosδ≈1。此時，逆變器輸出有功功率與無功功率簡化為：

(3)

雖然低壓微電網(wǎng)的傳輸線路阻抗通常顯阻性，但由于逆變器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、濾波器、變壓器參數(shù)都呈低阻感比特性，因此，上述參數(shù)對等效輸電線路的影響可以使其對外為感性阻抗，間接地解決了有功功率/頻率和無功功率/電壓的下垂控制耦合問題。

當以逆變器等效輸出阻抗呈感性為前提進行分析時，由式(3)可推得下垂控制方程：

(4)

式中：P、Q分別為DG逆變器實時輸出的有功功率和無功功率；U、f分別為DG逆變器輸出電壓的幅值和頻率；U0、f0分別為額定電壓和額定頻率；P0、Q0分別為額定有功功率和額定無功功率；m、n分別為下垂系數(shù)值。

由圖2中的下垂控制特性曲線可知，當負荷有功功率和無功功率發(fā)生變化時，DG單元就會根據(jù)下垂特性中相應的線性關(guān)系調(diào)節(jié)頻率和電壓的大小，使其能在一個新的穩(wěn)定狀態(tài)點下工作。

圖2 下垂控制特性曲線

微電網(wǎng)逆變電源初始運行點為A，此時輸出額定功率P0和Q0，系統(tǒng)額定頻率和額定電壓分別為f0和U0。當檢測到系統(tǒng)無功負荷增大時，系統(tǒng)電壓幅值下降，調(diào)節(jié)逆變電源無功出力與負荷無功需求相匹配，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行在B點，同樣，有功出力和頻率值也變化到B點。由功率傳輸方程式(1)以及下垂控制方程式(4)得到傳統(tǒng)下垂控制原理圖(見圖3)，其中ud、uq分別為d-q坐標系的輸出電壓，Pi輸入有功功率，Qi為輸入無功功率。

圖3 P-f和Q-U下垂控制原理圖

1.2 DG無功功率分配分析

微電網(wǎng)中DG輸出的有功功率與阻抗不存在強相關(guān)關(guān)系，且頻率作為全局變量，不會受到傳輸線路阻抗差異帶來的顯著的影響，根據(jù)有功功率/頻率下垂控制可以很好地進行有功均分。而無功功率/電壓下垂控制中，電壓作為局部變量，在各分布式電源相對應的傳輸線路阻抗不同時，無功功率輸出會受到較大影響，導致無功負荷在各個DG逆變電源點輸出不同，易造成電壓偏移量，產(chǎn)生無功環(huán)流的危害，所以，文中僅研究傳統(tǒng)下垂控制策略中的Q-U下垂關(guān)系式。

當2臺DG容量相同時，且輸電線路阻抗相同，此時同一下垂系數(shù)可以平均分配無功功率；當2臺DG容量不同時(S1=kS2，S為DG的容量)，需要改變下垂系數(shù)，使負荷無功能夠按DG容量比例均分，但是，輸電線路阻抗的差別使得無功功率難以實現(xiàn)均衡分配，因此，本文提出在逆變器的控制參數(shù)中引入虛擬阻抗，以及添加電壓補償環(huán)節(jié)，達到優(yōu)化各DG逆變單元輸出無功功率的均分和抑制無功功率的環(huán)流效果。

2 改進下垂控制策略

2.1 虛擬阻抗調(diào)節(jié)

針對分布式電源并聯(lián)線路的阻抗問題，以2臺DG容量比值k為前提，通過在逆變器控制參數(shù)中引入適當?shù)奶摂M阻抗值來改變無功功率的分配，進一步平衡系統(tǒng)穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

由式(3)可知：

Q1=E(U1-E)/X1

Q2=E(U2-E)/X2

(5)

當按DG單元容量比例分配無功負荷時：

Q1=kQ2

(6)

由式(5)和式(6)，可以得到：

(7)

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，DG的輸出電壓幅值近似相等，U1≈U2，則簡化式(7)的結(jié)果為：

X1=X2/k

(8)

隨著各個DG單元的虛擬阻抗值的引入，其下垂控制系數(shù)也在發(fā)生改變，具體如下：

(9)

此時，不同DG下垂控制系數(shù)的關(guān)系與引入虛擬阻抗后的各個DG等效輸出阻抗關(guān)系相同，且為容量的反比。

n1=n2/k

(10)

基于虛擬阻抗的改進下垂控制原理見圖4。

改進下垂控制添加虛擬阻抗的方式在等效輸出阻抗的控制過程中增加一個調(diào)節(jié)分量，使微源間的等效阻抗比和下垂系數(shù)比都為DG容量比的倒數(shù)，改善因不同DG線路參數(shù)不同造成電源間無功出力的不合理分配問題。

在引入虛擬阻抗后，不同DG輸電線路等效阻抗模型的電壓降落為：

(11)

圖4 引入虛擬阻抗的改進下垂控制原理

2.2 電壓補償環(huán)節(jié)

考慮DG電源功角δ的存在和線路較小的阻性成分R的差異，會導致微弱的電壓降落，因此為了消減這種影響，進一步提升電壓質(zhì)量，提出電壓補償環(huán)節(jié)。

實際情況下，無功功率/電壓下垂特性曲線的斜率一般較小，所以，微弱的電壓降落也會導致無功變量的大幅度變化。在電壓補償環(huán)節(jié)，也需要考慮線路電阻的影響。不同分布式電源的輸電線路的電阻值不相等時，各逆變器連線阻抗上的電壓降落不同，輸出的電壓幅值就不同。借鑒前文等效輸出電感的比例關(guān)系，對電阻成分帶來的電壓降落按同比例做修正。

本文所提出電壓補償方程的基本形式為：

(12)

式中：ΔUi為微電網(wǎng)電壓補償量；Ri為第i個DG單元的線路電阻；ni、nj為第i、j個DG單元的Q-U下垂控制系數(shù)值;R｀為其他并聯(lián)線路的等值電阻；d為DG容量單元總數(shù)。

圖5為電壓補償控制的原理圖。

3 仿真分析

為驗證本文所提的改進下垂控制的有效性，在PSCAD仿真平臺上建立了低壓微電網(wǎng)中兩臺不同容量的DG并聯(lián)運行的仿真模型，仿真模型的簡化結(jié)構(gòu)見圖6，該微電網(wǎng)DG容量比為2∶1。通過采用傳統(tǒng)下垂控制和改進下垂控制，對微電網(wǎng)的正常運行到負荷變化的場景進行仿真，并觀察對比實驗結(jié)果。

圖5 電壓補償控制原理

圖6 微電網(wǎng)仿真簡化結(jié)構(gòu)

算例：2臺DG電源的容量值不同，線路阻抗參數(shù)不相等。仿真時間為1.8 s，2臺分布式電源的容量分別為S1=(3+j0.5)MVA和S2=(1.5+j0.25)MVA，線路阻抗分別為Z1=(0.314+j0.2)Ω和Z2=(0.628+j0.4)Ω，負荷1為2 MW+0.3 Mvar，負荷2為1.5 MW+0.3 Mvar，額定電壓幅值236 V。仿真過程為：在0～1.0 s，帶有負荷1的系統(tǒng)啟動直到穩(wěn)定運行；當t=1.0 s時，負荷2投入運行。圖7和圖9為采用傳統(tǒng)下垂控制仿真結(jié)果，圖8和圖10為采用改進下垂控制方法結(jié)果。

圖7 傳統(tǒng)下垂控制無功功率分配波形

由圖7至圖10的仿真圖對比可知：2臺逆變電源的線路阻抗和電源容量不相等，在負荷變動前后，采用傳統(tǒng)的無功功率/電壓下垂控制，無功功率分配的效果不好，輸出電壓的穩(wěn)定性一般；采用本文提出的改進的下垂控制與電壓補償環(huán)節(jié)相結(jié)合的方法，DG1和DG2無功功率輸出近似比達到2∶1，能很好地改善不同DG并聯(lián)運行時的無功功率分配，而且電源的電壓也能更為平衡。

圖8 改進下垂控制無功功率分配波形

圖9 傳統(tǒng)下垂控制輸出電壓波形

圖10 改進下垂控制輸出電壓波形

4 結(jié)論

本文首先介紹了低壓微電網(wǎng)中傳統(tǒng)下垂控制原理，對并聯(lián)分布式電源的無功功率分配進行了分析，得出輸電線路的阻抗差別導致無功負荷不能合理分配；然后在提出改進的下垂控制中，添加一個虛擬阻抗的調(diào)節(jié)分量和補償輸出阻性成分帶來的壓降；并給出了改進后的下垂控制原理圖；最后通過仿真驗證，對比了傳統(tǒng)下垂控制和改進后的下垂控制，得出后者能夠在無功均分和電壓平衡方面有著明顯地調(diào)節(jié)效果，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有所幫助。