農村光伏微網頻率穩定性研究與仿真

高 瑜，劉建明，張 金，范 鑫

(西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054)

1 引言

社會的發展離不開能源的支撐，目前主要的能源依然是化石燃料，由于其不可再生的局限性，不能夠維持可持續發展。太陽能，風力作為清潔能源備受關注。作為主要由可再生能源組成的微電網成為研究熱點，微電網一般的工作模式有兩種，即并網運行和孤島模式[1-2]。

在光伏發電運行的過程中，電路的拓撲結構，決定了系統工作電能質量的好壞。針對電能質量，已有學者在此方面做了大量研究，文獻[3]在LCL濾波器的基礎上，通過修改PI控制器參數，降低諧波干擾，改善輸出波形。在電路的各部件中PLL(鎖相環)在電網同步方面扮演著重要角色。文獻[4]提出一種新型的FLL(鎖頻環)，生成頻率偏差控制信號，實現與網端的同步。除了上述對系統硬件拓撲的改善外，逆變器的控制方式同樣是研究的重點。下垂控制能夠很好的模擬傳統電力系統中同步電機的下垂特性，在實際應用中較為廣泛，本質是使輸出的有功功率和無功功率解耦，從而改善系統中的有功和無功的分配，達到提高輸出波形穩定性的目的[5]。在實際情況下，因為不同系統中因為存在參數不匹配和擾動，有學者提出一種在靜態下垂項的基礎上，增加一項動態下垂，提高無功功率分配的合理性，減小了母線電壓的跌落率[6]。文獻[7]提出一種基于傳統的下垂控制改進方法，利用新的控制回路控制無功功率參考非線性模糊邏輯器來控制來提高微電網的性能，對于系統中的各種擾動有一定能力的自適應能力。由于下垂控制逆變器的控制回路較為復雜，難以建立準確輸出阻抗模型，文獻[8]通過分析下垂控制逆變器輸出阻抗模型，建立了Q-U與逆變器低頻輸出特性模型。當系統中的負荷波動時會反映到輸出電壓的頻率上，文獻[9]通過對系統小信號的建模，分析了當負荷側負載波動時對系統的影響，改進了系統中的因為負荷波動而引起的頻率波動。文獻[10]通過調整光伏輸出功率的大小，通過留存裕度來調整系統的輸出達到調壓的目的。

農村光伏微網在工作時，經常伴隨著負荷的波動，當發生小擾動時，會造成系統頻率下降。光伏微網在未滿載運行時，會根據系統負荷側波動調整輸出，但在控制器設計環節，所設定的參數并不會隨著負荷的波動而改變。基于此種情況和上述論文研究的基礎，提出一種動態下垂系數的控制方式，根據擾動的大小調整下垂系數，穩定系統電壓。當光伏微電網滿載運行時，此時已經失去了調節系統電能質量的能力，因此該種情況不在本文研究的范圍內。通過改進達到當系統發生擾動，傳統控制方法不能滿足不滿足系統頻率要求，通過改進可以穩定頻率偏差在±0.2Hz范圍內目的。

2 下垂控制原理

2.1 下垂控制的物理模型

光伏孤島效應下的物理模型如圖1所示。直流源經過逆變之后通過濾波環節送至負載。PV表示光伏板，C1表示光伏板反并電容，Lf為濾波電感，Cf為濾波電容，ZL為負載。逆變器的控制方式為下垂控制，控制回路可以分為以下幾部分，功率計算部份，下垂控制部分，電壓環，電流環幾部分組成。功率計算部份將負載的功率送至下垂控制，輸出電壓環的參考信號ud*和uq*，經過電流環輸出id*，iq*，經過電流環生成PWM的調制信號，PWM輸出逆變器的控制信號，θ為PLL得到的坐標變換角度。光伏板的輸出功率根據負荷的大小在0≤P≤Pmax之間波動

圖1 孤島逆變器控制圖

2.2 傳統下垂控制

傳統的下垂控制是通過模擬同步發電機下垂特性，通過負載的波動來對逆變器進行微調的一種控制方法。其數學表達式如下：

Δω=m(P-P*)

(1)

Δu=n(Q-Q*)

(2)

M：有功下垂控制系數；

N：無功下垂控制系數；

P，Q：分別為實際的有功功率和無功功率；

P*，Q*：分別為參考有功功率和無功功率；

下垂控制參數的設計原理[5]，如下所示

(4)

式中fn為系統額定頻率，fmin為允許最小頻率，Pmax為系統最大負荷，Pn為系統為微源輸出的有功功率，UN表示系統的額定電壓，Umin為最小允許電壓，Qmax表示系統中的最大無功負荷。傳統控制方法的下垂特性如圖2所示。

圖2 傳統下垂特性曲線

圖3 傳統下垂控制框圖

由式(3)和(4)傳統的下垂控制可以在一定的范圍內穩定系統的電壓與頻率，但當系統擾動大于原有設定時，超出了原有下垂控制調節的范圍，此時下垂控制無法為系統提供電壓與頻率支撐，需要重新選擇下垂系數[14]。目前調頻的主要措施是采取傳統電力系統中頻率的二次調整，調壓方式為無功補償，本文提到的動態下垂系數是區別于上述調節方式的方法。建立功率的傳輸模型，可以得到系統負荷與電能質量之間的關系，利于后續的分析與改進。

2.3 功率傳輸和小信號模型

由于主要研究的是系統擾動和下垂系數之間的關系。為了簡化分析過程，以一臺逆變器為例建模。電路的功率傳輸模型如圖4所示。

圖4 電路潮流模型

圖4中E∠θ為逆變器輸出電壓，U∠0為負荷側端電壓，RX為線路阻抗，LX為線路電感，ZL為負載。根據系統中的潮流流向可以計算系統中的有功和無功。

(5)

(7)

(9)

由下垂控制特性曲線和上述功率表達式可得到電壓，頻率與系統負荷之間的關系，可以用下述表達式表達為

Δf=K1ΔP

(10)

ΔU=K2ΔQ

(11)

K1=m/2π

(12)

K2=n/2π

(13)

由式(11)，(12)可知下垂控制的本質是一種有差調節，即隨著擾動的增加誤差會越來越大，為了避免系統擾動過大時造成系統頻率和電壓崩潰的情況，需要做出必要的改進使系統電壓和頻率誤差處于一定范圍內。

3 改進下垂控制參數自適應原理

通過上述分析可知，下垂控制雖然能在小范圍內進行微調，但是由于設計的缺陷和負荷的變化，下垂系數很容易不再適用。提出基于擾動大小能修改下垂系數的方法。控制目標為

(15)

式中fi表示發生擾動后系統頻率的大小，f*表示系統的參考頻率，Ui表示擾動發生后的電壓大小，U*表示系統的參考電壓的大小。

在式(10)，(12)的基礎上，引入另外一個自由度ΔK1和ΔK2，通過對下垂系數的補償，來穩定系統輸出電壓和頻率。改進后的控制流程如下圖所示：

圖5 改進下垂控制環圖

根據式(10)，(11)和上述流程可以得到改進后的系統程

(17)

其中

(19)

則下垂系數可以表示為下述形式

(21)

上述公式中P1為系統在無擾動前運行的功率，P為擾動發生后的系統功率，Q1為系統在無擾動前運行的無功功率，Q為擾動發生后的系統的無功功率，K3，K4為比例控制系數，m，n為初始下垂系數。通過引入下垂系數控制項可以增強系統的靠擾動能力。以P-m圖為例說明式(20)，(21)在負荷變動情況下的變化規律，有功負荷的變化范圍為0kW≤P≤3kW。以P-f圖為例說明式(10)，(16)對比改進前后，在同等擾動的情況下，系統頻率波動的大小。

圖6 下垂系數隨負載波動圖

由圖6可知當負荷發生波動時系統會根據負荷變化的大小來自動調整下垂系數，且二者成反比例關系。從圖7中不難發現，在改進前隨著擾動的增加，系統頻率下降，當系統負荷為8kW，即擾動為2kW時，此時頻率下降到49.8Hz，隨著擾動的持續增加，頻率下降0.2Hz，當擾動繼續增大時，頻率將進一步減小。改進后對比改進，當擾動為2kW時，對應的頻率為49.97Hz，頻率下降為0.03Hz，能滿足式(14)的要求。利用n-Q，U-Q曲線可以驗證式(21)，(17)的正確性。

圖7 不同控制方法對比圖

綜上可知當系統中的負載超過系統允許的最大值時會造成系統中較大的頻率降落，這對系統中的供配電雙方都有較大影響，改進下垂系數能夠有效減小系統中的頻率偏移，即當系統中的負載發生小擾動時，系統依然能夠通過調節自身的特性，來穩定頻率在一定的范圍內，滿足微電網系統的頻率需求。由于系統本身已經優化，當系統電壓下降5%時需要較大擾動，故在此不做驗證。

通過在MATLAB/Simulink中搭建如圖1所示模型，選用光伏板型號為1Socltegh 1STH-215-P，工作光照強度為1000W/m2，溫度為25℃。系統的參數如表1所示。

表1 光伏微網逆變器仿真參數

4 仿真驗證

仿真的內容主要包括以下幾個方面，先通過仿真驗證當系統擾動發生時，頻率和電壓會發生較大降落，不滿足系統對頻率的要求。再通過驗證改進后當系統擾動，穩定系統的頻率在一個范圍內，驗證提出假設的可靠性。下面給出四個算例，驗證提出理論的可行性，驗證的內容如表2所示。

表2 算例擾動驗證參數

算例1和算例2驗證存在有功擾動時改進前與改進后的頻率偏差Δf1和Δf2，此過程中無功擾動ΔQ=0。算例1：系統的初始側負荷為6kW，參考功率為7kW。在0-1s內系統沒有擾動，在1-3s內系統的有功負荷突然增加了3kW，在此期間下垂系數一直維持m=1×10-4，觀察系統發生的變化。

算例2：在算例1的基礎上，每當系統中的有功負荷突然增大，系統頻率面臨崩潰的情況下，調整系統下垂系數，讓系統的迅速恢復擾動發生前的水平。下垂系數調節的大小為m′=m(P1/K3P)，驗證按照此法可以有效減小系統的頻率降落。

圖8 系統功率變化圖

圖9 擾動驗證圖

由圖8，圖9，可知，改進前在0～1s內，系統的負荷為6kW，在此段時間內，系統處于剛開始的振蕩到穩定到50Hz。在0.5s末，由于出現擾動，系統頻率下降為49.73Hz，頻率下降0.27Hz，大于0.2Hz，此時頻率已經不再滿足需求，若不進行調整，會對用電設備造成進一步損壞。在改進后，在0～1s內的情況與算例1中改進前的情況完全一致，引入動態下垂系數以后，當系統由擾動時，系統能夠根據擾動的大小調整下垂系數，由圖6可知，改進后，在發生與算例1同樣大小擾動時，系統能夠穩定頻率在49.98Hz，誤差為0.02Hz，能夠滿足式(14)的要求。

5 結論

目前針對農村微網電能質量的研究數量還比較少，本文以農村在農忙和農閑時期負荷有較大差異性為立腳點，分析了當系統發生擾動時，對電能質量的影響，并通過引入動態下垂系數控制，改善了系統電能質量。在光伏為滿載運行時，通過理論和仿真分析，可以得出系統中的存在小功率擾動時，通過引入動態下垂系數可以保證系統頻率誤差在±0.2Hz之內，相較傳統控制方法增強了系統的抗擾能力。