微网孤岛运行时基于逆变器的新型功率控制

张 轩，刘进军

（西安交通大学电气工程学院，西安 710049）

1 引言

近年来，分布式发电系统的不断发展对现有的电力市场带来了益处，同时也带来了极大挑战。分布式能源的管理与控制技术的进步为微网的形成铺平了道路[1]。微网是一种由分布式电源和负载构成的，有能力独立运行的配电网系统[2]。微网可以平滑地过渡并运行于如下两种方式[3，4]：

正常并网模式——微网与一主干中压电网相连，既可以向电网输送能量，也可以从电网中获得能量。

紧急模式——微网与上级电网断开，独立运行。

大多数分布式能源由于其特性，不能直接接入微网。因此，需要电力电子接口（dc/ac或ac/dc/ac）从而使逆变器控制成为微网运行的关键[3，5]。在文献[6，7]中，已经通过试验验证了微网孤岛运行及重新连网技术，并且展示了逆变器在该过程中如何自动地将控制模式由电流源型转换为下垂控制特性。但微网一般运行在低压配电网中，这样线路就不能近似为一纯电感，而有着较高的R/L比率。因此在这种情况下，频率-有功（P-f）、幅值-无功(Q-U)下垂特性就必须有所修正[8～10]。

通过以上修正，传统的下垂特性在纯阻性电路下变为频率-无功、幅值-有功下垂特性，在高R/L比值下则变为P-P’-f和Q-Q’-U下垂特性。这样，只要知道传输线路的阻抗特性，就可以精确地控制微网中逆变器之间的功率分配。但负载在较大范围内变化时，频率大幅偏移所带来的稳定性问题依然存在。在文献[11]中，这种问题得到了关注，但解决的方法是通过信号传输线从微网的总控制器中发出指令来设置某些逆变器的工作点，而不是对逆变器的无传输线独立控制。

在本文中，用于微网孤岛模式下逆变器并联的一种新型的无传输线动态下垂控制策略被提出。通过动态地改变某类逆变器的下垂曲线位置，将频率偏移控制到了设定的范围内，极大地增强了微网系统的稳定性。本文首先对这种控制方法进行了分析，并提出了设计方法，最后通过PSCAD/EMTDC仿真对这种控制策略进行了验证。

2 理论分析

2.1 传统的下垂控制

对于如图1所示的输电线，从A点流入的有功P和无功Q可由下式表示：

图1 通过传输线的有功与无功功率

在一般的线路长度下，传输线两端的电压相差δ 很小，因此有 sinδ≈δ,cosδ≈1,则上式可等效为：

式（3）、式（4）说明了在纯感性传输线下，传输的有功功率的大小由端电压相位差δ决定，而无功功率的大小则由端电压的幅值差决定。而对频率的控制可以自动地控制相角。因此，如果负载消耗的有功和无功确定的话，微网中逆变器电源的电压频率和幅值就被确定了。通过上述结论，可以得到传统的P-f和Q-U下垂特性：

其中f0和U0分别为逆变器输出电压的额定频率和幅度。而P0和Q0则分别为逆变器输出的额定有功和无功。kp和kq分别为有功-频率下垂特性斜率和无功-幅值下垂特性斜率。逆变器输出电压功率的下垂特性可以由图（2）表示。

图2 P-f与Q-U下垂特性

2.2 新型动态有功管理

图3 所示为两台逆变器的P-f下垂控制。在图3（a）中，对A1和A2两点输出电压的频率通过图3（c）所示的控制框图来实现。在图3（b）中，曲线sum为逆变器inv1和inv2输出的总功率与频率的下垂特性，当负载从“load0”变为“load1”，系统的频率会从f0移至f1。这种控制策略可以使得逆变器之间有好的功率分配特性。但是当f1距f0较远时，会对负载产生不良影响，甚至使整个系统不稳定。

图3 P-f下垂特性用于逆变器并联

当频率上升或下降到设定的阈值时，如50.0±0.2 Hz，通过改变P-f下垂曲线的位置，则可以使频率重新回到50.0 Hz。如图4（a）所示，在初始状态，逆变器和负载的P-f曲线分别为曲线a和L0，当负载突增时，负载的P-f曲线变为L1，所以逆变器的工作点开始从A向C移动。但当工作点移动至B点时，出于对系统稳定性的考虑，系统频率不能再降低。 这时 P-f曲线开始由 a向 a'，a''，a'''…移动，在这期间，工作点由B向D移动。当下垂曲线由a移至b的同时，逆变器的工作点也由B点到达D点，这样形成最终的P-f曲线，并且系统的频率重新回到了50.0 Hz。在此之后，当负载再发生变化时，只要不使得频率变动再次超过阈值，逆变器之间仍由传统的方式分配功率。

图4 动态有功管理示意图

这种动态能量管理的控制框图由图4（b）所示,其中 H(s)为调节器，S为开关。 当|Δf|达到阈值时，开关S闭合。通过调节Δf可以得到δP，这样就改变了P-f曲线的位置，最终的曲线可由下式表示。

3 系统实现

当微网处于孤岛模式下，微网中什么样的逆变器可以应用这种动态有功管理？在对确定的逆变器进行控制时，如何控制开关S的开通和关断时刻？当调节器进行调节时，如何使系统频率重新回到50.0 Hz？这一节中将对这些问题进行讨论。

3.1 对逆变器的选择

微网的运行由几个基本技术构成。这些包括：分布式发电（DG）、分布式储能（DS）、连网开关以及系统控制[2]。其中，分布式发电和分布式储能都需要通过逆变器才能与微网连接。

在分布式储能技术中，储能能力可分为中长期能量需要和短期能量需要。由于这种新型动态有功管理的特性，逆变器需要在较大范围内调节其输出功率和较大的能量密度。因此这种控制策略可应用于微网中提供中长期能量的分布式储能系统。在分布式发电系统中，其输出功率由自然环境决定，但当由负载下降有需要动态有功管理时，分布式发电系统仍可参与，其多余的能量可提供至与之相连或相近的储能系统。

3.2 开关及调节器的设计

开关的控制框图如图5所示，ABS表示求绝对值，ABS输出后的框图中横坐标表示频率偏差的绝对值，纵坐标表示开关的状态，1为开通，0为关断。其功用为当负载的大幅变化使得系统的频率偏移高于或达到设定的0.2 Hz时[12]，开关S闭合，这时P-f曲线的位置开始移动。当输出功率与负载在50.0 Hz处平衡时，开关S断开。

图5 对开关S的控制

当P-f曲线开始移动时，调节器H(s)的目的是使频率偏移为零。调节器可表述为如下形式：

式中：k1表示积分系数；k2表示比例系数；s为传递函数自变量。

调节器的效果可由图6说明。

图6 调节器H(s)对Δf的作用

4 仿真验证

本文中应用图3（a）的电路拓扑，以及图7所示的控制方式进行仿真验证，仿真软件为PSCAD/EMTDC，其中电路主要参数列于表1中。首先对传统的功率下垂控制进行了仿真，然后用动态有功管理进行控制，并将二者进行比较。

表1 两逆变器的P-f控制参数

图7 两台逆变器并联控制框图

图8 为在传统P-f下垂控制下负载变动所引起的频率变动，其中上部分P1为第一台逆变器的输出有功功率，P2为第二台逆变器的输出有功功率，Pload为负载吸收的总有功功率，单位为兆瓦；下部分f1为第一台逆变器的输出频率，f2为第二台逆变器的输出频率，单位为赫兹。在0.1 s后系统稳定，在0.3 s时，负载增加，两台逆变器按比例分配负载功率，系统频率降至49.92 Hz，在0.7 s时，负载再次增加，这时系统频率再次下降，低于频率的设定下限49.8 Hz。

图8 传统P-f下垂控制的仿真结果

图9 为对其中一台逆变器进行动态有功管理后的P-f特性，各变量意义同图（8）。从图中可以看出，在0.7 s负载又一次增加时，频率下降，当被控制的逆变器频率（f）降至49.8 Hz时，频率回升，最终在1.2 s处使得整个系统的频率恢复至50.0 Hz，在1.5 s处负载又一次发生变化，逆变器之间又可以按比例分配负载。

图9 采用动态有功管理的仿真结果

5 结语

本文提出了针对微网孤岛运行时的一种新型控制策略——动态功率平衡。通过动态地调整微网中某些逆变器的P-f曲线位置，使得在负载波动时大部分电源工作在额定功率附近，尤其使新能源电源在负载降低时仍保持高功率输出，并缓解了逆变器间好的功率分配特性与大的频率偏移之间的矛盾。显著改善了负载大范围波动时的微网稳定性。本文对应用该控制策略的逆变器类型，以及控制思想和设计思路均进行了论述。并通过仿真证实了该控制策略的有效性。

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