考虑电压降落的虚拟阻抗在下垂控制中的应用

纪礼君, 曹　炜, 黄立勤, 杜公言

(1.上海电力学院, 上海　200090; 2.上海恒能企业发展集团公司, 上海　200122)



考虑电压降落的虚拟阻抗在下垂控制中的应用

纪礼君1, 曹炜1, 黄立勤2, 杜公言1

(1.上海电力学院, 上海200090; 2.上海恒能企业发展集团公司, 上海200122)

摘要:在传统下垂控制的基础上,阐述了采用虚拟阻抗对母线电压水平的影响,提出了采用电压幅值反馈PI控制对无功功率控制环节进行改进的方法,使得逆变器出口电压先合理抬高再加入虚拟阻抗,从而很好地解决了虚拟阻抗加入后母线电压的降落问题,并通过仿真验证了所提出控制策略的有效性.

关键词：微网; 下垂控制; 虚拟阻抗; 母线电压

当前能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间的矛盾日益突出,传统的一次能源已不能完全满足人们的需要,于是更多的目光投向了既能提高传统能源的利用效率又能充分利用各种可再生能源的分布式发电(Distributed Generation,DG)技术.[1-3]但在配电系统中,直接调度和管理大量的分布式电源存在很大的困难,而微电网技术正是解决这一问题的关键技术.

根据即插即用和“对等”控制思想提出的下垂控制,使DG只需要检测接入点信息,通过调整自身输出电压的幅值和频率来控制输出的有功和无功功率,无需通信环节,因此具有更高的可靠性和灵活性.[4-5]但在微网中,逆变器的输出阻抗很小,这就使得下垂控制功率分配受线路阻抗的影响较大,存在功率耦合的问题.[6]文献[7]利用指令电压和设定电抗压降之差作为DG的最终指令电压,模拟电抗,实现了阻性环境下的PQ解耦,但这一方式会导致压降,使连接母线的电压降低,影响电能质量.文献[8]针对此问题,通过参数整定,直接采用虚拟负电阻,利用原指令电压减去逆变器输出电流在虚拟负电阻上的压降作为最终的指令电压,从而在同样的效果下,减小了虚拟阻抗的取值,提高了电压质量.但这一方式不适用于逆变器直接接在母线上的情况,会影响系统运行的稳定性.[9]

本文针对孤岛模式下的微电网,详细阐述了虚拟阻抗与输出电压之间的关系,并在此基础上,引入电压幅值反馈,将逆变器出口电压先抬高,再加入虚拟阻抗,从而抵消了一部分虚拟电感增加的电压降落,改善了引入虚拟阻抗后连接母线电压的降落问题.

1微电网结构

图1为本文所研究的微电网结构示意图.两个分布式电源均假设为直流源或整流后的直流源,经脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)逆变器转变为三相交流电并由LC低通滤波器滤除高次谐波后,并联连接到微网的交流母线上.其中,Lf,Cf,rf分别为滤波电感、滤波电容、电阻;Zline为线路阻抗,Zload为负载阻抗;il为滤波电感电流,u0为滤波电容电压,i0为线路电流.

图1　微网结构及控制示意

2逆变器输出阻抗的影响

2.1　逆变器输出阻抗对功率分配的影响

图2为图1的简化原理图.

图2　　含有两个分布式电源的微电网

由于逆变器输出电压和交流母线电压的相角差φ非常小,因此逆变器i(i=1,2)输出的有功功率和无功功率可分别近似为:

(1)

(2)

根据系统阻抗特性的不同,逆变器输出有功和无功功率如表1所示.

由表1可知,逆变器输出阻抗与线路阻抗和的阻抗比将影响功率分配.由于逆变器自身的输出阻抗很小,所以这里的Zi主要是指线路阻抗,而配网侧线路阻抗呈复阻抗特性,因此存在功率耦合,会影响控制效果.

表1　输出功率和系统阻抗特性的关系

2.2　逆变器输出阻抗对抑制环流的影响

如图2所示:

(3)

根据环流表达式:

(4)

可见逆变器输出阻抗与线路阻抗和的幅值将影响环流的大小.

因此,从功率分配和抑制环流角度考虑,需要找到某种方法以调节输出阻抗.通过调节闭环控制参数可以实现,但是调节幅度微乎其微,因此许多学者提出引用虚拟阻抗,通过设计合理的阻抗来抑制环流并削弱线路阻抗对功率分配的影响.

3虚拟阻抗值的选取

为了抑制环流和功率解耦,我们希望虚拟阻抗取值越大越好,以削弱线路阻抗的影响.但虚拟阻抗过大会影响下垂稳定并影响电压质量.

3.1　虚拟阻抗取值与电压跌落

虽然虚拟阻抗可以有效抑制环流和功率解耦,但同样存在电压跌落问题.图3为引入虚拟阻抗后的等效系统.

图3　引入虚拟阻抗后的等效系统

在没有引入虚拟阻抗时,

(5)

引入虚拟阻抗后,

(6)

从式(5)和式(6)可以看出,当虚拟阻抗值取的相对较大时,其对电压的影响不可忽略.

3.2　虚拟阻抗取值与下垂稳定

下垂控制的表达式为:

(7)

式中:Pni,Qni,Pi,Qi——下垂控制的给定有功功率和无功功率,输出的有功功率和无功功率;

mi,ni——有功和无功下垂系数.

根据式(6)和式(7)的无功表达式,虚拟阻抗取电感性,可以得到:

(8)

式中:n+nvir——下垂度.

虚拟阻抗值与下垂度相关,当虚拟阻抗值取的过大时,下垂度也会很大,影响运行稳定性,所以虚拟阻抗值的选取应当适中.本文的虚拟电阻取的是负电阻,用以等效抵消一部分线路电阻.因为在实际情况下,线路电阻会有波动,所以虚拟电阻取值应尽量小,总是小于线路电阻.对于直接连接母线的逆变器则无需考虑虚拟负电阻.

4改进下垂控制

针对上述问题,本文在传统下垂控制无功调节环节的基础上引入输出电压幅值反馈的控制策略.图4为其控制框图.

设PI控制器比例积分参数分别为kpi和kii,根据图4:

(9)

则:

民间祭祀场所的兴盛源于城市的繁荣，罗浮山道教伴随民间信仰在惠州州府产生分支，并结合民间的治水与道教的堪舆风水观念，成为影响惠山历史文化聚居地的水城市格局的因素之一，与东江水系衍生的多个美妙的山水城市格局，成为惠州城市的特色。

(10)

对式(10),若t→∞,s→0,则U→Ur,在系统达到稳态时,输出电压幅值能够达到设定电压值,使得DG输出电压幅值可控.

图4　改进下垂控制控制示意

发电机通过励磁调节系统使得出口电压抬高.本文将Ur设置为一个相对较大的值,使得逆变器出口的电压抬高,在这一基础上再引入虚拟阻抗.此时,虽然虚拟阻抗上含有电压损耗,但是逆变器出口电压被合理地抬高,母线电压未发生跌落.若对多个微源采用相同控制方式,并根据负荷需求设置相同的Ur,则微源输出电压幅值就能达到一致.

5仿真分析

在Matlab/Simulink中搭建如图1的微电网孤岛运行系统仿真模型,用以验证电压幅值反馈改进方法的效果.

微电网模型的具体参数如下.

DG:UDC1=UDC2=700 V,Lf1=Lf2=3 mH,Cf1=Cf2=1.2 mF,Rf1=Rf2=0.5 Ω,Pn1=20 kW,Pn2=40 kW,Qn1=Qn2=0 kW,m1=2×10-4,m2=1×10-4,n1=n2=1×10-3.

线路:RLine1=0.4 Ω,RLine2=0.2 Ω,LLine1=2 mH,LLine2=1 mH.

负荷:Load=40 kW+8 kW.

案例1虚拟电阻都取为-0.05 Ω,虚拟电感取值如下:LV1分别为0.2 mH,0.5 mH,0.9 mH.LV2分别为0.1 mH,0.25 mH,0.45 mH.测量母线的电压情况,实验结果如图5所示.

由图5 可知,随着虚拟电抗值的增大,即逆变器输出阻抗的增大,母线的电压在变小.

案例2为说明母线电压降落和改进方法的有效性,虚拟电抗取一个较大值为0.9 mH,图6为取值后的根轨迹图.由图6可见,系统较为稳定.

图7是虚拟阻抗取值后输出阻抗的Bode图.

图5　母线电压随虚拟电抗的变化情况

图6　虚拟阻抗取值后的根轨迹示意

图7　虚拟阻抗取值后输出阻抗的Bode示意

由图7可知,在工频附近输出阻抗呈感性,幅值也较大.

在0.2 s时,负荷增了ΔLoad=8 kW+1 kW,改进方法的Ur设定在230 V,其他参数都保持不变.图8是加入改进方法和未加入改进方法时母线电压的比较.

从图8可以看出,采用改进方法使得因虚拟阻抗而降低的母线电压恢复到了正常水平.当0.2 s负荷波动时,未改进方法时母线电压跟随波动,而改进方法则不会跟随波动.

图8　　加入改进方法和未加入改进方法时

图9a和图9b分别为任何措施都没加的微源输出有功功率和加入了虚拟阻抗与改进下垂方法的输出有功功率;图10a和图10b分别为任何措施都没加时输出的无功功率和加入了虚拟阻抗与改进下垂方法的输出无功.

图9　改进前后的输出有功功率

图10　改进前后的输出无功功率

从图9可以看出,改进前和改进后有功功率都能很好地按照下垂系数均分.而从图10可以看出,改进前无功功率不能按照下垂系数均分,而加入虚拟阻抗解耦后,可以改善不均分的程度.但单凭解耦只能改善而不能解决无功功率均分问题,因此很多学者在虚拟阻抗的基础上又提出了许多改进措施,例如文献[9]中在解耦的基础上,加入积分环节来解决此问题.

6结语

本文提出了采用电压幅值反馈PI控制对无功功率控制环节进行改进的方法,解决了传统下垂控制中虚拟阻抗加入后母线电压的降落问题,并通过仿真验证了所提出控制策略的有效性.但引入虚拟阻抗后同时会放大谐波,这是下一步需要研究的问题.

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[8]张平,石健将,李荣贵,等.低压微网逆变器的“虚拟负阻抗”控制策略[J].中国电机工程学报,2014,34(12):1 844-1 852.

[9]黄杏.微网系统并离网特性与控制策略研究[D].北京:北京交通大学,2013.

(编辑胡小萍)

Consideration of the Bus Voltage of Virtual Impedance on Droop Control Study

JI Lijun, CAO Wei

(1.Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China;

2.Shanghai HengNeng Enterprise Development Corporation, Shanghai200122, China)

Abstract:On the basis of the traditional droop control,the influence on the voltage of connected bus after introducing virtual impedance is elaborated.To solve this problem,the improvement of voltage amplitude feedback PI control strategy is proposed in the Q/V regulation part.Increasing the export voltage of inverter firstly and then introducing virtual impedance to cancel some voltage drop caused by the increase of virtual inductance can thus solve the problem of connected bus voltage drop after introducing virtual impedance.Finally,verification of the effectiveness of this strategy is brought out by Matlab simulation.

Key words:micro grid; droop control; virtual impedance; bus voltage

中图分类号：TM76;TM732

文献标志码：A

文章编号：1006-4729(2015)06-0537-06

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(2011AA05A106).

通讯作者简介：纪礼君(1989-),男,在读硕士,江苏盐城人.主要研究方向为微网控制.E-mail:jilijunjames@126.com.

收稿日期：2015-03-23

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.06.008