地方负荷对微电网下垂特性影响及改进措施

方如举，张元敏

（许昌学院电气信息工程学院，许昌 461000）

随着传统能源的日趋紧张，以带有蓄电池储能装备的风力发电、光伏发电以及其他发电形式集于一体的微电网，在电网构成中的比重逐渐增多，其发挥的作用也将会越来越大。微电网结构作为一种新的供电模式有其自身的优势，微电网电源可以根据负载需要就近配置[1]，可以减少长距离输电带来的电能损耗。但是微电网电源提供的电能受环境影响较大，因此存在一定的间歇性，此外各分布式电源之间的相对物理位置较远[2-3]，如何实现各电源之间的通信以及功率分配是微电网控制技术的难点。针对微电网中各分布式电源之间的通信困难，广泛被使用的控制方法是下垂控制，可实现分布式电源的即插即用。一般根据运行需要，微电网中的分布式电源实际运行工作模式主要有3种：并网模式、孤岛模式以及在两种模式之间的切换过程[4-7]。并网模式下，各分布式电源可工作在最大输出功率模式、功率控制模式或下垂控制模式[8-12]；但由于分布式电源的相对位置较远，造成各电源之间的通信较为困难，因此后两者是微电网中分布式电源主要的并网工作模式。而在孤岛模式下，需要一台分布式电源能够对系统的工作提供稳定的输出电压来支撑系统的稳定运行（这个任务往往由备用电源承担），其他的分布式电源工作在最大输出功率模式、功率控制模式或下垂控制模式[13]。

1 微电网结构以及下垂特性分析

1.1 微电网结构

对于分布式电源来说，除了要对自身所带地方性负荷供电外，还需通过输电线路对微电网中的公共负荷提供电能。但一般公共负载距离分布式电源的相对位置较远，因此在微电网系统中同样需要升压变压器来提高电压等级进行远距离输电后，再通过降压变压器降压对公共负载供电，这样做的目的同样是为了减少网络损耗[14]。为保证供电的可靠性，微电网系统还需配备一定容量的备用电源。备用电源可与电网共同对负载供电，也可在电网退出后，工作在孤岛条件下对微电网系统中的负载供电[15-16]。在这种模式下，备用电源需要能够提供稳定的输出电压，图1 为能满足这种要求的微电网结构示意。图中DG1～DGn 为各个分布式电源；LD1～LDn 为各个分布式电源所带的地方负荷；Load1～Loadn 为公共负荷；T1～TN为各个分布式电源的升压变压器；TL1～TLn为集中式负荷的降压变压器；L1～LN为各个输电线路；Tp1为备用电源的升压变压器；Tg1为配套的电网升压变压器；PCS1与蓄电池共同构成微电网的备用电源。

图1 微电网结构示意Fig.1 Schematic structure of micro grid

1.2 下垂特性分析

为了简化对下垂控制策略的分析方便，首先仅仅对带有两台分布式电源且不带地方性负荷构成的微电网系统进行分析。图2 为两台分布式电源在不带地方负载条件下构成的微电网结构的等值电路图[17]。Z1、Z2分别为各分布式电源变压器阻抗以及线路阻抗折算到公共端的阻抗之和为各个分布式电源的输出电压矢量；U1、U2为各分布式电源的电压幅值；δ1、δ2为各分布式电源的电压相位；Load 为公共负荷；Uco公共点处的电压幅值，设公共点处的电压相位为零。可以得出从分布式电源1 和分布式电源2 输出电流I˙O1、I˙O2可分别表示为

图2 分布式电源的等值电路Fig.2 Equivalent circuit of distributed grid

如果考虑到线路中变压器的影响即等值电路中电抗的值远远大于电阻，因此阻抗角δ1、δ2很小，那么对应的输出有功、无功功率分别为

式中：P1和Q1为分布式电源1 输出的有功和无功功率；P2和Q2为分布式电源2 输出的有功和无功功率。

可见，每台分布式电源输出的有功功率只和其输出电压的相位有关，通常分布式电源的相位改变可以通过改变其输出的频率来实现。而无功功率只与其输出电压的幅值相关。因此可以通过改变分布式电源输出电压的幅值来达到改变其无功功率的输出，通过改变逆变器输出的频率来改变有功功率的输出。基于这种控制思想，提出了下垂控制策略[18-19]，传统的分布式电源下垂控制公式为

式中：m、k 分别为相应的下垂调整系数；U0和δ0表示分布式电源在额定功率下输出的电压幅值以及相位角。从理论上讲，当两台分布式电源的各项参数完全一致时，对于相同的功率改变量，其对应的频率以及电压幅值的改变量也应该相同，但是由于微电网中分布式电源输出的功率受到各种因素的影响，这种理想的下垂特性很难实现。

2 地方性负荷对下垂特性的影响及改进的控制措施

2.1 地方性负荷对下垂控制特性的影响

图3 为带地方性负荷的两台分布式电源组成的微电网等值电路，图中X1、X2为虚拟电感；XL1、XL2、为线路以及变压器的电抗之和，这里仅考虑电抗的影响为各个分布式电源的输出电压矢量；U1、U2为各分布式电源的电压幅值；δ1、δ2为各分布式电源的电压相位为各个地方性负荷上的电压矢量；U1″、U2″为各个地方性负载上的电压幅值为各个地方性负载上的电压相位；LD1、LD2 为相应的地方性负荷；Load 为公共端负荷；U˙co为公共点处的电压矢量；Uco公共点处的电压幅值，公共点处的电压相位为零。设两台分布式电源输出的有功功率分别为P1、P2；无功功率分别为Q1、Q2。可以得

式中，m1和m2可以看作分布式电源1 和分布式电源2 的输出功率对虚拟电抗X1和X2相位偏差的影响系数；mL1和mL2代表分布式电源1 和分布式电源2 和各自地方性负荷需求功率差值对地方性负荷上的电压相位影响系数。

图3 考虑虚拟电感以及地方性负荷的等值电路Fig.3 Equivalent circuit with virtual impedance and local load

由式（4）可以进一步求出两台分布式电源输出电压的相位差值为

式中，PLD1、PLD2为相应的地方性负荷有功功率消耗。同时根据有功功率与相位下垂公式可得

式中：P10、P20为分布式电源1 和分布式电源2 额定输出的有功功率；δ10、δ20分别为在额定输出功率条件下，分布式电源1 和分布式电源2 的相位角；kp1、kp2分别为分布式电源1 和分布式电源2 有功功率下垂调整系数。可以进一步求得

由式（5）和式（7）可进一步得

当两台分布式电源额定功率相同时，并且所有的对应系数完全相等，式（8）可进一步简化为

可见，即使做到两台分布式电源结构参数和控制参数完全一致时，由于地方性负荷的影响，并不能保证两台额定功率相同的分布式电源输出的有功功率一致。同理，对于无功功率的影响与有功功率类似，不再赘述。

由于地方性负荷的影响，即使两台逆变器在输出电压或频率相等时，其有功功率以及无功功率的改变量却差别较大。这样会造成部分分布式电源输出功率较大，而另外一部分分布式电源的输出功率较小，系统的整体利用率较差。一般单台光伏并网逆变器的状体转换效率要高92%，由于整体利用率的下降，会造成部分分布式电源达不到指标要求，且当微电网系统内分布式电源的输出功率超过5%时，还会引起输出电能质量下降，当输出偏差超过10%时会进一步引起部分分布式电源因发热而损坏。

因此传统的下垂控制方法对带有地方性负荷的微电网系统中分布式电源的控制方案显然不是最佳的。

2.2 改进的下垂控制

针对传统下垂控制方法在微电网中运用过程时具有的缺点，提出了一种对下垂系数进行补偿的控制方法，通过对分布式电源输出功率的变化率进行跟踪，把变化率的变化量反馈到下垂控制系数，较好地对地方负荷以及公共负荷变化引起的公共母线上电压的幅值以及频率变化起到较好的抑制。改进后由频率-有功功率和电压幅值-无功功率表示的下垂公式为

式中：f0、U0、P0以及Q0代表分布式电源在额定情况下的频率、电压幅值以及输出的有功功率和无功功率；kp1、kq1为相应的下垂控制系数；kp2、kq1为相应的功率修正系数；Dp、Dq为相应的微分算子；DpP、DqQ 反映的分布式电源的输出功率变化率，与传统的下垂公式（6）相比较可以把kp1-kp2DpP 和kq1-kq2DqP 看成新的下垂公式调整系数；当上一时间分布式电源的输出功率较大时，从式（10）可以看出整个下垂公式调整系数变小，因此下一时间频率输出的调整就会减少，从而对前一时间的调整量进行补偿；而且改进后的下垂控制公式只对自身的分布式电源输出功率变化率进行跟踪，而对其他分布式电源的工作不造成任何影响。图4为单个分布式电源的整体控制结构，包括改进的下垂控制、电流控制以及电压控制3 个部分。ω0、U0、P0、Q0分别为系统在额定情况下，分布式电源电压角频率、幅值、输出的有功功率、无功功率的给定值；igrid为分布式电源流入到电网中的电流，用来计算虚拟电感对地方性负荷上电压的影响；vd、vq为电网电压采样转换到dq 坐标系下的分量；id、iq为分布式电源输出电流采样转换到d、q 坐标系下的分量；vsd、vdq为触发脉冲在d、q 坐标系下的分量；iabc、vabc表示分布式电源输出的三相电流、三相电压的瞬时值，主要实现对分布式电源瞬时功率的计算，以及通过对瞬时功率的变化及时跟踪，并把跟踪结果反馈到各自的控制系统，实现对下垂系数的动态补偿。电流控制的输出值、再经过dq逆变换后作为调制波，最后形成SVWM 触发脉冲来对分布式电源的主电路触发，形成闭环控制系统。

图4 分布式发电单元的控制结构Fig.4 Control structure of distributed generation unit

3 系统的仿真实验结果

根据所提出的改进下垂控制策略，在Matlab环境下建立由两台分布式电源组成的微电网系统，具体的仿真参数如下。

图5 传统下垂控制下，参数一致分布式电源输出功率Fig.5 Output power of distributed powers with uniformly parameter for conventional droop control

图6 改进下垂控制下，参数一致分布式电源输出功率Fig.6 Output power of distributed powers with uniformly parameter for improvement droop control

图7 改进下垂控制下，阻抗不同分布式电源输出功率Fig.7 Output power of distributed pwers with different impedances for improvement droop

图5～图7 分别为相同参数下使用传统的下垂控制以及和采取改进后的下垂控制方法时，两台分布式电源输出的有功功率及无功功率波形。从图5 中可以看出，虽然两台分布式电源的额定功率以及系统的结构参数和控制参数完全一致，由于地方性负载的不同影响，分布式电源的有功功率和无功功率的输出均不相等。图6 为线路参数安全一致的情况下，在采取新的下垂控制措施后，两台逆变器输出的功率波形。图7 为两台分布式电源的线路阻抗不同时，功率输出结果。由于线路参数的不同，对控制整个过程有一定影响，在参数相同时，两台分布式电源同时调节，因此达到稳定输出功率的时间较短，而对于不同的线路阻抗，调节功率输出达到稳定输出的时间较长，但是最终也能达到功率的基本平均分配。由于控制采取的是PI 控制手段，因此在起始时，会有部分功率输出的调整时间，功率输出有差别，但是调整时间很快结束。

从仿真结果来看在采取改进的下垂控制方案时，虽然地方性负荷不同，但是分布式电源的有功功率和无功功率的输出基本一致，基本消除了参数不同而带来的影响。

4 结语

通过微电网的等值电路以及下垂公式，详细分析了地方性负荷对分布式电源输出功率的影响。针对传统下垂控制策略的缺点，提出了一种基于功率变化补偿的改进下垂控制方案，从仿真结果来看，对于分布式电源输出的有功功率以及无功功率的控制都取得了较好的控制效果。控制方法虽然只是对两台分布式电源的模型进行分析，但在控制方案中，由于每台分布式电源只对自身输出功率变换进行跟踪反馈，并不影响其他分布式电源的运行，因此所采取的控制方法可进一步推广到由多台分布式电源组成的微电网系统中。

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