基于虚拟同步发电机的微电网改进下垂控制策略

米阳，夏洪亮

(上海电力学院 电气工程学院，上海 200090)



基于虚拟同步发电机的微电网改进下垂控制策略

米阳，夏洪亮

(上海电力学院 电气工程学院，上海 200090)

摘要：针对传统下垂控制作用下微电网的运行状态平滑切换问题，利用虚拟同步发电机思想，在控制环中加入虚拟的转动惯量方程，使得微电网逆变器具有与传统的同步发电机相似的动态性能，解决了微电网逆变器输出阻抗小、阻尼小等问题，以此来降低由于功率的急剧变化所造成的频率振荡；同时增加一个补偿控制环节，增加系统在运行状态切换情况下的稳定性。采用MATLAB软件进行仿真，验证了所设计的微电网改进下垂控制策略的有效性。

关键词：微电网；虚拟同步发电机；下垂控制；补偿控制；平滑切换

在环境保护与能源需求的双重压力下，近年来分布式发电以其清洁环保、供电可靠性高、投资小和发电方式灵活等优点，受到人们的关注[1-2]。由分布式电源(distribution generation，DG)、储能装置、相关负荷、保护装置、能量变换装置组合而成的微电网，是分布式发电的一种新趋势[3]。

微电网中多个DG并联运行，多采用对等控制策略。所谓对等控制，指各DG间是“平等”的，不存在从属关系，所有DG以预先设定的控制模式参与有功和无功的调节，从而维持系统电压频率的稳定。对等控制是基于下垂控制法而成，目前微电网中多采用传统的下垂控制，模拟电网中发电机有功-频率特性曲线和无功-电压曲线[4-5]。采用传统的下垂控制，微电网在孤岛情况下不能运行在工频状态，如果需要增加各个DG的功率分配精度，就需要增加下垂系数的值，运行频率就更多的偏离工频。如果用电压-相位下垂控制取代电压-频率下垂控制，可以使微电网孤岛运行时拥有更好的运行频率，因而为文献[6-8]所采用。但文献[6-7]只考虑了微电网孤岛运行的情况， 没有研究微电网并网运行及微电网运行模式的转换；文献[8]只是在并网过程中通过设计预同步控制器来实现微电网的并网，并未考虑微电网在配电网出现故障，突然孤岛情况下如何实现平滑切换。文献[9-10]通过将同步发电机特性加入到逆变器的控制中来获得更好的频率响应，但文献[9]所设计的控制策略仅应用在微电网孤岛运行状态下，文献[10]的策略仅应用在微电网联网运行情况下。

为了实现基于电压-相位下垂控制的微电网运行状态的平滑切换，本文在控制环中加入虚拟的转动惯量方程，使得DG具有与传统的同步发电机相似的动态性能，以此来降低由于功率的急剧变化所造成的频率振荡的问题，同时增加一个补偿控制环节，保证系统在运行状态切换情况下保持稳定，并通过仿真对所提控制策略进行验证。

1微电网下垂控制基本理论

图1为两个DG的微电网结构图，每个DG都带有本地负荷，然后通过母线联接在一起，与电网相连。

PCC—公共连接，point of common coupling的缩写。图1　两DG微电网结构

如图1所示，每个DG给母线提供有功和无功功率为：

式(1)和(2)中：E为DG输出电压幅值，UL为PCC电压幅值，R为传输电阻，X为传输电抗，δDG为DG相位。可以看出P和Q与传输电抗关联性比较大，如果线路电抗非常大，输出的有功功率由δDG决定，无功功率由DG输出电压决定。

频率-电压下垂控制为

(3)

(4)

式中：ω为电压源型逆变器(voltage source inverter，VSI)角频率，ω0为下垂控制角频率设定值，m为角频率比有功的下垂系数，E0为下垂控制电压给定值，n为电压比无功的下垂系数，Pn、Qn分别为DG运行在额定频率和额定电压时输出的有功功率和无功功率。

频率-有功下垂控制为

(5)

式中：δ为相位，δset为相位给定值，d为相位下垂系数。相位下垂控制的优点是使系统以一个恒定的频率运行。

各下垂系数由下式得到：

(6)

(7)

(8)

式中：Pmax为DG在频率下降时允许输出最大有功功率，Δωmax为允许最大角频率下降值，Qmax为DG电压下降时允许输出最大无功功率，ΔEmax为允许最大电压下降值，Δδmax为允许最大的相位下降值。

2控制器设计

控制器通过选取适当的相位下垂系数，利用相位-有功下垂控制保证微电网恒频运行和功率分配的精度，并通过补偿控制增加系统运行的稳定性，实现微电网的平滑切换。

图2为相位-频率控制原理，相位和频率环级联后得到所需功率的参考值，与给定功率和实际输出功率计算得到所需的功率偏差值，功率偏差值通过模拟的转动惯量方程计算出角频率偏差值。角频率偏差值与给定角频率相加得到电压相量的角频率，相位为角频率偏差的积分值，通过电压控制器计算得到电压相量的幅值，应用幅值、相位和角频率计算得到电压相量。电压相量通过脉宽调制(pulse width modulation，PWM)算法生成PWM波控制逆变器的功率元件。通过在功率环中模拟转动惯量使得VSI具有同步发电机特性，用以抑制由于急剧功率变化所造成的频率波动[9-10]。

ωset—角频率给定值；Δωset—相位环计算得到的角频率偏差给定值；Δω—角频率偏差值；Pset—有功功率给定值；ΔPset—频率环计算得到的有功功率偏差给定值；—相位的三相相量； Kd—功率-相位下垂参数；Kf—频率下垂增益；Kp—功率环积分增益。图2　相位-频率下垂控制框图

从图2可以得到动态方程如下：

(9)

VSI频率和相位的关系为

(10)

根据相位偏差值，第一个相位下垂环为第二个频率下垂环产生角频率参考值

(11)

根据此频率设定点，频率环计算出功率给定值

(12)

稳定运行条件下，积分环节的输入为0。因此

(13)

其中

式中KfKd为相位下垂增益。从式(12)中可以推出Kf=1/m，KfKd=1/d。

控制策略中的电压幅值控制器如图3所示，包括电压-无功功率下垂控制和低通滤波器。电压-无功下垂控制可以根据每个DG的容量来成比例的分配无功功率，下垂控制后得到的电压指令经过低通滤波器后得到电压幅值。

Qset—无功功率的给定值；Eset—电压幅值给定值；Δu—补偿控制器输出的补偿控制信号；ωc—低通滤波器截止频率。图3　电压控制器

应用电力系统中的电力系统稳定控制器理论设计的补偿控制器框图如图4所示，控制器产生了一个在电压控制器上的附加信号，通过采用频率偏差值作为输入，通过补偿控制器来得到对于给定电压的补偿值，增加系统在运行中的稳定性[11]。

T、T1、T2为补偿控制器传递函数的时间常数。
图4补偿控制器框图

3仿真结果分析

本文以两个DG的微电网为例，对所设计的控制策略进行仿真验证。系统电路结构如图5所示，两个分布式电源并联形成微电网后通过变压器连接到配电网。为简便起见，用直流源等效分布式电源，电压值均取为800 V。

Lf—滤波电感；Cf—滤波电容。图5　电路结构

线路1和线路2为380 V线路，传输电阻R1=0.641 Ω/km，传输电抗X1=0.101 Ω/km；线路3为10 kV线路，传输电阻R2=0.347 Ω/km，传输电抗X2=0.235 Ω/km (电抗参数均为50 Hz系统频率时)，滤波电感Lf=0.6 mH，滤波电容Cf=1 500 μF。控制系统参数见表1。

表1系统控制参数

参数DG1DG2参数DG1DG2Kd3040Kc-4.35.8Kf104104T8.26.7Kp0.10.1T10.50.7n10-410-4T10.040.08ωc200200

仿真分别在非计划孤岛和故障切除后并网两种情况下，对提出的控制策略进行验证。

3.1算例1

条件：微电网在0.5 s前联网运行，0.5 s时与配电网解列，独立运行。当配电网侧发生故障时，微电网需要与配电网解列，仿真结果如图6所示。

图6　非计划孤岛情况下仿真波形

从图6(a)可以看出，在非计划孤岛情况下，有功功率保持稳定，系统切换到孤岛运行状态后根据下垂参数来分配功率，具有超调小，响应速度快等优点；从图6(b)可以看出，PCC点电压的波动非常小，响应时间短，保证了微电网内部供电设备的电能质量，实现微电网运行状态的无缝切换；从图6(c)看出两个DG在并网过程中频率偏差不超过0.1 Hz，稳定后运行在额定频率(50 Hz)，微电网PCC点的相位与配电网相差较小，利于在故障切除后微电网重新并网。

3.2算例2

条件：微电网在0.8 s前独立运行，0.8 s后并网运行。在配电网侧故障清除后，微电网需要重新并网，配电网可以分担一部分负荷。微电网在并网过程中，由于功率、电压幅值、相位不匹配，会造成DG相位振荡，系统有可能失稳。本文中所提出的改进下垂控制策略可以保证在故障清除后，在不需要进行预同步的情况下，系统重新并网运行的稳定性，仿真结果如图7所示。

图7　重新并网情况下仿真波形

从图7(a)可以看出，微电网在0.8 s重新并网情况下，分布式电源发出有功功率迅速稳定，暂态过程短，超调小，功率曲线平滑；从图7(b)可以看出，PCC点电压迅速趋于稳定，保证了对于负荷供电的电能质量，实现微电网运行状态的无缝切换；从图7(c)可以看出，PCC点频率在微电网并入配电网的运行情况下的系统频率变化较小，更好地满足了微电网的频率运行要求，提高了微电网运行的电能质量。

4结束语

本文采用相位-电压设计下垂控制，使得独立运行情况下微电网可以稳定运行在工频状态下，在控制环中加入模拟转动惯量方程，使得微电网逆变器具有与同步发电机相似的动态特性，通过补偿控制器增加了系统在暂态过程中的稳定性，通过仿真验证了控制策略的有效性。

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米阳(1976)，女，河南南阳人。教授，硕士生导师，工学博士，主要研究方向为微电网控制、电力系统稳定与控制等。

夏洪亮(1992)，男，河南开封人。在读硕士研究生，主要研究方向为微电网控制。

(编辑王朋)

Improved Droop Control Strategy for Micro-grid Based on Virtual Synchronous Generator

MI Yang, XIA Hongliang

(College of Electric Power Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Abstract：In allusion to smooth switching of operational state of the micro-grid under the role of traditional droop control, virtual moment of inertial equation is added in control loop by adopting thinking of virtual synchronous generator, which makes inverter of the micro-grid have similar dynamic performance with traditional synchronous generator and solves problems of output of the inverter such as small impedance, small damp, and so on. Thus, frequency oscillation caused by sharp change of power is reduced. Meanwhile, a compensation control is added for increasing stability of the system under the condition of operational state switching. MATLAB software is used for simulation, which verifies validity of the designed improved droop control strategy for micro-grid.

Key words：micro-grid; virtual synchronous generator; droop control; compensation control; smooth switching

作者简介：

中图分类号：TM721

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)02-0054-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.011

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61403246)；上海绿色能源并网工程技术研究中心项目资助(13DZ2251900)；上海教委科研创新项目(15ZZ085)

收稿日期：2015-09-23