引入负荷电压和电流前馈的V/f控制方法

邵明燕，李晓磊，王晓燕，孙　冰，刘纪东（国网山东省电力公司济南供电公司，济南　250012）



引入负荷电压和电流前馈的V/f控制方法

邵明燕，李晓磊，王晓燕，孙冰，刘纪东
（国网山东省电力公司济南供电公司，济南250012）

摘要：为了稳定离网模式下微网的频率和电压，以含有多种分布式发电的微网系统为研究对象，提出一种基于蓄电池的孤立微网的频率电压控制策略。针对传统的V/f控制策略没有考虑负荷结构变化的问题，蓄电池的控制基于V/f控制的思想，增加负荷电流和电压的前馈，计及系统负荷结构和参数的双重变化。根据该控制方法建立详细的蓄电池的充放电控制系统，并与传统的V/f控制策略进行比较。同时，将该控制方法应用于包含有多种分布式发电的微网系统，对孤岛模式下不同系统状态进行仿真和分析。仿真结果表明，引入负荷电压电流前馈的V/f控制方法是有效的和实用的，该控制方法能快速调节离网模式下微网的频率和电压。

关键词：微网；光伏发电；频率电压控制；蓄电池

0　引言

随着分布式发电在电网中渗透率增加，其对电网的影响也进一步加重。为了协调分布式发电与大电网之间的关系，CERTS率先提出微网的概念［1］。这是一个集多种分布式发电、储能系统、负荷于一体的微型电网，它可以提高电力系统用户端的供电可靠性，并且可为电网到达不了的地区提供可靠电力［2-4］。微网可运行于并网和离网两种方式下，在并网模式下，微网的频率和电压由大电网来支持。但处于离网模式下的微网，就面临着系统发电和用电不匹配时频率和电压调整的问题。解决这个问题的一项措施是引进蓄电池［5］。蓄电池充放电是基于电力电子变换设备的，它有很快的响应速度，可快速充放电维持系统稳定。现在国内外对微网的频率电压控制策略的研究很多，文献［6］详细说明了4种基于下降参数的频率电压控制方法，包括开环的V/f控制策略，abc坐标系下具有电压反馈的控制策略，dq坐标系下具有电压反馈的控制策略，dq坐标系下具有电压、频率反馈的控制策略。这几种控制策略都是模拟传统电力系统中并联同步发电机的频率控制特性来自动分配总的负荷，进而调节系统的频率，是对含有多个并联运行的逆变器的微网的有效控制方法。文献［7］提出一种引进前馈技术的控制方法，但是只涉及一个微源，不涉及各微源的并联运行。实际的微网中大多数微源不可调度，对每个微源加储能装置又不经济，而蓄电池通过独立逆变器与配电网母线相连，可有效地减少微网系统中储能装置的个数，又可达到调节系统频率的作用。关于微网系统的建立与控制，不少学者都有研究，文献［8］建立了包含风力发电、光伏发电以及蓄电池的微网系统，仿真了孤岛和并网两种模式下的系统状态，但是没有详细的控制策略的说明。文献［9］建立了包含多个电力电子接口的微源的微网系统，提出的功率管理系统为每个微源提供有功参考，达到分配负荷功率的目的，所提出的管理系统只是适合于可调度的微源。

针对目前电压频率控制未计及负荷的结构变化，以及建立微网时未考虑微源发电的实际情况，为了更加符合实际的电力系统和快速调节微网频率电压，计及光伏发电的间歇性和随机性，建立含有多种分布式发电的微网系统，建立详细的光伏发电系统和蓄电池的充放电及其控制系统，将负荷电流和电压的前馈控制引入了基于传统的电压频率droop控制的控制系统，对于负荷动态变化有更快的响应。

1　微网系统控制策略

1.1微网系统分析

图1所示为所研究的微网系统，包含光伏发电、风力发电、燃料电池发电、蓄电池充放电系统以及负荷。

图1　微网系统总体结构

微网可运行于并网和离网两种模式，通过并网断路器的通断控制微网的运行方式。研究离网模式下的微网系统的频率电压控制方法。离网模式下的微网没有大电网的支持，其频率和电压需要微源和储能系统的协调控制。风力发电输出功率波动性强，因此在其直流侧加储能装置，以保证功率平滑输出。燃料电池输出功率受外界条件影响较小，可输出恒定的功率。太阳能取之不尽，因此光伏发电系统的控制目的是尽可能地发出功率，即采用最大功率跟踪控制。光伏发电输出功率随着外界条件的变化而变化，当外界条件变化时，光伏输出功率有较大的波动，势必会引起孤立微网的频率和电压的波动。储能系统是微网系统中可调度的发电装置，通过控制储能系统的充放电调节系统的频率和电压。微源之间协调控制，使得离网模式下的微网稳定运行。

1.2储能系统的控制策略

微网在孤岛模式下，发电和负荷随时有大的干扰，当系统中有功和无功功率出现不平衡时，系统中频率和电压将会出现波动，严重时会造成系统崩溃。经逆变器接入的储能系统可承担起系统中电压和频率的调节，根据系统中由droop控制获得的电压和频率参考值，快速调节储能系统的有功无功出力，达到平衡功率的目的。蓄电池的主电路如图2所示，其中Eeq、r为蓄电池的等效电压和内阻，isabc、ioabc分别为滤波前后的电流，L、C为滤波电感和电容，Zeq为等效负荷，系统中负荷为分散负荷，利用智能表传输数据先经加法器后再输入控制器，即等效的总负荷电流。

图2　蓄电池主电路

由图2可得

对式（1）进行dq变换，得

为了有效减少负荷变化对系统电压频率带来的干扰，可以引入负荷的动态特性［7］。在传统电压频率控制策略的基础上引进负荷电流和电压的前馈，如图3所示。

图3　电压频率控制策略

图3中，是无功功率、有功功率参考值，分别乘以下垂系数后产生电压和频率的参考值。传统的电压频率控制是电压偏差经PI控制器后产生交轴电流参考值频率偏差经PI控制器后产生直轴电流参考值在此控制策略基础上增加负荷电流和电压的前馈，即分量。

由图3可得

由电流控制电压型变换器输入输出关系可知

时间常数T与PI控制器、PWM型逆变器以及LC滤波器的数学模型有关［10］，是一个很小的数值。

将式（4）、（5）两侧分别进行拉氏变换并代入式（6）、（7）中得

将式（2）、（3）两侧分别进行拉氏变换并将式（8）、（9）代入可得

T是一个很小的时间常数，因此G（s）-1≈0，即有

由方程（12）、（13）可见由于引入负荷电流和电压的前馈作用，母线d、q电压只受Ed（s）、Eq（s）的影响，与负荷无关，负荷的动态特性减少了对频率和电压的影响。

1.3微网中微源的控制策略

光伏发电输出功率与运行点电压和电流有很大的关系。通过最大功率跟踪策略控制光伏板的运行电压，使其运行在最大功率点（Umax，Pmax）。采用的方法是电压扰动法，即给定一定的电压扰动ΔU，光伏板输出功率变化量为ΔP，如果ΔU·ΔP＞0，则按照原来的扰动方向继续扰动U，否则按照原来相反方向扰动U。光伏板输出的功率经PWM逆变器输出到用户侧，PWM逆变器采用传统的电压前馈解耦控制，即通过有功功率、无功功率的解耦，实现有功功率、无功功率分别由直轴电流id、交轴电流iq单独控制。光伏发电系统总体控制策略框图如图4所示。

图4　光伏系统控制策略

图4中，idref=Pref/1．5usd，iqref=Qref/1．5usd，Qref设置为0。

风力发电输出的随机波动性更大，为了减少对微网系统的影响，在风力发电系统直流侧添加储能装置，用于平滑风功率的输出。此时，风力发电可以等效为一恒功率源［10］。燃料电池输出功率比较稳定，受外界条件影响较少，对微网影响也很小。风力发电和燃料电池发出功率均控制为恒定值，不参与调频。

2　微网系统仿真分析

2.1负荷变化情形蓄电池系统仿真分析

根据图3提出的控制策略，使用Matlab仿真软件搭建如图5所示的蓄电池及其控制模型，该系统运行于离网模式下。系统相电压有效值为220 V，系统额定频率为50 Hz，在t=1 s时刻，负荷由电阻电感负荷变为电阻电感电容负荷。模式1是引入负荷电流和电压的情形，模式2是未引入负荷电流和电压的情形。两种模式的系统电压频率响应对比如图6～9所示。

图5　蓄电池的控制策略

图6　蓄电池有功功率出力

由图6可以看出，模式1的有功功率输出增加的速度明显快于模式2的有功功率增加速度。导致模式1对应的频率基本没有变化，模式2的频率有较大的波动，如图7所示。由于增加了容性负荷，为稳定系统电压，蓄电池发出的无功功率减少，如图8所示。相对应的，模式1较模式2电压变化幅度更小，但两种模式电压变化均不大，如图9所示。可见，由于引进负荷电流和电压的前馈，系统频率和电压的响应更加迅速，相比之下，对频率的调节效果更加明显。

图7　系统的频率响应

图8　蓄电池无功功率出力

图9　系统相电压有效值

2.2负荷有功变化情形微网系统仿真分析

建立图1所示的微网系统的Matlab仿真图。系统参数为：单个光伏板在温度T=25℃，光照强度1 000 W/m2下，Voc=43．5 V，Isc=5．1 A，Vm=35 V，Im= 4．55 A，光伏发电系统由100个光伏板串并联组成，即Pm=15 kW。燃料电池额定功率为50 kW，风力发电额定功率为100 kW，母线线电压为380 V，系统频率为50 Hz，负荷1为130 kW，负荷2为100 kW。

负荷突变时控制策略仿真结果与分析。在t=1 s时刻，微网系统负荷突然由130 kW增加到230 kW，并在t=2 s时刻负荷又减少为130 kW，由于光伏发电系统、风力发电以及燃料电池的逆变器采用的控制策略没有调频调压作用，因此其对系统频率变化没有响应，所发出功率不变，为此天气状况下所捕获的功率。在t=1 s时刻，系统有功负荷增加，PG＜PL，蓄电池电压频率控制器动作，功率输出发生相应变化，由-35 kW增加到65 kW，并最终稳定于65 kW。同样，在t=2 s时刻，PG＞PL，为平衡系统功率，蓄电池出力也发生相应的变化，如图10所示。频率响应如图11所示，可见系统频率没有因为负荷的突增而发生变化，说明引入负荷电流电压前馈的蓄电池的控制调节非常快速。微网母线相电压有效值如图12所示，在负荷突变时刻只有微小的波动，并迅速恢复到220 V。可见，提出的频率控制策略可有效、快速地调节孤立微网的频率和电压。

图1　0各微源输出功率

图11　微网系统频率

图12　母线相电压有效值

3　结语

建立包含有光伏发电、风力发电、燃料电池以及蓄电池的微网系统，提出一种调节孤立微网频率和电压的方法。由仿真结果可以看出，所提出的蓄电池的控制策略，将负荷电流和电压引入减小了负荷变化对系统电压频率的影响，有效提高了蓄电池调压调频的速度，使得蓄电池可有效调节孤立微网的电压和频率。并且使用蓄电池经独立的逆变器接入系统并采用droop控制可为微网后续建设提供方便。

参考文献

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邵明燕（1989），女，工程师，从事配电线路运维检修、配电网规划工作；

李晓磊（1989），男，工程师，从事变电设备检修工作；

王晓燕（1982），女，工程师，从事配电线路运维检修、配电网规划工作；

孙冰（1988），男，工程师，从事配电线路运维检修、配电网规划工作；

刘纪东（1969），男，技师，从事配电线路运维检修、配电网规划工作。

V/f Control Strategy Introducing the Feed Forward of Voltage and Current

SHAO Mingyan，LI Xiaolei，WANG Xiaoyan，SUN Bing，LIU Jidong
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Abstract:To stabilize the voltage and frequency of the microgrid operated in islanded mode，a control strategy of voltage and frequency based on battery is proposed which sets as a research object an islanded microgrid containing kinds of distributed generators（DG）．In order to shoot the problem of traditional control of V/f that load structural changes is not taken into account，the control of battery introduces the voltage and current feed forward based on traditional V/f control strategy．According to this control method，the detailed charging/discharging system of battery is established and compared with traditional control scheme．At the same time，the proposed method is applied to an islanded microgrid and various states are simulated of searched microgrid．Simulation results demonstrate that the control strategy introducing the feedforward of voltage and current is valid and practical and can regulate the voltage and frequency rapidly．

Key words:microgrid；PV；V/f control；battery

中图分类号：TM727；TM91

文献标志码：A

文章编号：1007-9904（2016）02-0005-06

作者简介：