任意阻抗比值下垂控制策略的研究

李鹏程

摘 要：详细分析了不同电阻与电抗比值对下垂控制的影响，指出了经典的微网下垂控制一般适用于电抗远大于电阻的场合。通过电阻与电抗的比值构建了一种新的功率变换矩阵，并根据变换矩阵推导了新的下垂控制方程，新的下垂控制方程适用于任意电阻与电抗比值的场合。

关键词：阻抗；微网；下垂控制；变换矩阵

中图分类号：TM76 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.073

现阶段，为了解决环境压力过大的问题，我国正在进行全球能源互联网的构建，需要大量的清洁能源接入电网中。作为清洁能源的主要接口，微电网受到了前所未有的关注。但由于清洁能源一般受环境的影响较大，因此，相关工作人员对微电网的控制进行了大量的研究。

微电网的控制策略一般采用下垂控制。下垂控制策略的主要目的是实现功率控制、电压频率控制以及负荷的最优经济分布。其中，频率的调节可以通过有功功率实现，电压的调节可以通过无功功率的调节实现，其是所有下垂控制策略中的理论基础，即经典的P-f，Q-V下垂控制理论。但经典的下垂控制策略有一定的限制条件，比如只有在纯电抗等网络中才能应用。

鉴于经典下垂微网控制策略存在的理论缺陷，本文首先详细分析了经典下垂控制策略的理论基础，并指出了其限制所在，进而研究了一种通过功率变换矩阵实现的新的下垂控制策略，其适用于任意微网场合，为下垂控制在微网中的进一步使用打下了坚实的理论基础。

1 经典下垂控制策略

在一般的高压系统当中，存在电抗远大于电阻分量，即X?R，

因此R可以忽略。同时，考虑到功角δ很小，存在sinδ≈δ和cosδ≈1，因此，式（6）和（7）能被简化，得到：

由此可见，功角δ可以调节有功功率P，而功角与频率紧密相关，即频率f的控制可以通过调节P实现；电压与无功强相关，因此，电压的控制可以通过调节Q实现，得到了经典的下垂控制方程：

其中，kp和kq为频率和电压控制下垂系数，其曲线图如图2所示。

2 新的下垂控制策略的研究

通过上面分析可以看出，经典的下垂控制策略的前提条件是X?R. 但在微网当中，由于电网规模不大，输电距离十分有限，因此，为了输电的更加可靠、缩小占用耕地面积，有些微网采用电缆输电。低电压的电缆中电阻分量远大于电抗分量，即R?X.

当R?X时，则：

此时，功角（频率）的调节需要通过无功来实现，而电压的控制需要有功调节来实现，这与经典的下垂控制策略完全相反。

2.1 功率变换矩阵的提出

通过上面的分析可以看出，当R/X比值不同时，其控制策略存在明显的不同。因此，需要一个统一的控制策略来实现对任意比值的R/X的控制。因此，提出了一种功率变换矩阵，其目的在于经过变换的功率，其变换的有功功率P′仍然控制频率f，变换的无功功率Q′控制电压，变换矩阵T如下式所示：

显然经过变换后的方程中无功Q'决定电压，而功角δ（频率f）依赖于 P'，需要指出的是，计算公式的推导并没有引入任何的条件，因此，新的推导方程对任意比值的R/X都适用。

图3给出了在不同的R/X比值下新、旧两种控制策略的比较解决。在新的控制方程下，有功功率控制频率，而无功功率控制电压。

新的下垂控制方程是表征了改进后有功功率和无功功率与频率、电压的关系，与线路参数并无关系，可以适用于任意微网场合。

3 结束语

本文借助功率变换矩阵，在理论层面展开了关于对R/X任意比值的控制策略的研究，新的控制理论有以下3个特点：①为搭建微网控制模型带来了理论指导。通过研究可以看出，不同的微网下垂控制策略需要不同的线路参数与之匹配，否则，微网的模型不够精准。②经过功率变换后的控制策略适用于任意比值的R/X. ③新的控制策略频率永远受变换后的有功功率控制，而电压受变换后受无功功率控制。

由此可见，新的控制策略适用范围更加广泛，相比经典的控制策略更具有优势。

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〔编辑：张思楠〕