改善微电源无功分配精度的分布式电压调整方法

陈亚红, 和军平, 李 鑫, 李方正

(1.哈尔滨工业大学深圳研究生院 机电工程与自动化学院, 广东 深圳 518055;2.南方电网公司 海口供电局, 海南 海口 570000)



改善微电源无功分配精度的分布式电压调整方法

陈亚红1, 和军平1, 李 鑫1, 李方正2

(1.哈尔滨工业大学深圳研究生院 机电工程与自动化学院, 广东 深圳 518055;2.南方电网公司 海口供电局, 海南 海口 570000)

提出了一种根据可调度微电源无功出力信息,在线计算无功-电压下垂曲线的斜率、电压和无功参考值的算法.在一次电压下垂控制基础上,通过动态调整下垂曲线斜率、电压和无功参考值,改善分布式可调度微电源无功输出的均分能力.负载无功需求平衡后,通过分布式二次电压调整将微电源端电压恢复到允许范围内,以提高电压质量,并实现分布式调压和无功输出均分.在Matlab/Simulink平台上搭建微网动态模型,仿真验证了所提策略的有效性.

微网; 无功均分; 分布式电压

随着煤、石油等不可再生化石能源的逐渐枯竭以及世界各国对节能减排要求的提高,微网(Microgrids,MG)这种能利用风能、太阳能等可再生能源,并具有不间断持续供电能力的发电技术逐渐发展起来.微网由多种形式的微源、储能、负荷、控制及保护单元组成,可作为可控负荷或可控发电单元并入配电网,在孤岛或联网模式下运行.微网的容量不同,可调度分布式电源(Distributed Generation,DG)的输出阻抗、联接线路阻抗、输出电压也会有所不同.加上微网中负荷的无功功率波动随机性大,传统的下垂控制很难使逆变器按照设定的Q-U下垂曲线分配无功功率,可调度DG的无功输出实际上很难按容量均分,从而使得微网母线电压的稳定度受限.

本文设计了分层电压控制来改善上述情况.可调度DG电压源逆变器控制外环采用Q-U下垂控制,一次电压先调整满足负荷无功需求;针对Q-U有差调节,微电网再通过二次调整,将电压恢复到正常范围.可调度DG一次、二次电压调整相配合,保持微网母线电压稳定.上述电压调整可采用集中控制方式实现,但这对上位机的性能和通信的可靠性要求较高,如果通信断线或遭到干扰将有可能造成二次调压功能无法实现[1-2].文献[3]提出的分布式电压调整方法,仅在逆变器控制环内进行PI控制,没有考虑负载无功需求变化时的DG无功输出均分问题.文献[4]中的分布式电压调整方法考虑到了无功均分,但仅限于所有DG相同的情况,没有考虑DG容量及性能不同时的无功均分问题.文献[5]提出了基于多Agent分布式电压调整方法,但没有深入讨论无功输出均分问题.文献[6]将负载无功功率进行了加权平均,但没有考虑DG机端电压的水平差异.

本文将测量、计算、控制功能集成到各分布式DG中,并考虑了DG的容量、性能、阻抗参数、机端电压等多个因素,不仅可以实现对电压的有效调节,也大大提高了可靠性.对一次电压调整提出了一种在线计算Q-U下垂曲线斜率、电压和无功参考值的算法.通过动态调整下垂曲线斜率、电压和无功参考值,使可调度DG的无功输出按无功容量均分.同时,对各DG采用分布式二次电压调整来减小稳态偏差.本文利用Matlab/Simulink搭建了微网系统的仿真模型,仿真结果验证了所提策略的有效性.

1 微网的电压分层控制结构

本文所研究的微网主要结构如图1所示.其中包含微型燃气轮机、铅酸蓄电池组等可调度DG,以及风力发电机、光伏电池等不可调度DG.蓄电池通过双向DC/DC升压,经直流电容稳压,再经三相桥式逆变器并网.光伏阵列和风机通过前级BOOST升压,经直流电容稳压,再经三相桥式逆变器并网.微燃机输出高频交流电经整流后,通过三相桥式逆变器并网[7].

由图1可以看出,本微网系统的可调度DG将DG主电路、通信系统、测量和控制电路等集合起来.测量电路使用GPS提供的全网统一时钟信号,同步测量该DG端电压、电流幅值及相位等信息,直接输入至本地DSP以控制输出有功、无功及电压.可调度DG无功出力在一定范围内可调,通过调节其无功出力可满足负载的无功需求,进而调节并稳定微网电压.不可调度DG一般不参与无功-电压调节.可调度DG的接口逆变器控制内环采用PQ解耦控制,分别控制输出有功与无功.其控制外环采用Q-U下垂控制,控制输出无功与电压.

2 微网分布式一次调压原理

一次调压采用Q-U下垂控制[8-9],通过电压下垂调节可调度DG的无功出力,以满足负载的无功需求,维持电压稳定,如图2所示.

由图2a可以看出,第k台可调度DG初始运行于A0点,即无功出力为零且电压为允许最大值,电压关系为:

(1)

式中:Ek——第k台可调度DG的实际输出电压;Eref k——Q-U下垂曲线参考电压;Emax——运行最高电压;Erated——运行额定电压.

输出无功增加到Qk,运行到A1点,电压降为Ek,则Qk与Ek间的关系为:

(2)

式中:Qk——第k台可调度DG的实际输出无功;Qref k——Q-U下垂曲线无功参考值;mk——下垂系数.

一次Q-U下垂控制是通过降低可调度DG的输出电压增发无功,此处电压起到传递负载无功需求信息的作用.

3 多台不同容量可调度DG的无功均分

大规模微网通常包含多台光伏、风机等不可调度DG及微燃机、双向储能等可调度DG,这些DG的额定容量与负载最大无功需求之间须满足一定关系才能保证负载供电.为避免某台可调度DG过载,当负载无功需求波动时,可调度DG必须按无功容量均分无功[10-12].DG容量配置:

(3)

式中:Pimax——可调度DG的额定容量;PPVjmax——光伏电池的额定容量;PWTkmax——风机的额定容量;PLoad max——最大负荷.

理想条件下,各DG的Q-U下垂曲线电压参考值相等,输出电压相同,输出无功与无功容量成正比:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:Qk max——第k台可调度DG的无功额定容量;

QLoad——负载无功需求.

由一次下垂曲线式(2)可得:

(9)

(10)

(11)

为了方便计算,将下垂曲线与E轴交点作为电压设定值,可得:

(12)

则有:

(13)

(14)

4 微网分布式二次调压

一次下垂为有差控制,负载无功需求变化会导致DG端电压幅值偏离额定值,需进行电压二次调整,以提高电压质量[13].

图2a中,第k台可调度DG初始运行于A1点,修正下垂曲线后运行于A2点,此时DG端电压实际值为Ek,电压理想值为Erated.将电压实际值与理想值之差进行PI比例积分计算,按计算结果对修正后的下垂曲线进行平移,可得:

δE=kEp(Ek-Erated)+kEi∫(Ek-Erated)dt

(15)

(16)

(17)

进行电压二次控制,平移修正后的下垂曲线,该曲线与Q轴交点可能会超过可调度DG的额定无功容量,将该点称为可调度DG虚拟无功容量Qk virtual max.在下个周期进行一次下垂控制和下垂曲线修正时,以Qk virtual max代替Qkmax即:

(18)

二次电压调整过程中,电压和电流是在本地测量的,修正下垂曲线后下垂系数已经确定,并且电压和无功参考值在选定DG时也已经确定,因此二次电压调整的实现也是分布式的.

5 仿真与结果分析

为验证本文所提策略对提高可调度DG无功均分精度的有效性,在Matlab/Simulink环境下搭建微网动态仿真模型进行检验.该模型含适量无功负载,两台微型燃气轮机作为可调度DG,其接口逆变器参数如表1所示.微网单相额定电压为220 V,频率为50 Hz,可调度DG1无功容量为40 kW;可调度DG2无功容量为20 kW.

表1 Q-U下垂控制DG逆变器参数

在0.1 s时负荷无功从0 kW增为20 kW,可调度DG相应改变其无功出力,可调度DG1无功出力从0 kW增至13.3 kW,端电压从222.2 V降至221.3 V;可调度DG2无功出力从0 kW增至6.7 kW,端电压从220 V降至219.3 V.在0.4 s时负荷无功从20 kW增至40 kW,可调度DG1无功出力从13.3 kW增至26.6 kW,端电压降至220.5 V;可调度DG2无功出力从6.7 kW增至13.4 kW,端电压降至218.5 V.在1.3 s时负荷无功降至20 kW,可调度DG1无功出力从26.6 kW降至13.3 kW,端电压升至221.3 V;可调度DG2无功出力从13.4 kW降至6.7 kW,端电压升至219.3 V.上述实验结果如图3所示.由于无二次调压功能,可调度DG的无功出力发生变化时,机端电压也相应发生变化.

现从0.7 s开始二次调压,负载无功需求仍按图3a所示.1 s时可调度DG将端电压恢复到正常范围;1.3 s时负载无功降至20 kW,可调度DG端电压上升,二次调压持续作用,0.2 s内将电压恢复到正常范围,如图4所示.

图3 无二次调压时的仿真结果

综上仿真结果,负载无功需求变化的过程中,采用本文提出的策略,两台可调度DG始终按其无功额定容量均分无功,且以分布式的方式在本地将电压恢复到正常范围.

图4 有二次调压时的可调度DG电压

6 结 语

本文针对微网运行中负载无功需求变化导致母线电压质量下降,且在可调度DG调压过程中无功输出无法按无功容量均分的问题,提出了一种在线计算Q-U下垂曲线斜率、电压和无功参考值新算法.仿真结果表明,通过动态调整下垂曲线斜率、电压和无功参考值,很好地实现了可调度DG无功输出按容量均分,在此基础上分布式二次电压调整将机端电压恢复到允许范围内,提高了电压质量.

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(编辑 白林雪)

Distributed Voltage Control of a Microgrid to Improve Reactive Power Sharing among Micro-sources

CHEN Yahong1, HE junping1, LI xin1, LI Fangzheng2

(1.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,ShenzhenGraduateSchool,HarbinInstituteofTechnology,Shenzhen518055,China; 2.HaikouPowerSupplyCompany,ChinaSouthernPowerGrid,Haikou570000,China)

An algorithm for online computing Q-U droop rate,voltage and reactive power reference values is proposed according to schedulable DGs reactive power output information.Based on the primary Q-U droop control,the ability DGs to share the reactive power is improved by dynamically adjusting the droop rate,voltage and reactive power reference values.After the load demands are satisfied,the distributed secondary voltage control restores the voltage amplitude of DGs to normal range and improves voltage quality.The strategy proposed can realize the distributed voltage stable control and reactive power sharing function.The dynamic simulation model of MG on Matlab/Simulink platform is built.Simulation results verify the effectiveness of the proposed strategy.

microgrid; distributed voltage control; reactive power sharing

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.03.004

2016-10-06

和军平(1971-),男,博士,副教授,陕西宝鸡人.主要研究方向为微电网,电磁兼容,电力电子技术.E-mail:hejunping@hitsz.edu.cn.

深圳市科技计划项目(YCYJ20160531190745967).

TM732;TM76

A

1006-4729(2017)03-0229-05