微网中可维持母线电压恒定的下垂控制

贾磊磊

摘 要：由于传统下垂控制会使电压幅值和频率产生偏移，瞬时响应速度受限，以及由于线路阻抗不匹配所造成的环流等问题，提出了基于线路压降补偿的可减小微网母线电压幅值偏移的下垂控制理论，并且该方法可维持逆变电源本地输出电压幅值和频率的稳定。针对实际低压微网系统中线路阻抗为阻性，首先忽略线路阻抗中感抗成分，修正传统下垂控制模型，改进系统稳定性和瞬态响应；其次基于传统电网中二次调频理论，控制器增加电压幅值和频率的无差调节，维持逆变电源本地输出电压幅值和频率的稳定；再次，考虑逆变器到微网母线之间传输线上的电压降，控制器再加入传输线路压降补偿。最后通过仿真验证了所提出方法的正确性。

关键词：微电网母线；下垂控制；电压稳定；频率恒定；分布式发电

中图分类号：TM464 文献标识码：A

0.引言

化石燃料是现阶段人类所需能源的主要来源，但化石能源的不可再生性及其大规模使用造成的环境问题使其面临着双重压力。因而人们在寻求一种可再生环境友好型的绿色能源来补充化石能源，甚至是替代化石能源。风能，太阳能生物能源都是解决的途径，但现今上述可再生能源的使用通常是以分布式能源出现的，分布式能源又通过微电网的形式间接的接入主电网，因而微网中分布式能源的控制方式成为研究的热点。

为了使并行逆变器能够体现电源特性，并且均分负载，逆变器通常采用传统的下垂控制。下垂控制基于检测本地信号，真正实现了分布式控制，并且具有很高的稳定性及冗余性，使系统易于扩展。但是其缺点是使电压和频率造成了一定的偏移，基于功率检测的作用会降低系统的瞬态响应速度，以及逆变器之间由于线路阻抗特性的不同所造成的环流等问题。

但下垂控制一系列的改进方法将上述不足做了很大的改善。本文研究的情况为低压微电网。

1.下垂控制分析

1.1 传统下垂控制

接入微网的分布式电源可以通过如图1所示的电路进行等效。

X，R为线路的等效感抗和阻抗。其传输的功率可由下式进行表示：

（1）

（2）

当线路阻抗中，忽略阻抗R的作用时，其表达式可得到如下表达式：

（3）

（4）

通过上式可以看出，有功功率主要和DG与微网母线电压的相位差有关，无功功率主要DG与微网的电压差值有关系，由于频率信号便于检测因而，传统下垂控制采用下列式子进行控制：

（5）

（6）

fref為额定频率，Vref为额定电压幅值，kp，kq为下垂系数，P、Q为逆变器输出的有功和无功功率。当逆变器输出的有功功率增大时，频率会有一定的下降，当输出的无功增大时，电压会有微小的降低，这样最终实现了供电与负载的平衡和逆变器之间的功率分配。

1.2 反下垂控制

反下垂控制在（1）、（2）式的基础上，将线路组抗中的感抗成分X忽略掉，得到如下的控制方式：

（7）

（8）

此时电压和频率的控制入下式所示：

（9）

（10）

其控制框图如下所示：

反下垂控制在稳定性和瞬态响应方面比传统下垂控制有很大的改进，其原因是其控制部分采用的模型与实际模型更加接近。但是当输出功率增大时，反下垂控制的电压和频率会产生显著的偏移。因而进一步采用能够维持本地输出电压和频率稳定的改进的下垂控制。

1.3 改进的下垂控制

基于传统电网中二次调频的理论，衍生出了改进的下垂控制。

当负荷引起频率偏移时，一般利用发电机组上装设的调速器来控制和调整原动机的输入功率，以维持系统的频率水平，这称为频率的一次调整。当负荷变化引起的频率偏移较大，仅靠调速器的作用往往不能将频率偏移限制在允许的范围之内，此时必须由调频器参与控制与调整，这种调整称为频率的二次调整。其控制框图如图3所示。

改进的下垂控制达到的效果是能够维持本地输出电压和频率的稳定。由于分布式电源通过一定的传输线路连接到微网母线上，由于逆变器输出点频率保持在额定值，因而微网母线电压的频率也能维持在额定值，因而消除了下垂控制在频率上产生的偏移。微网中电压幅值存在如下关系：

（11）

Vo为逆变器本地输出，?V为线路压降，Vbus为微网母线电压。当输出的功率增大时，逆变器虽然能够维持本地输出的电压幅值保持恒定，即Vo恒定，但是功率增大，电流也增大，逆变器到微网母线之间的传输线上的电压降也随之增大，?V增大，最后造成微网母线电压的幅值出现降低，即Vbus降低因而下垂控制在电压幅值上产生的偏移没有被完全消除。针对这一不足，本文进一步改进提出了基于线路压降补偿可减小微网母线电压幅值的偏移并维持本地输出电压和频率的稳定下垂控制。

2.加入线路压降补偿的下垂控制

在上述维持本地输出电压和频率的稳定下垂控制的基础上，再考虑?V的作用，当传输线路中的电流增大时，线路压降也随之增大， ?V的大小我们可以通过检测逆变器本地输出的电流信号，通过令其与估算的传输线阻抗Z相乘可得，我们可以通过下式来控制：

（12）

（13）

通过以上式子，我们可以维持Vo稳定，此时Vo与Vbus相等。

令电压环节电压的参考值按输出电流的大小进行调节，如下所示：

（14）

电压环节控制的结构图4所示：

Io为逆变器输出电流，通过令电压给定信号跟随输出电流的变化而变化，从而达到消除线路压降?V变化的影响。

3.仿真过程验证

基于本文提出的理论，在PSCAD软件中进行了仿真验证。endprint

仿真过程中，0.5s时微网运行状态由并网运行转为孤岛运行。如图5所示为两种方案在相同情况下微网母线电压的对比，分别为改进的下垂控制和加入线路压降补偿的下垂控制。

从图5中可看出，微网在由0.5s由并网运行转入孤岛运行时，改进的下垂控制电压有明显的降低，原因是输出功率增大，线路压降增大，加入线路压降补偿后，微网母线电压的下降大为减少。通过加入传输线压降的补偿，大大提高了微网母线电压的稳定。图中当相同的功率增加时，电压下降的量由0.012（pu）降低为0.002。

加入线路阻抗后，会不会影响逆变器之间的功率分配，通过图6可以看出，虽然加入线路压降补偿后，两台逆变器输出的功率还是达到了很好的功率分配的要求。

通过以上仿真对比证明了加入线路压降补偿后，微网母线电压在负载发生变化的情况下波动更小，且达到了很好的功率分配的要求。

结语

本文首先介绍了主从控制，平均电流法及下垂控制各自的优缺点，之后详细介绍了下垂控制中的传统下垂控制，反下垂控制以及改进的下垂控制。低压系统中，反下垂控制提高了快速性和稳定性，改进的下垂控制实现了消除频率偏移的目标，但没有实現消除微网微网母线电压偏移的目的，本文提出的线路压降补偿的方法，在很大程度上减小了微网母线电压幅值由于下垂控制所产生的下降偏移，很好的维持了系统电压的稳定性，且达到了功率分配的要求。最后通过仿真验证了其正确性。

参考文献

[1]陈丽娟，王致杰.基于改进下垂控制的微电网运行控制研究[J].电力系统保护与控制，2016，44（4）：16-21.

[2]ZHONG Qingchang.Power delivery to a current source and reduction of voltage harmonics for inverters[C]. American Control Conference.Montreal，Canada，2012： 5783-5788.

[3]ZHONG Qingchang.Robust droop controller for accurate proportional load sharing inverters operated in parallel[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics，2013，60（4）：1281-1290.

[4]孙孝锋，吕庆秋.低压微电网逆变器频率电压协调控制[J].电工技术学报，2012，27（8）：77-84.

[5]孙孝锋，李欢欢.逆变器的双模式下垂控制[J].中国电机工程学报，2016，36（2）：507-515.endprint