独立微电网中功率精确分配与频率电压恢复控制

刘海霞， 李 岚， 叶吉亮， 王宇龙

(太原理工大学 电气与动力工程学院， 山西 太原 030024)

0 引 言

近年来， 随着环境污染问题的日益严峻和新能源技术的迅猛发展， 世界各国纷纷开始在配网及用户侧大力发展微电网. 微电网作为一种中小型供电系统， 集合分布式电源、 负载、 储能单元、 能量转换装置、 控制和保护装置于一体， 具有清洁友好、 可靠性高、 安全性强和即插即用等诸多优点， 因此在我国国家能源局颁发的《可再生能源发展“十三五”规划》中明确提出， 要加快推进以可再生能源为主体、 多种分布式电源互补的新能源微电网应用示范工程的建设[1].

为了显著提高微电网的容量和可靠性， 目前采用逆变器并联技术， 因此多微源逆变器接口的群控技术成为了微电网控制的关键技术之一. 当微电网因电网故障或其他原因断开与电网的连接而处于独立运行状态时， 逆变器大多采用下垂控制策略， 即按照有功功率和无功功率下垂方程控制频率和电压[2]. 本文分析表明： 为了使各微源获得精确的功率分配， 其有功下垂系数必须相等， 逆变器的总输出阻抗也必须相同， 但是在实际微网系统中这一条件往往难以满足[3]. 此外， 由于缺乏电网的支撑， 仅依靠传统的下垂控制策略调节微网系统的频率和电压， 电能质量难以保证[4]. 因此， 传统的下垂控制已经满足不了系统的要求.

为了提高传统下垂控制中功率分配的精度， 文献[5]采用了反向下垂控制， 但是这种方法与传统的同步发电机特性兼容性差. 文献[6]提出一种自适应下垂控制方法， 该方法虽然实现了无功功率的分配， 但是未对频率和电压进行补偿控制， 从而造成系统输出频率和电压精度的下降. 文献[7]通过解耦后的虚拟功率来控制频率和电压， 这将增加控制的难度.

综上所述， 现有文献在精确分配功率和减小逆变器输出频率和电压偏差方面有一定的局限性. 因此， 针对以上问题， 本文提出了一种微电网分层控制方法， 该方法可以在微网逆变器线路阻抗不同的情况下， 改善各微电源输出的无功功率精度并且提高其输出的频率和电压质量. 最后， 通过仿真验证了本文所述控制方法的正确性.

1 传统下垂控制与功率分配

1.1 传统下垂控制原理

微网中并联逆变器功率传输原理如图 1 所示[8]. 其中， 两个微源逆变器的输出电压分别为E1∠θ1，E2∠θ2， 公共母线的电压为U∠00， 其与各逆变器输出电压的相位差分别为θ1,θ2； 逆变器的等效输出电阻分别为Ro1,Ro2， 等效输出电抗分别为Xo1,Xo2； 线路电阻分别为RL1,RL2， 线路电抗分别为XL1,XL2. 对于微网中的逆变器并联系统， 定义第n台逆变器的总阻抗为其等效输出阻抗与线路阻抗之和， 即Zn∠φn=Rn+jXn=Ron+RLn+j(Xon+XLn).

图 1 逆变器功率传输原理图Fig.1 Power flow through a line of inverter

由图 1 得到微源输出的有功功率和无功功率分别为

(1)

(2)

在低压微网中， 线路阻抗不感性， 传统的下垂控制将无法使用[9]. 如果通过设置合适的虚拟阻抗， 使得逆变器的等效输出阻抗为感性， 且确保Xn≫Rn， 则逆变器的总阻抗变为Xn. 对于实际运行的微网系统， 功角差θn很小， 所以sinθn≈θn， cosθn≈1. 那么式(1)和式(2)可以简化为

(3)

(4)

式(3)和式(4)表明， 如果线路阻抗为感性特征， 那么有功主要由相位差决定， 无功主要由电压差决定. 因此， 通过调节相位和电压， 即可控制有功功率和无功功率. 在实际应用中， 通常用频率代替相位进行控制[10]， 传统的下垂特性方程为

fn=f*-mnPn,

(5)

En=E*-nnQn,

(6)

式中：fn和En分别为逆变器输出的频率和电压；mn和nn分别为有功下垂增益和无功下垂增益；f*和E*分别为频率参考值和电压参考值.

1.2 功率分配原理

微电网独立运行时负载功率的精确分配是指各微源逆变器能够按额定容量比来分配负载功率[11]. 本文假设两个微源逆变器的容量相同， 即馈入公共交流母线的功率分别满足：P1=P2，Q1=Q2.

首先分析有功功率的分配情况， 当系统稳定运行时， 因为频率为全局变量， 所以系统中各逆变器工作频率相同， 因此有功功率可以精确均分， 即m1P1=m2P2.

其次再来分析无功功率的分配， 联立式(4)和式(6)可得逆变器稳态运行时实际输出的无功功率为

(7)

根据式(7)可得两台逆变器稳态运行时输出无功功率的比值为

(8)

由式(8)可知， 无功功率的合理分配不仅与无功下垂增益有关， 也与逆变器等效输出阻抗有关.

如果两个逆变器的无功下垂增益相等， 那么两个逆变器若想均分无功功率， 则根据式(8)可知， 两个逆变器的总阻抗需满足

X1=X2.

(9)

综上所述， 系统达到稳态后， 各微源要想实现按比例分配有功功率只需要有功下垂增益相同[12]. 但是对于实际的微网， 逆变器的总阻抗会随着负载的切入和切出而发生改变， 因此， 实际中根据式(9)的阻抗匹配条件来实现无功功率的均分并不可行.

鉴于以上分析， 本文提出了一种改进的微网分层下垂控制方法. 第一层控制为添加虚拟阻抗的传统下垂控制， 以实现低压微网有功功率和无功功率的解耦； 第二层控制用于实现微网系统无功功率的均分， 以及逆变器输出频率和电压的无差调节.

2 微电网分层控制原理

2.1 第一层控制

微电网的第一层控制是在传统的逆变器三环下垂控制中添加虚拟阻抗环， 以使逆变器输出的等效阻抗远大于其线路阻抗， 在逆变器的总阻抗中起到决定性作用， 下面具体来分析虚拟阻抗环的设计原理.

图 2 逆变器双闭环控制结构框图Fig.2 Double closed loop control structure diagram of inverter

由图 2 可知， 加入虚拟电抗后， 微源逆变器双闭环控制的参考输入电压Uref可表示为

(10)

根据式(12)和图 2 所示的控制策略， 可得加入虚拟电抗后， 逆变器的输出电压为

(11)

如果通过选取合适的电压电流双闭环控制参数， 使得G(s)在工频特性附近为1， Zo(s)接近于0， 那么引入虚拟阻抗后， 逆变器的等效输出阻抗近似为Zv(s).

2.2 第二层控制

虽然将虚拟阻抗引入逆变器的双闭环控制中能改变逆变器的等效输出阻抗， 但是电流流过虚拟阻抗所产生的压降， 会造成逆变器输出电压的下降， 因此需要对引入虚拟阻抗所产生的电压降落进行补偿. 此外， 传统下垂控制为有差调节， 当负载增加时， 系统输出的频率和电压均会偏离额定值.

为了实现微网系统无功功率的合理分配， 保证逆变器输出的频率和电压恢复到额定值. 在第一层传统下垂控制的基础上， 加入第二层控制， 通过采集各逆变器输出的无功功率、 频率和电压， 以低带宽通信的方式发送给微网中央控制器， 计算得到逆变器所需的补偿信号， 然后发送给每个微源逆变器， 对其进行补偿控制.

首先考虑微网中央控制器产生的无功功率补偿信号. 为了使无功功率精确均分， 现引入无功功率平均分配因子Qave， 当无功功率合理分配时， 两个逆变器输出的无功功率相等， 均等于Qave. 无功功率平均分配因子可表示为

(12)

因此， 无功功率补偿信号可表示为

(13)

式中： Kpq和Kiq分别为无功功率补偿PI控制器的比例和积分系数. 当Qave≠Qn时， 无功功率补偿控制信号开始对各逆变器输出的无功功率进行调节， 直到系统达到稳态时无功功率补偿信号为0， Qave=Qn.

其次， 为了改善微网系统的频率和电压偏差问题， 还需加入电压补偿信号和频率补偿信号. 因此， 改进下垂控制中添加的频率和电压的补偿信号Δfn和ΔEn分别为

(14)

(15)

式中： 频率平均分配因子和电压平均分配因子分别为

(16)

(17)

式中： Kpf和Kif分别为频率补偿PI控制器的比例和积分系数； Kpe和Kie分别为电压补偿PI控制器的比例和积分系数. 从式(14)和(15)可以看出， 稳态时E=E*和fn=f*成立， 各微源逆变器输出的频率和电压均恢复到额定值. 在此过程中， 微网系统可以按比例完成有功功率和无功功率的合理分配.

综上所述， 增加了微网第二层控制后的改进下垂控制方程为

fn=f*-mnPn+Kpf(f*-fave)+

(18)

En=E*-nnQn+Kpq(Qave-Qn)+

(19)

图 3 所示为逆变器加入分层控制后的结构框图.

图 3 微电网分层控制策略框图Fig.3 Block diagram of the microgrid hierarchical control strategy

从图 3 所示控制策略中可以看出： 对微源逆变器进行分层控制， 不仅可以改善微网的无功功率分配性能， 而且还能弥补使用传统下垂控制和引入虚拟阻抗后产生的稳态误差， 避免了微源逆变器输出频率和电压的跌落， 提高了系统的稳定性.

3 仿 真

为了验证该控制策略的有效性， 搭建了独立微电网并联逆变器仿真模型， 并对其进行仿真.

该系统的仿真参数如下： 微源1和微源2的直流侧电压Udc均为800V， 滤波电感L和滤波电容C分别为0.6mH和1 500μF， 滤波电容串联电阻R为0.01Ω. 其中， 微源1的线路阻抗Z1=(0.128 2+j0.020 2)Ω， 微源2的线路阻抗Z2=(0.193 2+j0.030 2)Ω. 该微电网的公共负荷为ZL1=(20+j10)KVA， ZL2=(12+j8)KVA. 参考频率f*为50Hz, 参考电压E*为311V. 系统的开关频率为6kHz， 电流控制器中K=5， 电压控制器中Kpu=10， Kiu=100. 本文中所添加虚拟电抗均为1mH， 有功下垂增益为1×10-5， 无功下垂增益为3×10-4. 无功功率补偿项系数分别为Kpq=0.000 2， Kiq=0.5； 频率补偿项系数分别为Kpf=0.001， Kif=3； 电压补偿项系数分别为Kpe=0.002， Kie=0.2.

微网系统初始运行时带负载1稳定运行0.5s， 0.5s时投入公共负载2， 相应的有功功率由20kW增加到32kW， 无功功率也由10KVar增加到18KVar. 仿真时间为1s.

图 4 为传统下垂控制仿真结果. 从图 4(a) 和图 4(b) 中可以看出， 无论负载如何变化， 系统稳定后， 两个微源都能均分有功功率， 但是由于线路阻抗的影响， 无功功率的分配并不准确. 从图 4(c) 和图 4(d) 可以看到， 各逆变器输出的频率和电压都与期望输出值存在一定的偏差， 严重影响了系统供电的可靠性. 图 4(e) 中两台微源逆变器输出电流也不相同， 系统存在环流.

图 4 传统下垂控制仿真结果Fig.4 Simulation results of conventional droop control

图 5 为微电网分层控制仿真结果. 图 5(a) 的有功功率波形与图 4(a) 有功功率波形大致相同. 通过图 5(b) 与图 4(b) 对比， 可以看出采用本文所述的微电网分层控制策略， 对无功功率进行补偿控制， 消除了线路阻抗的影响， 实现了无功功率的均分. 通过图 5(c) 和图 5(d) 可以看出， 经过频率补偿信号和电压补偿信号的调节， 各微源逆变器输出的频率和电压在稳态时均恢复到额定值. 因此， 本文所提控制方法不仅可以保证微网系统功率的精确分配， 而且还有效提高了系统的频率和电压质量. 图 5(e) 中两个微源逆变器的均流效果较好， 避免了环流的产生.

图 5 微电网分层控制仿真结果Fig.5 Simulation results of the microgrid hierarchical control

4 结 论

本文以独立微电网中相同容量微源逆变器为研究对象， 详细分析了负载功率的分配原理， 提出了一种微电网分层控制策略. 在第一层控制中， 通过添加感性的虚拟阻抗以减小线路阻抗的影响； 第二层控制是对微源逆变器输出的无功功率、 频率和电压进行补偿控制， 以使各逆变器精确分配无功功率， 同时保证频率和电压恢复至额定值. 该方案可以在线路阻抗不同的情况下， 依然能够准确分配无功功率， 并消除稳态时的频率和电压误差， 提高了系统的稳定性. 在理论分析的基础上， 通过仿真证明了该分层控制策略的有效性.

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