微源并网逆变器改进下垂控制策略研究

韩彦东 李亚民 崔鑫斌

摘 要：针对微网中敏感负荷对频率和电压幅值要求较高这一情况，笔者提出了一种下垂系数随反正切函数变化的下垂控制策略。把反正切函数的两种特性应用于微源的下垂控制，第一个特性可以保证微源输出频率和电压始终维持在设定的范围之内，第二个特性可以保证微源在输出参考功率附近有较快的动态响应。最后将改进后的下垂控制策略与改进前的下垂控制策略相比较，比较结果证明了该策略的可行性和优越性。

关键词：下垂控制;反正切函数;电压;频率

中图分类号：TM83 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）07-0041-03

Abstract： According to the requirement of sensitive load to frequency and voltage amplitude in micro network， the author put forward a kind of improved droop control strategy， whose droop coefficient varied with the arctangent function. Two properties of arctangent function were applied to the droop control of the micro source， its first feature ensured that the output frequency and voltage of the micro source was always maintained within the range of the set， and the second characteristics couid ensure that the micro source had a fast dynamic response in the vicinity of the output reference power. Finally， the improved droop control strategy was compared with the improved droop control strategy， and the comparison results proved the feasibility and superiority of the strategy.

Keywords：droopcontrol;arctangent function;voltage;frequency

微网中微源的控制可以采用多种方式，但在分散控制中，经常采用下垂控制策略[1-2]。当微网中负载大幅度变化时，频率和电压的幅值也会大幅度变化，这对电压和频率要求较高的电气设备来说是不允许的[3]。为了保持微网频率与电压稳定，同时为了让微源输出功率得到充分的利用，微源下垂控制策略中一般采用较小的下垂系数;但下垂系数较小时，微源不能及时改变出力，响应速度慢[4-5]。针对上述矛盾，本文提出了一种下垂系数随反正切函数变化的下垂控制策略。由反正切函数的特性可知，随着定义域趋于无穷大，它的值域收敛于和X轴平行的两条直线;同时，在中心对称点附近函数有较大的斜率，越远离中心对称点，函数斜率越小。把反正切函数这两种特性应用于微源的下垂控制，可以让微源的输出频率和电压幅值始终维持在设定的范围之内，同时保证微源在额定输出功率的一定范圍内保持较大的下垂系数，从而增加了微源的动态响应。最后，在MATLAB/Simulink中建立改进后的下垂控制策略的微电网模型，并将改进后的下垂控制策略结果与传统的下垂控制策略结果进行对比，对比结果证实了本策略的可行性与优越性。

1 改进下垂控制策略

传统下垂控制策略的缺点主要体现在两方面：一是当微网中存在突变大功率负荷时，微网内部频率和电压幅值会远远偏离参考值，这对敏感负荷来说是致命的伤害;二是为了保证频率和电压不会超出设定范围，可以取较小的下垂系数（下垂系数为常数），当微网中功率出现波动时，由于处理控制信号的时间不可能无限减小，当下垂系数较小时，即使在参考功率附近，微源出力也不会及时改变，因此，微网频率和电压会出现较大的波动，即便稳定时微源出力也不能适应微网中功率波动的情况。对于这些问题，传统的下垂控制方法并不能够解决。

为了克服传统下垂控制策略的缺点，本文提出了一种下垂系数随反正切函数变化的下垂控制策略，其原理如图1所示。

图1（a）和图1（b）为改进下垂控制策略频率何电压特性曲线。从图中可以看出，改进的下垂控制策略下垂特性曲线为曲线，曲线的下垂系数会随输出功率的变化而发生变化;而传统的下垂特性曲线为直线。在参考功率附近微源出力最强，此时下垂特性曲线斜率较大，当微网中出现功率波动，只要能在短时间内取得较大的下垂系数，就可以保证微网具有快速的动态特性，随着微源出力性能变弱，下垂特性曲线下垂系数慢慢变小，从而可以防止微源出现过调的现象。由于改进下垂控制策略下垂特性曲线是根据反正切函数得到的，所以微网输出频率和电压幅值会收敛于上下限设定值而不会超出上下界限。因此，使用改进后的下垂控制策略，既可以保证微网输出频率和电压幅值不会超出设定范围，又可以保证微网有较好的动态性能。

2 仿真和分析

2.1 建模仿真

使用改进的下垂控制策略，在MATLAB/Simulink环境中建立下垂控制仿真模型，并根据实际情况设定相应的参数;同时，为了验证文中所提策略的优越性，建立传统下垂控制微网模型，并将两种模型的输出结果进行对比。图2为示例微网结构图，图中微源采用下垂控制，微网中有3个负载，load1、load2和load3。其中，load1离微源比较近，load2和load3离微源稍远;load1和load2为小型负载，load3为突变大型负载。微电网通过公共端接入10kV配电网。

假設实际电网中的频率最大偏移范围为±0.2Hz，电压偏移范围为±10V。依据这个假设条件，对改进后的下垂控制策略中的各个参数进行设定，设置仿真时间为3s，每隔0.2s进行一次开关切换。

2.2 微网系统频率输出结果分析

改进后的下垂策略和传统的下垂控制策略频率输出对比如图3所示。图3中，0.6s时刻3个负载同时接入微网，由于load3为突变大型负载，所以可以看出采用传统的下垂控制策略的微网输出频率低于设定值49.8Hz;而采用改进后的下垂控制策略的微源在大负荷出现时，根据下垂系数计算公式，下垂系数会大大减小，此时输出频率不会超出设定值。同理，在2.2s时刻由于3个负载同时接入微网，微网频率会再次低于49.8Hz。由以上分析可得，改进后的下垂控制能够确保系统频率的偏移在指定的范围内（±0.2Hz），确保了微网运行的可靠性和稳定性，证明了本策略的可行性和优越性。

2.3 微网系统电压输出结果分析

图4（a）和图4（b）分别为传统下垂控制策略和改进下垂控制策略微网系统输出电压波形的局部放大图。对比图4（a）和图4（b），当在0.4～0.8s、1.0～1.6s和2.2～2.4s时间段内，由于突变的大型负载load3接入，系统的输出电压降低。图4（a）使用的是传统的下垂控制策略，当无功负载明显增加时，系统工作点会沿着下垂特性曲线向下移动，系统的输出电压会低于300V，若无功功率继续增加，电压输出甚至会低于290V。而图4（b）使用的是改进后的下垂控制策略，当系统无功功率明显增加时，根据下垂系数计算公式，下垂系数会大大减小，此时微网输出电压幅值始终保持在设定值范围之内，如图4（b）微网输出电压幅值始终高于300V。

通过对比可以发现，使用改进后的下垂策略时，微网工作在孤岛状态下和并网状态下都能保证系统电压在指定的范围内（311V±10V）工作，确保了微网运行的可靠性和稳定性，证明了本策略的可行性和优越性。

3 结论

经过对比可知，使用改进后的下垂策略可以保证有功功率和无功功率在较大范围内变化时，系统输出频率和电压幅值在较小范围内变化，从而保证微电网频率和电压的稳定性，同时验证了本策略的可行性和优越性。

参考文献：

[1]唐云龙，杨恢宏，王若醒，等.基于C-MEX建模的全数字单相并网逆变器的研究[J].电力系统保护与控制，2013（24）：140-143.

[2]Katiraei F，Iravani M R，Lehn P W. Small-signal dynamic model of a micro-grid including conventional and electronically interfaced distributed resources[J].IET Generation Transmission & Distribution，2007（3）：369-378.

[3]郑永伟，陈民铀，李闯，等.自适应调节下垂系数的微电网控制策略[J].电力系统自动化，2013（6）：6-11.

[4]孙云岭，黄伟，王冠男，等.微源并网逆变器下垂控制策略的改进研究[J].陕西电力，2013（1）：6-10.

[5]TANG Y， ZHAO S， TEN C-W， et al. Enhancement of distribution load modeling using statistical hybrid regression [C]. IEEE PES ISGT， Apr. 23-26， 2017， Washington， DC， USA： 1-5.