沈陽化工大學 薛 嬋

本文將從下垂控制的基本原理出發(fā)，對基于改進下垂控制的微電網(wǎng)運行控制進行分析與探究，希望為相關人員提供一些幫助與建議，通過下垂控制的改進使得無功均分精度得到提高，確保微電網(wǎng)系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

引言：微電網(wǎng)的微電源若使用下垂控制，會因微電網(wǎng)結構復雜、電壓幅值輸出不等、線路阻抗存在差異等原因使得微電源在進行無功功率輸出時無法實現(xiàn)均分，從而導致微電源之間產(chǎn)生無功環(huán)流現(xiàn)象。因此，應針對這些問題對下垂控制進行改進，實現(xiàn)微電網(wǎng)運行的有效控制，保證微電網(wǎng)的運行安全。

一、研究背景

目前，我國微電網(wǎng)開始廣泛應用下垂控制，尤其是在微電網(wǎng)處于對等控制時。然而傳統(tǒng)下垂控制因復雜的微電網(wǎng)結構、電壓輸出的幅值不同、線路有阻抗差異等，導致DG的無功輸出較難實現(xiàn)均分效果，如果情況較為嚴重，微電網(wǎng)還會有較大無功環(huán)流出現(xiàn)。國外與國內學者都對其開展了大量研究，比如對逆變器諧波與基波分頻下垂的控制器設置，就能對電壓的諧波進行充分抑制，還能按照當前容量對諧波域與基波域功率進行科學分配，使得并聯(lián)逆變器的時候有效提升分配功率的精度。

如果將負荷端電壓幅值的反饋添加到傳統(tǒng)下垂控制之中，會使分配負荷的精度得以提高，不過此方法需要較大無功下垂系數(shù)，不利于系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)下垂控制之中加入無功補償與電壓回復控制，可以對Q/V曲線里存在的電壓偏差進行修正，并使分配的無功功率得到提高。在傳統(tǒng)下垂控制之中加入虛擬阻抗的技術，在分布式電源的逆變式輸出側引入虛擬電抗，會使得輸出阻抗表現(xiàn)出感性，并對Q/V的曲線進行修正，從而使分配無功精度的效果得到提升，不過虛擬阻抗的引入將降低系統(tǒng)的電壓，不利于電壓輸出的質量。如果以動態(tài)虛擬阻抗為基礎進行相應的改進控制，讓虛擬阻抗值可以進行自行調整，使得線路電圧降落得到降低，便能對無功環(huán)流進行抑制。如果借助虛擬阻抗使不同輸出線路的阻抗差異減小，可以增強微電源分配無功負荷的精度，不過依然不能有效解決該問題。因此，應尋找一種不對電能質量產(chǎn)生影響，且微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行不會受到負面影響的分配無功精度提升手段。

二、逆變器的下垂控制

（一）整體的逆變器控制

在逆變器中使用下垂控制，則其大體控制方法為：通過電流與電壓的雙環(huán)控制、功率的下垂控制、功率計算等方法獲得可以對逆變器輸出進行控制的一個SPWM波，實現(xiàn)對逆變器輸出進行控制的目標。在本文，逆變器使用的是電流、電壓的雙環(huán)控制，讓逆變器擁有了較強電壓源外特征，電壓環(huán)可以對功率下垂控制而出現(xiàn)的參考電壓進行快速跟蹤，電流環(huán)使得系統(tǒng)的動態(tài)響應得到有效改善。

（二）下垂控制的基本原理

下垂控制通常會被應用到對等控制微電網(wǎng)并聯(lián)很多逆變器一同運行的控制上。通過下垂控制，可以在感性的微電網(wǎng)阻抗輸出狀態(tài)下解耦Q/V與P/f。其中，逆變器與電壓源發(fā)揮等同效力。在逆變器等效輸出處于感性阻抗的時候，相比于負載阻抗，逆變器線路的阻抗與等效輸出的阻抗都比較小，但實際上相角偏差也較小。微電網(wǎng)里的輸出線路通常表現(xiàn)出阻感性或是阻性，不過控制器會對逆變器端口輸出電壓進行直接調整，并非濾波器出口電壓，因此在對逆變器的輸出特征進行考慮時，要把變壓器與濾波器阻抗也進行考慮。又因為微電網(wǎng)沒有較長的傳輸線路，將變壓器與濾波器的阻抗加入之后，輸出阻抗依然表現(xiàn)出感性，因此應將線路的電阻進行忽略。線路電抗、變壓器電抗、濾波可以共同叫做微電源輸出的分布式電抗。

三、微電網(wǎng)下垂控制改進

在微電源的逆變器中，LC濾波器會輸出較大的電桿，并且微電網(wǎng)沒有較長的輸電線路，因此微電源阻抗的輸出依舊表現(xiàn)出感性，使得微電網(wǎng)運行過程中依然可以使用Q/V、P/f的下垂控制。應將電壓補償量引入傳統(tǒng)的下垂控制之中，使得輸出線路得到壓降的補償，使不同微電源分配無功負荷的精度得到提高。要想使存在于微電網(wǎng)里面的接入點電壓幅值差異得到彌補，將接入點電壓幅值的反饋控制引入傳統(tǒng)無功下垂的控制過程中，當做補償?shù)臒o功下垂控制量，并對接入點變化的電壓進行全面跟蹤，然后對控制無功下垂的結構進行相應改進。微電網(wǎng)的幅值反饋量與電壓補償量通過調節(jié)PI可以獲得無功下垂曲線補償量初始值，對下垂曲線進行平移處理，從而對系統(tǒng)運行的穩(wěn)定點進行調節(jié)，讓不同微電源能夠輸出相同的電壓幅值。因此，無功下垂的控制經(jīng)過一系列改進，能夠讓分布式電源的無功功率發(fā)生改變，讓微電網(wǎng)里不同的分布式電源可以輸出相同的電壓幅值。

四、下垂控制改進的補償法

（一）縱截距補償

在微電網(wǎng)應用下垂控制時，下垂曲線因其特征使得母線電壓在運行時和期望的母線電壓有一定的差異存在，加上系統(tǒng)中負載突變等大量不確定的因素所影響，使得母線電壓會出現(xiàn)波動。只有母線電壓保持穩(wěn)定才能確保負載可靠的運行，因此大部分二次控制都對補償母線電壓進行考慮，也就是利用下垂曲線的平移，使得曲線里的電壓初始值發(fā)生改變，然后對單元輸出電壓進行直接控制。系統(tǒng)中各個單元電流電壓的信息都通過低速通信方法得到，利用補償器將縱截距的補償量進行輸出使得下垂曲線得到調節(jié)?？衫秒娏€通信、控制器區(qū)域網(wǎng)絡等方法進行低速通信，該方法符合分布式微電網(wǎng)特征，得到了下垂控制中二次控制的廣泛應用。按照系統(tǒng)要求的不同，補償器可以使用電流電壓雙補償、電流補償、電壓補償?shù)确绞?。將電壓補償器引入二次控制，從而使母線電壓得到回復，實現(xiàn)離網(wǎng)和并網(wǎng)的無縫切換。在切換時，微電網(wǎng)離網(wǎng)時母線電壓的偏差信號通過補償器被送到電池單元，并和下垂曲線初始電壓相疊加，對曲線進行平移，使得電池單元的側電壓輸出得到調節(jié)，讓固態(tài)變壓器和微電網(wǎng)的母線電壓相一致，滿足并要的需要。

（二）下垂系數(shù)補償

各個微電網(wǎng)系統(tǒng)都有相應控制目標，部分系統(tǒng)要求快速應對負載突變，部分系統(tǒng)要求均分電流，從而使不同功率單元能夠有效的使用。因此在微電網(wǎng)系統(tǒng)運用下垂控制時，下垂曲線的系數(shù)能夠按照系統(tǒng)控制目標的不同對有關物理量進行關聯(lián)，根據(jù)物理量做出的改變作出相應變化。關聯(lián)的物理量按照計算時對下垂曲線系數(shù)進行調整。很多微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制與結構要求相對簡單，并且關聯(lián)參數(shù)僅和本地的單元信息相關，因此無需通信就能夠補償下垂曲線。此外，出于對微電網(wǎng)具體運行時母線電壓發(fā)生突變可能性以及電壓敏感負荷在很大程度上受到電壓突變影響的考慮，對電壓突變及時應對的方法成為當前微電網(wǎng)系統(tǒng)需要解決的重要問題。微電網(wǎng)的系統(tǒng)功率經(jīng)過快速的擾動，會產(chǎn)生母線電壓突變現(xiàn)象，具體體現(xiàn)在母線電壓的變速速率比較大。因此，在補償下垂曲線的洗漱室，應將系統(tǒng)的具體要求作為考慮前提，把下垂曲線的系數(shù)和余下的儲能裝置容量、母線電壓的變化率等不同物理量相關聯(lián)，從而按照物理量變化的情況對下垂曲線的系數(shù)進行動態(tài)調整，實現(xiàn)下垂控制得到改進的目的。

五、同步的并網(wǎng)控制

在將微電網(wǎng)從孤島運行的模式切換到并網(wǎng)的運行模式時，應盡快做到靜態(tài)開關兩邊的相位、頻率、電壓幅值大體一致，也就是大電網(wǎng)和微電網(wǎng)實現(xiàn)同步運行，使并網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊減少。應借助微電網(wǎng)的模式控制切換器來測量靜態(tài)開關兩邊電壓的信號，多相角差、頻率差、電壓幅值差進行計算并微調，然后按照相位控制、頻率控制、電網(wǎng)電壓做到平滑地將微電網(wǎng)從孤島運行的模式切換到并網(wǎng)運行的模式。從孤島到并網(wǎng)的模式控制切換過程中，通過控制相位、頻率、電壓來得到對應電壓幅值與頻率初值改變量，在經(jīng)過下垂曲線的平移獲得最終幅值、頻率、電壓等參考值。進行并網(wǎng)之前，應先控制電壓與頻率，然后控制香味，讓PCC兩側的電壓幅值差與相位差逐漸縮小到符合并網(wǎng)運行的范圍之中，然后將斷路器閉合，達到從孤島運行模式切換至并網(wǎng)運行模式的目標。

六、具體仿真

微電網(wǎng)具體的仿真過程如下：第一，在一秒之前，微電網(wǎng)處于孤島運行的模式；第二，當處在一秒的時候，微電網(wǎng)的負荷突變，有功負荷從五十千瓦增長至六十千瓦，無功負荷從10kvar增長到13kvar；第三，當處在一秒半的時候，將頻率與電壓的控制模塊啟動，在1.6秒時再將相位控制的模塊啟動，這時大電網(wǎng)和微電網(wǎng)處于預同步控制的階段，一旦符合并網(wǎng)的條件則對微電網(wǎng)進行并網(wǎng)。第四，當處在三秒的時候，將PCC開關斷開，微電網(wǎng)從并網(wǎng)運行的模式成功切換至孤島運行的模式，如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)仿真

七、結語

總而言之，研究基于改進下垂控制的微電網(wǎng)運行控制具有十分重要的意義。通過下垂控制的改進，讓微電網(wǎng)在穩(wěn)定運行時，令不同微電源能夠對相同電壓幅值進行輸出，使得微電源分配無功負荷的精度得到提高，從而增強微電網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，讓微電網(wǎng)系統(tǒng)得以安全運行。