龍 夏，鄧秋玲，向全所，柯夢卿，張 群

(湖南工程學院 電氣與信息工程學院 風力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104)

0 引言

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，具有微型、清潔、自主和靈活特性的微電網(wǎng)被人們廣泛接受，大力發(fā)展微電網(wǎng)產業(yè)將成為中國未來電力能源戰(zhàn)略的重點[1-2].分布式發(fā)電一般通過逆變器進入交流微電網(wǎng)系統(tǒng)，微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性將直接受到逆變器穩(wěn)定性的影響.因此，逆變器的控制策略成為微電網(wǎng)的關鍵問題之一.微電網(wǎng)逆變器的控制方法一般采用主從控制和對等控制兩種控制方法[3-5]，主從控制方法已被廣泛研究.但是，由于主從控制本身存在缺陷，因此在應用中存在一定的局限性.下垂控制通常表示為對等控制，基于并聯(lián)逆變器的下垂控制已經廣泛用于微電網(wǎng)，因為它能降低對通信可靠性的依賴性，下垂控制策略的研究逐步發(fā)展.文獻[6]提出微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行可以通過增加無功功率的分配精度來實現(xiàn).文獻[7]提出在基波和諧波域合理分配功率可以提高微電網(wǎng)的穩(wěn)定性.文獻[8]提出了電壓和電流控制策略在直流微電網(wǎng)中的應用.文獻[9]提出了一種提高微電網(wǎng)穩(wěn)定性的新方法，但實現(xiàn)過程繁瑣.文獻[10]提出了一種基于電壓電流和雙電流控制的下垂控制方法，并通過仿真結果驗證了該控制策略的可行性.文獻[11-12]在文獻[10]的基礎上提出引入感應式虛擬阻抗來改善電壓和電流的雙回路控制策略.仿真結果表明，通過引入感應式虛擬阻抗可以減少系統(tǒng)循環(huán)，消除循環(huán)系統(tǒng)之間的影響.然而，在文獻[13]中沒有考慮引入感應虛擬阻抗會導致并聯(lián)逆變器輸出電壓下降.文獻[14]針對低壓微電網(wǎng)提出了一種具有反饋電感阻抗的電壓和電流雙回路下垂控制方法，并通過仿真驗證了控制策略的有效性和正確性，但在逆變器輸出電壓下降時也未考慮引入感應虛擬阻抗.本文在文獻[14]的基礎上改進了基于感應虛擬阻抗的電壓電流雙回路下垂控制策略，并通過仿真驗證了該控制策略的有效性和穩(wěn)定性.

1 傳統(tǒng)下垂控制的原理

傳統(tǒng)下垂控制方法的思路來源于傳統(tǒng)電網(wǎng)中同步發(fā)電機的自同步和電壓下垂特性.利用傳統(tǒng)下垂控制方法中并聯(lián)逆變器模塊之間除了交流母線外沒有其他信號線，增強了微電網(wǎng)孤島運行時的抗干擾能力、冗余能力.目前，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中有線互聯(lián)控制技術，無法克服地理位置、受電磁干擾嚴重、冗余性不佳等先天性的缺點，從而促進了無線互聯(lián)下垂控制方法在逆變器并聯(lián)控制領域的發(fā)展.目前，該方法廣泛應用于隔離微電網(wǎng)逆變器的控制.根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)實際運行需要，為了簡化分析，取2臺逆變器構成的并聯(lián)系統(tǒng)如圖1所示，其可以等效為一個電壓源和一個阻抗的串聯(lián)等效模型.

圖1 并聯(lián)逆變器等效電路圖

從圖1中我們可以得到:

(1)

這里的Pi是有功功率；Qi是無功功率；Zi是阻抗；φi是阻抗角；θi是相角.當X>>R,Z∠θ=X∠90°上述(1)式可簡化為：

(2)

通常在傳統(tǒng)微電網(wǎng)中，獨立微電網(wǎng)并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的輸出阻抗和線路阻抗之和是電阻-電感.因此，如果采用逆變器的P/f,Q/V下垂控制策略來控制逆變器，則需要在獨立的微電網(wǎng)系統(tǒng)中加入感應虛擬阻抗，使獨立微電網(wǎng)并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的輸出阻抗和線路阻抗之和呈現(xiàn)感性.

傳統(tǒng)下垂控制的特性曲線如圖2所示.

結合圖2其數(shù)學表達式可寫為：

(3)

式(3)中：P和Q為DG輸出的有功和無功功率；fn、Vn為空載狀態(tài)下的頻率和電壓，m是P-f下垂系數(shù)；n是下垂Q-V系數(shù).

2 下垂控制的改進

為了滿足下垂控制特性的要求，減弱逆變器輸出阻抗的影響，提高無功功率的系統(tǒng)分布精度，應引入更大的感應虛擬阻抗值.然而，在實際研究中，感應虛擬阻抗的較大值將導致逆變器輸出電壓嚴重下降，如圖3所示.當電壓和電流雙回路控制系統(tǒng)中未添加感應虛擬阻抗時，該等式可寫為:

(4)

圖3 基于虛擬阻抗的電壓電流環(huán)控制策略

其中U是對應于Q-V下垂控制特性的電壓，當在電壓和電流雙回路控制中引入感應虛擬阻抗時，相應的等式如下：

(5)

添加感應虛擬阻抗之前和之后的Q-V下垂控制特性曲線如圖4所示，圖4中a曲線表示當微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中沒有添加感應虛擬阻抗時的下垂控制特性曲線Q-V.

圖4中曲線b表示當微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中添加感應虛擬阻抗時的Q-V下垂控制特性曲線，由于感應虛擬阻抗的存在，使系統(tǒng)電壓下降了，如ΔU表示在引入感應虛擬阻抗后系統(tǒng)電壓的下降值.因此，為了保證逆變器輸出電壓的穩(wěn)定性，提高電源的可靠性，需要通過補償回路改善Q-V下垂控制，改進的Q-V下垂控制特性曲線如曲線c所示.添加補償回路使Q-V下垂控制參考電壓合理上升，使得感應虛擬阻抗的引入不會降低變頻器的輸出電壓. 相應的等式如式(6)所示.

圖4 引入虛擬阻抗之前和之后的下垂控制曲線

Uref+ΔU=(U+ΔU)-LvI0=(U+ΔU)-

nQ-LvI0

(6)

根據(jù)公式(6)，可知改進的Q-V下垂控制的控制方案如圖5所示.

圖5 改進后的下垂控制

3 仿真結果及分析

為了驗證所提出的改進下垂控制策略的正確性和有效性，在Matlab/Simulink仿真平臺上構建了一個獨立的微電網(wǎng)仿真模型，該仿真平臺由兩個分布式發(fā)電機組成，結構模型如圖6所示.模擬參數(shù)的設置如表1所示，兩個分布式電源和逆變器輸出阻抗參數(shù)設置相同，本文分析了兩種情況下兩臺分布式電源逆變器優(yōu)化后的下垂控制的仿真.

有兩個DG，分別表示為DG1和DG2.K1、K2、K3是控制開關，K4是可以控制系統(tǒng)運行模式的開關.當K4關閉時，微電網(wǎng)以并網(wǎng)模式運行；當K4打開時，微電網(wǎng)以孤島模式運行.

圖6 微電網(wǎng)示意圖

表1 系統(tǒng)參數(shù)

情況1:在初始時刻，K2、K3處于閉合狀態(tài)，K4處于斷開狀態(tài).在0.4 s的時刻K3斷開，此時的微電網(wǎng)系統(tǒng)切除負荷，在0.8 s時刻K3閉合，微電網(wǎng)系統(tǒng)增加負荷.仿真時間為1.5 s，孤島運行的微電網(wǎng)特性如圖7所示.圖7(a)分別反映了負載變化時DG1和DG2的有功功率變化.由于兩個分布式電源的并聯(lián)逆變器參數(shù)相同，因此有功功率的波動基本相同，結合圖7(b)分析表明：系統(tǒng)在0.4 s時切斷了負載3的運行，所以DG1和DG2輸出的有功功率減少而輸出的頻率增加.在0.8 s時負載3接入運行，DG1和DG2輸出的有功功率增加而輸出的頻率減少，在微電網(wǎng)系統(tǒng)減少和增加負載的時候，DG1和DG2輸出的頻率始終維持在50～50.05 Hz的穩(wěn)定范圍內波動，符合P/f下垂控制特性要求.圖7(c)反映了負載變化時DG1和DG2的無功功率變化，結合圖7(d)中DG1和DG2輸出線電壓表明，由于在0.4 s切除負載3，DG1和DG2輸出的無功功率在0.4 s的時刻降低，而DG1和DG2輸出的線電壓略微有點增加.在0.8 s的時刻負載3又接入微電網(wǎng)系統(tǒng)運行，DG1和DG2輸出的無功功率增加而DG1和DG2輸出的線電壓略微有點增加.無論微電網(wǎng)系統(tǒng)的負載增加還是減少，DG1和DG2輸出的線電壓始終維持在220 V左右，滿足Q-V下垂特性的要求.

情況2：在初始時刻，K1、K2、K3都處于閉合狀態(tài)，K4處于斷開狀態(tài).在0.4 s時開關K1斷開，此時的微電網(wǎng)系統(tǒng)切除了分布式電源DG1，在0.6 s時K1閉合，分布式電源DG1又接入微電網(wǎng)系統(tǒng)運行，在0.8 s時K1再次斷開，仿真時間為1.2 s.孤島狀態(tài)下微電網(wǎng)的運行特性如圖8所示.

圖7 DG1和DG2在切除和接入負載的運行特性

圖8 傳統(tǒng)下垂控制DG1和DG2輸出有功功率和無功功率的變化圖

圖8顯示了傳統(tǒng)下垂控制DG1和DG2輸出有功功率的變化，圖9(a)則是改進后的下垂控制DG1和DG2的輸出有功功率的變化.通過對比不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的下垂控制在0.6 s時刻，DG1接入微電網(wǎng)系統(tǒng)時有功功率發(fā)生了大幅度的波動，勢必會引起微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率的大幅度變化，不利于維持微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，然而圖9(a)顯示改進后的下垂控制在0.6 s時刻并沒有發(fā)生大幅度波動，反而還是維持在穩(wěn)定的狀態(tài).

通過對圖8(b)和圖9(b)的對比分析，也可以看出在0.6 s時刻，分布電源DG1接入微電網(wǎng)系統(tǒng)的時候，傳統(tǒng)下垂控制下的DG1和DG2輸出的無功功率發(fā)生了波動，改進后的下垂控制則維持在一個穩(wěn)定的狀態(tài).通過對傳統(tǒng)的下垂控制與改進后的下垂控制中DG1和DG2輸出的有功功率和無功功率的對比，表明改進后的下垂控制的策略可以實現(xiàn)分布式發(fā)電的即插即用.從圖9(c)和(d)分析可知，當DG1進行切除和并入微電網(wǎng)系統(tǒng)的操作時，獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率和無功率發(fā)生了波動，而微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率仍然可以保持穩(wěn)定.

圖9 DG1切除和接入獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行特性

4 結論

在孤島模式下，頻率和電壓的波動將由負載的變化引起，導致微電網(wǎng)的不穩(wěn)定.如果波動太嚴重，則無法保證系統(tǒng)能夠有效地供電，為此通常會使用下垂控制.結合微電網(wǎng)分布式電源系統(tǒng)實際工作情況，考慮并聯(lián)逆變器系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，本文對傳統(tǒng)的下垂控制法進行改進，并在文獻[14]的基礎上改進了一種適用于微電網(wǎng)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的控制方法，即基于感應虛擬阻抗的電壓電流雙回路下垂控制策略，并進行了仿真.通過與傳統(tǒng)的下垂控制對比表明，改進后的下垂控制策略使得獨立微電網(wǎng)的線電壓和頻率有較好的穩(wěn)定性，同時更好的實現(xiàn)功率的均分，降低了電網(wǎng)功率波動性.也表明了改進后的下垂控制策略的有效性.