范博， 肖宏飛， 林艷艷， 錢浩

(1.杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州電子科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 311305；3.華儀風(fēng)能有限公司，浙江 溫州 325600)

0 引 言

在日益增長(zhǎng)的全球能源需求下，以光伏、風(fēng)力、潮汐和地?zé)岬确莻鹘y(tǒng)能源為特征的分布式發(fā)電技術(shù)和微網(wǎng)技術(shù)得到了快速發(fā)展和推廣[1-2]。微網(wǎng)既可與公用電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，也可獨(dú)立運(yùn)行，還可以互聯(lián)的方式形成孤島系統(tǒng)運(yùn)行。從安全性及可靠性的角度看，互聯(lián)的多微網(wǎng)系統(tǒng)更具有優(yōu)勢(shì)，各子系統(tǒng)可以相互提供旋轉(zhuǎn)備用、緊急功率支援及電能交易，通過AC/DC/AC互聯(lián)的子系統(tǒng)還可在各自最優(yōu)的電壓水平下運(yùn)行[3-4]。

對(duì)于多微網(wǎng)的運(yùn)行，不但要保證系統(tǒng)頻率與電壓的穩(wěn)定，還需進(jìn)行各子系統(tǒng)內(nèi)部的功率平衡控制。文獻(xiàn)[5]對(duì)于分層控制的多微網(wǎng)系統(tǒng)采用基于線性二次型調(diào)節(jié)的下垂控制實(shí)現(xiàn)底層逆變器的功率分配。文獻(xiàn)[6]則提出了聯(lián)絡(luò)線功率控制策略及并網(wǎng)控制策略。文獻(xiàn)[7]對(duì)聯(lián)絡(luò)線的功率控制及DG的協(xié)調(diào)控制同時(shí)予以考慮，通過系統(tǒng)頻差及聯(lián)絡(luò)線功率偏差調(diào)整調(diào)頻電源的出力。而文獻(xiàn)[8]1110則采用多個(gè)下垂控制的電源參與調(diào)頻，可相對(duì)平滑地調(diào)節(jié)聯(lián)絡(luò)線功率及系統(tǒng)頻率。文獻(xiàn)[9-10]以互聯(lián)系統(tǒng)發(fā)電總成本最小為目標(biāo)，制訂下一運(yùn)行時(shí)段內(nèi)DG的最優(yōu)出力及微網(wǎng)交換功率的計(jì)劃值，并以此動(dòng)態(tài)修正下垂系數(shù)。

綜上所述，現(xiàn)有研究多針對(duì)多微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率與有功功率控制開展研究，忽略了頻率調(diào)節(jié)過程中的電壓波動(dòng)及無功功率調(diào)節(jié)。本文提出了一種頻率與電壓協(xié)調(diào)控制策略，通過對(duì)底層DG單元有功和無功功率的解耦控制，實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)頻率與電壓的二次調(diào)節(jié)，維持聯(lián)絡(luò)線有功功率為計(jì)劃值，并抑制微網(wǎng)間的無功功率流動(dòng)。

1 聯(lián)絡(luò)線的功率控制

微網(wǎng)內(nèi)部DG輸出功率波動(dòng)及負(fù)荷波動(dòng)將引起系統(tǒng)頻率變化，并導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線功率偏離計(jì)劃值。因此需要進(jìn)行二次調(diào)節(jié)恢復(fù)系統(tǒng)頻率及聯(lián)絡(luò)線功率。微網(wǎng)中心控制器(microgrid central controller，MGCC)可完成頻率的二次調(diào)節(jié)[8]1111，其原理如圖1所示。

圖1中:Kf為微網(wǎng)頻率偏移系數(shù)；ΔPT為聯(lián)絡(luò)線功率計(jì)劃值與實(shí)際值偏差；MGCE為微網(wǎng)區(qū)域誤差；ΔPM為各網(wǎng)需調(diào)節(jié)的功率總量；PDG、PDG,R為DG輸出的實(shí)際功率及功率參考值。

按上述策略，可在二次調(diào)頻結(jié)束時(shí)將系統(tǒng)頻率調(diào)整至目標(biāo)值，并將聯(lián)絡(luò)線有功功率恢復(fù)至計(jì)劃值。但對(duì)于采用對(duì)等控制的微網(wǎng)，一次調(diào)節(jié)后會(huì)形成電壓偏移，并在聯(lián)絡(luò)線中產(chǎn)生額外無功功率。因此，在二次調(diào)節(jié)中，應(yīng)對(duì)遺留的電壓偏差進(jìn)行消除，并抑制無功功率在聯(lián)絡(luò)線中的流動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)線功率控制策略如下：

(1)

ΔQM=0

(2)

式中：KP和KI為比例、積分系數(shù)；ΔQM為各網(wǎng)應(yīng)承擔(dān)的無功功率調(diào)節(jié)總量。由于有功功率調(diào)節(jié)含有積分項(xiàng)，各網(wǎng)內(nèi)部有功功率可按ΔPT為0和頻差為0的方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。若備用充足，調(diào)頻結(jié)束后可使聯(lián)絡(luò)線功率維持在計(jì)劃值，并恢復(fù)系統(tǒng)頻率。對(duì)于無功功率，限制其在聯(lián)絡(luò)線中的流動(dòng)，各子系統(tǒng)在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)局部的無功功率平衡。

由于低壓微網(wǎng)的阻性，有功功率與電壓,無功功率與頻率之間存在耦合，應(yīng)考慮有功與無功功率耦合后再將其分配至各網(wǎng)內(nèi)的DG，即：

ΔPDG=αPΔPM+βP(UDG-UDG,R)

(3)

ΔQDG=αQΔQL+βQΔPM

(4)

式中:αP、αQ為有功、無功功率分配系數(shù)；βP、βQ分別為有功-電壓系數(shù)、無功-頻率系數(shù)；UDG,R、UDG為各DG母線電壓參考值與實(shí)際值。

在有功功率的分配中，主要因素是區(qū)域控制誤差導(dǎo)致的不平衡量，DG母線電壓偏差導(dǎo)致的有功功率不平衡項(xiàng)用以消除無功功率對(duì)頻率的影響。對(duì)于無功功率的分配，系統(tǒng)無功功率偏差是主導(dǎo)因素，而ΔPM的引入則進(jìn)一步消除有功功率不平衡對(duì)無功功率分配的影響。與僅考慮頻率調(diào)節(jié)的方法相比，所提的策略可同時(shí)進(jìn)行電壓與無功功率控制。當(dāng)備用充足時(shí)，可實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)內(nèi)無功功率的平衡，從而將聯(lián)絡(luò)線無功功率控制為零，同時(shí)維持各母線電壓在允許范圍內(nèi)。當(dāng)備用不足時(shí)，則需采取減負(fù)荷措施或者增加額外的無功補(bǔ)償設(shè)備以維持無功平衡，否則會(huì)導(dǎo)致電壓波動(dòng)過大甚至超過允許值。聯(lián)絡(luò)線協(xié)調(diào)功率控制策略如圖2所示。

2 DG的控制策略

在DG單元的控制中，采用無通信的下垂控制以自適應(yīng)地響應(yīng)負(fù)荷波動(dòng)。由于工作點(diǎn)的改變，單一的下垂控制在調(diào)節(jié)后會(huì)產(chǎn)生壓差和頻差。因此應(yīng)在二次調(diào)節(jié)中調(diào)整DG輸出功率，恢復(fù)其頻率和電壓。調(diào)整量由MGCC整定并發(fā)送給DG，疊加到DG功率參考值，即：

f=fR-m(PDG-PDG,R-ΔPDG)

(5)

UDG=UDG,R-n(QDG-QDG,R-ΔQDG)

(6)

式中：m、n為DG的頻率、電壓下垂系數(shù)；QDG、QDG,R為DG輸出的實(shí)際無功功率及參考值；ΔPDG、ΔQDG為DG功率調(diào)整量，該值與DG功率參考值及實(shí)際值偏差作為下垂控制的輸入量，生成新的電壓、頻率參考值，經(jīng)電壓電流雙閉環(huán)控制生成SPWM的電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，調(diào)整DG的輸出功率。DG的控制策略如圖3所示。

3 仿真研究

利用PSCAD軟件建立如圖4所示的多微網(wǎng)系統(tǒng)模型。各網(wǎng)額定電壓為380 V，頻率50 Hz。DG1～DG4均為可調(diào)度電源，采用下垂控制。光伏發(fā)電單元經(jīng)交流饋線接入B5，其逆變器采用MPPT控制，輸出特性可變負(fù)荷處理。仿真研究主要驗(yàn)證在二次調(diào)節(jié)中聯(lián)絡(luò)線無功功率能否得到有效抑制、母線電壓能否維持在合理的范圍內(nèi)。

3.1 單微網(wǎng)發(fā)生負(fù)荷擾動(dòng)

在初始運(yùn)行狀態(tài)系統(tǒng)頻率為49.98 Hz，聯(lián)絡(luò)線功率為28.7 kW，由A網(wǎng)流向B網(wǎng)。1 s時(shí)B網(wǎng)負(fù)荷L6投入運(yùn)行。系統(tǒng)頻率、母線>電壓、聯(lián)絡(luò)線功率如圖5所示。

從圖5可知，負(fù)荷突增導(dǎo)致互聯(lián)系統(tǒng)頻率及各母線電壓下降，DG一次調(diào)節(jié)即刻啟動(dòng)，由于采用下垂控制，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)存在頻率及電壓偏差。這一過程中聯(lián)絡(luò)線功率增至(42.5+8.7) kVA，在有功功率支援的同時(shí)產(chǎn)生了無功功率增量。

3 s時(shí)啟動(dòng)二次調(diào)節(jié)。從有功與頻率調(diào)節(jié)來看，A網(wǎng)DG退出的有功功率與B網(wǎng)DG增加的有功功率基本相當(dāng)，系統(tǒng)頻率回升至49.98 Hz。從無功和電壓調(diào)節(jié)來看，二次調(diào)節(jié)中A網(wǎng)DG減少無功輸出，B網(wǎng)DG增加無功輸出，滿足自身負(fù)荷增量，各DG母線電壓恢復(fù)至目標(biāo)值附近。從聯(lián)絡(luò)線功率來看，3 s后有功功率逐步回至計(jì)劃值，無功功率降為零。

在相同運(yùn)行條件下采用不考慮電壓二次調(diào)節(jié)的控制策略進(jìn)行仿真[8]1113，結(jié)果如圖6所示。可見其頻率控制及聯(lián)絡(luò)線有功功率控制效果良好，但穩(wěn)態(tài)電壓偏差略大，且暫態(tài)過程中電壓波動(dòng)較大，同時(shí)在聯(lián)絡(luò)線中產(chǎn)生了額外的無功功率。

3.2 雙網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生擾動(dòng)

恢復(fù)系統(tǒng)初始運(yùn)行條件重新進(jìn)行仿真，1 s時(shí)投入負(fù)荷L6(25.3+j15.5 kVA)，2 s時(shí)投入遠(yuǎn)端負(fù)荷L5(56.4+j25.3 kVA)，3 s時(shí)啟動(dòng)二次調(diào)節(jié)，仿真結(jié)果如圖7所示。

在1 s和2 s時(shí)，負(fù)荷的增加導(dǎo)致系統(tǒng)頻率和電壓明顯下降，聯(lián)絡(luò)線有功與無功功率均偏離計(jì)劃值；兩網(wǎng)DG輸出的有功功率、無功功率均有增加。相對(duì)而言，A網(wǎng)負(fù)荷增幅更大，DG1、DG2輸出增量?jī)H用于滿足本網(wǎng)負(fù)荷變化。而DG3、DG4除滿足自身負(fù)荷增幅外，同時(shí)支援A網(wǎng)功率缺額。

3 s后，DG3、DG4不再承擔(dān)A網(wǎng)負(fù)荷，減少輸出，而DG1、DG2在二次調(diào)節(jié)中增加輸出，滿足本區(qū)域負(fù)荷增量。聯(lián)絡(luò)線功率也恢復(fù)至負(fù)荷發(fā)生變化前的水平。由于無功備用充足，在實(shí)現(xiàn)局部無功功率平衡的同時(shí)，恢復(fù)了DG母線電壓。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)多微網(wǎng)系統(tǒng)提出了頻率與電壓協(xié)調(diào)控制策略，將DG的有功功率與無功功率實(shí)現(xiàn)解耦，通過調(diào)節(jié)DG有功、無功功率實(shí)現(xiàn)互聯(lián)系統(tǒng)的頻率、電壓控制。研究表明，采用所提控制策略可在系統(tǒng)備用充足的情況下將系統(tǒng)頻率調(diào)整至目標(biāo)值，并將聯(lián)絡(luò)線有功功率恢復(fù)至計(jì)劃值，有效抑制無功功率在微網(wǎng)間的流動(dòng)。