基于PSCAD的微電網孤網模式建模與仿真

商士民, 潘庭龍, 紀志成

(江南大學物聯網工程學院,江蘇無錫214122)

基于PSCAD的微電網孤網模式建模與仿真

商士民, 潘庭龍*, 紀志成

(江南大學物聯網工程學院,江蘇無錫214122)

針對傳統下垂控制受微網線路阻杭因素的影響,無功功率難以實現精確的分配問題,采用一種無功-電壓微分(Q-d U/d t)下垂控制。該策略是基于電壓幅值變化率的電壓補償控制方法,實現無功功率的精確分配。在PSCAD中分別建立該方法的控制系統模型,并對系統孤網運行模式進行仿真研究,結果驗證了控制系統模型的有效性。

微電網;下垂控制;動態仿真

隨著分布式發電滲透率的增加,微電網在電網中的作用越來越大,當大電網發生故障時,微電網與大電網斷開,獨立運行,保證重要負荷繼續供電,孤網運行模式能提高經濟效益,改善用戶用電水平。微電網是由微電源(Micro-Source,MS)與負荷、儲能裝置、控制裝置等結合起來,形成單一的可控小型電力系統,提供電能和熱能給用戶,也可簡稱為“微網”[1-3]。因其能充分協調分布式電源與大電網之間的功率潮流,被越來越多的專家學者所重視,并在很多國家得到了廣泛應用[4-5]。孤網運行是微電網的重要特征,是提高微電網內重要負荷供電可靠性的強有力保證。因此,對微電網的孤網控制系統進行準確的建模、仿真和分析其動態特性,對發展微網的高級控制策略具有重要意義。

在微網系統中,傳統的有功功率/頻率下垂控制和無功功率/電壓下垂控制一般在下垂控制的分布式發電中被采用[6-9]。由于分布式微源的復雜性和多變性以及下垂控制對輸出阻抗的依賴性,傳統的下垂控制方法很難實現功率的精確分配。為此國內外學者對傳統下垂控制方法進行了改進,在線路阻抗不匹配時,對電壓下垂系數和阻抗系數進行修正,可以實現無功功率的精確分配[10]。針對包含多個分布式電源的微網在孤島運行模式下的功率分配問題,提出一種下垂特性和平均功率相結合的控制方法[11]。針對傳統下垂特性控制方法的不足,增加P-δ下垂控制修正和Q-U下垂控制修正項,可有效跟蹤功率變化的動態特性[12]。

實際運行中每個微電源的線路阻抗參數通常是無法匹配的,仍然還會存在無功功率分配不平衡以及負荷點電壓過低的問題。文中采用Q-˙V下垂控制方法,這種方法能夠克服逆變器之間線路阻抗不匹配的影響,并且能夠實現更好的無功功率均分。文中以PSCAD為仿真環境,對微網系統進行控制系統建模,仿真驗證采用控制策略的正確性和有效性。

1 微網結構

作為研究對象,文中涉及的微網結構如圖1所示。

圖1 微網的結構Fig.1 Block diagram ofm icro-grid

圖1中,DG1和DG2分別為兩個分布式微源,文中重點是研究微電網的控制系統,為了簡化研究對象,均以理想直流電源代替分布式電源,兩個微源分別經過采用SPWM調制的逆變器逆變為三相交流電,然后經過LC濾波器濾除高次諧波,各個微源支路的線路阻抗為Ri+jXi,Load為網絡負載負荷。

微網通常有并網運行和孤島運行兩種運行模式。并網運行是指微網與大電網相連接,與主配電網進行電能交換,由大電網補給微源自身發電的不足功率或吸收多余的功率。孤島運行又稱離網運行,是指當檢測到電網故障或計劃需要時,與主配電網斷開,由微源、控制系統和儲能系統構成一個獨立的小型供電系統對用戶負載進行供電。

文中微電網控制策略為:孤島模式下兩微源均采用下垂(Droop)控制。下文將進行Droop控制建模以及仿真分析。

2 傳統的功率下垂控制建模

傳統的下垂(Droop)控制是一種電力電子逆變器無互連線的并聯控制技術,它與同步發電機的一次調頻類似,通過解耦下垂特性曲線中的變量來調節微網系統頻率和電壓幅值,進行有功和無功的分配[13-14]。這種控制方法主要模擬傳統發電機的控制特性,在傳統電網中發電機的轉子頻率會一直變化,直到它發出的有功功率滿足負荷的需求,而電壓就是通過無功功率平衡來維持。在微網中,通常采用有功-頻率(P-f)和無功-電壓(Q-U)這樣關聯的下垂控制方法[15]。

當微源輸出有功功率增加時降低其頻率,當微源輸出無功功率增加時降低電壓幅值;反之則分別增大頻率和電壓幅值。根據下垂特性曲線可得到頻率和電壓的下垂控制方程為[16-17]

式中:fn和Un分別為逆變器i輸出角頻率和電壓幅值的額定值;kpi和kqi分別為頻率、電壓下垂系數;pn和Qn分別為有功功率和無功功率在額定頻率下的輸出功率;Qn一般設為零;pi和Qi分別為實際測得逆變器輸出的有功和無功功率。P-f,Q-U型下垂特性曲線如圖2所示。

圖2 下垂控制特性曲線Fig.2 Droop control characteristic curves

采用電力電子逆變器接口的微源下垂控制結構如圖3所示,其中外環功率控制包含3個部分,如圖4所示。

在PSCAD中利用功率測量器實測出微源輸出的瞬時功率,然后通過低通濾波濾除高頻分量得到平均功率;平均功率、額定輸出功率、系統的額定頻率以及電壓幅值作為下垂控制的輸入,通過下垂控制得到輸出電壓頻率和幅值的參考值;參考值通過電壓合成產生三相對稱的參考電壓。參考電壓經變換后作為電壓電流雙環控制器的輸入,dq0坐標系下P-f和Q-V多環控制的目的主要是提高控制器的性能,改善逆變器的輸出電壓幅值,多環控制后得到的可控正弦調制信號輸入到SPWM模塊中。

圖3 下垂控制結構Fig.3 Block diagram of d roop control

圖4 有功和無功功率控制結構Fig.4 Block diagram of power control

當微網中多個分布式電源并聯時,微源可采用傳統的頻率有功功率(P-f)下垂控制,依據各自的容量實現有功功率的平均分配,輸出有功功率與各自的容量成正比,不受線路阻抗壓降的影響。因為微網系統的頻率是唯一的,所以P-f控制能夠使逆變器輸出的有功功率始終是均勻分配的。但是傳統的下垂控制中Q-U控制會產生無功功率分配的誤差,因為無功的分配不僅與分布式電源的容量有關,還與傳輸線路的壓降有關,這里只要對下垂控制進行改進,補償線路上產生的壓降就能使并聯的各微源輸出的電壓相等,就能達到傳統下垂控制的效果,實現無功功率的均分。

3 無功功率-電壓微分(Q)下垂控制建模

在低壓微網中,有功-頻率下垂控制影響有功功率分配的主要因素還是功率角,功率角和頻率有關,不受線路阻抗差異的影響,通過調節頻率下垂特性使頻率維持在合理范圍內,有功功率就可以得到有效的分配。因此,文中主要針對的是無功功率的合理分配問題。微網中無功功率的來源主要是感性負載或者容性負載。針對無功功率的不同需求,功率管理系統通過多種控制方法并加入無功補償器,保證系統中無功的平衡。

在傳統的Q-V下垂控制中,無功功率的控制主要是通過逆變器進行控制的,微源輸出的無功功率是線路阻抗和下垂參數共同影響的,并且通常在不穩定的運行點。為了克服線路阻抗對無功潮流的影響,文中引入一個無功功率輸出和電壓幅值的動態關系方程,采用改進型Q下垂控制,用代替V,對電壓進行補償,使電壓幅值保持在合理的穩定狀態。控制器如圖5所示。文中同時引入電壓導數值恢復機制,使電壓導數等于0,在穩定狀態,這樣電壓值V就能夠維持在一個常值。

這里ni是Q˙下垂系數,為達到的額定值,設定在0 V/s,τ為調節時間t內具體的時間點;QoX是無功設定值和對應,主要是和無功容量相關。Voi是標準相位電壓幅值,是輸出電壓幅值命令值。在穩定狀態時,所有的逆變器工作在相同的值,這樣可以得到式(3),如果電壓導數下垂系數按照式(4)設定,那么從式(3)和式(4)可以得到每個逆變器輸出的無功功率可以滿足式(5)方程:

圖5 Q控制器Fig.5 Control block diagram of Q dot

圖6 Q˙控制的下垂特性Fig.6 Droop characteristic of Q-˙V control

由圖6可知,所有微電源的額定電壓微分值d Voi/d t最終的穩定值都相等,但若d Voi/d t值不為0時,則輸出電壓不穩定。文中提出一種電壓補償控制方法使電壓達到穩定狀態,電壓導數必須經過調整恢復到0。定義控制機制可表述如下:

這里kresi是電壓導數恢復增益,QRXi是額定無功功率增益。為了簡化,提出式(7)和式(8)兩種假設。式(7)是為了確保無功功率均分,式(8)為了達到穩定狀態。

4 微網模型仿真與分析

仿真參數如下:(1)DG1的額定功率Pn1= 2.5 kW,傳統下垂控制系數kp1=-1e-5,kq1= -3e-4,=50 Hz=380 V,濾波器參數Lf= 0.6 mH,Cf=1 500μF,Rf=0.01Ω,線路阻抗R1+ jX1=0.064+j0.001,電壓環控制器參數kV-P=10, Ti=0.01 s,電流環控制器參數kI-P=10;(2)DG2的額定功率Pn2=5 kW,下垂系數kp2=5e-6,kq2= 1.5e-4,線路阻抗R2+jX2=0.064+j0.002,其他參數和DG1相同。無功電壓微分(Q-˙V)下垂控制系數n1=-3e-3(V/Var),n2=-6e-3(V/Var),Qo1= 400 Var,Qo2=200 Var,Vox=380 V,Kres1= Kres2=0.5(1/V),QRX1=800 Var,QRX2=400 Var。在0～2 s有功負荷為10 kW,無功負荷15 kVar,在2 s時有功負荷變為15 kW,無功負荷變為30 kVar,在3 s時又恢復為初值。

圖7為傳統下垂控制下的仿真波形圖。從仿真結果可以看出,在不同線路阻抗下,隨著負荷需求的變化,DG2的有功功率始終是DG1有功功率的2倍,即微源的有功功率始終能按容量平衡分配,而當負荷功率增加時,DG1和DG2不能按容量平衡分配無功功率,功率分配精度低;而且負載增加時,負載處的電壓明顯降低,其值低于最低電壓要求,這對敏感性負載來說是不允許的。

圖8為微網系統應用文中提出的改進的下垂控制時的運行仿真結果。從圖中可以看出,當負載增加時,無功功率按各自容量實現了平衡分配,負荷處的電壓始終大于360 V,達到最低電壓的要求。

圖7 傳統下垂控制下的微網運行仿真Fig.7 Operation results of m icro-grid under traditional droop control

圖8 改進型下垂控制下的微網運行仿真Fig.8 Operation results ofm icro-grid w ith im proved droop control

5 結 語

分析微網傳統下垂控制策略的不足之處受線路參數的影響,線路參數不匹配時,無功功率在微源中不能均衡分配。基于電壓補償原理,通過無功-電壓微分(Q-˙V)的下垂控制方法來實現無功功率的合理分配。通過仿真比較了傳統下垂控制和改進的下垂控制的微網運行特性,驗證了改進的下垂控制能保證微網系統頻率始終維持在限定的范圍內,并且在不同線路阻抗下提高了無功功率的分配精度。

在包含風電光伏等多微源的實際微網中,頻率穩定性問題和電壓穩定性問題是微網穩定性控制的重要內容,文中改進的下垂控制預計可以提高實際微網運行的穩定性。有關微網孤島運行模式向并網運行模式的平滑切換有待后續研究。

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(責任編輯:楊 勇)

M odeling and Simulation of M icro-Grid Isolated M ode Based on PSCAD

SHANG Shimin, PAN Tinglong*, JIZhicheng
(School of Internet of Things Engineering,Jiangnan Nniversity,Wuxi214122,China)

In the micro-grid island mode,the frequency and voltage of the system are important technical control parameters.Traditional droop control can hardly realize the accurate power assignment in micro-grid because of some influencing factors,such as the characteristics of line impedance,a strategy of reactive power-voltage differential(Q-d U/d t)power control is applied.The voltage compensation controlmethod based on the voltage amplitude variation rate(d U/d t)is applied to realize the accurate reactive power assignment.The above control system model is established in the PSCAD,and the isolated operation model is studied,the results validate the effectiveness of the control system correctly.

micro-grid,droop control,dynamic simulation

TM 76

A

1671-7147(2015)03-0299-06

2014-12-17;

2015-01-18。

江蘇省自然科學基金項目(BK2012550);江蘇省高校科研成果產業化推進項目(1256010241120850)。

商士民(1988—),男,安徽蚌埠人,電氣工程專業碩士研究生。

*通信作者:潘庭龍(1976—),男,江蘇建湖人,教授,碩士生導師。主要從事新能源控制技術、功率變換技術等研究。Email:tlpan@jiangnan.cdu.cn