微網中可維持母線電壓恒定的下垂控制

賈磊磊 張旭 周濤 陶者青

摘要：由于傳統下垂控制會使電壓幅值和頻率產生偏移，瞬時響應速度受限，以及由于線路阻抗不匹配所造成的環流等問題，提出了基于線路壓降補償的可減小微網母線電壓幅值偏移的下垂控制理論，并且該方法可維持逆變電源本地輸出電壓幅值和頻率的穩定。針對實際低壓微網系統中線路阻抗為阻性，首先忽略線路阻抗中感抗成分，修正傳統下垂控制模型，改進系統穩定性和瞬態響應；其次基于傳統電網中二次調頻理論，控制器增加電壓幅值和頻率的無差調節，維持逆變電源本地輸出電壓幅值和頻率的穩定；再次，考慮逆變器到微網母線之間傳輸線上的電壓降，控制器再加入傳輸線路壓降補償。最后通過仿真驗證了所提出方法的正確性。

關鍵詞：微電網母線；下垂控制；電壓穩定；頻率恒定；分布式發電

中圖分類號：TM464 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

1 引言

化石燃料是現階段人類所需能源的主要來源，但化石能源的不可再生性及其大規模使用造成的環境問題使其面臨著雙重壓力。因而人們在尋求一種可再生環境友好型的綠色能源來補充化石能源，甚至是替代化石能源。風能，太陽能生物能源都是解決的途徑，但現今上述可再生能源

的使用通常是以分布式能源出現的，分布式能源

又通過微電網的形式間接的接入主電網，因而微

網中分布式能源的控制方式成為研究的熱點。

現今已有的微網中分布式能源的控制方式有主從控制方法，平均電流控制方法，以及頻率電壓的下垂控制[1]。

主從控制方法選定一個電壓源逆變電源做為主控單元，其他的分布式電源做為從屬單元，主控單元負責維持系統中電壓幅值和頻率的穩定，并且產生從屬單元所需的電流信號[2-3]。主從控制有其自身的優點，就是無需鎖相環節，并且達到很好的負載分配的效果，并且線路阻抗的特性不影響負載分配的效果。但其自身也存在著很嚴重的缺陷，其系統冗余性差，主控節點的失控會導致整個系統的不穩定，且整個系統的穩定依靠從屬單元達到一定的數量，以及主控單元與從屬單元需要通信和控制總線進行連接，因而對分布式發電來說可靠性差。

平均電流法通過檢測母線電流信號，按比例產生分布式電源自身的電流給定信號，具有一定的優點：達到了很好的負載分配效果，瞬時響應較快，并且能夠減小環流[4-6]。這種方法也有很多局限之處，由于要檢測負載電流以及確定系統中分布式電源的數量，因而采用平均電流控制的系統不易擴展，并且其間有互聯線的存在，降低了系統的穩定性，冗余性，使分布式的概念大打折扣。

下垂控制基于檢測本地信號，真正實現了分布式控制，并且具有很高的穩定性及冗余性，使系統易于擴展。但是其缺點是使電壓和頻率造成了一定的偏移，基于功率檢測的作用會降低系統的瞬態響應速度，以及逆變器之間由于線路阻抗特性的不同所造成的環流等問題[7]。

但下垂控制一系列的改進方法將上述不足做了很大的改善。本文研究的情況為低壓微電網。

2 下垂控制分析

2.1 傳統下垂控制

接入微網的分布式電源可以通過如圖-1的電路進行等效。

，R為線路的等效感抗和阻抗。其傳輸的功率可由下式進行表示[8-9]：

當線路阻抗中，忽略阻抗R的作用時，其表達式可得到如下表達式[10]：

通過上式可以看出，有功功率主要和DG與微網母線電壓的相位差有關，無功功率主要DG與微網的電壓差值有關系，由于頻率信號便于檢測因而，傳統下垂控制采用下列式子進行控制：

fref為額定頻率，Vref為額定電壓幅值，kp，kq為下垂系數，P，Q為逆變器輸出的有功和無功功率。當逆變器輸出的有功功率增大時，頻率會有一定的下降，當輸出的無功增大時，電壓會有微小的降低，這樣最終實現了供電與負載的平衡和逆變器之間的功率分配[11]。關系可如圖-2所示：

傳統的下垂控制基于線路阻抗為感抗的模型，但實際中，低壓系統中的線路阻抗為阻抗，因而通常為達到較為理想的控制效果在系統中串聯電感，但是下垂控制在帶來電壓和頻率偏移的同時，穩態和瞬態響應已不盡人意，源于控制環節線路阻抗模型與實際模型之間的差別[12]。因而可改進采用如下的反下垂控制的方法。

2.2 反下垂控制

反下垂控制在（1）、（2）式的基礎上，將線路組抗中的感抗成分X忽略掉，得到如下的控制方式：

此時電壓和頻率的控制入下式所示：

其控制框圖如下所示：

反下垂控制在穩定性和瞬態響應方面比傳統下垂控制有很大的改進，其原因是其控制部分采用的模型與實際模型更加接近。但是當輸出功率增大時，反下垂控制的電壓和頻率會產生顯著的偏移。因而進一步采用能夠維持本地輸出電壓和頻率穩定的改進的下垂控制。

2.3 改進的下垂控制

基于傳統電網中二次調頻的理論，衍生出了改進的下垂控制。

當負荷引起頻率偏移時，一般利用發電機組上裝設的調速器來控制和調整原動機的輸入功率，以維持系統的頻率水平，這稱為頻率的一次調整。當負荷變化引起的頻率偏移較大，僅靠調速器的作用往往不能將頻率偏移限制在允許的范圍之內，此時必須由調頻器參與控制與調整，這種調整稱為頻率的二次調整。

改進的下垂控制原理圖如下所示：

所示，當負載由（PL0，QL0）增大到（PL1，QL1）時，重新達到穩態時會使電壓和頻率發生偏移，利用二次調頻的原理將原有的下垂控制曲線進行變化，由（PG1，QG1）變化到（PG2，QG2），則可保持逆變器輸出的電壓和頻率保持恒定。其控制框圖如下所示：改進的下垂控制達到的效果是能夠維持本地輸出電壓和頻率的穩定。由于分布式電源通過一定的傳輸線路連接到微網母線上，由于逆變器輸出點頻率保持在額定值，因而微網母線電壓的頻率也能維持在額定值，因而消除了下垂控制在頻率上產生的偏移。微網中電壓幅值存在如下關系：

（11）

Vo為逆變器本地輸出，？V為線路壓降，Vbus為微網母線電壓。當輸出的功率增大時，逆變器雖然能夠維持本地輸出的電壓幅值保持恒定，即Vo恒定，但是功率增大，電流也增大，逆變器到微網母線之間的傳輸線上的電壓降也隨之增大，？V增大，最后造成微網母線電壓的幅值出現降低，即Vbus降低因而下垂控制在電壓幅值上產生的偏移沒有被完全消除[13]。針對這一不足，本文進一步改進提出了基于線路壓降補償可減小微網母線電壓幅值的偏移并維持本地輸出電壓和頻率的穩定下垂控制。

3 加入線路壓降補償的下垂控制

在上述維持本地輸出電壓和頻率的穩定下垂控制的基礎上，再考慮？V的作用，當傳輸線路中的電流增大時，線路壓降也隨之增大， ？V的大小我們可以通過檢測逆變器本地輸出的電流信號，通過令其與估算的傳輸線阻抗Z相乘可得，我們可以通過下式來控制，

（12）

（13）

通過以上式子，我們可以維持Vo穩定，此時Vo與Vbus相等。

令電壓環節電壓的參考值按輸出電流的大小進行調節，如下所示：

（14）

電壓環節控制的結構圖如下所示：

Io為逆變器輸出電流，通過令電壓給定信號跟隨輸出電流的變化而變化，從而達到消除線路壓降？V變化的影響。

4 仿真過程驗證

仿真中逆變器采用的整體框架如下圖所示：

仿真過程中，0.5s時微網運行狀態由并網運行轉為孤島運行。如圖-10所示為兩種方案在相同情況下微網母線電壓的對比，分別為改進的下垂控制和加入線路壓降補償的下垂控制。

從上圖中可看出，微網在由0.5s由并網運行轉入孤島運行時，改進的下垂控制電壓有明顯的降低，原因是輸出功率增大，線路壓降增大，加入線路壓降補償后，微網母線電壓的下降大為減少。通過加入傳輸線壓降的補償，大大提高了微網母線電壓的穩定。圖中當相同的功率增加時，電壓下降的量由0.012（pu）降低為0.002.

加入線路阻抗后，會不會影響逆變器之間的功率分配，通過圖-11可以看出，雖然加入線路壓降補償后，兩臺逆變器輸出的功率還是達到了很好的功率分配的要求。

通過以上仿真對比證明了加入線路壓降補償后，微網母線電壓在負載發生變化的情況下波動更小，且達到了很好的功率分配的要求。

5 總結

本文首先介紹了主從控制，平均電流法及下垂控制各自的優缺點，之后詳細介紹了下垂控制中的傳統下垂控制，反下垂控制以及改進的下垂控制。低壓系統中，反下垂控制提高了快速性和穩定性，改進的下垂控制實現了消除頻率偏移的目標，但沒有實現消除微網微網母線電壓偏移的目的，本文提出的線路壓降補償的方法，在很大程度上減小了微網母線電壓幅值由于下垂控制所產生的下降偏移，很好的維持了系統電壓的穩定性，且達到了功率分配的要求。最后通過仿真驗證了其正確性。

參考文獻：

[1] 陳麗娟， 王致杰. 基于改進下垂控制的微電網運行控制研究[J]. 電力系統保護與控制，2016，44（4）：16-21.

CHEN Lijuan， WANG Zhijie.Research of operation

control of micro-grid based on improved droop

control[J]. Power System Protection and Control， 2016，

44（4）：16-21.

[2] ZHONG Qingchang.Power delivery to a current source

and reduction of voltage harmonics for inverters[C].

American Control Conference.Montreal，Canada，2012：

5783-5788.

[3] ZHONG Qingchang.Robust droop controller for

accurate proportional load sharing inverters operated in

parallel[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics，

2013，60（4）：1281-1290.

[4] 孫孝鋒， 呂慶秋. 低壓微電網逆變器頻率電壓協調控制[J]. 電工技術學報，2012，27（8）：77-84.

SUN Xiaofeng， LV Qingqiu. Improved PV Control of

Grid-Connected Inverter in Low Voltage micro-Grid[J].

Transactions of China Electrotechnical Society，2012，

27（8）：77-84.

[5] 孫孝鋒， 李歡歡. 逆變器的雙模式下垂控制[J]. 中國電機工程學報，2016，36（2）：507-515.

SUN Xiaofeng， LI Huanhuan. Control Method of Dual

Mode Droop for Inverters[J].Proceedings of the CSEE，

2016， 36（2）：507-515.

[6] HE Jinwei， LI Yunwei. An enhanced microgrid load

demand sharing strategy[J].IEEE Transaction on Power

Electronics，2012，27（9）：3984-3995.

[7] De Brabandere K， Bolsens B， Van den keybus J， et al.

A voltage and frequency droop control method for

parallel inverters[J].IEEE Transaction on Power

Electronics， 2007，22（4）：1107-1115.

[8] 徐玉琴， 馬煥均. 基于改進下垂控制的逆變器并聯運行技術[J]. 電力系統保護與控制，2015，43（7）：103-107.

XU Yuqin，MA Huanjun. Parallel operation technology

of inverters based on improved droop controll[J].

Power System Protection and Control， 2015，

43（7）：103-107.

[9] David Reigosa， Pablo Arboleya， Cristina Gonzalez-Moran， Javier Gomez-Aleixandre. An improve control scheme based in droop characteristic for microgrid converters[C]. IEEE Conference on Electric Power Systems Rearch. 2009， p1-6.

[10] 孫孝峰， 楊雅麟等. 微電網逆變器自適應下垂控制策略[J]. 電網技術，2014，38（9）：2386-2391.

SUN Xiaofeng， Yang Yalin， et al.An Adaptive Droop

Control Method for Inverters in Microgrid[J]. Power

System Technology，2014，38（9）：2386-2391.

[11] 吳雄， 王秀麗等.微電網能量管理系統研究綜述[J]. 電力自動化設備，2014，34（10）：7-14.

WU Xiong， WANG Xiuli， et al.A review of research？on

energy management system inmicrogrid[J]. Electric

Power Automation Equipment，2014，34（10）：7-14.

[12] Mohd Alaa， Ortjohann Egon， Morton Danny， Omari Osama.Review of control techniques for inverters Parallel operation[J]. Electric Power Systems Research. 2010， 80（12），p1477-1487.

[13] 劉海濤， 呂志鵬等. 具有功率精確分配能力的逆變器電壓諧波分頻下垂控制方法研究[J]. 電力系統保

護與控制，2015，43（19）：9-14.

LIU Haitao， L？ Zhipeng， et al.Inverters frequency

dividing droop controller with accurate load sharing

ability [J]. Power System Protection and Control， 2015，

43（19）：9-14.