無儲能風(fēng)電微網(wǎng)系統(tǒng)的下垂控制策略

蘆思晨 潘再平

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無儲能風(fēng)電微網(wǎng)系統(tǒng)的下垂控制策略

蘆思晨 潘再平

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027）

包含分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的微網(wǎng)孤島運行時，常采用下垂控制策略。由于風(fēng)能的隨機性，微網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電單元發(fā)電功率與下垂控制輸出功率不等，需要利用儲能裝置來均衡功率，維持直流電壓恒定。對此，提出了一種改進(jìn)下垂控制策略。通過檢測直流電壓，動態(tài)平移下垂特性曲線，改變下垂控制平衡工作點，調(diào)節(jié)下垂控制輸出功率，以促進(jìn)功率均衡，減小直流側(cè)儲能裝置容量。仿真及實驗結(jié)果驗證了改進(jìn)下垂控制策略的有效性。

分布式風(fēng)力發(fā)電 下垂控制 儲能裝置 微網(wǎng)

0 引言

隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重和化石燃料的逐漸枯竭，新能源以其無污染、可持續(xù)的優(yōu)點受到了各國的重視，成為新的研究熱點[1-4]。未來新能源將越來越多地以分布式發(fā)電單元的形式組成微網(wǎng)，為負(fù)荷供電[5-8]。微網(wǎng)有兩種運行模式[9]：正常運行時，與大電網(wǎng)互聯(lián)，實現(xiàn)并網(wǎng)運行；大電網(wǎng)故障時，微網(wǎng)能夠孤島運行，獨立為本地負(fù)荷供電，提升供電的可靠性和靈活性[10,11]。

微網(wǎng)孤島運行時，為實現(xiàn)對等控制和“即插即用”，逆變器通常采用下垂控制。系統(tǒng)中，每個分布式發(fā)電單元根據(jù)下垂系數(shù)承擔(dān)一定比例的負(fù)荷功率，參與微網(wǎng)電壓和頻率的調(diào)節(jié)。但風(fēng)能是間歇性能源，有不確定性，在風(fēng)能不足時，微網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電單元很難按原比例持續(xù)輸出原計劃功率。對于永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電單元，將造成直流電壓下降、逆變失敗等問題；對于微網(wǎng)，這會造成微網(wǎng)電壓和頻率振蕩，甚至崩潰[12]。因此，如何改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電單元，使其最大限度地參與微網(wǎng)頻率和電壓支撐是亟待解決的問題。對此，文獻(xiàn)[13]提出利用微網(wǎng)中的小型燃?xì)廨啓C、燃料電池、儲能裝置等單元對風(fēng)電單元功率波動進(jìn)行補償，但并沒有說明風(fēng)電單元的控制方法。文 獻(xiàn)[14-16]提出在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流母線處加裝蓄電池等儲能裝置來平衡功率的方法，在一定程度上解決了風(fēng)電單元功率不穩(wěn)定的問題，但加裝大容量儲能裝置會提升硬件成本，降低系統(tǒng)可靠性。

在此研究基礎(chǔ)上，本文結(jié)合永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電單元運行特性及下垂控制的特點，提出一種改進(jìn)的下垂控制策略。通過檢測直流電壓，動態(tài)平移下垂特性曲線，改變風(fēng)電單元逆變器的輸出功率，從而減弱發(fā)電功率與輸出功率的不平衡性，保證了直流電壓的穩(wěn)定，有效減小了直流側(cè)儲能裝置的容量。

1 永磁風(fēng)力發(fā)電單元改進(jìn)下垂控制策略

典型的雙機微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，發(fā)電單元1為分布式永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電單元；發(fā)電單元2為常規(guī)能源發(fā)電單元，為簡化分析，以直流電壓源代替。兩個發(fā)電單元經(jīng)過網(wǎng)側(cè)變換器及LC濾波器后并聯(lián)，共同為負(fù)載供電。線路阻抗分別為1、2。

圖1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電單元中，機側(cè)變換器將風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)，而網(wǎng)側(cè)變換器則將直流側(cè)電能輸出供給負(fù)載。只有機側(cè)、網(wǎng)側(cè)變換器功率平衡，系統(tǒng)才能穩(wěn)定運行。

微網(wǎng)孤島運行時，風(fēng)力發(fā)電單元網(wǎng)側(cè)變換器采用下垂控制策略，其輸出功率由負(fù)荷總功率及下垂系數(shù)決定；機側(cè)變換器輸出功率取決于風(fēng)能[17]。由于風(fēng)能的不確定性，機側(cè)逆變器提供的功率與網(wǎng)側(cè)逆變器輸出的功率不等，直流側(cè)需要安裝儲能裝置來平衡功率，保持直流電壓穩(wěn)定。儲能裝置的存在會增加系統(tǒng)成本，降低系統(tǒng)效率。因此，對現(xiàn)有算法進(jìn)行改進(jìn)，盡量減少儲能裝置的容量就顯得尤為重要。

為了減少直流母線儲能裝置的容量，可以改進(jìn)現(xiàn)有下垂控制方法，根據(jù)功率不平衡引起的直流電壓變化，動態(tài)平移網(wǎng)側(cè)變換器下垂特性曲線，調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)變換器輸出功率，從而使兩個變換器之間功率達(dá)到平衡。為了實現(xiàn)有功功率下垂特性曲線的平移，需要在傳統(tǒng)下垂特性公式中添加變量dc，即

式中，為實際角頻率；N為額定角頻率；k為有功功率下垂系數(shù)；為逆變器輸出功率。變量dc由直流電壓控制模塊計算得到。直流電壓控制模塊框圖如圖2所示。

圖2 直流電壓控制模塊框圖

直流電壓控制模塊由比例和積分環(huán)節(jié)組成，這兩部分的輸入由控制變量1、2決定。其中1采用開關(guān)控制，其計算式為

式中，為功率平衡時直流電壓波動最大值。當(dāng)直流電壓偏差小于時，功率平衡，比例環(huán)節(jié)輸入為0，以防止下垂特性曲線誤動作；當(dāng)直流電壓偏差大于時，功率不平衡程度小，比例環(huán)節(jié)發(fā)揮作用，允許直流電壓有偏差，控制下垂特性曲線小幅平移，以調(diào)節(jié)輸出功率，保持功率平衡，同時防止瞬時功率不平衡造成的積分誤累積。若直流母線上并聯(lián)多個發(fā)電單元，還可以組成直流微網(wǎng)，采用dc下垂控制，合理分配發(fā)電功率[18]。

變量2采用滯環(huán)控制，其計算式為

式中，為直流電壓偏差極限值。當(dāng)直流電壓偏差大于時，功率嚴(yán)重不平衡，比例積分環(huán)節(jié)同時發(fā)揮作用，此時直流電壓控制模塊相當(dāng)于PI調(diào)節(jié)器，大幅平移下垂特性曲線，調(diào)節(jié)功率平衡，促使直流電壓恢復(fù)至參考值。當(dāng)直流電壓偏差小于時，比例積分環(huán)節(jié)輸入變?yōu)?，輸出不變，下垂特性曲線平移至新的位置。

比例環(huán)節(jié)長時間發(fā)揮作用，相當(dāng)于細(xì)調(diào)；積分環(huán)節(jié)僅在功率嚴(yán)重不平衡時發(fā)揮作用，作用時間短，相當(dāng)于粗調(diào)。二者結(jié)合，能夠保持功率平衡，維持直流電壓在合理范圍內(nèi)，同時保證網(wǎng)側(cè)變換器下垂控制特性，最大限度參與微網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)。

2 改進(jìn)下垂控制的小信號穩(wěn)定性

為探究采用改進(jìn)下垂控制策略微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以圖1所示含有兩個分布式發(fā)電單元的微網(wǎng)為例，對其進(jìn)行小信號分析。系統(tǒng)中發(fā)電單元1為風(fēng)力發(fā)電單元，采用第1節(jié)所述改進(jìn)下垂控制系統(tǒng)，直流側(cè)無儲能裝置；發(fā)電單元2采用傳統(tǒng)下垂控制。對圖1所示微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行簡化，得到如圖3所示的微網(wǎng)簡化模型。

圖3 微網(wǎng)簡化模型

由圖3可知

令U=di+jqi，I=di+jqi（=1,2）可得

式中，=[d1q1d2q2]；=[d1q1d2q2]；是由線路及負(fù)載阻抗組成的常系數(shù)矩陣。結(jié)合式（5）及功率計算式

可得兩個逆變器輸出功率小信號為

式中，Δ=[Δ1Δ1Δ2Δ2]；Δ=[Δd1Δq1Δd2Δq2]；為系數(shù)矩陣，其第行列元素為h。

分析直流電壓控制模塊可知，其積分環(huán)節(jié)僅在功率不平衡度非常大時引入，作用時間很短，在進(jìn)行小信號分析時，可以只考慮直流電壓控制模塊中的比例環(huán)節(jié)，不考慮積分環(huán)節(jié)。以逆變器1輸出電壓矢量為公共坐標(biāo)d軸，可得逆變器1下垂控制小信號為

考慮實際功率經(jīng)低通濾波后才參與計算，低通濾波器截止頻率為c，可得

式中，D1、D1分別為濾波前、后的有功功率；D1、D1分別為濾波前、后的無功功率。

將式（9）代入式（8），可得

設(shè)機側(cè)變換器及儲能裝置輸出直流電流為in，網(wǎng)側(cè)變換器直流電流為out，直流側(cè)電容為，如圖1所示，則

其小信號模型為

穩(wěn)態(tài)時，可認(rèn)為in=out；另外，風(fēng)力發(fā)電機機械慣性很大，其時間常數(shù)遠(yuǎn)大于網(wǎng)側(cè)逆變器時間常數(shù)，瞬態(tài)各電流電壓分量變化很慢。因此，在分析小信號穩(wěn)定性時，可以認(rèn)為發(fā)電機發(fā)電功率不變，即Din=0。于是式（12）可簡化為

將式（7）、式（13）代入式（10）可得到逆變器1小信號模型。

對于逆變器2，設(shè)其輸出相電壓幅值為2，電壓矢量與公共坐標(biāo)d軸夾角為2，則

由式（14）可得逆變器2的小信號模型為

式中

逆變器2下垂特性小信號為

聯(lián)立式（7）、式（15）和式（16）可得逆變器2小信號模型。

綜合以上結(jié)果，得到系統(tǒng)小信號模型為

式中，Δ=[Δ1Δd1Δ2Δd2Δq2Δdc]；為狀態(tài)矩陣，即

表1列出了圖1所示微網(wǎng)模型具體參數(shù)，將相關(guān)參數(shù)代入狀態(tài)矩陣，可以計算得到系統(tǒng)特征值，見表2。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

Tab.1 System parameters

表2 系統(tǒng)狀態(tài)矩陣特征值

Tab.2 Eigenvalues of state matrix

由表2可知，特征值實部均為負(fù)值，系統(tǒng)穩(wěn)定。主導(dǎo)極點是一對共軛極點，系統(tǒng)動態(tài)過程會出現(xiàn)周期約為0.36s的振蕩，但其實部較大，衰減很快，虛部小，頻率低，周期長，不會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 仿真和實驗

為了檢驗改進(jìn)下垂控制方法在風(fēng)能、負(fù)荷功率發(fā)生變化時的控制效果，本文針對風(fēng)能擾動和負(fù)荷擾動兩種情況，對圖1所示的微網(wǎng)進(jìn)行建模仿真及實驗分析。系統(tǒng)參數(shù)見表1。其中永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機采用d=0控制，動態(tài)調(diào)節(jié)q即可改變發(fā)電功率；網(wǎng)側(cè)變換器1采用本文所述改進(jìn)下垂控制策略，直流側(cè)無儲能裝置，直流電壓有波動；發(fā)電單元2直流側(cè)為穩(wěn)壓電源，直流電壓恒定，網(wǎng)側(cè)變換器2采用傳統(tǒng)下垂控制方法。

圖4為風(fēng)能減小時兩個發(fā)電單元輸出功率波形及發(fā)電單元1直流電壓波形。0.1s時發(fā)電單元開始工作，總負(fù)載750W、250var。發(fā)電單元1輸出有功功率為單元2的兩倍，輸出無功功率與單元2相同。1s時風(fēng)能突然下降，直流電壓下降，但并未超過極限值。改進(jìn)下垂控制策略中比例模塊發(fā)揮作用，向下平移下垂特性曲線，促使發(fā)電單元1輸出功率減小，負(fù)荷所需功率由發(fā)電單元2補償。3s時風(fēng)能再次減小，直流電壓下降超過極限值，比例積分模塊共同作用，使發(fā)電單元1輸出功率再次減小。同時直流電壓回升，待其穩(wěn)定至額定值250V附近后，比例積分模塊退出調(diào)節(jié)，系統(tǒng)達(dá)到新的工作平衡點。風(fēng)能不斷變化，則重復(fù)上述調(diào)節(jié)過程，從而保證直流電壓在合理范圍內(nèi)，同時不破壞網(wǎng)側(cè)變化器的下垂控制特性。風(fēng)能增大時調(diào)節(jié)過程類似，不再詳述。圖5為風(fēng)能擾動時的實驗波形，風(fēng)能減小量實驗值與仿真值略有不同，功率波形稍有差異。

圖4 風(fēng)能擾動仿真波形

圖5 風(fēng)能擾動實驗波形

圖6為負(fù)載擾動時兩個發(fā)電單元輸出功率波形及發(fā)電單元1直流電壓波形。整個過程中風(fēng)能保持不變。1s時突然減小125W負(fù)載，3s時負(fù)載再次減小125W。在改進(jìn)下垂控制策略的作用下，發(fā)電單元1直流電壓先上升，然后又回落至額定值，系統(tǒng)達(dá)到新平衡工作點。發(fā)電單元1輸出功率始終保持不變，發(fā)電單元2輸出功率隨負(fù)載減小而減小。負(fù)載不斷變化，則重復(fù)上述過程。但要注意負(fù)載總功率應(yīng)大于風(fēng)力發(fā)電單元發(fā)電功率，以避免出現(xiàn)發(fā)電功率為負(fù)的情況。圖7為負(fù)載擾動時的實驗波形，實驗參數(shù)與仿真參數(shù)相同，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

圖6 負(fù)載擾動仿真波形

圖7 負(fù)載擾動實驗波形

圖8為在1s負(fù)載減小時風(fēng)力發(fā)電單元網(wǎng)側(cè)變換器A相電流。觀察電流波形可知，負(fù)載減小時，風(fēng)力發(fā)電單元電流瞬間減小，隨后振蕩增加，最終恢復(fù)至負(fù)載減小之前的初值。振蕩周期約為0.36s，衰減很快，與小信號分析結(jié)果相符。圖9為負(fù)載擾動時風(fēng)力發(fā)電單元實驗波形。實驗中電流波動更明顯，周期約為0.36s，與仿真結(jié)果一致。

圖8 負(fù)載擾動時風(fēng)力發(fā)電單元仿真電流波形

圖9 負(fù)載擾動時風(fēng)力發(fā)電單元實驗電流波形

綜合以上實驗結(jié)果可以得到結(jié)論：在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電單元直流側(cè)無儲能裝置時，本文所述改進(jìn)下垂控制策略能夠在風(fēng)能變化、負(fù)載擾動等情況下，動態(tài)平移下垂特性曲線，調(diào)節(jié)輸出功率，以維持功率平衡，保證直流電壓穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

針對微網(wǎng)中永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電單元發(fā)電功率隨風(fēng)能變化、下垂控制所需功率不等的問題，提出了一種改進(jìn)下垂控制策略，并對其進(jìn)行了小信號建模穩(wěn)定性分析、仿真及實驗驗證。仿真分析及實驗結(jié)果表明，在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電單元直流側(cè)無儲能裝置的情況下，無論是風(fēng)能擾動還是負(fù)載變換，該控制策略都能維持功率平衡及直流電壓穩(wěn)定，控制效果良好，有效減小了儲能裝置容量。

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Droop Control Strategy of Wind Power Microgrid System without Energy Storage Device

（College of Electrical Engineering Zhejiang University Hangzhou 310027 China）

Droop control is used when microgrid including distributed wind power generation system operates in island mode. Duo to the intermittency of wind energy, output power of the inverter with droop control in microgrid is not equal to the generation power. So energy storage devices such as the battery are needed to balance the power and keep the DC bus voltage constant. An improved droop control strategy is proposed to reduce the capacity of the energy storage device. A series of steps are carried out to adjust the output power and match the generation power, including the measurement of DC bus voltage, translation of the droop control characteristic curve and change of droop control operating point. Simulation and experimental results demonstrate the effectiveness of the improved droop control strategy.

Distributed wind power generation, droop control, energy storage device, microgrid

TM46

蘆思晨 男，1989年生，碩士研究生，研究方向為微網(wǎng)下垂控制策略。

E-mail: lsc0702@zju.edu.cn

潘再平 男，1957年生，教授，研究方向為電機及其控制技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

E-mail: panzaiping@zju.edu.cn（通信作者）

2014-09-16 改稿日期 2014-10-08

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2011AA050204）。