一種恢復電壓和頻率的微網改進下垂控制方法

張鑫洲，王維慶，王海云

(新疆大學電氣工程學院可再生能源發電與并網技術教育部工程研究中心，烏魯木齊市 830047)

一種恢復電壓和頻率的微網改進下垂控制方法

張鑫洲，王維慶，王海云

(新疆大學電氣工程學院可再生能源發電與并網技術教育部工程研究中心，烏魯木齊市 830047)

目前，微網孤島控制的實現一般都是基于下垂控制。下垂控制不僅可以保證電壓和頻率的穩定性，而且可以實現各分布式電源的負荷合理均攤。但是對于電能質量需求較高的情況，下垂控制后一般都會進行二次電壓和頻率的恢復控制，這就造成了運行成本的提高。針對這種問題，對下垂控制原理進行分析，提出了一種基于“沖洗過濾”恢復電壓和頻率的方法，該方法在下垂控制前引入了一個“沖洗過濾”控制器，實現了不增加二次通信線路進行電壓和頻率的恢復。利用PSCAD/EMTDC軟件平臺進行了模擬實驗驗證，結果表明，該方法能很好地在微網負荷變化后對電壓跌落和頻率偏差進行恢復。

孤島微網；下垂控制；沖洗過濾

0 引 言

微網可以運行于并網和孤島2種狀態[1]。微網并網運行時，其電壓和頻率由接入的大電網進行支撐；微網孤島運行時，其電壓和頻率則需要依靠控制器調整來保持自身穩定[2-4]。在一般的孤島微網控制中，下垂控制占據了主導地位，研究改進下垂控制具有很好的實際意義。

目前大部分的下垂控制研究方向都是如何能更好地實現合理分配負荷和功率，但對于下垂控制后的電壓和頻率恢復的研究很少。傳統的下垂控制策略相當于電網的一次調頻環節，屬于有差調節，無法使微網在負荷變化后頻率和電壓恢復到原設定值，這就會給后續控制造成比較大的偏差。為了解決這類問題，二次分層控制策略被提了出來[5-8]。文獻[5]采用了平移下垂曲線的二次控制，需用能量管理系統(engerey mangment system，EMS)定時采集輸出功率，用新的下垂曲線整定，然后下發到各個控制源。文獻[6]將各個逆變器的輸出信息，傳送到中央控制器，計算信息，然后返回本地控制器。文獻[7]用第n個逆變器的控制信息計算補償給第n+1個逆變器，使其系統整體達到穩定。文獻[8]采用2個逆變器為單元，一個采用傳統控制，另一個逆變器以第1個為基礎進行參數的整定。文獻[7]和[8]的原理一樣，都需要通過通信線路傳輸上一個逆變器控制信息。二次控制(集中式[5-6]和分布式[7-8])的控制結構都要求通信線路，使得控制復雜和成本昂貴；此外依賴通信連接的高層次控制，增加了系統出現故障的可能性，降低了系統可靠性和穩定性。考慮到控制的成本和流程簡化，新的基于無通信線路的本地控制被提出[9-14]。文獻[9-10]將電壓和相角偏差作為前饋量加入功率下垂控制環節，實現電壓和相角的二次調整,但只是對頻率的偏差進行了修正，電壓的恢復沒有探討。文獻[11]采用了頻率限制控制器，將母線的頻率與基準頻率的差值通過調節器補償系統有功盈缺。文獻[12]在下垂控制中加入電壓和頻率偏差的前饋調節，從實驗結果看只是保證了電壓和頻率保持了較低的跌落率后繼續運行，沒有恢復的效果。文獻[13]將光蓄單元作為動態調壓裝置進行電壓恢復，該方法只針對于有光伏發電單元的微網，比較特定。文獻[14]在傳統控制中分別對電壓、有功功率、無功功率設計了3種不同的控制器，策略效果很好，但是控制方法實現起來比較麻煩，需要進行3次參數整定設計。上述方法中要么只是有單一的調節(頻率[8-11]、降低跌落[12]、電壓[13])，要么雖然兩者都考慮[14]，但設計復雜，可操作性和實際用途不大。

本文在對傳統下垂控制原理進行分析后，提出一種能快速恢復電壓和頻率的“沖洗過濾”控制器，給出沖洗過濾器的設計原理和推導。該控制器策略可以在不影響系統功率分配的基礎上使下垂控制后系統的電壓和頻率恢復到預定水平，免去傳統下垂控制后需要進行電壓和頻率整定的二次控制。最后在微網仿真系統上對所提出的改進策略進行仿真驗證，證明策略的合理性與有效性。

1 傳統下垂控制

圖1為分布式電源并網等效圖。如圖1所示，對于一個給定的配電線路阻抗，電源系統兩電壓U∠φ到UL∠0之間有功功率和無功功率滿足物理關系：

(1)

(2)

式中：U和UL分別表示分布式逆變器濾波后輸出電壓和公共連接點(point of common coupling，PCC)電壓；φ是U和UL之間相位差；Z∠θ表示線路阻抗。

圖1 分布式電源并網等效圖

在高壓和中壓的微電網中，由于高感性元件以及容性濾波，線路阻抗常被考慮為感性(θ=90°)。由于微網中相位差φ通常相當小，所以有sinφ≈φ，cosφ≈1。因此，公式(1)和(2)可被簡化為：

(3)

(4)

公式(3)和(4)的關系就是有功功率-頻率 (P-ω)和無功功率-電壓(Q-U)下垂控制的基礎，如圖2所示。

圖2 傳統下垂控制特性曲線圖

(5)

Ui=U*-nq(Qi-Q*)

(6)

式中：ωi和Ui分別為第i個逆變器的角頻率和電壓幅值給定值；Pi和Qi是經測量得出的有功功率和無功功率；P*和Q*分別為有功功率和無功功率的參考值；mp和nq分別為P-ω和Q-U的下垂控制系數。

2 改進控制設計

2.1 沖洗過濾器設計

定義ΔPi=Pi-P*，Δωi=ωi-ω*，ΔUi=Ui-U*，ΔQi=Qi-Q*，代入公式(5)和(6)，并兩邊對時間求導，得到：

(7)

(8)

式(7)和式(8)可以確保在穩定狀態下的功率共享，但是不能恢復電壓和頻率。通過增加1個Δωi恢復因子和1個ΔUi恢復因子，得到：

(9)

(10)

式中：kp和kq為濾波器常數。由于系統在穩定運行時，公式(9)和(10)里的導數項為0，所以方程在再次穩定運行時會強制使得Δωi和ΔUi值為0，使系統再次穩定后，頻率和電壓恢復到原值。對式(9)和式(10)進行拉普拉斯變換，得到：

sΔωi(s)+mpsΔPi(s)+kpΔωi(s)=0

(11)

sΔUi(s)+nqsΔQi(s)+kqΔUi(s)=0

(12)

傳遞函數的形式為：

(13)

(14)

再將定義的Δωi、ΔUi、ΔPi、ΔQi代入，公式(13)和(14)可改寫為：

(15)

(16)

公式(15)和(16)可以被看作是一個基于“沖洗過濾”的動態控制。控制器的框架如圖3所示。“沖洗過濾”的數學實質就是一個一階的高通濾波器，拒絕信號的直流分量和通過信號的暫態分量。

圖3 沖洗過濾器的框架圖

沖洗過濾器是一個高通濾波器，沖刷(拒絕)穩態輸入，同時通過瞬態輸入，在連續時間設定中，1個典型的高通濾波器傳遞函數為[15]

(17)

式中d是過濾器時間常數的倒數，當為穩定濾波器時，d為正，當為不穩定濾波器時，d為負。

(18)

在連續時間里，過濾器可表示為

(19)

輸出方程為

y=x-dz

(20)

在離散時間里，過濾器可表示為

z(k+1)=x(k)+(1-d)z(k)

(21)

輸出方程為

y(k)=x(k)-dz(k)

(22)

對于一個穩定的過濾器，濾波器常數d滿足0

沖洗過濾的主要優點在于使系統目標操作點的魯棒參數不確定[15]，因此，本文所提控制方法可以在系統負載變化后保持基準電壓和頻率，而單純的靜態反饋和各種前饋補償控制以及通過改變系統參數控制可能改變系統目標操作點，造成負荷變化后，系統回到穩定運行時，偏離了原來設定的目標點。

2.2 系統其余控制設計

逆變器系統整體控制如圖4所示。根據瞬時功率理論，逆變器輸出的實時有功功率和無功功率表達式為

圖4 控制整體框架圖

(23)

經過低通濾波器后，

(24)

式中：ud、uq、id、iq分別表示圖4中uabc和iabc的d軸和q軸分量；ωc為低通濾波器截止頻率。

同步旋轉坐標系下的電壓環和電流環的控制策略如圖5所示。圖5中：iLd和iLq為濾波電感電流的d軸和q軸的分量。L和C分別為LC濾波器的電感值和電容值。

圖5 電壓電流控制環

3 仿真實驗驗證

由于本文所討論重點是電壓和頻率的恢復問題，為了減少不必要的參數影響，故對實驗仿真模型進行了理想化處理，2條線路參數都為純電感，完全符合理想下垂控制條件，理想的直流電源代替分布式電源，負載為對稱的三相負載。基于PSCAD/EMTDC平臺搭建了2臺容量為1.5 MW逆變器組成的孤島微網仿真系統，仿真結構圖如圖6所示。系統運行參數如表1所示。

圖6 仿真拓撲圖

仿真運行的條件為：0 s時2臺逆變器同時帶負荷(S=450 kW+250 kV·A)啟動；穩定運行3 s后系統投入(S=350 kW+250 kV·A)混合負荷；4 s后系統投入(Q=350 kV·A)純無功負荷。圖7—9為仿真實驗結果。

圖7為母線上頻率的變化曲線。從圖7中可以看出：系統穩定運行時，傳統下垂控制時，公共母線頻率保持為50.28 Hz，加入“沖洗過濾”后的微網穩定運行頻率為50.01 Hz；3 s后負荷投入，此時傳統下垂控制跌落了0.27 Hz之后回到了50.12 Hz，頻率跌落了0.16 Hz，并沒有返回到原設定值，而加入“沖洗過濾”后的控制策略，頻率跌落0.21 Hz后在0.5 s時就恢復到了原有的50.01 Hz；4 s時系統無功負荷投入后，加入“沖洗過濾”后的控制策略比傳統控制策略下，頻率更快回到原有值。

圖7 微網頻率波形

圖8為母線上電壓的變化曲線。如圖8所示，微網穩定運行時，傳統下垂控制下，電壓維持在 0.990 pu，而本文所提加入“沖洗過濾”控制策略，電壓保持在0.996 pu，幾乎接近真實值；3 s后投入有功和無功負荷后，傳統控制策略下，電壓在恢復后仍跌落0.016 pu，加入“沖洗過濾”的控制策略的母線電壓恢復后跌落為0.006 pu，電壓跌落率降低了10%，并

圖8 母線電壓的比較

且恢復速度也快于傳統下垂控制；4 s后無功負荷的投入使母線電壓得到了恢復，加入“沖洗過濾”控制也明顯好于傳統下垂控制。

圖9為逆變器輸出功率曲線。由圖9可得：在負荷功率分配上，傳統控制和本文所提加入“沖洗過濾”2種策略無明顯大的變化。本文所提方法由于在3 s負荷變化時對系統頻率和電壓進行了恢復控制，使得4 s負荷變化后的有功輸出和無功輸出與實際功率更接近。可以得出基于本文所提改進的下垂控制策略不會影響原系統的功率分配。

圖9 單個逆變器輸出功率

4 結 論

(1)設計原理清楚，推導簡單。不需要特別的優化設計，并且系統在加入“沖洗過濾”后不影響原有的功率分配，不會造成系統整體性能的變化。

(2)加入沖洗過濾后的下垂控制對頻率和電壓有很好的穩定和恢復能力，對于微網電能質量有很好的支撐能力，去除了一般下垂控制后需要恢復電壓和頻率的二次控制，節約了運行成本。

(3)不針對任何一種特定的分布式電源，具有很好的適用性。

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(編輯 景賀峰)

An Improved Droop Control Method for Voltage and Frequency Restoration in Microgrid

ZHANG Xinzhou, WANG Weiqing, WANG Haiyun

(Engineering Reasearh Center of Education Ministry for Renewable Energy Power Generation and Grid Technology, College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China)

At present, the realization of the island microgrid control is generally based on droop control. The droop control can not only ensure the stabilities of voltage and frequency, and realize the reasonable load sharing of distributed generation. But for the high demand of power quality, there will normally be the recovery control of the voltage and frequency for the second time after droop control, which results in the increase of operating costs. In view of this problem, this paper proposes a method based on the ‘washing and filtering’ to restore the voltage and frequency after the analysis of the droop control principle. This method introduces a ‘washing and filtering’ controller before droop control, which can restore the voltage and frequency without increasing the secondary communication line. Through the simulation experiment in PSCAD/EMTDC software platform, the results show that this method can recover the voltage drop and the frequency deviation after the load change of microgrid.

island microgrid; droop control; washing and filtering

新疆維吾爾自治區重點實驗室項目(2016D03021)；國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2013AA05064)；教育部創新團隊項目(IRT1285)；新疆維吾爾自治區重大攻關項目(201230115-3)；新疆科技廳課題項目(2015KL020)

TM 711

A

1000-7229(2016)10-0048-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.10.007

2016-05-20

張鑫洲(1988)，男，碩士研究生，主要研究方向為新能源并網技術；

王維慶(1959)，男，教授，博士研究生導師，主要研究方向為電力系統自動化和風電機組智能控制；

王海云(1973)，女，博士，副教授，碩士研究生導師，主要研究方向為可再生能源發電與并網技術。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2013AA05064)