基于下垂控制的微電網(wǎng)控制策略研究

王紅艷

(許昌學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

隨著太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)的微電網(wǎng)得到廣泛關(guān)注[1].微電網(wǎng)將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、控制裝置等整合為一個(gè)獨(dú)立的發(fā)配電系統(tǒng)[2, 3]，可以在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式間靈活切換，利用分布式微源的出力，提高電能質(zhì)量.微電網(wǎng)應(yīng)具備靈活可靠的控制系統(tǒng)，下垂控制具有不需要互聯(lián)通信線、運(yùn)行模式切換時(shí)不用改變控制策略等優(yōu)點(diǎn)[4, 5]，成為研究熱點(diǎn).

1 下垂控制的基本原理

下垂控制是模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的功角特性，采用P-f和Q-U下垂控制，使微電網(wǎng)得到穩(wěn)定的電壓和頻率[6].P-f和Q-U下垂控制的表達(dá)式為

(1)

其中，U為公共連接點(diǎn)處電壓的有效值，Ui為第i個(gè)分布式微電源輸出相電壓的有效值，θi為第i個(gè)分布式微電源的輸出電壓與公共連接點(diǎn)處電壓之間的相角差，Xi為第i個(gè)分布式微電源至負(fù)載間的傳輸線路的電抗，Pi和Qi分別為第i個(gè)分布式微電源輸出的有功和無(wú)功功率.

由式(1)可知，相角差θi決定分布式微電源有功功率Pi的傳輸，Pi與θi成正比，Pi由相位超前的點(diǎn)傳輸至相位滯后的點(diǎn)；分布式微源的輸出電壓與公共連接點(diǎn)處電壓的幅值差(Ui-U)決定分布式微電源無(wú)功功率Qi的傳輸，Qi與 (Ui-U)成正比，Qi由電壓高的點(diǎn)傳輸至電壓低的點(diǎn).

頻率f和相角θ之間的關(guān)系為

(2)

由式(1)、(2)可知,通過(guò)控制分布式微源輸出的有功功率可以控制其輸出電壓的頻率和相角，通過(guò)控制分布式微源輸出的無(wú)功功率可以控制其輸出電壓的幅值.因此微電網(wǎng)下垂控制的表達(dá)式為

(3)

其中，f和U、P和Q分別為分布式微電源輸出電壓的頻率和幅值、輸出的有功和無(wú)功功率，f0和U0、P0和Q0分別為分布式微電源輸出電壓的頻率和幅值的額定值、輸出的有功和無(wú)功功率的額定值，m、n分別為有功和無(wú)功功率的下垂系數(shù).

2 基于下垂控制的微電網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 基于下垂特性的微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)圖

2.1 功率控制模塊

功率控制模塊包括功率測(cè)量、下垂控制、電壓合成三個(gè)環(huán)節(jié).功率測(cè)量環(huán)節(jié)采集分布式微源輸出的三相電流信號(hào)ioabc和三相電壓信號(hào)uoabc，分別進(jìn)行abc/dq坐標(biāo)變換后得到兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的電流iodq和電壓uodq.根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論可得，在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下微源逆變器輸出的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率分別為

(4)

為了提高輸出功率的穩(wěn)定性，應(yīng)采用低通濾波器濾除瞬時(shí)功率中的高頻紋波，將平均功率作為下垂控制環(huán)節(jié)的輸入信號(hào).因此可得功率測(cè)量環(huán)節(jié)框圖如圖2所示.

圖2 功率測(cè)量環(huán)節(jié)框圖

圖3 下垂控制環(huán)節(jié)和電壓合成環(huán)節(jié)框圖

2.2 電壓電流控制模塊

為了合理設(shè)計(jì)電壓電流控制模塊，首先需要建立微源逆變器的數(shù)學(xué)模型.在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下微源逆變器的數(shù)學(xué)模型為

(5)

(6)

電壓電流控制模塊采用最典型的雙閉環(huán)控制策略，以電感電流控制為內(nèi)環(huán)，以電容電壓控制為外環(huán).電壓電流雙閉環(huán)控制能夠?qū)﹄妷汉碗娏鬟M(jìn)行精確地動(dòng)態(tài)控制，改善微源逆變器輸出的三相電能.由公式(5)、(6)可知，dq坐標(biāo)系下逆變器的d軸和q軸電量相互耦和，這將給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難.因此，需要首先對(duì)逆變器的d軸和q軸分量進(jìn)行解耦，使其相互獨(dú)立，然后分別對(duì)d軸和q軸分量進(jìn)行PI控制.

為了對(duì)電感電流進(jìn)行解耦，令式(5)中微源逆變器的輸出電壓為

ud=uid+uod-ωLfiLq,uq=uiq+uoq+ωLfiLd.

(7)

對(duì)電容電壓進(jìn)行解耦，令電感電流參考值為

(8)

將式(7)、(8)分別代入式(5)、(6)，可以看到逆變器的d軸和q軸分量實(shí)現(xiàn)了完全解耦.

電流內(nèi)環(huán)采用P控制，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，即

(9)

電壓外環(huán)釆用PI控制，使逆變器的輸出電壓保持穩(wěn)定，即

(10)

圖4 電壓電流控制框圖

3 MATLAB仿真

在MATLAB/Simulink中建立基于下垂控制的微電網(wǎng)仿真模型，如圖5所示.微源逆變器的輸出電壓幅值的額定值為311 V，額定頻率為50 Hz，額定有功功率為75 kW，額定無(wú)功功率為0，有功功率的下垂系數(shù)為10-5，無(wú)功功率的下垂系數(shù)為3×10-4，初始本地負(fù)載功率為25 kW.

圖5 基于下垂控制的微電網(wǎng)仿真模型

系統(tǒng)運(yùn)行至0.2 s時(shí)由并網(wǎng)模式切換至孤島模式，0.4 s時(shí)本地負(fù)載突增50 kW，運(yùn)行仿真模型可得如圖6和圖7所示的波形.圖6為微源逆變器的輸出電壓波形和輸出電流波形，可以看出：在微網(wǎng)從并網(wǎng)模式切換為孤島模式、負(fù)載突增的過(guò)程中，微網(wǎng)逆變器的輸出電壓能夠始終保持穩(wěn)定；微網(wǎng)逆變器的輸出電流在并網(wǎng)模式下比孤島模式下的幅值要大，即并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)微網(wǎng)在帶動(dòng)本地負(fù)載的同時(shí)向大電網(wǎng)輸出功率.0.4 s時(shí)本地負(fù)載由25 kW突增至75 kW，微網(wǎng)逆變器的輸出電流由50 A迅速上升至150 A，與理論值完全一致.

圖7依次為微源逆變器輸出的有功功率波形和頻率波形. 從圖7可以看出：0.2 s之前并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)輸出的有功功率大于本地負(fù)載功率25 kW，多出的功率輸送至大電網(wǎng)；孤島運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)輸出的有功功率等于本地負(fù)載功率25 kW，頻率為50.5 Hz；0.4 s后本地負(fù)載突增至75 kW，微網(wǎng)輸出的有功功率迅速跟蹤負(fù)載功率升至額定功率75 kW，頻率迅速下降為額定頻率50 Hz.仿真結(jié)果證明了下垂控制策略的正確性和有效性.

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)下垂控制的基本原理，將下垂控制與電壓電流雙環(huán)控制有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)微電網(wǎng)的控制系統(tǒng).通過(guò)搭建微電網(wǎng)及其控制系統(tǒng)的仿真模型，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的下垂控制策略.仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的基于下垂控制的微網(wǎng)系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，驗(yàn)證了基于下垂控制的微網(wǎng)控制策略的正確性和有效性，為后續(xù)微電網(wǎng)運(yùn)行控制的研究打下了良好的基礎(chǔ).

圖6 微網(wǎng)逆變器的輸出電壓和電流波形

圖7 微網(wǎng)逆變器的輸出有功功率和頻率波形