微源并網逆變器改進下垂控制策略研究

韓彥東 李亞民 崔鑫斌

摘 要：針對微網中敏感負荷對頻率和電壓幅值要求較高這一情況，筆者提出了一種下垂系數隨反正切函數變化的下垂控制策略。把反正切函數的兩種特性應用于微源的下垂控制，第一個特性可以保證微源輸出頻率和電壓始終維持在設定的范圍之內，第二個特性可以保證微源在輸出參考功率附近有較快的動態響應。最后將改進后的下垂控制策略與改進前的下垂控制策略相比較，比較結果證明了該策略的可行性和優越性。

關鍵詞：下垂控制;反正切函數;電壓;頻率

中圖分類號：TM83 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）07-0041-03

Abstract： According to the requirement of sensitive load to frequency and voltage amplitude in micro network， the author put forward a kind of improved droop control strategy， whose droop coefficient varied with the arctangent function. Two properties of arctangent function were applied to the droop control of the micro source， its first feature ensured that the output frequency and voltage of the micro source was always maintained within the range of the set， and the second characteristics couid ensure that the micro source had a fast dynamic response in the vicinity of the output reference power. Finally， the improved droop control strategy was compared with the improved droop control strategy， and the comparison results proved the feasibility and superiority of the strategy.

Keywords：droopcontrol;arctangent function;voltage;frequency

微網中微源的控制可以采用多種方式，但在分散控制中，經常采用下垂控制策略[1-2]。當微網中負載大幅度變化時，頻率和電壓的幅值也會大幅度變化，這對電壓和頻率要求較高的電氣設備來說是不允許的[3]。為了保持微網頻率與電壓穩定，同時為了讓微源輸出功率得到充分的利用，微源下垂控制策略中一般采用較小的下垂系數;但下垂系數較小時，微源不能及時改變出力，響應速度慢[4-5]。針對上述矛盾，本文提出了一種下垂系數隨反正切函數變化的下垂控制策略。由反正切函數的特性可知，隨著定義域趨于無窮大，它的值域收斂于和X軸平行的兩條直線;同時，在中心對稱點附近函數有較大的斜率，越遠離中心對稱點，函數斜率越小。把反正切函數這兩種特性應用于微源的下垂控制，可以讓微源的輸出頻率和電壓幅值始終維持在設定的范圍之內，同時保證微源在額定輸出功率的一定范圍內保持較大的下垂系數，從而增加了微源的動態響應。最后，在MATLAB/Simulink中建立改進后的下垂控制策略的微電網模型，并將改進后的下垂控制策略結果與傳統的下垂控制策略結果進行對比，對比結果證實了本策略的可行性與優越性。

1 改進下垂控制策略

傳統下垂控制策略的缺點主要體現在兩方面：一是當微網中存在突變大功率負荷時，微網內部頻率和電壓幅值會遠遠偏離參考值，這對敏感負荷來說是致命的傷害;二是為了保證頻率和電壓不會超出設定范圍，可以取較小的下垂系數（下垂系數為常數），當微網中功率出現波動時，由于處理控制信號的時間不可能無限減小，當下垂系數較小時，即使在參考功率附近，微源出力也不會及時改變，因此，微網頻率和電壓會出現較大的波動，即便穩定時微源出力也不能適應微網中功率波動的情況。對于這些問題，傳統的下垂控制方法并不能夠解決。

為了克服傳統下垂控制策略的缺點，本文提出了一種下垂系數隨反正切函數變化的下垂控制策略，其原理如圖1所示。

圖1（a）和圖1（b）為改進下垂控制策略頻率何電壓特性曲線。從圖中可以看出，改進的下垂控制策略下垂特性曲線為曲線，曲線的下垂系數會隨輸出功率的變化而發生變化;而傳統的下垂特性曲線為直線。在參考功率附近微源出力最強，此時下垂特性曲線斜率較大，當微網中出現功率波動，只要能在短時間內取得較大的下垂系數，就可以保證微網具有快速的動態特性，隨著微源出力性能變弱，下垂特性曲線下垂系數慢慢變小，從而可以防止微源出現過調的現象。由于改進下垂控制策略下垂特性曲線是根據反正切函數得到的，所以微網輸出頻率和電壓幅值會收斂于上下限設定值而不會超出上下界限。因此，使用改進后的下垂控制策略，既可以保證微網輸出頻率和電壓幅值不會超出設定范圍，又可以保證微網有較好的動態性能。

2 仿真和分析

2.1 建模仿真

使用改進的下垂控制策略，在MATLAB/Simulink環境中建立下垂控制仿真模型，并根據實際情況設定相應的參數;同時，為了驗證文中所提策略的優越性，建立傳統下垂控制微網模型，并將兩種模型的輸出結果進行對比。圖2為示例微網結構圖，圖中微源采用下垂控制，微網中有3個負載，load1、load2和load3。其中，load1離微源比較近，load2和load3離微源稍遠;load1和load2為小型負載，load3為突變大型負載。微電網通過公共端接入10kV配電網。

假設實際電網中的頻率最大偏移范圍為±0.2Hz，電壓偏移范圍為±10V。依據這個假設條件，對改進后的下垂控制策略中的各個參數進行設定，設置仿真時間為3s，每隔0.2s進行一次開關切換。

2.2 微網系統頻率輸出結果分析

改進后的下垂策略和傳統的下垂控制策略頻率輸出對比如圖3所示。圖3中，0.6s時刻3個負載同時接入微網，由于load3為突變大型負載，所以可以看出采用傳統的下垂控制策略的微網輸出頻率低于設定值49.8Hz;而采用改進后的下垂控制策略的微源在大負荷出現時，根據下垂系數計算公式，下垂系數會大大減小，此時輸出頻率不會超出設定值。同理，在2.2s時刻由于3個負載同時接入微網，微網頻率會再次低于49.8Hz。由以上分析可得，改進后的下垂控制能夠確保系統頻率的偏移在指定的范圍內（±0.2Hz），確保了微網運行的可靠性和穩定性，證明了本策略的可行性和優越性。

2.3 微網系統電壓輸出結果分析

圖4（a）和圖4（b）分別為傳統下垂控制策略和改進下垂控制策略微網系統輸出電壓波形的局部放大圖。對比圖4（a）和圖4（b），當在0.4～0.8s、1.0～1.6s和2.2～2.4s時間段內，由于突變的大型負載load3接入，系統的輸出電壓降低。圖4（a）使用的是傳統的下垂控制策略，當無功負載明顯增加時，系統工作點會沿著下垂特性曲線向下移動，系統的輸出電壓會低于300V，若無功功率繼續增加，電壓輸出甚至會低于290V。而圖4（b）使用的是改進后的下垂控制策略，當系統無功功率明顯增加時，根據下垂系數計算公式，下垂系數會大大減小，此時微網輸出電壓幅值始終保持在設定值范圍之內，如圖4（b）微網輸出電壓幅值始終高于300V。

通過對比可以發現，使用改進后的下垂策略時，微網工作在孤島狀態下和并網狀態下都能保證系統電壓在指定的范圍內（311V±10V）工作，確保了微網運行的可靠性和穩定性，證明了本策略的可行性和優越性。

3 結論

經過對比可知，使用改進后的下垂策略可以保證有功功率和無功功率在較大范圍內變化時，系統輸出頻率和電壓幅值在較小范圍內變化，從而保證微電網頻率和電壓的穩定性，同時驗證了本策略的可行性和優越性。

參考文獻：

[1]唐云龍，楊恢宏，王若醒，等.基于C-MEX建模的全數字單相并網逆變器的研究[J].電力系統保護與控制，2013（24）：140-143.

[2]Katiraei F，Iravani M R，Lehn P W. Small-signal dynamic model of a micro-grid including conventional and electronically interfaced distributed resources[J].IET Generation Transmission & Distribution，2007（3）：369-378.

[3]鄭永偉，陳民鈾，李闖，等.自適應調節下垂系數的微電網控制策略[J].電力系統自動化，2013（6）：6-11.

[4]孫云嶺，黃偉，王冠男，等.微源并網逆變器下垂控制策略的改進研究[J].陜西電力，2013（1）：6-10.

[5]TANG Y， ZHAO S， TEN C-W， et al. Enhancement of distribution load modeling using statistical hybrid regression [C]. IEEE PES ISGT， Apr. 23-26， 2017， Washington， DC， USA： 1-5.