基于VSG的多微網(wǎng)二次調(diào)頻控制

李鳳祥， 湯軍， 賈軍成

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

近年來，由于化石能源日益減少，可再生能源開始得到各國(guó)的重視，分布式發(fā)電以其合理消納可再生能源的特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。為了提高分布式電源的滲透率，微電網(wǎng)之間的互聯(lián)勢(shì)必將成為微電網(wǎng)發(fā)展的主流趨勢(shì)，互聯(lián)的微電網(wǎng)具有相同的任務(wù)目標(biāo)，相互支援，體現(xiàn)了微電網(wǎng)互聯(lián)的靈活性[2]。

微電網(wǎng)之間通過背靠背變流器互聯(lián)，便于在各自的電壓頻率水平下實(shí)現(xiàn)理想運(yùn)行，但是，各個(gè)微電網(wǎng)之間的功率平衡以及頻率的穩(wěn)定必須得到保障。文獻(xiàn)[3]對(duì)多個(gè)直流微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出采用分散自律的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)集群控制。文獻(xiàn)[4]則提出了多微網(wǎng)并/離網(wǎng)的切換控制策略。文獻(xiàn)[5]采用聯(lián)絡(luò)線控制策略參與多微網(wǎng)調(diào)節(jié)與協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[6]通過多個(gè)采用下垂控制的調(diào)頻電源參與調(diào)頻，使頻率波動(dòng)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。文獻(xiàn)[7]則將主從博弈論應(yīng)用到多微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度上，解決了多微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)問題。

基于上述分析，采用下垂控制的逆變電源雖然模仿了同步發(fā)電機(jī)的下垂調(diào)頻特性，但不具備轉(zhuǎn)子慣量和阻尼，因此調(diào)頻時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)較大，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生威脅。本文采用改進(jìn)的VSG控制取代傳統(tǒng)下垂控制，有效抑制了二次調(diào)頻過程時(shí)的頻率和能量波動(dòng)，有利于多微網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

1 多微網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與能量控制

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用多代理系統(tǒng)作為基礎(chǔ)架構(gòu)對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，其具有通信協(xié)作、協(xié)調(diào)分配的優(yōu)點(diǎn)。混合式結(jié)構(gòu)融合了集中式和分布式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),因此本文選用混合式架構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 能量結(jié)構(gòu)

本文采用集中混合式架構(gòu)協(xié)調(diào)各個(gè)微電網(wǎng)之間的運(yùn)行，各個(gè)子微網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)的方式，先通過總的中央管理器分配各個(gè)分支管理器的任務(wù)，然后分支管理器進(jìn)行各自系統(tǒng)內(nèi)的任務(wù)，控制方式靈活多變。

2 二次調(diào)頻的控制對(duì)象和控制策略

2.1 控制對(duì)象

在互聯(lián)的多微網(wǎng)系統(tǒng)中，頻率和聯(lián)絡(luò)線有功功率是至關(guān)重要的兩個(gè)參考量。本文采用MGCE(microgrid control error)表示微電網(wǎng)控制偏差，由各微電網(wǎng)的頻率偏移和聯(lián)絡(luò)線有功功率偏移兩部分組成，表達(dá)式為：

MGCEn=Kf,nΔfn+ΔPL,n

(1)

式中：Kf,n為第n個(gè)微電網(wǎng)的頻率調(diào)整系數(shù)；Δfn為第n個(gè)微電網(wǎng)的頻率偏移量；ΔPL,n為第n個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線上有功功率偏離計(jì)劃值的量。

由于微電網(wǎng)屬于不同的地區(qū)，其內(nèi)部電源和儲(chǔ)能裝置可能相差較大，相對(duì)功率調(diào)整自由度比較大。上述公式在穩(wěn)定頻率保證支援的過程中不斷調(diào)整聯(lián)絡(luò)線有功功率平衡，保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2 控制策略

本文以兩個(gè)微電網(wǎng)為模型說明二次調(diào)頻控制策略，通過MGCC(micro grid central controller)采集誤差數(shù)據(jù)生成總的MGCE，接著分配調(diào)節(jié)量給調(diào)頻電源完成任務(wù)，如圖2所示。

圖2 二次頻率控制策略框圖

圖2中：Kf為微電網(wǎng)頻率偏移系數(shù)；ΔPL為聯(lián)絡(luò)線有功功率實(shí)際值與計(jì)劃值的誤差；MGCE為各微電網(wǎng)的誤差總量；ΔPT為子微網(wǎng)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)總量；ΔPDG為分配給各調(diào)頻電源的功率調(diào)節(jié)量；PDG、PDG,R為DG輸出的實(shí)際功率及功率參考值。

首先，MGCC采集各微電網(wǎng)的數(shù)據(jù)，計(jì)算出頻率偏差以及聯(lián)絡(luò)線有功功率偏差，將兩者結(jié)合成MGCE，經(jīng)過比例積分環(huán)節(jié)得到子微網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)總量。方程式如下：

(2)

式中：Ki和Kp分別為PI控制的積分和比例系數(shù)；ΔPT為子微網(wǎng)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)總量;MGCE為微電網(wǎng)的控制偏差。

由于計(jì)算式中含有積分項(xiàng)，調(diào)整量ΔPT最終為0。調(diào)整時(shí)，微電網(wǎng)中心控制器將功率總調(diào)節(jié)量按照調(diào)頻電源的容量分配功率調(diào)整量，即：

(3)

式中：aj為功率分配系數(shù);ΔPDG為分配給各調(diào)頻電源的功率調(diào)節(jié)量。

考慮到電源功率偏差，將調(diào)頻電源有功功率偏差計(jì)入功率分配公式，有利于加快系統(tǒng)中頻率調(diào)整的速度。改進(jìn)后的公式如下：

(4)

3 微電網(wǎng)的二次調(diào)頻

在二次調(diào)頻中，調(diào)頻電源通常采用無通信的下垂控制以實(shí)現(xiàn)各調(diào)頻單元獨(dú)立調(diào)頻，但傳統(tǒng)的下垂控制只具有同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻勵(lì)磁特性，不具備其轉(zhuǎn)子慣性和阻尼特性，因此本文在調(diào)頻過程中采用了虛擬同步發(fā)電機(jī)(virtual synchronous generator, VSG)控制，在下垂控制中加入轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，使系統(tǒng)具備轉(zhuǎn)子慣性和良好的阻尼特性。下面給出一個(gè)調(diào)頻電源的控制結(jié)構(gòu)圖作為范例，如圖3所示。

加入的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程如下：

圖3 DG的VSG控制結(jié)構(gòu)圖

(5)

式中：Pe為擬同步機(jī)的電磁功率；Pm為虛擬同步機(jī)的機(jī)械功率；ωN和ω分別為額定角頻率和實(shí)際角頻率；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；D為VSG的阻尼系數(shù)。

根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻特性，原動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)方程為

Pm=Pref+Kw(ωN-ω)

(6)

式中：Pref為有功給定；Kω為調(diào)差系數(shù)。

由式(5)和式(6)，可得式(7)和式(8)。

(7)

(8)

式中：P為VSG輸出有功功率；dp、τ分別為有功—頻率下垂系數(shù)和時(shí)間慣性常數(shù)。

不難看出，VSG控制本質(zhì)上是加入了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的有功—頻率下垂控制，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量能抑制頻率響應(yīng)速度，達(dá)到平滑調(diào)頻的目的。

Pref為初始功率指令，加入功率調(diào)節(jié)量，生成新的功率指令P′ref，再通過VSG控制，最終達(dá)到控制目標(biāo)。調(diào)頻策略如圖4所示。

圖4 有功—頻率控制框圖

最終功率指令值的計(jì)算公式為：

(9)

式中：aj為功率分配系數(shù)。aj表達(dá)式如式(10)所示。

(10)

4 仿真結(jié)果和分析

本文使用仿真軟件MATLAB建立如圖5所示的多微網(wǎng)互聯(lián)模型，此處以兩個(gè)微電網(wǎng)互聯(lián)為例，設(shè)定兩個(gè)微電網(wǎng)的額定電壓為380 V，頻率為50 Hz。VSG1～VSG4均為可調(diào)頻電源。太陽能發(fā)電單元經(jīng)交流饋線接入聯(lián)絡(luò)線中，其逆變器控制采用MPPT控制。

圖5 多微網(wǎng)互聯(lián)模型

給出VSG逆變電源下垂系數(shù)以及部分控制系統(tǒng)參數(shù)，如表1所示。

表1 VSG逆變電源下垂系數(shù)以及部分控制系統(tǒng)參數(shù)

4.1 單微網(wǎng)發(fā)生負(fù)荷擾動(dòng)

研究設(shè)置初始狀態(tài)下系統(tǒng)頻率為49.985 Hz，聯(lián)絡(luò)線有功功率為27.9 kW，方向由B網(wǎng)流向A網(wǎng)，到1 s時(shí)，A網(wǎng)負(fù)荷L 5投入運(yùn)行。系統(tǒng)頻率和聯(lián)絡(luò)線功率如圖6所示。

圖6 改進(jìn)前仿真結(jié)果

由圖6可知：0～1 s系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行；在1 s時(shí)加入負(fù)荷，導(dǎo)致頻率下降，電源啟動(dòng)一次調(diào)頻環(huán)節(jié)，由于偏差，頻率一次調(diào)整結(jié)束后維持在49.975 Hz，這個(gè)過程中聯(lián)絡(luò)線有功功率上升至42.5 kW；3 s時(shí)啟動(dòng)二次調(diào)頻環(huán)節(jié)，從聯(lián)絡(luò)線的有功功率變化來看，A網(wǎng)流出的有功功率和B網(wǎng)流入的有功功率相當(dāng)，二次調(diào)頻結(jié)束后聯(lián)絡(luò)線有功功率恢復(fù)到28.2 kW，系統(tǒng)頻率恢復(fù)至49.985 Hz。研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)頻率和聯(lián)絡(luò)線有功功率波動(dòng)很大，采用本文改進(jìn)控制策略后，明顯轉(zhuǎn)好。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后仿真結(jié)果

4.2 雙微網(wǎng)發(fā)生負(fù)荷擾動(dòng)

恢復(fù)系統(tǒng)后進(jìn)行第二次仿真，在1 s和2 s時(shí)分別投入負(fù)荷L 5和L 6，3 s時(shí)進(jìn)行二次調(diào)頻，改進(jìn)后的頻率和聯(lián)絡(luò)線有功功率如圖8所示。

圖8 雙負(fù)荷擾動(dòng)仿真結(jié)果

由于1 s和2 s增加負(fù)荷，系統(tǒng)的頻率先下降到49.974 Hz，后進(jìn)一步下降至49.956 Hz，有功功率也偏離了計(jì)劃值。由于A網(wǎng)負(fù)荷增加更多，因此A網(wǎng)的兩個(gè)逆變電源主要滿足自身負(fù)荷需求，而B網(wǎng)的兩個(gè)逆變電源對(duì)A網(wǎng)加以支援。3 s以后，B網(wǎng)中的VSG3、VSG4不再支援，A網(wǎng)的兩個(gè)逆變電源VSG1、VSG2為滿足負(fù)荷需求展開二次調(diào)節(jié)增加輸出，聯(lián)絡(luò)線有功功率也恢復(fù)至原先的計(jì)劃值附近。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)多微網(wǎng)的頻率調(diào)整問題提出了基于VSG的二次調(diào)頻控制策略，由MGCC統(tǒng)一計(jì)算各微電網(wǎng)的有功功率調(diào)節(jié)總量，再根據(jù)各調(diào)頻電源的容量合理分配功率調(diào)節(jié)量。在頻率二次調(diào)整中，本文采用改進(jìn)的VSG技術(shù)取代下垂控制。研究表明，采用上述控制策略能夠完成微電網(wǎng)相互支援，有效平穩(wěn)地完成頻率調(diào)整，抑制有功功率波動(dòng)。