自適應下垂系數的孤島微電網無功均分策略

摘要 在孤島微電網中，由于線路阻抗的不匹配，常常導致傳統的下垂控制無法完成分布式電源（DG）之間無功功率的均分．為了消除DG之間的無功不均分，首先分析了傳統下垂控制無法完成無功均分的原因，設計了可自適應調節的無功下垂系數，使無功下垂系數可以滿足無功均分的條件，從而解決無功功率無法均分的問題．為了使無功均分控制器具有更高的靈活性和可靠性，設計了動態分布式觀測器，并證明了其收斂性．動態分布式觀測器可以使DG以分布式的方式更加靈活可靠地獲取所需的信息．通過4個不同的算例對所提的控制策略進行驗證，仿真結果驗證了所提控制策略的優越性和有效性．關鍵詞微電網;自適應;無功功率均分;分布式控制

中圖分類號TM743

文獻標志碼A

0引言

為了解決分布式發電的不可控性，微電網技術應運而生［1］．微電網可以在并網和孤島兩種模式下運行［2］．由于缺乏大電網的支持，孤島微電網通常采用傳統的下垂控制來對分布式電源（DG）輸出的功率進行分配［3-4］．然而，由于線路阻抗之間的差異，常常導致傳統的下垂控制無法完成無功均分［5-6］．DG之間的無功不均分對微電網的控制帶來很大的影響．為了解決這個問題，目前主要有虛擬阻抗控制和改進下垂控制兩種方法．

虛擬阻抗控制法通過添加虛擬阻抗來消除線路阻抗之間的差異，從而實現無功功率的均分［7-9］．文獻［10］提出一種虛擬阻抗控制方法，通過優化算法來篩選合適的虛擬阻抗，實現了無功均分．然而，這種方法需要指定虛擬阻抗的可行范圍，并且饋線的長度會影響虛擬阻抗的值，均分效果受到影響．文獻［11］通過在線估計饋線阻抗來設計與各逆變器相匹配的虛擬阻抗．但是其所估計的饋線阻抗值是否精確直接影響無功均分的效果．為了更精準地實現無功功率的均分，自適應虛擬阻抗成為主流方法．文獻［12］根據DG輸出的實際無功功率與其參考值之間的誤差，設計了自適應虛擬阻抗控制器．文獻［13］運用一致性算法設計出可以自適應調節的虛擬阻抗．雖然虛擬阻抗方法可以成功地解決線路阻抗不匹配帶來的無功功率無法均分的問題，但虛擬阻抗的引入會改變DG輸出的等效阻抗，從而改變公共耦合點（Point of Common Coupling，PCC）的電壓，進而影響系統的電能質量．

改進下垂控制法主要通過下垂控制的參考電壓或者無功下垂系數來實現無功均分．文獻［14］通過對線路阻抗的辨識，將其與無功均分條件下的線路阻抗進行比較，并將兩者之差作為補償項，對下垂控制的參考電壓進行補償，實現了無功均分．但是其控制過程較為繁瑣，無功均分精度過于依賴辨識結果．文獻［15］通過給常規頻率有功下垂中加入無功擾動項，在無功下垂中引入有功補償項，改變下垂控制的參考電壓，改善了無功功率的均分，但無法實現精確均分．文獻［16］通過給下垂控制引入無功功率與輸出電壓的微分項，得到下垂控制的參考電壓，從而實現無功功率的均分．這種方法需要知道線路阻抗的值，但在實際微電網中線路阻抗是難以測量的．文獻［17］設計了自適應下垂系數，通過改變無功下垂系數從而實現DG之間的無功均分．

但是其對信息的獲取過度依賴于中央處理器，控制方法缺乏靈活性．

綜上所述，現有無功均分控制方法主要存在以下幾個問題：1）虛擬阻抗帶來壓降;2）無功均分的精度不高;3）控制方法需要知道饋線信息;4）集中式控制的可靠性和靈活性欠佳．基于此，本文首先對無功功率無法均分的原因進行了分析，提出一種可自適應調節下垂系數的無功均分策略．所提控制策略可以自適應調節無功下垂系數，使其滿足無功均分的條件，在實現無功的精確均分的同時不需要知道饋線信息，也不會引起壓降;所設計的分布式動態觀測器，可以實時觀測控制過程中所需要的信息，提高了控制器的靈活性和可靠性．

1預備知識

1.1預備知識：圖論

1.2預備知識：一致性算法

2孤島微電網傳統下垂控制原理

2.1傳統下垂控制

2.2傳統下垂控制的功率特性

3改進的下垂控制

3.1自適應無功下垂系數的設計

當線路阻抗X和無功下垂系數n不能滿足式（8）的關系時，無功功率就無法均分．通常假定微電網的線路阻抗是不變的，因此可以改變無功下垂系數n，使其可以滿足式（8），從而實現無功均分．

3.2平均電壓的獲取

4仿真驗證

4.1分布式觀測器驗證

4.2無功均分驗證

為了驗證本文所提出的控制策略的有效性，在Matlab／Simulink搭建仿真模型進行算例分析．整個仿真過程設置為3 s，并在4個不同場景下對控制策略進行驗證來保證其有效性．系統的仿真參數如表1、2所示．

由圖5a可以看出，文獻［13］所提的控制方法雖然可完成無功功率的均分，但是t=0.5 s控制器投入時，DG的nQ產生的振蕩比較大，并且其完成無功均分所需要的時間也更長．由圖5b、c可以看出，本文所提的控制策略完成無功均分后，PCC的電壓是保持不變的，從而保證了電能質量，而文獻［13］所提的控制策略雖然也完成了無功均分，但是PCC產生了壓降．上述結果證明了本所提控制策略的優越性．

4.2.2動態變化下的控制效果

由圖7a、b、c可以看出，當線路阻抗發生變化時，DG輸出的無功功率發生了較大的波動，無功下垂系數的變化范圍也比較大，各個DG的nQ達到一致所需要的時間也更長，但還是可以完成無功功率的均分.由圖7d可知，雖然線路阻抗變化時系統會產生較大的波動，但是DG輸出的電壓還是可以保持在穩定的范圍內，表明所提的控制策略可以在線路阻抗變化的情況下很好地完成無功功率的均分．

5結論

本文針對孤島微電網中無功功率不均分和控制器的靈活性與可靠性的問題，設計了一種可自適應調節下垂系數的分布式無功功率均分策略，得出以下結論：

1）所提的自適應調節下垂系數的控制策略可以通過改變DG的無功功率下垂系數完成無功功率的精確均分，并且可以保證DG的輸出電壓在穩定范圍內．與現有控制策略相比，不知道饋線信息也不會引PCC的壓降．

2）基于一致性算法的分布式觀測器可以動態追蹤獲取DG輸出電壓的動態平均值，提高了所提的自適應調節下垂系數控制策略的靈活性和可靠性．

參考文獻

References

［1］侯帥丞，陳家偉，張秀琴.微電網逆變器的自適應滑模控制策略研究［J］.南京信息工程大學學報（自然科學版），2018，10（2）：153-159HOU Shuaicheng，CHEN Jiawei，ZHANG Xiuqin.Adaptive sliding mode control strategy for inverter in microgrid［J］.Journal of Nanjing University of Information Science ＆ Technology （Natural Science Edition），2018，10（2）：153-159

［2］王凌云，周璇卿，李升，等.基于改進功率環的微電網對等控制策略研究［J］.中國電力，2017，50（9）：171-177WANG Lingyun，ZHOU Xuanqing，LI Sheng，et al.Research on peer to peer control strategy for microgrid based on the improved power loop［J］.Electric Power，2017，50（9）：171-177

［3］米陽，宋根新，宋元元，等.孤島交直流混合微電網群多級功率管理策略［J］.電力系統自動化，2020，44（7）：38-45MI Yang，SONG Genxin，SONG Yuanyuan，et al.Strategy of multi-level power management for islanded AC／DC hybrid microgrid cluster［J］.Automation of Electric Power Systems，2020，44（7）：38-45

［4］張宇，王洪希，王璞.交直流混合微電網互聯變流器微分平坦控制［J］.中國電力，2022，55（7）：102-109，120ZHANG Yu，WANG Hongxi，WANG Pu.Flatness-based control of AC／DC hybrid microgrid interconnected converter［J］.Electric Power，2022，55（7）：102-109，120

［5］董杰，李領南，張純江，等.微電網中的有功功率和無功功率均分控制［J］.電力系統自動化，2016，40（10）：90-96DONG Jie，LI Lingnan，ZHANG Chunjiang，et al.Sharing control of active power and reactive power in microgrid［J］.Automation of Electric Power Systems，2016，40（10）：90-96

［6］Qi Y，Fang J Y，Tang Y.Utilizing the dead-time effect to achieve decentralized reactive power sharing in islanded AC microgrids［J］.IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2020，8（3）：2350-2361

［7］He J W，Li Y W.Analysis，design，and implementation of virtual impedance for power electronics interfaced distributed generation［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2011，47（6）：2525-2538

［8］WangK，Yuan X B，Geng Y W，et al.A practical structure and control for reactive power sharing in microgrid［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2019，10（2）：1880-1888

［9］SellamnaH，Pavan A M，Mellit A，et al.An iterative adaptivevirtual impedance loop for reactive power sharing in islanded meshed microgrids［J］.Sustainable Energy，Grids and Networks，2020，24：100395

［10］Wu X Y，Shen C，Iravani R.Feasible range and optimal value of the virtual impedance for droop-based control of microgrids［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2017，8（3）：1242-1251

［11］Mohammed N，Lashab A，Ciobotaru M，et al.Accurate reactive power sharing strategy for droop-based islanded AC microgrids［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2023，70（3）：2696-2707

［12］An R H，Liu Z，Liu J J.Successive-approximation-based virtual impedance tuning method for accurate reactive power sharing in islanded microgrids［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2021，36（1）：87-102

［13］Lu J H，Zhao M，Golestan S，et al.Distributed event-triggered control for reactive，unbalanced，and harmonic power sharing in islanded AC microgrids［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2022，69（2）：1548-1560

［14］陳曉祺，賈宏杰，陳碩翼，等.基于線路阻抗辨識的微電網無功均分改進下垂控制策略［J］.高電壓技術，2017，43（4）：1271-1279CHEN Xiaoqi，JIA Hongjie，CHEN Shuoyi，et al.Improved droop control strategy based on line impedance identification for reactive power sharing in microgrid［J］.High Voltage Engineering，2017，43（4）：1271-1279

［15］Gupta Y，Parganiha N，Rathore A K，et al.An improved reactive power sharing method for an islanded microgrid［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2021，57（3）：2954-2963

［16］MinettiM，Rosini A，Denegri G B，et al.An advanced droop control strategy for reactive power assessment in islanded microgrids［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2022，37（4）：3014-3025

［17］羅朝旭，劉洋，羅欽，等.基于動態下垂系數的低壓微電網無功控制策略［J］.電力建設，2022，43（1）：78-86LUO Zhaoxu，LIU Yang，LUO Qin，et al.Reactive power control strategy of low-voltage microgrid applying dynamic droop coefficient［J］.Electric Power Construction，2022，43（1）：78-86

［18］米陽，蔡杭誼，宋元元，等.基于同步補償的孤島微電網無功均分研究［J］.電工技術學報，2019，34（9）：1934-1943MI Yang，CAI Hangyi，SONG Yuanyuan，et al.Study on reactive power sharing of island microgrid based on synchronous compensation［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2019，34（9）：1934-1943

［19］Gupta Y，Chatterjee K，Doolla S.A simple control scheme for improving reactive power sharing in islanded microgrid［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2020，35（4）：3158-3169

［20］顏麗，米陽，孫威，等.基于改進下垂控制的孤島交流微電網無功分配研究［J］.太陽能學報，2021，42（8）：7-15YAN Li，MI Yang，SUN Wei，et al.Reactive power distribution control strategy in islanded AC microgrid based on improved droop control［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2021，42（8）：7-15

［21］Xu Y L，Liu W X.Novel multiagent based load restoration algorithm for microgrids［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2011，2（1）：152-161

［22］張小蓮，石春暉，郝思鵬，等.基于動態一致性算法的微電網無功功率分布式二級控制策略［J］.可再生能源，2022，40（3）：368-376ZHANG Xiaolian，SHI Chunhui，HAO Sipeng，et al.Distributed secondary reactive power control strategy of microgrid based on dynamic consensus algorithm［J］.Renewable Energy Resources，2022，40（3）：368-376

［23］Chen Y L，Qi D L，Li C Y.Distributed dynamic averaging tracking without rate measurements［J］.IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics：Systems，2021，51（7）：4359-4364

Adaptive droop coefficient-based reactive power

sharing strategy for islanded microgrid

CHENG Yong CHENG Qi YAO Leiru ZHAO Jianwen

1School of Electrical and Control Engineering/Xian Key Laboratory of Electrical Equipment Condition

Monitoring and Power Supply Security，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China

AbstractIn the islanded microgrid，the mismatch in line impedance hinders the traditional droop control from achievingan equal distribution of reactive power among Distributed Generation （DG） sources.To address this problem and enhance the flexibility and reliability of the controller，this paper analyzes the reasons behind the failure of traditional droop control and proposes an adaptive droop coefficient that can be dynamically adjusted to meet the conditions for reactive power sharing.Additionally，a dynamic distributed observer is designed and its convergence is proven，which allows DG sources to obtain necessary information flexibly and reliably in a distributed manner.Finally，the proposed control strategy is verified through simulations in four different scenarios，and the results demonstrate its superiority and effectiveness.

Key wordsmicrogrid;adaptive;reactive power sharing;distributed control