中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué))、許繼電氣股份有限公司的研究人員吳翔宇、沈沉等，在2015年第24期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，在微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中，傳統(tǒng)下垂控制策略大多將頻率引入控制中，但是在以純逆變器為接口的微電網(wǎng)中，系統(tǒng)功率的不平衡量難以通過頻率直接反映。根據(jù)微電網(wǎng)公共母線電壓幅值(V)，以及d軸與q軸電壓的比值(rat)同微電網(wǎng)系統(tǒng)有功和無(wú)功不平衡量之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了P-V、Q-rat下垂控制策略。
該控制策略能夠使微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)維持電壓及頻率穩(wěn)定，并且使所有的分布式電源按照預(yù)先設(shè)定的下垂系數(shù)分配有功及無(wú)功功率。
微電網(wǎng)是一種可將各種小型分布式電源組合起來(lái)為當(dāng)?shù)刎?fù)荷提供電能的低壓電網(wǎng)。它具有并網(wǎng)和孤網(wǎng)兩種運(yùn)行模式，能提高負(fù)荷側(cè)的供電可靠性。微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，各分布式電源發(fā)出指定的有功及無(wú)功功率，負(fù)荷的增減由大電網(wǎng)進(jìn)行平衡，系統(tǒng)的電壓和頻率也由大電網(wǎng)來(lái)維持穩(wěn)定。但是當(dāng)微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)運(yùn)行后，由于失去了大電網(wǎng)的支撐，系統(tǒng)的電壓和頻率必須由微電網(wǎng)自身來(lái)調(diào)節(jié)。
目前微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行模式下主要的電壓頻率控制方法有主從控制和對(duì)等控制兩種。主從控制是指微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)由其中一個(gè)分布式電源作為主控制源，采用恒壓恒頻控制，負(fù)責(zé)維持系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定，其他分布式電源發(fā)出指定的有功及無(wú)功功率，系統(tǒng)的負(fù)荷變化由這個(gè)主控制源來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)[1]。
但是這種控制方法對(duì)主控制源要求較高，其容量必須較大且可靠性較高，一旦主控制源出現(xiàn)故障整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)就會(huì)崩潰。在對(duì)等控制方式下，微電網(wǎng)中各個(gè)分布式電源的地位是平等的，沒有主與從之分，共同實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中的負(fù)荷分配。下垂控制屬于對(duì)等控制。
在傳統(tǒng)大電力系統(tǒng)的頻率和電壓調(diào)節(jié)中，由于同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻特性，系統(tǒng)有功功率平衡情況和系統(tǒng)頻率有下垂關(guān)系，同時(shí)無(wú)功功率平衡情況和系統(tǒng)電壓也有下垂關(guān)系。微電網(wǎng)中的分布式電源大多是通過逆變器同大電網(wǎng)相連接，通過推導(dǎo)逆變器發(fā)出的有功、無(wú)功功率同逆變器輸出電壓及輸出阻抗的關(guān)系，人們發(fā)現(xiàn)在以逆變器為接口的微電網(wǎng)系統(tǒng)中同樣存在有功與頻率、無(wú)功與電壓的下垂關(guān)系，基于這種關(guān)系的下垂控制可以使微電網(wǎng)在孤網(wǎng)模式下穩(wěn)定運(yùn)行，完成負(fù)荷分配[1-3]。
下垂控制的本質(zhì)是根據(jù)逆變器發(fā)出的有功和無(wú)功來(lái)得到頻率和電壓的參考值，而倒下垂方法將這個(gè)過程倒過來(lái)，根據(jù)檢測(cè)到的頻率和電壓得到有功和無(wú)功的參考值，可以將逆變器控制成為一個(gè)具有下垂特性的功率源[4,5]。由于微電網(wǎng)處于中低壓配電網(wǎng)中，而低壓線路的阻抗通常以電阻為主，此時(shí)有功P與電壓V、無(wú)功Q與頻率f的耦合關(guān)系更強(qiáng)。
文獻(xiàn)[6,7]設(shè)計(jì)了P-V、Q-f下垂控制，用于微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行中。但是這種方法與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻不兼容，而且當(dāng)逆變器使用LCL濾波器或通過變壓器接入公共母線時(shí)又有可能使逆變器的輸出阻抗以感性為主。
為了改變逆變器的輸出阻抗特性，以便于統(tǒng)一使用P-f、Q-V下垂控制，文獻(xiàn)[8,9]使用了構(gòu)造虛擬阻抗的方法，可以將逆變器的輸出阻抗人為設(shè)計(jì)成為感性。由于線路阻抗的存在，線路上各點(diǎn)電壓不一致，因此在利用Q-V下垂關(guān)系進(jìn)行控制時(shí)，會(huì)造成無(wú)功分配存在誤差，文獻(xiàn)[10,11]提出的補(bǔ)償方法改善了無(wú)功負(fù)荷的分配效果。下垂控制的固有特點(diǎn)是屬于有差調(diào)節(jié)，在穩(wěn)態(tài)下存在電壓和頻率的偏差，文獻(xiàn)[12,13]引入了PI控制，通過上下平移下垂曲線可以實(shí)現(xiàn)頻率和電壓的無(wú)差調(diào)節(jié)。
在傳統(tǒng)下垂控制中，系統(tǒng)頻率f往往作為一個(gè)控制變量。在傳統(tǒng)大電力系統(tǒng)中，由于同步發(fā)電機(jī)的存在，系統(tǒng)的頻率f由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，并且轉(zhuǎn)子具有很大的慣性，系統(tǒng)負(fù)荷的變化在暫態(tài)過程中可以由轉(zhuǎn)子上的能量進(jìn)行平衡。
但是當(dāng)微電網(wǎng)中的分布式電源全部由逆變器接入電網(wǎng)時(shí)，由于逆變器直流母線電容上儲(chǔ)存的能量有限，屬于小慣性系統(tǒng)，而且系統(tǒng)的頻率由控制器決定，因此分布式電源輸出的功率是同系統(tǒng)頻率解耦的，分布式電源不能像傳統(tǒng)電力系統(tǒng)那樣通過頻率變化來(lái)反映功率的不平衡[14,15]。而且當(dāng)微電網(wǎng)中多臺(tái)逆變器同時(shí)參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)時(shí)，容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。
本文所研究的微電網(wǎng)特指所有分布式電源均通過逆變器并入電網(wǎng)，通過對(duì)逆變器系統(tǒng)進(jìn)行公式推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷母線電壓的幅值影響有功功率平衡，而d軸與q軸電壓的比值影響無(wú)功功率平衡。
根據(jù)此關(guān)系，提出了一種基于電壓的下垂控制方法，該方法將逆變器系統(tǒng)頻率固定在50Hz，根據(jù)電壓幅值-有功下垂曲線以及電壓比值-無(wú)功下垂曲線得到有功以及無(wú)功的參考值，再通過PQ控制使得逆變器發(fā)出設(shè)定的功率，完成有功及無(wú)功負(fù)荷在各逆變器之間的合理分配。
該下垂控制策略突破了傳統(tǒng)下垂控制中必須將頻率引入控制中的限制，通過PSCAD/EMTDC仿真軟件進(jìn)行建模與仿真，驗(yàn)證了所提出控制策略的有效性。
圖5 下垂控制總體結(jié)構(gòu)
結(jié)論
本文提出了一種基于公共母線電壓的下垂控制策略。首先針對(duì)一個(gè)典型的帶LC濾波器孤立運(yùn)行的逆變器，推導(dǎo)出了負(fù)荷電壓幅值反映有功功率平衡，負(fù)荷電壓d軸、q軸的比值反映無(wú)功功率平衡的結(jié)論;然后根據(jù)這一關(guān)系進(jìn)行了微電網(wǎng)分布式電源下垂控制策略的設(shè)計(jì)。由下垂控制方程得到逆變器的有功、無(wú)功參考值后對(duì)逆變器進(jìn)行PQ控制，使其發(fā)出的有功及無(wú)功跟蹤參考值;最后以一個(gè)含兩臺(tái)逆變器的微電網(wǎng)系統(tǒng)為例進(jìn)行了仿真，通過穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及負(fù)荷投切時(shí)的仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出控制策略的有效性。
該下垂控制策略突破了傳統(tǒng)下垂控制中必須將頻率引入控制中的限制，能夠保證微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電壓頻率的穩(wěn)定以及按照逆變器各自的容量大小來(lái)進(jìn)行負(fù)荷的合理分配。
原標(biāo)題:基于公共母線電壓的微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行下垂控制策略
