基于电压源变流器下垂控制的微电网分层控制

邢益俊

（海南电网有限责任公司建设分公司 海口 570203）

基于电压源变流器下垂控制的微电网分层控制

邢益俊

（海南电网有限责任公司建设分公司 海口 570203）

为了解决微电网基于下垂策略的控制问题，本文提出了一种多时间尺度的微电网分层控制策略。分为两层控制策略进行分析，并在PSCAD/EMTDC仿真软件中对控制策略进行了验证。

1 引言

随着分布式能源的发展，微电网受到了广泛的关注[1]。为了解决微电网中采用VSC下垂控制所存在的问题，本文提出了一种多时间尺度的微电网分层控制策略。并在PSCAD/EMTDC仿真软件中对控制策略进行了验证。

2 微电网多时间尺度分层控制策略

本文提出了一种多时间尺度的微电网分层控制策略。

2.1 小时级（第三层）

在小时级时间尺度上，主要包括优化发电调度和实时发电功率调整。在优化发电调度阶段，基于新能源出力预测和负荷预测，计算得到额定电压和额定频率下的额定功率。

2.2 分钟级（第二层）

由于大负荷波动而引起的微电网电压和频率偏差超过允许的范围，通过调整下垂曲线的空载电压和频率的定值，保证电能质量。此外，在此层还实现了联络线功率流的控制、微电网并网到孤岛切换的过渡控制。

2.3 秒级（第一层）

通过微源的下垂增益，实现下垂控制过程中准确的功率分配。该层控制策略由微源控制器完成，在段时间内实现负荷功率的平衡。

3 微电网第一层控制

3.1 第一层控制

本文采用下垂控制与虚拟阻抗技术结合的控制策略。

设mi＞0，ni＞0，变流器下垂控制可以描述为：

式中：wi_ref、Ei_ref分别为变流器频率和电压的参考值；wi*、Ei*分别为系统的额定频率和电压；Pi*、Qi*分别为第三级控制策略中微源的额定有功功率和额定无功功率；mi、ni分别为有功和无功的下垂增益；Pi、Qi为微源实时有功功率和实时无功功率。

当通过第三级的功率分配比例来确定下垂增益时，需要满足式（2）：

根据式（1），当Pi=0，Qi=0时，空载频率和电压分别为：

根据式（3），微源空载时的频率和电压定值都是一样的，并且在第一层控制中不变。下垂特性仅由空载频率和下垂增益决定，可以描述为：

3.2 功率分配

当系统处于稳定状态时，系统中所有微源的运行频率都相同：

根据式（1）和式（2），可以得到：

通过以上分析，采用传统的下垂控制策略，可以简单的实现功率分配。

同理，对于无功功率有：

同时，需要满足式（8）：

由于输出阻抗的非线性和负荷分配的不平衡，难以满足等式（8）的条件，从而导致电压偏差。为了避免这种现象，本文采用了大下垂增益，能有效的控制功率分配误差在允许的范围内。

4 微电网第二层控制

4.1 二次调频调压控制

本文在第二层控制中考虑了二次调频和调压控制。二次调频调压可以描述为：

其中，频率和电压的调节量Δwi*、ΔEi*可以通过式（10）计算得到。

其中，Pi（p.u.）、Qi（p.u.）分别为有功功率和无功功率的标幺值。

通过二次调频调压，可以将系统的频率和电压稳定在额定电压附件。

4.2 无缝切换的过渡控制

由于在并网和离网运行时都采用了下垂控制策略，当微电网从离网模式向并网模式切换时，需要实现同步控制。

在实现同步控制时，需要分别采集PCC点的主网电压和微电网电压，并且通过通信系统传送给控制器。同步控制过程可以描述为：

式中：θg、θm分别为主网和微电网电压相角；Eg、Em分别为主网和微电网电压幅值。

5 算例分析

本文在PSCAD/EMTDC仿真软件中对所提出的算法进行了仿真验证。

5.1 算例一

在0-3S，分布式电源DR1和DR2分别带负荷Load1和Load2启动；5S时刻，DR2与DR1同步运行；6～8S，DR1和DR2运行在传统下垂控制模式；12S时刻，Load4接入系统运行；20S时刻，DR1和DR2的无功电压下垂增益从分别从0.8、0.4调节至4、2。仿真时长30S，仿真步长50uS。

当DR1和DR2采用传统下垂控制策略并行运行时，有功功率分配由有功下垂增益决定。在20S之前，由于线路压降不一致，无功功率存在明显的偏差，并且DR1负载端的无功功率大于DR2负载端的无功功率。很小的线路阻抗偏差很容易引起变流器过流。20S之后，由于采用了大下垂增益控制策略，无功功率偏差得到了良好的抑制。

5.2 算例二

在案例二中，0-12S时段的运行状态与案例一中一致。12S时刻，Load4投入运行；17S时刻，Load5投入运行；23S时刻，启用二次电压控制策略，并且将空载时下垂特性电压从321V调节至365V。随着无功负荷的增加，系统电压从0.95p.u.将至0.85p.u.，超出了运行允许范围。通过二次电压控制后，系统电压回升至0.94p.u.，提高了电能质量。DR1和DR2的功率分配保持不变。由于在仿真实验中采用了纯阻抗负荷，无功负荷随着系统电压的增加而增加，从而导致系统电压不能回归额定值。

5.3 算例三

在0-15S期间，微网运行在孤网模式。16S和18S时刻，顺序启动了DR1和DR2的电压幅值和电压相位的自动同步控制。本文提出的自同步控制策略能够在0.5S内实现两个系统的状态同步。

6 结论

为了解决微电网基于VSC下垂控制中出现的问题，本文提出了一种分层控制策略，并且在PSCAD/EMTDC仿真环境中进行了验证。本文提出的控制策略有两个优点：

（1）该控制策略能够提高系统功率比例分配精度，保证电能质量。能够实现系统并网到离网的无缝切换。

（2）该控制策略能够与微电网能量管理系统和经济调度策略结合，在不同的层次实现控制目标。在微电网运行策略中，不需要改变原有的VSC控制策略，能实现不同运行模式间的平滑切换。

[1]M.C.Chandorkar，D.M.DivanandR.Adapa，“Controlofparallelconnected invertersinstandaloneacsupplysystems，”IEEETrans.IndustrialApplication,vol.29，pp：136～143，Jan.1993.

[2]王成山，高菲，李 鹏，等.低压微网控制策略研究[J].中国电机工程学报，2012，32（25）：2～8.

TM46

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1004-7344（2016）03-0063-02

2016-1-5