微网孤岛运行模式下的改进下垂控制方法研究

颜湘武，王星海，王月茹

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)



微网孤岛运行模式下的改进下垂控制方法研究

颜湘武，王星海，王月茹

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

受线路阻抗参数影响，传统的功率下垂控制难以保证并联微源输出的无功功率按其容量比合理分配。针对这一问题，提出了一种用于微网孤岛运行时的改进功率下垂控制策略，公共母线处的中央控制器向各并联微源的本地控制器发送无功功率给定值信号，通过积分器调节后实现下垂特性曲线的平移，保证并联微源输出的无功功率可以合理分配。此外，在无功-电压下垂策略中增加了公共母线电压有效值的反馈控制，保证了该处稳态电压为额定值；同时，在有功-频率下垂策略中通过减小下垂增益保证了系统稳态频率偏离额定值很小，加入了有功功率的微分环节，保证了下垂增益较小时系统仍然具有较好的动态性能。仿真结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

微网；下垂控制；孤岛运行；无功功率分配

0　引　言

近年来，分布式发电(Distributed Generation, DG)技术引起了国内外学者的广泛关注[1-3],包含不同能源形式的DG组成的微电网系统成为了国内外研究的热点问题。微网存在2种典型的运行模式：联网模式与孤岛模式[4-5],正常情况下，微网与主电网并联运行，当大电网故障或电能质量不能满足本地要求时，微网可切换为孤岛运行模式，增强了系统的灵活性，改善了电网的可靠性与安全性[6-7]。

微网运行于孤岛模式时，大多采用下垂控制策略，其结构简单，通过功率与系统频率、电压之间的对应关系实现负荷功率在各DG间的合理分配[8],并可以有效地支撑系统的频率和电压[9]。但并联微源按容量比例分担负荷功率的条件是等效输出阻抗与容量成反比[10]，实际中这一条件很难满足。文献[11]指出通过增大下垂增益可以减小无功偏差，但不能完全消除偏差，且会导致公共耦合点(Point of Common Coupling, PCC)电压的跌落。文献[12-13]通过加入虚拟阻抗以达到改善无功功率分配的目的，但引入较大的虚拟阻抗会影响PCC的电压质量[14]。文献[15]提出通过补偿微源等效输出阻抗与线路阻抗压降的方式来提高无功功率分配精度，同时提高母线电压质量，但其补偿效果依赖于阻抗测量精度。文献[16]提出了变下垂系数的方法，选取与功率相关的一次函数作为下垂系数，以提高功率分配精度，但该方法只能改善功率分配情况，并不能实现微源输出功率按容量成比例的精确分配。

针对并联微源输出功率的分配问题，本文以等效输出阻抗呈感性为例，提出了一种适用于微网孤岛运行时保障微源合理承担负荷功率的改进下垂控制策略，PCC处的中央控制器通过低带宽通信方式向各DG的本地控制器发送无功功率给定值，通过积分器的调节移动下垂特性曲线，进而实现孤岛模式下负荷功率的合理分配。此外，在保证无功功率合理分配的基础上，对下垂控制器作了进一步的改进，保证PCC处的稳态电压和系统频率为额定值或者偏离额定值很小，提高了公共母线处的电压和系统的频率质量。

1　下垂控制原理

两台逆变器并联简化模型如图1所示，由于本文逆变器的电压环控制选取了准比例谐振控制器，其稳态误差小[17]，故逆变器的输出阻抗忽略不计。规定PCC的电压为V∠0°，微源i的电压为Ei∠δi，微源i通过线路阻抗Zi=Ri+jXi连接到PCC处，并联系统的公共负荷为ZL=RL+jXL，Pi、Qi分别为微源i输出的有功和无功功率，其中(i=1,2)。

图1　并联逆变器简化模型Fig.1　Simplified model of parallel inverters

逆变器i的输出功率为

(1)

低压微网线路阻抗一般呈阻性，但通过增加虚拟电抗可以使等效输出阻抗呈感性，且以逆变器为接口的微源采用有功-频率、无功-电压的下垂控制方法更易于与旋转电机接口的微源实现负荷功率的分配[10],本文以等效输出阻抗呈感性为例进行分析。通常认为功率角不大，可以近似为sinδi≈δi、cosδi≈1，式(1)可以简化为

(2)

由式(2)可知，逆变器输出的有功功率可以通过相角δi调节，无功功率可以通过电压差Ei-V调节，传统的下垂控制方程式为

(3)

式中：f*和E*分别为逆变器空载条件下输出电压的频率和有效值；fi、Ei分别为逆变器输出电压的频率和有效值给定；mi、ni分别为有功-频率、无功-电压的下垂增益。

有功功率可以实现按逆变器容量比分配的原因是频率为全局变量，但对于电压而言，PCC处的电压是相同的，如果等效输出阻抗不满足与容量成反比的条件，则逆变器的输出电压不相同，进而造成无功功率不能按比例分配。

以同容量微源并联为例，图2给出了等效输出阻抗不匹配条件下的并联微源无功功率分配情况，根据文献[11]可知：当X1>X2时，微源输出的无功满足Q1

图2　阻抗不匹配时并联微源的无功分配情况Fig.2　Reactive power sharing of parallel micro-sources with mismatched impedance

显然，对同容量微源并联而言，如果采用相同的下垂特性曲线，当线路阻抗不等时，无功功率无法均分。同理，对于不同容量的微源并联，线路阻抗不满足与容量成反比时，无功功率也无法按容量比分配。

2　改进的功率下垂控制器设计

2.1功率分配控制策略

以同容量微源并联而言，针对线路阻抗不等时造成的无功不能均分问题，本文提出了一种自适应下垂控制策略，根据输出功率自动平移下垂特性曲线实现无功的均分，下垂控制方程式为

(4)

自适应无功分配下垂控制框图如图3所示。

图3　自适应无功分配下垂控制框图Fig.3　Control block of adaptive droop control for reactive power allocation

其中，kii为自适应控制策略中增加的积分器的系数，Qrefi为微源i的无功功率给定值，由PCC处的中央控制器通过低带宽通信方式发送给各微源的本地控制器，对于此处讨论的同容量微源并联而言，Qrefi应为并联微源输出无功的平均值。

通过式(4)可知，稳态时积分器的输入为零，故Qrefi=Qi成立，即无功功率可以实现均分，而自适应控制策略中增加的积分器的输出相当于调整了无功-电压下垂曲线的截距，即实现了下垂曲线的自适应平移，从而达到了无功均分的目的。图4给出了自适应控制策略在线路阻抗不匹配情况下的无功功率分配情况。

图4　自适应下垂控制无功分配情况Fig.4　Reactive power sharing of adaptive droop control

对于不同容量的微源并联，只需中央控制器根据微源的容量比对Qrefi作出合理的分配即可实现无功的比例分配。

2.2提高电压与频率质量的控制策略

下垂控制本身是一种有差调节，当负荷变化时，逆变器输出的电压和频率会随着功率的变化而变化，与额定值之间可能存在一定的偏差，影响了电压和频率质量，以下就该问题对控制器作了进一步改进以提高电压和频率质量。

2.2.1无功-电压控制器设计

对于没有本地负荷的并联微源而言，PCC处的电压质量至关重要。为了提高PCC处的电压质量，在无功-电压下垂控制方程式中增加了PCC电压有效值的反馈控制，改进后的下垂控制方程式为

(5)

式中：Dpi、Dii为PCC电压有效值闭环PI控制器的系数；VN为PCC电压的额定有效值。由式(5)容易看出，稳态时V=VN成立，即PCC电压为额定值，且不会影响无功功率的分配。

由于2.1节提出的无功分配方法与本节所提出的提高PCC电压质量的方法均使用了积分控制，而当微网启动或者负荷突变时，积分器的输入即偏差往往较大，容易引起积分饱和，降低系统的稳定性，因此本文采用了积分分离法[18]来消除积分饱和。改进的无功-电压控制框图如图5所示。

图5　改进无功-电压控制框图Fig.5　Improved reactive power-voltage control block

图5中，对积分与比例积分控制器的输出均进行了限幅控制，以保证逆变器的输出电压在其允许范围内；εQi、εVi为设定的阈值，HQi、HVi的取值分别如式(6)、(7)所示：

(6)

(7)

HQi、HVi的取值保证了偏差较大时积分器不起作用，从而有效地消除了积分饱和现象。

2.2.2有功-频率控制器设计

频率为系统的全局变量，因而有功功率可以保证按容量比分配，通过将有功-频率控制的下垂增益减小，可以减小稳态频率与其额定值的偏差，提高系统频率质量。但当下垂增益太小时，系统的动态响应速度太慢，因此在减小下垂增益的同时，加入了有功功率的微分项，以提高动态响应速度。改进后的下垂控制方程式为

(8)

式中：mdi为有功功率微分项的系数。理想情况下，稳态时有功的微分项为零，故改进策略不影响有功功率的分配。

实际中系统会长期受到微小扰动的影响，因此即使在稳态情况下，有功功率的微分也不一定为零，进而可能导致频率的频繁波动，并且影响有功功率分配精度。因此，本文加入了死区环节，使得有功功率受小扰动影响而变化时，微分项不起作用，避免了频率的频繁波动，保证了有功功率可以合理分配。同时，为了保证系统在动态过渡过程中，频率不会出现较大地波动，对微分项进行了限幅，从而提高了系统的稳定性。改进的有功-频率控制框图如图6所示。

图6　改进有功-频率控制框图Fig.6　Improved active power-frequency control block

3　仿真验证

为了验证本文所提控制策略的有效性和正确性，选取了两台容量比分别为1∶1和2∶1的逆变器并联搭建了仿真模型，仿真参数和结果如下。

3.1算例1

表1　传统下垂控制仿真参数

表2　改进下垂控制仿真参数

其中，表1、表2中下垂增益为标幺值形式给定。

图7给出了仿真结果，由(a)、(b)可以看出，t=0～0.5 s时，系统稳定后的有功功率可以均分，但无功功率不均分；t=0.5 s以后，采用了本文提出的改进控制策略，稳态时逆变器输出的有功和无功功率都可以均分；且t=1 s时，负荷突增，经过短暂的过渡过程后，功率重新实现了均分，虽然改进控制策略中的仿真参数将有功-频率下垂增益减小到原来的1/10，但由于增加了有功的微分项，因此系统的动态性能并没有受到太大影响。故改进的控制策略不仅稳态功率分配精度高，而且具有较快的动态响应速度。

对于电压和频率质量方面，由图7(c)、(d)可以看出，t=0～0.5 s时采用的是传统下垂控制，系统频率和PCC电压有效值均较大程度地偏离其额定值；而t=0.5 s以后，经过改进控制策略的调节，PCC电压与系统频率均逐渐恢复到其额定值或与额定值偏离很小；且t=1 s负荷突增后，电压与频率发生了短时跌落，经过控制器调节后又迅速恢复到额定值或者额定值附近。因此，改进控制策略在保证稳态功率分配精度的前提下，可以有效地提高公共耦合点电压与系统频率质量。

图7　同容量微源并联仿真结果Fig.7　Simulation results of parallel micro-sources with the same capacity

3.2算例2

为了进一步验证本文提出的控制策略同样适用于不同容量微源并联的功率分配问题，该算例选取了容量比为2∶1的两台逆变器并联，进行了仿真验证。

该算例中保持下垂增益与算例1相同，由于采用了标幺值给定，只需将DG1的额定功率改为20 kW、8 kVar，即可实现两台微源下垂增益的有名值满足1∶2的关系，即下垂增益设置上与微源容量成反比。

图8(a)、(b)中，t=0.5 s前有功满足2∶1的关系，但无功不满足，t=0.5 s后，采用了改进控制策略，有功和无功都实现了按容量比2∶1分配，且t=1 s时负荷突增，功率很快重新实现了比例分配，说明系统有很好的动态性能。

图8　不同容量微源并联仿真结果Fig.8　Simulation results of parallel micro-sources with different capacities

图8(c)、(d)中，t=0.5 s前，PCC电压与系统频率相比额定值均有较大偏差，t=0.5 s后，经过改进控制策略的调节，PCC电压与系统频率均恢复到额定值或其附近，且在t=1 s时，电压与频率由于负荷突增都有一定程度的跌落，但很快又得以恢复。

本文所提出的改进控制策略在不同容量微源并联时，也能实现稳态无功功率按容量比例分配，且系统动态性能好，PCC电压与系统频率稳态时可以保持在其额定值或者与额定值偏差很小。

4　结　论

本文以线路阻抗呈感性为例，在分析了传统下垂控制无法保证无功功率按微源容量比例分配的基础上，提出了一种用于微网孤岛运行模式下无功功率合理分配的改进下垂控制策略。该控制策略通过中央控制器向各DG发送无功功率给定值，各DG通过积分器的作用自适应平移无功-电压下垂特性曲线，从而达到无功功率合理分配的目的。此外，通过进一步改进下垂控制器，保证了系统稳态电压与频率为其额定值或与额定值偏差很小，且系统依然具有良好的动态性能。仿真结果验证了本文所提出的控制策略可以实现无功功率的合理分配，具有良好的稳态和动态性能，并且提高了系统电压和频率质量。

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Research on Improved Droop Control Method for Islanding Operating Mode in Micro-grid

YAN Xiangwu, WANG Xinghai, WANG Yueru

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Affected by line impedance, traditional power droop control cannot ensure that the output reactive power of parallel micro-sources could be reasonably allocated according to its respective capacity. In order to deal with this problem, an improved power droop control strategy for islanding operating in micro-grid is proposed. The central controller of the common bus transmits the given reactive power signals to the local controllers of parallel micro-sources. Through the regulation of integral controller, the droop characteristic curve could be moved evenly and automatically to ensure that the output reactive power of parallel micro-sources can be allocated reasonably. In addition, the feedback control of voltage root-mean-square of the common bus is added to the reactive power-voltage droop strategy, which guarantees the steady-state voltage could be of its rated value. Besides, through reducing the droop coefficient in the active power-frequency droop strategy, the system frequency deviation from its rated value could be very small. A differential link of the active power is added to improve the dynamic performance of the system when the active power-frequency droop coefficient is small. Simulation results have verified the correctness and effectiveness of the proposed control strategy.

micro-grid; droop control; islanding operation; reactive power distribution

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.04.01

2015-11-22.

国家高技术研究发展计划(863计划)(2015AA050603)；河北省自然科学基金项目(E2015502046)；国家电网公司科学技术项目(SGTYHT/14-JS-188).

颜湘武(1965-)，男，教授，博士生导师，研究方向为新能源电力系统与微网技术、现代电力变换；王星海(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为新能源电力系统与微网技术；王月茹(1991-)，女，硕士研究生，研究方向为新能源电力系统与微网技术。

TM761

A

1007-2691(2016)04-0001-07