孤岛微电网无通信功率均分和电压恢复研究

孙孝峰　郝彦丛　赵　巍　李　昕　王宝诚

（燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室　秦皇岛　066004）

孤岛微电网无通信功率均分和电压恢复研究

孙孝峰郝彦丛赵巍李昕王宝诚

（燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室秦皇岛066004）

首先分析了传统下垂控制在功率均分中的局限性，并提出一种新型下垂控制。该控制策略利用本地脉冲高低电平分别实现电压恢复和功率均分，且只采用DG单元本地信息，不存在各DG单元或控制层面之间的通信，继承了传统下垂控制无通信的优点，保证了微电网“即插即用”。在两台三相逆变器组成的小型微电网上进行了实验研究，证明了理论与方案的正确性。

微电网新型下垂控制功率均分即插即用

0　引言

近年来，微电网以其微型、清洁、友好、自治以及即插即用等特点得到快速发展，它是分布式发电单元、负荷、储能装置、变流器及监控系统的有机结合［1］，有效缓解了当地用电压力，形成了环境友好型发电方式［2］。孤岛微电网各分布式发电单元的功率均分对于保证其可靠、安全及长期稳定运行十分重要，下垂控制可实现DG（Distributed Generation，DG）单元的“即插即用”，因此受到广泛关注。传统下垂控制功率分配的特点决定于两个独立变量:系统频率和基波电压幅值［3-5］。由于系统频率为全局变量，所以受控于系统频率的功率可获得均分；由于各分布式发电单元的线路阻抗不一致，受电压控制的功率存在偏差［6-10］。而传统下垂控制只是提供了一定的功率分配方式，并不能消除功率偏差，实现功率均分。

文献［10-20］在无通信的情况下达到控制目的，但仍有自身的局限性。文献［10-12］添加与无功功率相关的主导虚拟阻抗，从而可忽略线路阻抗不一致性，获得功率均分，该方案增大了电压跌落，降低了DG单元的输出能力。文献［13］提出负值虚拟阻抗的概念，在获得功率均分的同时降低线路阻抗压降，当电流中含有谐波成分时，添加虚拟阻抗势必会引入谐波电压，威胁DG单元的安全运行，此外，虚拟阻抗会影响基波功率的计算准确度［14］。采用中央控制器（Microgrid Central Controller，MGCC）中的次级控制将中央信号通过低带宽通信送入分布式的初级控制，实现功率均分和电压恢复，集中次级控制可靠性差，一旦MGCC或是低带宽通信出现故障，整个微电网系统便无法正常运行［15］。为了克服集中次级控制的缺陷，文献［16］提出了分布式次级控制，在本地进行电压频率补偿和功率均分控制，增强了系统的可靠性，该方案仍需低带宽通信影响微电网的可靠性和即插即用。文献［17］提出了一种小信号注入方式，在获得功率均分的同时减小系统频率的偏差，该方案增加了控制的复杂程度，引起电压畸变。文献［18，19］调节下垂系数获得功率均分，然而下垂系数和系统闭环极点相关，调节下垂系数会影响系统的稳定性。文献［20］定义了虚拟矢量即电压的积分，通过控制虚拟矢量间接控制电压来实现功率均分，这种间接控制降低了系统的响应速度。

本文提出一种无需改变系统阻抗或下垂系数，便可实现无互联线功率均分的方案，该方案控制过程完全无通信，保证了微电网“即插即用”，算法简单，可实现功率均分和电压恢复，弥补了下垂控制电压准确度低的缺陷，保证了DG单元输出电压在额定值附近。

1　传统下垂控制及其功率调整

微电网近似等效为DG单元经过三相接口逆变器并联运行于公共耦合点（Point of Common Coupling，PCC）的结构。低压微电网中，线路阻抗以阻性为主，忽略线路感性成分和负载阻抗网络结构，根据替代定理，等效电路如图1所示。

图1　电压型逆变器与总线等效电路Fig.1　Equivalent circuit of an voltage source inverter connected to bus

低压微电网中有功功率和无功功率传输特性分别为

式中，VPCC和E分别为PCC和DG单元输出电压幅值，V；RL为低压微电网线路阻抗，Ω；δ为输出电压和PCC电压相角差，（°）；P为DG单元输出有功功率，kW；Q为DG单元输出无功功率，kvar。

采用P-V传统下垂控制［3-5］

式中，ω和ωref分别为下垂控制器输出频率和下垂曲线参考点频率，rad/s；E和Eref分别为下垂控制器输出电压幅值和下垂曲线参考点电压幅值，参考点即为额定工作点，V；DQ和DP均为下垂系数。

图2　传统下垂控制Fig.2　Conventional droop control

2　新型下垂控制及功率调整

新型下垂控制方式是指每个采样周期均采用传统下垂控制，该新型下垂控制可在完全没有通信的情况下获得有功功率和无功功率的均分，下面从3方面进行验证。

2.1时序分析

新型下垂控制如式（7）所示，即第n+1个采样周期的空载电压幅值为第n个采样周期的输出电压幅值，用额定电压表示如式（8）所示。

式中，n为第n个采样周期；E0为传统下垂控制时DG单元输出电压幅值，V；P0为传统下垂控制时DG单元输出有功功率，kW。

以微电网中任意两台DG单元（DG1、DG2）为例，输出功率分别为P1、P2，输出电压幅值分别为E1、E2。具体工作过程为:第n个采样周期时，两台DG单元分别运行于稳态（E1n，P1n）和（E2n，P2n），且P1n＞P2n、E1n＜E2n，根据式（7）得

则ΔE1（n+1）＜ΔE2（n+1）＜0，即DG1电压降落大于DG2。由式（1）可得该电压降落对应的功率降落为

则ΔP1（n+1）＜ΔP2（n+1）＜0，即DG1在第n+1个采样周期输出功率降落较DG2大，减小了两者之间的功率偏差，以此类推，如图3为调整过程时序图。

图3　新型下垂控制时序图Fig.3　Timing diagram of innovative droop control

2.2数学解析分析

根据式（1）第n个采样周期输出功率为

由式（8）和式（11）得新型下垂控制下DG单元在第n个采样周期输出有功功率为

定义μn为功率传输比，微电网中任意两台DG单元（DG1，DG2）输出有功功率（P1，P2），则其功率传输比μ1n如式（13）所示，由式（12）和式（13）得功率传输比μ1n如式（14）所示。

以含有C台DG单元的微电网为例，任意编号为DGL（L=1，2，3，…，C），第n个采样周期对应输出功率为PLn，各台DG单元满足式（15）和式（16）。

结合式（15）和式（16）得P1n和P2n，如式（17）和式（18）所示。

以DG1和DG2功率调整为例，图4为P1n、P2n随μ1n变化曲线图。当P1n＞P2n，即μ1n＞1，功率传输比位于虚线右侧，则由递推公式（14）得μn+1＜μn，即功率传输比向左侧移动，由图4可知此时两者功率差减小；反之当P1n＜P2n，即μ1n＜1，功率传输比位于虚线左侧，则由递推公式（14）得μn+1＞μn，即功率传输比向右侧移动，由图4可知，在P1n＞P2n和P1n＜P2n两种情况下，两者功率差均减小，最终到达功率均分点。

图4　有功功率和μ1n之间的关系Fig.4　Relationship between power and μ1n

2.3功率传输和下垂特性分析

式（7）和式（11）分别为第n个采样周期的下垂控制方程和功率传输特性方程，采用下垂控制时，稳态运行点由下垂控制曲线和功率传输特性曲线交点决定。由式（7）得，第n个采样周期下垂曲线的空载电压即为n-1个采样周期的稳态电压，第n个采样周期任意两台DG单元稳定运行于A1n、A2n，第n+1个采样周期下垂控制空载电压即为第n个采样周期稳定运行电压，稳定运行点为B1（n+1）、B2（n+1），由下垂控制曲线和功率传输特性曲线决定的稳态运行点可得，第n+1个采样周期时，输出有功功率偏差小于第n个采样周期，经过若干采样周期，输出功率偏差进一步减小，最终获得功率均分，如图5所示。

图5　新型下垂控制功率调节原理图Fig.5　Schematic digram for power regulation of innovative droop control

3　电压恢复和功率均分的协调作用

下垂控制是以牺牲电压准确度为代价实现功率均分的，为此，引入电压补偿策略，恢复DG输出电压在额定值附近。进行电压补偿的同时要保证功率均分的效果，所以本文采用高频脉冲实现电压补偿和功率均分的协调作用，具体控制方法如式（19）和式（20）所示。

式中，H和L分别表示本地脉冲的高、低电平；EKdconst为第K个脉冲的低电平电压下垂保留值；ΔE（K-1）const为K-1本地脉冲信号高电平时电压补偿的保留值；K为本地脉冲信号的第K个脉冲序列，周期为Tc；n为该控制脉冲下的第n个采样周期，采样周期为Tsample；则有Tc≥Tsample。在本地脉冲信号高电平进行电压补偿，如式（19）所示，由于系统频率为全局变量，所以各DG单元输出无功功率一致，由式（19）得在高电平期间的每个采样周期内，各DG单元电压恢复程度均一致；在低电平期间的电压下垂程度不同以实现功率均分，如式（20）所示，在低电平期间采用新型下垂控制，各DG单元进行不同程度的电压下垂，获得功率均分，时序图如图6所示。

图6　电压恢复和功率均分时序图Fig.6　Timing diagram of voltage restoration and power sharing

其控制结构框图如图7所示，第一部分为传统下垂控制框图；第二部分为无通信的改进下垂控制和电压恢复控制框图；第三部分为控制策略选择器，通过Switch来选择控制策略。

图7　控制结构框图Fig.7　Control structure of this strategy

4　仿真分析

为了验证新型下垂控制及电压恢复的有效性，本文基于3台DG单元的孤岛低压微电网模型进行仿真，其仿真参数如表1所示。仿真过程:0～0.3 s采用传统下垂控制；0.3～1.5 s采用新型下垂控制，其中0.8 s突增负载；1.5～2 s加入电压补偿策略，相关波形如图8所示。

图8a为3台DG单元输出有功功率，其中P1、P2、P3分别为第1、2、3台逆变器输出的有功功率；0～0.3 s传统下垂控制，功率不均分，0.3～1.5 s加入改进下垂控制，输出有功功率均分，随输出电压降低，有功功率降低；其中0.8 s时公共负载突变，输出功率仍然均分。图8b为3台DG单元输出无功功率，Q1、Q2、Q3分别为第1、2、3台逆变器输出的无功功率，可见无功功率始终是均分的，只是在调节过程中由于有功功率和无功功率的耦合存在振荡。图8c为3台DG单元输出电压波形，V1、V2、V3分别为第1、2、3台逆变器在传统下垂控制时的输出电压；V1c、V2c、 V3c分别为第1、2、3台逆变器在电压恢复时的输出电压。由于下垂系数较小，传统下垂控制下，输出电压接近额定值，其幅值分别为308.3 V、309.1 V、309.8 V；改进下垂控制下，由于每个采样周期均采用下垂控制，输出电压降低，偏离额定值；1.5～2 s加入电压恢复，输出电压保持在额定值附近，其幅值分别为309.6 V、309.5 V、310.3 V。

表1　仿真实验参数Tab.1　Simulation and experiment parameters

图8　仿真波形Fig.8　Simulation waveform

5　实验验证

为了进一步验证新型下垂控制的有效性，本文对含有两台并联运行的三相逆变器的微电网平台进行了实验验证，其具体参数如表1所示。

首先对新型下垂控制的功率均分进行验证，如图9a所示，PDG1、PDG2分别为第1、2台逆变器输出有功功率，QDG1、QDG2分别为第1、2台逆变器输出无功功率。0～14 s为传统下垂控制，有功功率存在偏差，无功功率均分，实验中为容性无功功率，故为负值，14～40 s时切换控制模式为新型下垂控制，其中在28.4 s时有功负荷由205.93 W切换至300 W，输出有功功率仍可均分。如图9b所示，VDG1、VDG2分别为第1、2台逆变器输出电压，传统下垂控制第1、2台逆变器输出电压幅值分别为30.6 V、31 V，接近于额定电压，新型下垂控制下，输出电压降落，输出电压幅值分别为25.6 V、26.4 V，从而使得有功功率降低。

电压恢复和功率均分协调控制下，输出功率和电压波形如图10所示。为了说明控制策略的连续性，0～9.6 s采用传统下垂控制，9.6～29.6 s为新型下垂控制方式，29.6～40 s为电压恢复和功率均分协调控制策略。由图10b可得，输出电压在第3阶段恢复到额定值附近，其幅值分别为31.8 V和32.4 V；由图10a可得，在由新型下垂控制切换为电压恢复策略后，由于有本地脉冲控制，在高低电平分别进行电压恢复和功率均分，输出有功功率和无功功率在电压恢复后仍可保持均分。

图9　新型下垂控制实验波形Fig.9　Experiment waveform of innovative droop control

图10　电压恢复下实验波形Fig.10　Experiment waveform of voltage restoration

6　结论

针对传统下垂控制根据各自线路阻抗进行功率分配而不能对功率进行均分调整的问题，本文提出了一种新型下垂控制。在每个采样周期应用下垂控制，按照自身输出有功功率大小调节电压下垂程度，使得输出功率大的DG单元电压降落较大，从而获得功率均分；利用P-V下垂控制输出无功功率均分的特点，对输出电压进行补偿，使其恢复到额定电压附近；采用本地脉冲控制信号触发控制算法，低电平进行不同程度的电压下垂控制，高电平进行相同程度的电压补偿，在实现功率均分的同时维持电压在额定值附近。该方案继承了传统下垂控制无通信的优点，克服了其不能进行功率均分调整的缺点，采用本地信息进行控制，不存在DG单元之间及控制层面之间的通信，保证了微电网“即插即用”，算法简单，可靠性高。

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Research of Power Sharing and Voltage Restoration Without Communication for Islanded Microgrid

Sun XiaofengHao YancongZhao WeiLi XinWang Baocheng
（Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province Yanshan UniversityQinhuangdao066004China）

In this paper the limitation on power sharing of the conventional droop control is discussed.Then an innovative droop control is proposed，which uses the high and low level of a local pulse to achieve voltage restoration and power sharing，respectively.Furthermore，it is implemented only through the local variables without any communication between DG units or hierarchical control layers，which inherits the merit of conventional droop control and preserves the“plug and play”characteristic of microgrids.The experimental is implemented on the small microgrid formed by two parallel-connected three-phase inverters and the results verify the correctness of the theory and control strategy.

Microgrid，innovative droop control，power sharing，plug and play

TM464

国家自然科学基金（51077112）和河北省自然科学基金（2015203407、13211907D-2）资助项目。

2015-01-06改稿日期 2015-11-10

孙孝峰男，1970年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为变流器拓扑及波形控制技术、功率因数校正与有源滤波技术和新能源变换与组网技术。

E-mail:sxf@ysu.edu.cn（通信作者）

郝彦丛女，1990年生，硕士研究生，研究方向为新能源发电、逆变器控制及并联。

E-mail:haoyancong@163.com