多微源配电线路对等控制策略研究∗

王 茜 原亚宁 王春梅 李怡萌

（国网冀北电力有限公司技能培训中心 保定 071000）

多微源配电线路对等控制策略研究∗

王 茜 原亚宁 王春梅 李怡萌

（国网冀北电力有限公司技能培训中心 保定 071000）

在含多微源的配电线路系统中，对等控制是使各微源有效协调、系统安全稳定运行的控制策略之一。在对等控制策略中，各微源均采用下垂控制方法。针对传统的下垂控制存在输出阻抗性质与配电线路不符和线路阻抗不平衡影响功率合理分配的问题，提出引入了线路阻抗压降补偿反馈的反下垂控制方法。在PSCAD/EMTDC平台上搭建含有六个具体微源的配电线路系统进行多种工况的仿真分析，仿真结果验证了所提控制方法的正确性并反映了对等控制策略在孤岛/并网模式下的运行机制及其特点。

配电线路；对等控制；反下垂控制；线路阻抗；功率分配

1 引言

配电线路的控制，是配电线路的关键技术之一，也是配电线路研究的基础和重心［1～2］。有效协调的控制可使配电线路在各运行模式下安全可靠运行，并能保持系统的稳定性［3～4］。根据整体控制策略的不同，目前主要分为对等控制、主从控制、基于多代理技术的控制和基于功率管理的控制四种。本文将要研究的是对等控制策略。

所谓对等控制，顾名思义，各微源（DG）不分主从，具有相同的控制地位［5］。每个微源都能依靠接入电网系统点的就地信息执行控制，无需依赖通信设备。各微源通常采用下垂控制（droop control）方法，能自动分担负荷和能源的随机波动，在配电线路运行模式切换时也无需更换控制方法，实现“即插即用”的功能［6］。传统的下垂控制方法，利用有功-频率（P-f）特性曲线和无功-电压（Q-V）特性曲线来模拟大电网中同步电机的外特性［7］，让微源根据各自的下垂曲线调整输出电压的幅值和频率，从而实现功率的合理分配。对于多微源配电线路，传统的下垂控制存在一定的不足，不能直接采用［8］。首先，传统下垂特性是基于高压输电线路阻抗以感性为主的假设条件提出的，而配电线路中线路阻抗主要呈阻性［9］。另外，由于微源的位置具有分散性，线路阻抗存在差异，会产生不同压降，从而影响功率的按容分配［10］。

本文采用适用于配电线路的反下垂控制作为对等控制策略的控制方法。该方法利用了线路阻抗呈阻性时有功-电压（P-V）和无功-频率（Q-f）的下垂特性，与传统下垂控制十分类似，易于实施，且具有损耗小、频率变化小等优势。在反下垂控制的基础上，通过引入线路阻抗压降的补偿反馈来修改逆变器的参考电压，从而消除线路阻抗不平衡带来的影响。并在PSCAD/EMTDC平台上搭建具体的配电线路系统，通过对各种工况的仿真分析，验证所提控制方法的有效性并研究对等控制策略的实现原理及其特点。

2 反下垂控制方法

2.1 反下垂控制原理

图1 多微源并联运行等效电路图

多微源并联运行等效电路如图1所示，其中微源逆变器可等效为带内阻的电压源，Vi和φi为逆变器输出电压的幅值和相角；将微源的等效输出阻抗和微源与PCC点间的线路阻抗合并为等效阻抗Zi∠θi

［11］；VPCC和 φL为PCC电压的幅值和相角，它与逆变器输出电压的相位差为φ=φi-φL；Pi和Qi为各微源注入到PCC处的有功功率和无功功率，其表达式为

配电线路中线路阻抗主要呈阻性，即Zi≈Ri，θi=0°。相位差 φ通常较小，即有 sinφ≈φ，cosφ≈1的近似［12］。因此，式（1）可简化为如下

由式（2）的关系可知，微源可通过调节电压幅值Vi来调节有功功率Pi，通过调节电压相角φ来调节无功功率Qi，从而实现功率的解耦控制［13］。这种解耦控制方式与传统的P-φ/Q-V下垂控制恰好相反，所以称为反下垂控制［14］。另外，由于相角φ不易于测量与控制，通常使用频率 f来调节无功功率（因为 f=dφ/(2π⋅dt)）。因此，反下垂控制方程可表示为式（3），其中 fi*、Vi*、Pi*和Q*i分别为微源的额定频率、额定电压幅值、额定有功和无功功率；kpi和kqi分别为有功-幅值下垂系数和无功-频率下垂系数。

对于反下垂控制方程式（3），当每个微源设定相同的 fi*、Vi*、kqi⋅Q*i值和 kpi⋅Pi*值时，由于系统稳定后各逆变器工作频率 fi一致，所以有kqi⋅Qi=const，于是可实现式（4），即实现无功功率的按容分配：

但是由于微源到PCC的距离各不相同，即线路阻抗（用Rli+jXli表示）所产生的电压降∆V不平衡，所以系统稳定后各逆变器的输出电压Vi不尽相同，导致有功功率无法实现精准的按容分配［15］。为了解决这一问题，需要对反下垂控制进行改进，添加线路阻抗压降的补偿反馈环节。

2.2 反下垂控制器结构

改进后的反下垂控制框图如图2所示。就地采集各微源的输出电压、电流信号（uout，abc和iout，abc），计算得到实际输出功率 Pi和 Qi，代入到反下垂控制方程式（3）中并引入线路阻抗压降的补偿反馈得到电压和频率的参考值，转变为对输出电压和工作频率的控制。所以反下垂控制在本质上也算是一种V f 控制［16］。

线路阻抗压降的补偿反馈环节中，通过PI控制器调节可得式（5），从而实现有功功率的按容分配，解决了线路阻抗不平衡带来的有功功率分配问题。

图2 添加补偿反馈的反下垂控制框图

其中，VPCC并非就地可采集信号，但它可以通过VPCC=Vi-∆V求得。∆V为线路阻抗所产生的电压降，忽略其纵分量(PiXli-QiRli)/P*i（其值通常很小），可用其横分量表示：

3 多微源微网系统参数

3.1 配电线路参数

对于配电线路控制策略的仿真研究，一般会用两个逆变电源等效具体的微源，且逆变电源的容量通常选取相同值。这样的仿真系统过于理想简单化，与实际不太相符。在实际的应用中，配电线路系统包含多个种类不同、容量各异的微源，微源之间的控制需要相互协调才能使系统整体运行稳定。所以本文搭建了一个含六个微源且容量各异的配电线路系统。系统中的各项参数见表1。

表1 配电线路系统模型参数

3.2 微源控制参数

本文选取了具有能源间歇性的光伏发电装置和能源较为稳定的蓄电池作为微源。各微源均采用双级式并网方式，光伏电池连接的DC/DC变换器采用MPPT控制方法［17］，蓄电池连接的DC/DC变换器采用恒压控制方法［18］。又因为我们要研究的是对等控制策略，所以全部微源的DC/AC逆变器在孤岛/并网运行模式下均采用所提的反下垂控制方法。为了验证所提控制方法能够解决线路阻抗不平衡带来的功率分配问题，各微源与PCC之间的线长取不同值。反下垂控制所需设定的具体参数见表2。

表2 各个微源的Droop控制设定参数

4 仿真与分析

在PSCAD/EMTDC平台上搭建如图4所示的多微源配电线路系统，通过在多种工况下的仿真分析，验证所提反下垂控制方法的有效性并研究对等控制策略的实现原理和特点。仿真步长为20μs。需要说明的是，每种工况/条件下光伏微源所需承担的负荷功率均未超过其最大输出功率。

4.1 孤岛模式下负荷变化的仿真

孤岛模式下配电线路从大电网中断离，配电线路独立运行，需由配电线路内的微源跟踪负荷的变化自动参与输出功率的分配，提供电压和频率的支撑。仿真过程如下：0～2s内只有负荷LOAD1和LOAD2投入运行，2s时添加负荷LOAD3，3s时切除负荷LOAD3，总仿真时长为4s。仿真结果如图3～图5所示。

图3 各微源输出功率

图4 PCC处工作频率

图5 PCC处电压幅值

如图5所示，微源共同承担负荷的变化，其有功功率和无功功率均能按所设定的容量比例4∶5∶6∶7∶8∶9输出，不受线路长度不平衡的影响。如图5、图6所示，频率、电压幅值与负荷功率之间的变化规律符合反下垂控制方程（式（3）），负荷功率增加时频率有所上升而电压幅值有所下降，负荷减少时情况相反。频率和电压幅值的变化范围较小，满足电能质量的要求。仿真结果说明了该反下垂控制方法的有效性，反映了孤岛模式下对等控制策略能跟随负荷变化自动按容分配输出功率且能稳定控制电压和频率的特点。

4.2 孤岛模式下微源退出的仿真

当光伏微源受到外界因素影响无法正常工作时和蓄电池放电完全后，都需要从配电线路中退出以防影响整体运行。研究该工况下对等控制策略的运行情况即为以下仿真内容。仿真过程如下：0～2s内六个微源全部投入运行，2s时蓄电池BT1微源退出，3s时光伏电池PV2微源退出，总仿真时长为4s。仿真结果如图6～图8所示。

图8可知，当有微源退出时，它本该承担的功率部分会分摊到剩余微源上，剩余微源按原设定容量比例重新分配输出功率。由图9、图10可知频率、电压幅值与负荷功率之间的变化规律仍符合反下垂控制方程，频率和电压幅值的变化范围仍满足电能质量的要求。仿真结果表明对等控制策略允许微源的中途退出而不影响整体的正常运行。同理，微源的中途投入也不会影响对等控制的继续运行（涉及到同步处理技术）。反映了对等控制策略具有“即插即用”的功能。

图6 各微源输出功率

图7 PCC处工作频率

图8 PCC处电压幅值

4.3 并网模式下的仿真

并网模式下大电网提供电压和频率的支撑，承担系统的功率变化；配电线路作为辅助单元，通过协调控制所辖微源满足一定的供电需求。为了方便研究，此处将负荷变化、微源退出和光强变化放在同一并网仿真过程中：0～1s为并网前的预处理，1s时并网。0～2.5s内光照强度为1000W/m2、负荷LOAD1和LOAD2投入运行，2.5s时光照强度降低为800W/m2，3s时添加负荷LOAD3，4s时切除负荷LOAD3，4.5s时切除蓄电池BT1和光伏电池PV2，总仿真时长为5.5s。仿真结果如图9～图10所示。

图9 各微源输出功率

图10 大电网输出功率

图11 结果表明，除了退出的微源输出功率降为零外，其他微源在并网运行模式下均工作在额定功率附近，不受光照强度和负荷变化的影响。图12结果表明，当配电线路输出功率满足负荷需求时大电网输出功率为零，而负荷变化和微源退出引起的功率波动均由大电网承担。仿真结果表明对等控制策略在并网模式下能保证各微源的输出功率按给定运行计划（设定的额定功率）进行，分担一定的功率输出，超出计划的部分才由大电网承担，减轻了大电网的功率负担。

5 结语

采用引入了线路阻抗压降补偿反馈的反下垂控制方法，对等控制策略能在多微源配电线路系统中正常运行：孤岛模式下能跟随负荷变化对输出功率进行按容分配，同时保证电压和频率的稳定控制。并网模式下能保证各微源按计划功率输出，减轻大电网的功率负担。对微源具有即插即用的优点，但也有能源利用率较低的缺点。反下垂控制是一种有差控制方法，仍需要二次及以上调压调频来实现电压和频率的稳定，这是进一步的研究任务。另外，还需要对该控制方法进行改进并加入蓄电池的充放电管理以提高能源的利用率。

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Research on Peer to Peer Control Strategy for Multiple Micro Source Distribution Lines

WANG QianYUAN YaningWANG ChunmeiLI Yimeng
（State Grid Jibei Electric Power Company Limited Skills Training Center，Baoding 071000）

In a distribution line system with multiple micro sources，peer to peer control is one of the control strategies to make the micro source coordinate effectively and the system run safely and stably.In the peer to peer control strategy，the droop control method is adopted for each micro source.In view of the traditional droop control of output impedance properties and distribution lines do not accord with the line impedance unbalances reasonable distribution of influence power，introduced a method to control the line anti sagging impedance voltage drop compensation feedback.Simulation analysis of distribution line system containing six specific micro sources built on the PSCAD/EMTDC platform for a variety of conditions，the simulation results verify the correctness of the proposed control method and the equivalent control strategy in grid connected mode/island operation mechanism and its characteristics.

distribution line，peer to peer control，inverse droop control，line impedance，power allocation

TN76

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.10.013

Class Number TN76

2017年4月10日，

2017年5月20日

国家自然科学基金项目（编号：51607042）资助。

王茜，女，硕士，助教，研究方向：电力系统分析与控制。原亚宁，男，硕士，助教，研究方向：新能源发电与微电网技术。王春梅，女，硕士，助教，研究方向：电力电子与电力传动。李怡萌，女，硕士，助教，研究方向：电力系统故障诊断，电力电子控制技术。