基于自适应虚拟阻抗的微电网分布式电源控制

2019-01-07,,,,

上海电力大学学报 2018年6期

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(1.上海电力学院, 上海 200090;2.南瑞集团公司(国网电力科学研究院), 南京 210003)

直流微电网具有各微源协调控制方便、线路成本低且无功功率损耗无等优点,目前已成为微电网重要的发展方向[1-2]。直流微电网中,由于多个分布式发电(Distributed Generation,DG)单元并联连接在公共直流母线上,线路电阻存在且不一致时,会产生环流,从而影响各分布式电源之间的电流分配及系统的稳定,因此不同分布式电源之间的协调控制是微电网稳定运行的关键。其中,不同分布式电源之间的电流分配已成为主要研究问题[3-8]。

下垂控制[9]是一种典型的分布式控制策略。在分布式电源之间负荷电流分配中,传统下垂控制由于线路电阻的影响难以保证其合理分配。文献[3]通过将一个线性补偿项添加到传统的下垂控制器中来达到减小母线电压波动的目的,但为了提高分配精度,需选择较大的下垂系数,此外,文中并没有综合考虑线路电阻的影响。文献[4]在下垂控制中加入虚拟阻抗以减少线路电阻对电流分配的影响,但是所提方案改变了整个系统结构,造成了新的不稳定因素,一定程度上影响了系统的可靠运行。文献[5]为了实现电流分配,在传统下垂控制中添加平均电压和平均电流控制器,但每一个转换器需要根据其他转换器的输出电压和电流值来计算平均值,通信要求较高。文献[6]提出了一种改进的下垂控制来实现负荷功率自动分配,虽采用本地信息,无需依赖通信,具有较高的可靠性,但控制方法过于单一且系统参数变化时易影响控制结果。文献[7]提出了另一种改进的下垂控制,通过调节虚拟阻抗来实现负荷功率分配,并采用二次控制方法补偿电压偏移,但过于依赖于中央控制器,造成操作灵活性不足。文献[8]为了实现各分布式电源间电流的精确分配,采用了不对称分布式电压补偿控制的方法。

针对上述问题,为了消除不匹配的线路电阻和不对称负荷对电流分配的影响,本文提出了一种基于自适应虚拟阻抗的分布式控制策略。该控制策略在传统下垂控制的基础上,结合本地和相邻DG单元输出的电流和初始虚拟阻抗值,根据系统特性自动调节等效输出虚拟阻抗,使接口变流器的虚拟电阻与线路电阻的和逐渐收敛于相同值,以实现电流的动态均衡分配。另外,虚拟阻抗控制中由于线路电阻的影响带来的电压偏移,则通过添加电压控制器利用动态一致性观察法进行补偿。

1 变流器均流策略分析

本文采用的带有分布式负荷的直流微电网,系统结构如图1所示。图1中各DG单元通过相应的变流器连接于公共直流。

图1 带有分布式负荷的直流微电网

图1中,Ui和Ii分别为第i个变流器输出的直流电压和电流;Ri和Iri分别为第i条线路的线路电阻和流过线路电阻的电流;IRi和IR分别为流过局部负载和公共负载的电流;Udc为公共母线电压。

根据电路理论分析,线路直流电流为

(1)

若各变流器输出电压是采用相同的参考值并考虑局部负载电流,则第i个变流器输出的直流电流Ii为

Ii=Iri+IRi

(2)

结合式(1)和式(2)可得

(3)

从式(3)可以看出,线路电阻和不平衡的负载分布都会影响各变流器的输出电流。在理想情况下,所有变流器工作在相同的运行状态。但实际上并非所有的变流器都处于相同的运行状态,因此线路电阻不同或者负荷波动时都会影响电流的分配。

在低压微电网系统中,线路阻抗通常呈现阻性,而微电网孤岛运行时呈低压特性,因此本文系统为阻性,可忽略虚拟电感。本文在微电网的分布式电源变流器中添加虚拟电阻控制回路,使系统呈现阻性,具体如图2所示。图2中,两个简化变换器框图表示两个DG单元带有虚拟电阻并考虑线路电阻的戴维南等效简化模型。

图2 直流微电网中两个简化变换器框图

(4)

式中:Ki=Ri+Rdi,i=1,2。

根据KVL(基尔霍夫电压定律)方程可得

(5)

根据式(4)和式(5)可得各变流器的输出电流为

(6)

(7)

由式(6)和式(7)可得

(8)

对于同样电压等级系统的变流器可近似得

(9)

结合式(8)和式(9)可得输出电流均匀分配的条件是变流器输出总阻抗满足

(10)

由式(10)可以看出,在直流微电网中,只需满足K1=K2,就可实现负载电流均匀分配,即I1=I2。

2 分布式虚拟阻抗控制一致性问题

2.1 分布式控制分析

在微电网控制中,集中控制需要通过中央控制器控制所有DG单元的信息,对通信要求高,一旦某条线路发生通信故障,将无法确定其余DG单元的控制指令,情况严重时会造成系统崩溃,可靠性不高。

本文所提出的分布式控制策略通过一个稀疏的通信网络有向图[10],使得DG单元仅使用本地和相邻单元的信息(局部信息),避免了全局信息的使用,可靠性得到了提高[11-12]。图3为本文采用的分布式通信结构。此结构带有冗余链路稀疏的通信网络有向图。

图3 分布式通信结构

分布式通信结构中,若有n个DG单元,即可表示为v={v1,v2,v3,…,vn}。(vj,vi)为编号为j的DG单元DGj指向编号为i的DG单元DGi有向边,表示DGi能够接收DGj的信息,即DGj是DGi的邻居,所有有向边构成的集合为E。若DGi的所有相邻的有向边集合Ni={j(vj,vi)∈E},即其为DGi的邻居集。对于有向图来说,DGi只能从邻居j∈E中接收信息。图3中,v1,v2,v3,v4分别代表4个DG单元,v={v1,v2,v3,v4},DG2和DG4有向边指向DG1,即DG2和DG4是DG1的邻居,DG1只能从DG2和DG4接受信息,因此DG2和DG4是DG1的邻居集。

2.2 一致性虚拟阻抗分析

在传统下垂控制中,电压电流的耦合关系由于线路电阻的存在而加大,且线路电阻影响电流分配精度,导致电流分配不可控,使得线路电阻大的输出电流小,线路电阻小的输出电流大。

令平均线路电阻

(11)

结合式(10)和式(11)可得

(12)

由式(12)可以看出,不同的虚拟电阻对应不同的线路电阻。本文结合各DG单元输出的电流和线路电阻值,采用一致性算法[13],自适应调节虚拟阻抗。

其迭代格式为

(13)

式中:Ni——所有有向边构成的集合;

xi(u)——u时刻状态;

aij——邻接矩阵A的元素,A=[aij]描述各DG单元间的联系,若有(vj,vi)∈E,aij=1,否则aij=0。

一致性理论是基于局部信息交换的分布式模式,利用一致性算法,通过更新信息状态,各微电源的等效虚拟阻抗值会逐渐收敛于相同值。该算法不但能够提高控制效果,还能提高收敛速度,其流程如图4所示。

图4 一致性算法控制流程

3 控制结构分析

3.1 分布式控制的一致性虚拟阻抗调节

虚拟阻抗法可以提高功率分配[14]。传统的虚拟阻抗控制无法有效解决多个DG单元之间各线路阻抗不一致情况下电流的均匀分配问题。本文采用分布式虚拟阻抗控制,通过一致性算法,以实现DG单元之间电流的均匀分配。

初始虚拟阻抗控制为

(14)

本节设计了分布式控制的一致性自适应虚拟阻抗调节,利用本地DG单元的电流和线路电阻信息进行一致性迭代,再利用相邻单元的信息更新虚拟阻抗值。

在本文中,通过式(13)的一致性算法协调过程,利用动态一致性观察法[15],估计各DG单元承担的虚拟阻抗和电流平均值,其计算公式为

(15)

式中:Ki(u),Ii(u)——u时刻第i个DG单元的虚拟阻抗值和电流值;

Kj(u),Ij(u)——u时刻第j个DG单元的虚拟阻抗值和电流值。

本文将i台DG单元的下垂系数标定为Rd=[Rdc1,Rdc2,Rdc3,…,Rdci]T,将电流分配的控制等效为实现Rd的一致性。Rdci为可变虚拟阻抗,包含了线路电阻和虚拟阻抗,呈阻性。当Rd收敛到相同值时,各变流器的等效输出阻抗相等,从而实现各变流器之间电流均匀分配,实现最终均衡,即

Rdc1=Rdc2=Rdc3=…=Rdci

(16)

I1=I2=I3=…=Ii

(17)

本文中,各DG单元初始虚拟阻抗值相等,仅利用本地和邻居的虚拟阻抗和电流信息调节。另外,负荷迅速变化且等效输出阻抗仍然存在差异时,为了确保电流的均匀分配,在下垂控制中添加电流控制器,进一步调节输出电流,使各DG单元控制中实现相同的电流增量。

综上所述,分布式控制的一致性自适应虚拟阻抗调节为

(18)

式中:R*——虚拟电阻参考值;

Gp(s),Gr(s)——校正阻抗和电流的PI控制调节器。

DG单元利用本地的电流、虚拟电阻,线路电阻信息进行一致性迭代,利用相邻的单元的信息更新等效虚拟阻抗值,即线路电阻小的DG单元自动调节虚拟电阻值相对增大,而线路电阻大的则调节虚拟阻抗值相对减小,使接口变流器的虚拟电阻与线路电阻的和趋于相等,以减小输出电流差值。

3.2 电压调节的分析

电压控制是微电网的另一个控制目标[16]。在传统的下垂控制中,当直流输出电流不为零时,就会存在直流电压偏差。电压调节的常用方法是把变流器的平均输出电压作为总线电压的参考值[5,7],各单元之间需要获得其他单元信息(全局信息),导致系统可靠性降低。利用动态一致性观察法,通过使用相邻单元的信息(局部信息)来估计整个微电网的平均电压。

从式(12)可以看出,传统下垂控制存在电压偏差为

ΔUi=IiRdii=1,2

(19)

为了补偿下垂控制和虚拟阻抗引起的电压偏差,本文引入了针对直流母线电压的二次控制方法如下

δUi

(20)

δUi为补偿电压偏移值,即

(21)

(22)

式中:Ce——耦合增益;

Uj——相邻单元的电压值。

DGi的平均电压是通过处理本地的输出电压和相邻单元的输出电压而收敛到的平均电压。此法可对母线电压偏差进行补偿并提高系统可靠性,在多微电源存在的情况下,可以减少由下垂控制和不一致的线路电阻带来的电压偏差,使系统能够稳定运行。

本文所提出的控制策略控制框图如图5所示。由图5可知,本文通过添加电流控制器和虚拟电阻控制器调整下垂系数使线路电阻与虚拟电阻之和动态均衡,从而实现负载电流的均匀分配。另外,在下垂控制中添加了电压控制器,可以消除虚拟阻抗控制引起的电压偏差。

图5 本文提出的控制策略控制框图

4 仿真分析

为验证本文提出的自适应虚拟阻抗策略和电压恢复控制策略的有效性,利用MATLAB/Simulink搭建了带有4个容量相同且并联运行的DG单元组成的的微电网系统仿真模型,并对不同状况下电流分配结果进行验证分析,各单元均采用本文所提自适应虚拟阻抗控制和电压恢复策略。其中,微电网运行在孤岛模式,直流负荷包括公共负荷和本地负荷,光伏额定功率为3 kW,输出电压参考值为380 V。仿真验证包括4个部分。

4.1 负荷波动下电流运行特性分析

由于线路电阻存在且不同,所以导致各变流器输出电流和有功功率存在差异,且负荷波动时影响电流分配。在线路电阻存在差异的情况下,分析负荷波动对电流分配的影响,仿真结果如图6所示。

图6 本文所提的控制策略下带有4条线路电阻的仿真结果

初始状态下公共负荷为100 Ω,线路电阻分别为8 Ω,5 Ω,2 Ω,0.8 Ω。I1,I2,I3,I4分别表示1#～4#变流器输出的直流电流;P1,P2,P3,P4分别表示1#～4#变流器输出的有功功率。由图6可看出,系统运行约0.3 s时,电流和有功功率分配误差逐渐减少达到均衡,0.8 s时公共负荷突然减少至50 Ω,1.6 s时又突然增加至70 Ω。根据本文提出的控制策略,系统在扰动后能迅速切换到新的工作运行点,实现了分布式电源间输出电流和输出功率的均匀分配,满足负荷可靠供电,系统稳定运行,验证了本控制方法的有效性。

4.2 本地负荷波动时电流运行特性分析

以本地负荷投切为例,验证本地负荷扰动时本文策略的有效性。其中,微电网中公共负荷为80 Ω,各变流器的线路电阻分别为8 Ω,5 Ω,2 Ω,0.8 Ω,且投切本地负荷均为100 Ω。仿真结果如图7所示。图7中,初始状态下,各DG单元本地负荷均处于切除状态,输出电流和输出功率均匀分配,系统稳定运行。系统运行0.8 s时,4#变流器中的本地负荷突然接入;经过0.3 s,变流器的输出电流和功率通过本文所提出的控制策略再次实现均分;1.6 s时,4#变流器中的本地负荷再次断开,仅剩下公共负荷。从图7可看出,各变流器输出电流和功率仍能够均匀分配,满足控制要求。因此,在考虑局部负荷情况时,本文所提出的下垂控制策略仍能提高电流的分配精度,使系统稳定运行。

图7 本文所提的控制策略下本地负载连接或中断时性能的仿真结果

4.3 部分变流器退出情况下电流运行特性分析

以部分变流器退出运行为扰动,对本文所提控制策略的有效性进行验证,仿真结果如图8所示。初始状态下无通信故障。

图8 本文所提的控制策略在变流器故障时性能的仿真结果

由图8可以看出:系统运行0.8 s时,4#变流器退出运行,其输出电流下降到零,由于系统存在冗余链路,负载通过其他变流器供电,其他变流器的输出电流和输出功率增加,在新的状态下重新均匀分配,并在新的状态下稳定运行;系统运行1.6 s时,1#变流器退出运行,1#变流器中的虚拟阻抗不再调整,2#变流器和3#变流器仍能运行,电流在新的状态下重新分配。利用本文所提的分布式控制策略,DG单元仅使用了本地和相邻单元的信息,无需全局信息,DG3不能接受DG1信息时,由于存在冗余链路,仍能实现电流的均匀分配。