孤岛微电网分布式协调无功均分策略

熊 蕙,任江波,顾乔根,常风然

(1.南京南瑞继保电气有限公司,江苏 南京 211102;2.南瑞集团公司 国网电力科学研究院,江苏 南京 211106;3.国网河北省电力有限公司,河北 石家庄 050021)

分布式发电具有污染少、就地消纳等特有的优势,能有效解决电网发电过程中不可再生能源消耗问题,是未来电网发展的重要方向之一[1,2]。微电网可以有效管理和实现分布式电源的灵活并网及控制[3],既能与大电网并网运行,也能脱离大电网独立运行,运行可靠性和灵活性高,但同时在运行过程中也带来了分布式电源多逆变器间无功不均分等新问题[4]。

微电网通常采用下垂控制来实现系统中分布式电源的运行控制[5]。但下垂控制在无功均分方面也有一些缺陷,因为自然因素和接入的分布式电源地理位置的差异性,使得各分布式电源的馈线长短不一,馈线阻抗也不一样[6]。通过下垂控制的分布式电源在各自的阻抗不一致的情况下,很难做到无功均分,从而导致一些分布式电源过载,系统各处无功电压不平衡,出现无功环流,进而影响系统的稳定运行[7]。

为了解决下垂控制无功分配不均问题,目前主要的改进措施有3类:(1)改进下垂控制。该措施通过将下垂控制进行改进,虽然提高了分布式电源的无功功率均分能力,但还是有较大的误差[8]。文献[9]通过对下垂控制进行无功补偿,实现了无功功率合理均分;(2)采用虚拟阻抗法进行改进。如文献[10]通过在分布式电源主电路上增加一个虚拟电容来对分布式电源输出的无功进行控制,从而达到无功均分的目的。这种方法根据各个分布式电源的线路阻抗的不同来调节线路阻抗,使其接近相同,从而可减少线路无功环流。文献[11,12]在逆变器控制中加入虚拟阻抗,使其能自动匹配各个分布式电源馈线上的电压降,从而实现无功均分;(3)利用分布式的控制架构进行优化。如文献[13,14]采用基于多代理一致性的无功均分方法,无需集中控制器,又能使各分布式电源相互协调,实现对系统的整体控制。分布式协同无功均分方法在恢复系统电压时,将各个分布式电源的无功功率输入到控制中进行无功调节。

上述方法中,分布式控制的方法兼顾了集中式和分散式控制的优势,利用局部信息交互、在无集中控制器的情况下有效实现了整体系统的协同[15],值得深入研究。采用基于多代理系统的控制方法,其收敛速度是控制中重要的关键点,分布式控制的收敛速度决定了系统能否在最快的时间范围内完成无功均分,实现时间优化。但系统通信拓扑结构改变和系统工况变化均会对控制的收敛时间产生影响。对此,本文基于多代理系统的控制方法提出了一种有限时间控制的分布式无功均分控制方法。该方法采用分布式通信结构有效实现整体系统的协同,并提高系统的收敛速度。文中第2节简要介绍了分布式电源的下垂控制原理,第3节在下垂控制的基础上,提出基于有限时间的分布式一致性控制作为孤岛微电网无功均分的二次控制,第4节对所提控制方法进行了多场景仿真验证。

1 分布式电源下垂控制及无功控制基本原理

1.1 分布式电源的下垂控制

一般电力系统在负荷发生变化时,频率会产生波动,这时就需要对系统频率进行调整,称为一次调频。下垂控制的原理就是运用对电力电子逆变器的控制实现与一次调频相似的系统调节。当线路呈感性时,下垂控制就是通过有功-频率(P-f)特性曲线和无功-电压(Q-U)特性曲线来调节微电网的频率和电压,使其保持恒定。当线路呈阻性时,此时采用反下垂控制方式,即通过有功-电压(P-U)和无功-频率(Q-f)的特性曲线来调节系统频率和电压。

图1是下垂控制的特性曲线。由图1可见,当微电源输出有功和无功功率发生变化时,下垂控制就会根据相应的线性关系调节电压和频率的大小,使其工作在一个新的稳定状态(即微电源根据下垂特性曲线从工作点A变到工作点B)。

由图1可以给出有功功率P和频率f,以及无功功率Q与电压U的下垂控制方程

(1)

式中:fi、Ui为频率、电压的实际值,f0、U0为频率、电压的参考值,dp、dq为下垂控制系数,P0、Q0为有功、无功参考值,Pi、Qi为有功、无功实际值。

典型控制结构如图2所示,其中uFd、uFq为脉宽调制(Pulse width modulation,PWM)调制信号。

1.2 分布式电源无功控制原理

微电网中频率是全局变量,分布式电源有功输出不会受到线路阻抗的影响,可以很好地实现有功均分。但微电网中由于线路阻抗的不同,导致各个分布式电源输出节点的电压也不同,从而输出的无功也不同,无法实现无功均分,使各分布式电源之间产生无功环流,从而影响微电网的运行稳定性。

针对分布式电源的无功均分,本文对下垂控制做如下改进

(2)

式中:fi、Ui为第i个分布式电源的频率和电压幅值,f0为系统频率参考值,U0为电压参考值,dp、dq分别为有功频率下垂系数和无功电压下垂系数,Pi、Qi为第i个分布式电源有功和无功的测量值,ΔQi为第i个分布式电源的无功补偿值,由有限时间控制得到。

2 孤岛微电网分布式无功均分优化运行策略

本文采用有限时间控制算法对下垂控制进行修正,使微电网中各分布式电源实现无功均分。将每个分布式电源看作一个智能体,各智能体只和自己相邻的通信单元进行分布式通信,通过有限时间控制,实现所有通信单元的无功出力一致。

微电网的无功控制系统为

(3)

式中:xi是第i个智能体的状态变量,Qi为第i个智能体的控制变量,各智能体只和与其相邻的单位进行分布式通信。

有限时间控制方程为

(4)

式中:a、b、c是该控制系数,且00,c≥0;当Qj>Qi时,n为偶数,当Qj

为了使系统能适应各种通信变化和智能体的投切,采用一种优化的通信矩阵计算方法对hij进行自适应调节

(5)

式中:ki与kj是与第i个和第j个通信单元进行通信的数量;λ是收敛因子,其大小能决定同一拓扑下系统收敛的速度,0<λ<1。

图3为微电网分布式控制结构图。各分布式电源相当于一个智能体,根据相应的通信网络,各智能体只与相邻的通信单元进行无功信息交互,实现分布式通信;根据得到的相邻单元的无功信息对自身的无功进行调节,从而实现整个微电网的分布式协同控制。微电网分布式电源逆变器控制如图4所示。

在下垂控制的基础上,对分布式电源进行二次控制,使分布式电源实现无功均分。通过有限时间控制的迭代结果对下垂控制进行无功补偿,从而达到无功均分的目的

(6)

式中:Uref为空载时输出的电压幅值,dq为电压下垂系数,n为有限时间控制迭代次数,ΔQi为下垂控制无功补偿值。

3 仿真与分析

为了验证所提无功均分方法的无功均分效果,在电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建孤岛微电网仿真模型,如图5所示。由图5可见,微电网由3个容量参数相同的分布式电源DG1、DG2、DG3和相应的负荷组成。通过对微电网的正常运行、负荷变化和分布式电源的投切3个仿真场景进行仿真,验证控制策略的无功均分能力。

3.1 微电网正常运行

在场景A中,微电网正常运行时由下垂控制维持系统稳定,由于线路阻抗不同,各分布式电源的无功出力也不一样,此时系统各分布式电源间存在无功环流,t=4 s时,二次控制策略启动,对各分布式电源进行无功均分控制,使得各分布式电源的无功出力达到一致。如图6所示为运行控制中各分布式电源的无功功率曲线。

4 s时控制策略启动,根据有限时间控制方程对分布式电源无功功率进行迭代,并将迭代结果输入到二次控制中,实现无功均分控制。其一致性迭代结果如图7所示。图8为传统渐进一致性算法迭代结果。由图7、8迭代结果可知,有限时间控制的分布式电源进行7次就达到了收敛,而运用传统迭代方式进行迭代则需要10次才达到收敛。

3.2 微电网出现负荷扰动

在场景A的基础上,在t=6 s时系统增加负荷,并在7 s时启动控制策略,验证系统出现扰动时无功均分策略的有效性。微电网仿真结果如图9所示。

由图9仿真结果可知,负荷的扰动引起了无功出力偏差,7 s时再次启动无功均分控制,修正各分布式电源的无功出力,使系统达到无功均分。

7 s时控制策略再次启动,采集各分布式电源的无功出力,并对其进行一致性迭代,最终达到无功均分。分布式电源二次控制的一致性迭代如图10所示。图11为采用传统一致性方法的迭代结果。控制过程中,有限时间控制的分布式电源进行6次就达到了收敛。运用传统迭代方式则需要迭代8次才能收敛。

3.3 分布式电源投切

在场景A的基础上,在t=6 s时系统切除DG3,并在7s时启动控制策略,验证系统进行分布式电源投切时无功均分策略的有效性。微电网仿真结果如图12所示。

由图12仿真结果可知,当微电网进行分布式电源投切时,会引起系统无功出力不平衡,影响无功均分,所以在7 s时再次启动无功均分控制,修正微电网中剩余的分布式电源的无功出力,使系统再次达到无功均分。

7 s时控制策略再次启动,采集剩余的分布式电源的无功出力,并对其进行一致性迭代,最终达到无功均分。分布式电源二次控制的一致性迭代如图13所示。图14为采用传统一致性方法的迭代结果。由图13、14可知,控制过程中,有限时间控制的分布式电源进行3次就达到了收敛。运用传统迭代方式则需要迭代5次才能收敛。

4 结论

本文提出了一种孤岛微电网的无功均分方法,实现了分布式电源的无功均分,提高了微电网电能质量。通过在多种场景下对微电网分布式电源的无功输出情况进行仿真,结果表明:(1)提出的孤岛微电网分布式控制策略可适应系统负荷变化和分布式电源的可靠投切功能,加强了系统的灵活性,实现了分布式电源的即插即用功能;(2)构建的面向孤岛微电网的分布式去中心化协同控制架构,能通过有限时间控制修正下垂控制的无功出力,使微电网在各种场景下分布式电源的无功功率达到均分,有较好的适应性;(3)通过与传统的渐进一致性控制对比,提出的有限时间控制方法能提升分布式协同无功均分的收敛性能,使系统拥有比一般控制方法更快的收敛速度,能使微电网在有限时间内达到无功均分效果,且在系统发生各种扰动的情况下也能得到很好的控制效果。