含多分布式电源的孤岛微电网改进下垂控制策略

付光杰, 吕春明, 江雨泽, 齐少拴, 李佳敏

(1. 东北石油大学 电气信息工程学院, 黑龙江 大庆 163000； 2. 哈尔滨科学技术职业学院 现代服务学院, 哈尔滨 150300 )

0 引 言

微电网既能与大电网联网运行也可以脱离电网独立为负荷供电, 充分发挥分布式电源的效能, 提高系统的灵活性和可靠性[1-3]。含多分布式电源并联的孤岛微电网如何实现无功功率合理分配是一个关键问题。

针对孤岛微电网无功功率合理分配, 许多学者提出了不同的改进方法。高坤等[4]引入无功补偿环节和电压恢复机制实现无功控制, 但无功补偿响应速度较慢。徐海珍等[5]加入虚拟电容补偿线路阻抗差异产生的电压降落差, 实现无功均分, 但效果不显著。Vishnu等[6]通过使用自适应磁滞电流控制逆变器, 将分布式电源和微电网交流母线连接实现无功功率补偿。苏海滨等[7]采用粒子群算法优化下垂控制参数, 协调多分布式电源输出功率的合理分配, 但优化过程较繁琐。叶晨等[8]提出一种功率解耦的无静差下垂控制方法, 运用于低压微网中能保证微电网稳定运行。Xuan等[9]引入增强型下垂控制策略环节实现无功功率合理分配, 但控制环节复杂。陈晓祺等[10]通过构建本地信号的线路观测环节和加入电压补偿项, 提出了一种基于线路辨识的改进下垂控制消除无功功率分配的偏差, 方法较为繁琐。

笔者提出一种自调节虚拟阻抗下垂控制策略, 在不检测线路阻抗参数的情况下补偿阻抗差异引起的输出电压差异, 使各逆变器输出无功功率合理分配。

1 传统下垂控制策略

1.1 传统下垂控制原理

笔者研究对象为含两个分布式电源并联的孤岛微电网系统, 其等效电路如图1所示。

图1 孤岛微电网等效电路图Fig.1 Island microgrid equivalent circuit diagram

若i个分布式电源并联运行, 各逆变器输出的有功功率和无功功率为

(1)

各逆变器等效输出阻抗为

Zi∠θi=Zoi+Zli=Ri+jXi

(2)

其中Pi、Qi分别为第i个逆变器输出的有功和无功功率；Ui、Up分别为第i个逆变器输出公共连接点处电压幅值；Zoi、Zli分别为第i个逆变器输出和线路阻抗；Ri、Xi分别为第i个逆变器等效输出电阻、 电抗；φi、Zi、θi分别为第i个逆变器输出电压相角与公共连接点电压相角之差、 等效输出阻抗的幅值、 相角。

在高压微电网中, 线路阻值比电感值小很多, 可近似认为Zi≈Xi, 即θi≈90°, sinθi≈1, 在锁相环的作用下, 逆变器输出电压接近公共连接点电压, 即φi≈0, 则有

(3)

近似认为, 当输电线路呈感性时, 逆变器输出的有功功率Pi受公共连接点处电压相角差的影响, 无功功率Qi受分布式电源输出电压和公共连接点电压幅值差(Ui-Up)的影响[11]。其中角频率和相角之间的关系为

(4)

其中ω、δ分别为逆变器输出的角频率、 相角。

综上所述, 下垂控制P-ω、Q-U的表达式为

(5)

其中ω*、U*分别为逆变器出口处电压的角频率、 幅值参考值；P、Q分别为逆变器输出的有功和无功功率；ωn、Un分别为逆变器出口处电压的角频率和幅值额定值；m、n分别为有功功率和无功功率下垂控制系数。

1.2 无功功率分配

孤岛微电网逆变器有功和无功功率分配是不同的, 逆变器输出有功和无功功率由频率和电压决定, 系统频率是全局变量, 具有全局特性, 从而保证有功功率能按有功下垂系数进行合理分配。但逆变器输出电压是局部变量, 受线路阻抗影响很大, 各分布式电源到公共连接点的距离不同, 必然导致每条线路上的阻抗存在差异[12-13], 所以无功功率不能合理的分配。

根据式(5)可知, 除了满足两个分布式电源逆变器的输出电压参考值相等外, 还要保证两个逆变器的输出电压相等, 就可以实现无功功率按比例分配, 当两个分布式电源的额定容量相同时, 即二者下垂系数相同, 因此可以实现无功功率均分。若实现无功功率合理分配, 需要满足的条件是两个逆变器输出电压参考值相等和输出电压相等, 即

Un1=Un2

(6)

U1=U2

(7)

n1Q1=n2Q2

(8)

若两个分布式电源容量相同, 则有

Q1=Q2

(9)

X1=X2

(10)

在低压微电网中, 线路阻抗更为复杂, 多数呈现阻感性[14-15], 且各个分布式电源到公共连接点的距离也不相等, 线路阻抗存在差异, 显然满足上述条件是很困难的, 进而多个分布式电源并联运行时, 很难实现无功功率的合理分配。

2 改进的下垂控制策略

2.1 虚拟阻抗下垂控制

由以上分析可知, 在多分布式电源并联运行的孤岛微电网系统中, 无功功率无法合理的分配主要原因是各条线路阻抗存在差异。以两个容量相同分布式电源并联运行为例进行分析, 图2为两个分布式电源并联运行的孤岛微电网系统模型图。

图2 含两个分布式电源的孤岛微电网模型图Fig.2 Model diagram of island microgrid with two distributed generations

假设分布式电源2的线路阻抗比分布式电源1的线路阻抗大, 其线路阻抗差值为

ΔZ=ΔR+ΔX

(11)

线路1阻抗电压降落为

(12)

线路2阻抗电压降落为

(13)

其中ΔUd为线路阻抗差异引起的电压降落。

引入虚拟阻抗前, 两个分布式电源的输出电压参考值为

(14)

引入虚拟阻抗后, 补偿线路阻抗引起的电压降落, 重新设置分布式电源2的参考电压, 其值为

(15)

假设孤岛微电网运行全过程都有

ΔUv+ΔUd=0

(16)

即

(17)

其中虚拟阻抗补偿线路差异的电压为

(18)

虚拟阻抗值为

Zv=Rv+Xv=-ΔR-ΔX

(19)

引入虚拟阻抗后, 分布式电源2的参考电压为

(20)

这样两个分布式电源输出电压参考值相等, 即

(21)

综上所述, 引入虚拟阻抗产生的电压值可抵消线路差异引起的电压降落, 提高无功均分精度, 然而该方法是基于线路阻抗参数已知, 消除线路阻抗差异的影响, 显然对线路阻抗参数未知的线路很难适用。

2.2 自调节虚拟阻抗下垂控制

为使式(16)成立, 引入自调节虚拟阻抗, 令Cv=Xv=Rv, 则虚拟阻抗满足

(22)

对任意的线路阻抗差异值ΔZ和视在功率S, 都有唯一的自调节虚拟阻抗变量值Cv。所以Cv只要合理取值, 即可提高并联逆变器的无功功率均分精度。

以分布式电源2线路阻抗差异为例, 在分布式电源2下垂控制策略中, 设定一个合理的无功功率参考值Qref2, 利用逆变器实际输出无功功率和其参考值的差, 根据差值调整自适应虚拟阻抗值Cv, 使其满足式(16)。在其结构引入自调节虚拟阻抗, 逆变器整体控制图如图3所示。

图3 逆变器整体控制框图Fig.3 Inverter overall control block diagram

其中自调节虚拟阻抗下垂控制图如图4所示。

图4 自调节虚拟阻抗下垂控制框图Fig.4 Self-adjusting virtual impedance droop control chart

图4中I0为逆变器输出电流, 根据孤岛微电网的无功负荷计算出无功功率参考值Qref2, 其参考值只与负荷投切有关, 若孤岛微电网负荷不发生变化, 则无功功率参考值保持恒定, 若孤岛微电网负荷发生变化, 则无功功率参考值需要规划[16]。

综上所述, 对两个容量相同的分布式电源并联运行的孤岛微电网系统, 采用自调节虚拟阻抗下垂控制, 可实现负荷无功功率由两个逆变器均等分配； 对多个分布式电源并联运行的孤岛微电网, 也可以按照上面方法进行虚拟阻抗自调节, 实现逆变器输出无功功率按分布式电源容量比进行分配。

3 仿真分析

为验证自调节下垂控制策略的可行性, 用Matlab/Simulink软件搭建孤岛微电网仿真模型, 其结构如图5所示, 模型仿真参数如表1所示。孤岛微电网由两台分布式电源并联组成, 并为两个负荷供电, 负荷1为P1=20 kW,Q1=20 kVar； 负荷2为P2=10 kW,Q2=10 kVar。在两种情况下验证自调节下垂控制策略的可行性, 两台额定容量相同的布分式电源并联运行, 自调节下垂控制策略在负荷变化时, 实现无功功率均分； 两台额定容量不同的分布式电源并联运行, 自调节下垂控制策略实现无功功率容量比分配。

图5 孤岛微电网模型Fig.5 Island microgrid model

表1 模型仿真参数

3.1 容量相同的DG并联运行

孤岛微电网中两台额定容量相同的分布式电源并联运行, 均采用相同的控制策略, 系统带负荷1稳定运行2 s, 然后接入负荷2, 稳定运行1 s后, 在第3 s时切除负荷2。在Matlab/Simulink中对传统下垂控制策略和自调节虚拟阻抗下垂控制策略分别进行仿真测试, 仿真时间为4 s。图6～图8为两台逆变器采用传统下垂控制策略, 孤岛微电网输出的功率和电压曲线。

图6 传统下垂控制策略下 图7 传统下垂控制策略下 图8 传统下垂控制策略 输出有功功率 输出无功功率 下输出电压 Fig.6 Output active power of Fig.7 Output reactive power Fig.8 Output voltage of traditional traditional droop control strategy of traditional droop control strategy droop control strategy

采用传统下垂控制的两台逆变器输出的有功功率可以实现均分, 但分布式电源的线路阻抗存在差异, 逆变器输出电压幅值存在偏差, 无功功率均分精度受到影响, 不能根据下垂系数实现无功均分。分布式电源1的线路阻抗比较小, 其输出电压比较小, 分配到的无功功率就比较大。

孤岛微电网采用自调节下垂控制策略进行仿真测试, 图9～图11为两台分布式电源额定容量相同时, 采用自调节虚拟阻抗下垂控制策略孤岛微电网输出的功率和电压曲线。

从图9～图11可看出, 两台分布式电源的有功功率均分, 引入自调节虚拟阻抗后弥补了线路阻抗的差异引起的输出电压降落差, 使两台分布式电源输出的电压保持一致, 能实现无功功率均等分配, 提高无功均分精度。

图9 改进下垂控制策 图10 改进下垂控制策 图11 改进下垂控制策 下输出有功功率 下输出无功功率 下输出电压 Fig.9 Output active power of Fig.10 Output reactive power Fig.11 Output voltage of improved improved droop control strategy of improved droop control strategy droop control strategy

3.2 容量不同的DG并联运行

孤岛微电网中两台额定容量比为1 ∶2的分布式电源并联运行, 均采用相同的控制策略, 仿真条件与上述相同。图12,图13为采用传统下垂控制策略, 分布式电源输出的有功和无功功率分配曲线。

图12 传统下垂控制策略下输出有功功率 图13 传统下垂控制策略下输出无功功率 Fig.12 Output active power of traditional Fig.13 Output reactive power of traditional droop control strategy droop control strategy

采用传统下垂控制的两台逆变器输出的有功功率可以根据下垂系数实现1∶2比例分配, 但是两条线路组抗存在差异, 两台逆变器无法实现无功功率按容量比1 ∶2分配。

孤岛微电网采用自调节下垂控制策略进行仿真测试, 图14和图15为两台分布式电源额定容量比为1∶2时, 采用自调节虚拟阻抗下垂控制策略孤岛微电网输出的有功和无功功率分配曲线。

图14 改进下垂控制策略下输出有功功率 图15 改进下垂控制策略下输出无功功率 Fig.14 Output active power of improved Fig.15 Output reactive power of improved droop control strategy droop control strategy

从图14中可以看出, 采用自调节虚拟阻抗下垂控制策略, 两台分布式电源的有功和无功功率都能按容量比1 ∶2合理分配, 解决了线路阻抗的差异引起的输出功率分配不合理的问题, 进一步提高无功分配精度。

4 结 语

笔者首先分析了多分布式电源并联运行的孤岛微电网采用传统下垂控制策略的弊端, 无法解决各分布式电源线路阻抗存在差异而引起的无功功率混乱分配问题。笔者在传统下垂控制策略基础上进行改进, 提出一种自调节虚拟阻抗下垂控制策略, 通过无功功率调整虚拟阻抗, 在不检测线路阻抗参数的情况下补偿阻抗差异引起的输出电压差异, 使各逆变器输出无功功率均等分配或按容量比分配。