微电网孤岛运行电压/频率控制策略的研究

2021-09-13朱昊黄琪萍刘新斌吴伟强陆生兵闻俊义江海洋

农村电气化 2021年9期

朱昊，黄琪萍，刘新斌，吴伟强，陆生兵，闻俊义，江海洋

（1.国网浙江长兴县供电有限公司，浙江湖州313100；2.浙江省长兴县住房和城乡建设局，浙江湖州313100）

作为可再生能源与分布式发电的有效利用形式，微电网技术正在成为当前的研究热点。微电网是由微电源、储能装置、电力电子器件、负荷和控制系统组成的整体，即可并网运行又可孤岛运行[1-2]。

由微电源和储能装置等组成的小容量低压微电网既满足用户对高质量电能的需求，又能在电网发生故障时独立运行为微电网提供电压和频率支撑。同时，微电网系统的容量和惯性相对较小，易受到来自分布式电源和负荷波动的影响，因此存在电能输出间歇性和波动性大、网络潮流复杂、继电保护和稳定控制困难等问题。

微电网中恒压恒频控制策略主要是在微电网孤岛运行时，维持微电网电压和频率的稳定，同时能够有效地跟随负荷功率的变化。

基于传统V/f控制策略的微电网孤岛运行时，易受负荷波动的影响而导致电压和频率的偏移，对微电网的稳定运行产生影响[3-5]。文献[6]设计基于下垂特性的控制器，在孤岛运行模式下进行控制，但由于电压和频率的偏移造成DG不能工作在额定运行状态，降低能源利用率。文献[7-8]在频率控制中加入积分控制器，实现逆变器的无差调频，维持了微电网的电压和频率稳定运行，但是控制器参数调节复杂。文献[9]考虑低压微电网线路阻抗特性，对虚拟频率和电压进行解耦控制，但是其控制算法复杂，且其频率和电压评价标准与实际不符。文献[10]提出一种自适应调节下垂系数控制器，实现了微电网运行孤岛频率无静差，电压幅值偏移量小以及并网恒功率输出等控制目标，但控制参数整定较复杂，且受负荷扰动影响较大。

本文考虑传统V/f控制策略的局限性，对传统V/f控制策略进行改进，将自抗扰控制技术应用于微电网V/f控制策略中，实现了微电网在孤岛主从模式下的频率和电压幅值的无差调节，以及微电网中功率的平衡控制，维持了微电网的稳定运行。

1 微电网V/f控制器设计

1.1 典型V/f控制器设计

V/f控制策略的目的是控制微电源的输出电压幅值和频率，为微电网系统提供电压和频率参考，同时也能很好响应负荷功率的变化[14-17]。

V/f控制策略常采用电压电流双环控制方案。电压外环保证输出电压的稳定；电流内环能够及时跟踪电流信号，加快逆变器的动态响应过程，保证电能质量的要求。由于电容电流对负荷扰动具有较好的抑制作用，故采用电容电流内环电压外环控制。

电压电流双环控制结构如图1所示。

图1 电压电流双环控制结构

由图3，Un-ref为电压给定信号；Un为输出电压信号；icn-ref为电流给定信号；icn为电容电流信号；icn-ref与icn比较经电流P调节器后形成控制量U*；KPWM为SPWM逆变器传递函数。

1.2 基于自抗扰技术的V/f控制器设计

本文将自抗扰控制技术引入电压电流双环控制部分中。基于自抗扰技术的微电网V/f控制器的系统结构，如图2所示。

图2 基于自抗扰技术的V/f控制器的系统控制结构

Udc表示直流电压源，经空间矢量脉宽调制（SVPWM）转换成三相交流电；采用LC滤波器滤除高次谐波，Lf为滤波电感；Cf为滤波电容；Rf为滤波电阻；Zin为线路阻抗；Z为负载；Ui、Ii分别为逆变器输出电压和滤波电感上的电流；Uldi为滤波电容电压；Ici为滤波电容电流；I1di为负载和网电流之和；U1ni为负载电压；U1i、U2i分别为开关点两侧的电压；下标i为a、b、c三相。Udref、Uqref分别为计算得到的电压参考信号；icdref、icqref分别为电流环的参考输入信号。u*为可控正弦调制信号。

电流电压双环控制中电压外环采用自抗扰控制技术；电流内环采用电容电流瞬时值比例控制，控制结构如图3所示。

通过自抗扰技术的控制，在较短的时间内，逆变器输出电流能很快稳定。与传统PI控制比较，自抗扰控制下的逆变器输出电流能够平稳实现并网目的。

当系统存在来自外部或内部扰动时，可能会引起并网冲击电流。自抗扰控制技术较强的抗干扰能力，可为系统的安全运行提供保障。同时加入电压前馈环节，以抑制逆变器输出电压对微电网的影响。

1.3 中间微分反馈控制

考虑V/f控制策略维持微电网运行电压和频率稳定、无静差的要求，引入中间微分反馈环节，用来抑制微电网运行暂态过程较大的超调量。

采用PI的中间微分反馈控制[18]，相对于传统PID控制，系统传函少了一个零点。即采用PI的微分先行控制可以较好地抑制系统的超调量，缩短调节时间。中间微分反馈控制结构，如图4所示。

图4 中间微分反馈控制

Gc(s)表示控制器；G(s)表示受控对象；TD S表示中间微分反馈时间常数。

在中间微分反馈控制中，微分环节的输出信号包括被控制参数以及其变化速度值。将其作为控制量的一部分，使系统克服超调作用加强，从而补偿过程滞后，改善系统控制品质。

对DG输出电压进行中间微分反馈控制，可以有效地抑制输出电压幅值的超调量。其控制结构如图5所示。

图5 含中间微分反馈的线性自抗扰双环控制

2 微电网控制器参数整定

基于主从控制模式，首先确定典型V/f控制器控制参数计算方法；然后，加入中间微分反馈控制环节，确定中间微分参数，并在其基础上对典型V/f控制器进行改进，引入自抗扰控制环节，最后恒功率控制策略采用经典算法，确定控制参数。

2.1 V/f控制器参数整定

根据图3，在典型双环控制中引入中间微分反馈控制环节，结构框图如图6所示。

图6 含中间微分反馈的双环控制

电流内环比例控制的作用主要是为了提升内环响应的快速性。基于MATLAB/rltool仿真平台，确定电流内环比例参数，不同系数k下，电流比例增益传函伯德图，如图7所示。

图7 电流比例增益传函伯德图

伯德图中频段特性反映的是闭环系统的动态特性，中频段的斜率与宽度反映的是系统动态响应的平稳度。不同系数k下，电流内环阶跃响应如图8所示。

图8 电流内环阶跃响应

当k=0.034218时，电流内环阶跃响应曲线最合理，符合电流内环动态响应特性以及快速性的要求，故k=0.034218。

电压电流双环控制系统伯德图和单位响应曲线，如图9、10所示。

图9 双环控制系统伯德图

图10 双环控制系统单位阶跃响应

2.2 恒功率控制器参数整定

恒功率控制策略中电流环PI控制器参数整定方法与V/f控制策略类似，直流电压源、滤波器等参数与V/f控制策略一致。

3 算例仿真

基于MATLAB/simulink仿真平台，对所提出的微电网控制策略进行动态仿真验证。微电网仿真模型如图11所示。

图11 微电网仿真模型

分布式电源DG1和DG2并联组成微电网模型，并通过升压变压器与配电网相连。DG1采用V/f控制策略；DG2采用PQ控制策略。

微电网与大电网解列，处于孤岛运行状态，微电网中DG1采用基于自抗扰技术的V/f控制策略，DG1额定输出功率为SDG1=(8+j5)kVA；DG2采用PQ控制策略，维持自身输出功率的恒定,DG2额定输出功率SDG2=(2+j1)kVA。初始状态下S1oad1=SDG2=(8+j5)kVA；S1oad2=SDG2=(2+j1)kVA

3.1 微网有功和无功功率输出

当t=0.5 s,微网切除可中断负荷Sint1=(0.5+j0.5)kVA；当t=1s,微网切除可中断负荷Sint2=(1.5+j1)kVA；当t=1.5 s,投入可中断负荷Sint2=(1.5+j1)kVA；当t=2 s,投入可中断负荷Sint1=(0.5+j0.5)kVA。孤岛模式下DG1和DG2输出有功和无功功率曲线，如图12所示。

图12 孤岛模式下DG有功和无功功率输出

由图12可知，微网孤岛主从控制仿真中，DG1为主微源，维持微网频率和电压幅值的稳定输出。DG2为从微源，采用PQ控制策略，维持自身输出功率的恒定。

当t∈[ ]0.5,1.5 s时，微电网系统切除可中断负荷；当t∈[ ]1.5,2.5 s时，微电网系统投入可中断负荷，由于DG1为微网系统的主微源，所以主要承担微电网输出功率的调节，维持微网的功率平衡，满足微网负荷的变化需求；DG2主要维持功率输出的恒定，同时，DG2的有功功率输出，在负荷发生变化时也略有变化，说明DG2在一定程度上参与了微电网有功功率的调节。