光伏微电网反孤岛下垂控制研究

陈怀忠，孟梦锦，徐日良

（浙江工业职业技术学院，浙江 绍兴 312000）

0 引 言

光伏微电网以其清洁、低能耗的优点受到国际社会的广泛关注。然而，由于光伏微电网的间歇性和不确定性，在从并网到孤岛模式的过渡过程中，对微电网系统的安全可靠运行产生了很大的影响。由于光伏微电网发电对周边环境的改变非常敏感，对光伏微电网控制的快速性和准确性提出了更高的要求。因此，有必要研究光伏微网从并网到孤岛切换的功率等参数控制。在光伏微电网发电过程中，下垂控制技术常用于逆变器控制中。便于光伏微电网切换到孤岛模式，并保持逆变器输出电压不变。光伏微电网下垂控制主要是实现系统中各参数的解耦控制，从而实现负载有功和无功功率的智能平均分配，使得光伏微电网输出频率和电压保持稳定。但由于受到线路阻抗等因素的影响，在传统的下垂控制下，光伏微电网在负载变化时，不同光伏电源的功率平均分配效果有待提高。微电网对负荷有功、无功功率的智能均分调节能力不足，导致孤岛和并网运行方式切换时，功率分配不能达到智能均分，从而影响电网频率波动。针对上述不足，研究一种基于虚拟阻抗的下垂控制策略。通过引入虚拟阻抗下垂控制策略，可以进一步增强系统的有功和无功功率共享效应[1,2]。

1 光伏微电网下垂控制模型

图1是光伏电池等效模型。由电流源Is、二极管D、电阻Rs以及电阻Rsh构成。Is为电池短路电流。

图1 光伏电池等效模型

光电池的I-U特性为

式中：I为工作电流；Io为反向饱和电流；Is为光生电流；U为输出电压；Rsh为跨接电阻；Rs为由电极导体电阻等效的串联电阻；A为PN结理想因数；T为绝对温度；K为玻尔兹曼；q为电荷常数。

理想状况下，Rs近似为0，Rsh近似无穷大，式（1）可表述为

光电池输出功率为

式中：P为光电池的输出功率。说明光电池的输出功率与日照度呈非线性关系，与电压和电流呈比例关系。

选择2组容量相等的光伏，作为光伏微电网发电电源。光伏微电网发电的拓扑结构如图2所示。

在图2中，光伏微电网通过公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）并入配电网。负载 1 和负载2分别作为局部荷载连接至微电源1和微电源2。光伏微电网逆变器一般采用有功和无功控制调节微电网相关参数。当光伏微电网孤岛产生，光伏微电网与大电网脱离，光伏微电网的微电源所提供的功率由负荷决定。当光伏额定负载大于负载功率时，通常采用下垂控制策略，以减少光伏微电网并网运行向孤岛运行模式切换带来的参数波动影响。

图2 光伏微电网拓扑结构

2 下垂控制原理

主要模拟发电机相角和功率的运行特征，下垂控制的主要目标是使光伏微电网获得平稳的频率、电压、功率等[3]。下垂控制的表达式为

式中：Uo为公共耦合点处电压的有效值；Ui为第i个微电网电源的相电压；θi为微功率输出电压与公共耦合点电压之间的相位角差；Xi为第i个微电网到负载的传输线电抗；Pi和Qi分别是第i个微电网电源有功和无功输出。式（4）、式（5）表明，相位角差θi决定了微功率有功功率Pi的传输，Pi与θi成正比，Pi从领先点传输到滞后点。微电网输出电压与公共耦合点电压的幅值差决定了分布式微电网无功功率Qi的传输，Qi从高压点传输到低压点。通过控制微电网输出的无功功率，达到控制其输出电压幅值的目的[4]。Un控制有功功率P的输出，fn控制无功功率Q的输出，可以表示为

式中：Un和fn分别为逆变器电压输出和频率输出值；Uref和fref分别为逆变器电压输出参考值和频率输出参考值；Qref和Pref分别为下垂曲线无功和有功基点值；Q和P分别为逆变器无功实际输出值和有功实际输出值；m和n为下垂控制系数。下垂控制曲线如图3所示。

从图3（a）Q-U下垂控制可以看出，光伏微电网电源的无功输出与逆变器输出电压密切相关，改变逆变器电压输出值，可以调节光伏微电网电源无功功率。增加逆变器电压输出，系统无功功率降低；降低变频器电压输出，系统无功功率升高。

从图3（b）P-f下垂控制可以看出，光伏微电网电源的有功输出与逆变器输出频率密切相关，改变逆变器频率输出值，可以调节光伏微电网电源有功功率。增加逆变器频率输出，系统有功功率降低；降低逆变器频率输出，系统有功功率升高[5]。

图3 下垂控制曲线

3 改进的下垂控制策略

光伏微电网系统中，在常规下垂控制策略下，微电源线路阻抗等因素影响微电源功率分配效果，负荷有功、无功智能均分调节能力不足。

在微电源输出线路中引入虚拟阻抗，使得光伏微电网线路总阻抗发生变化。引入虚拟阻抗之后，微电源电路阻抗呈感性，改变了逆变器电压输出值，可以调节光伏微电网电源无功功率。

引入虚拟阻抗后，使光伏微电源负载与微电网之间输出呈感性阻抗，其特点如下。

（1）不影响系统的稳定性。（2）在光伏微电网电源的输出端没有接入1个“真正的”电感。由此引入“虚拟阻抗”的概念，这个阻抗在实际微电网电源中不存在，只是在光伏微电网电源负载与逆变器输出端模拟引入1个虚拟阻抗，新的阻抗可以在电路中等效得到[6,7]。

引入虚阻抗后，整个光伏微电网的电源电路阻抗值自动优化。经过阻抗优化改进后，光伏微电网电源阻抗为感性特征，系统中的功率可以合理分配和优化[8,9]。

4 效果分析

下垂控制引入虚拟阻抗后，光伏微电网运行模型包括G1微电网和G2微电网。分别采用传统下垂控制和基于引入虚拟阻抗改进控制策略进行模拟[10]。

光伏微电网的运行过程如下。首先，设置2台逆变器在负载I下稳定运行，无功功率为40 kVA，负载II过一段时间投入运行。系统稳定运行后，无功功率为100 kVA。负荷II在运行一段时间后切除，系统无功功率重新降至40 kVA。

基于传统的下垂控制，G1与G2之间的无功差值最大可达10 kVA。在传统的控制策略下，当负荷变化增大或减小时，系统的输出无功功率不能均匀分布，G1和G2的无功输出值相差较大。

引入虚拟阻抗后，G1与G2之间无功差值最大小于1 kVA，无功功率的平均分配效果较好，系统可以实现功率的平均分配。

5 结 论

在孤岛与并网模式切换过程中，光伏微电网采用传统的下垂控制，会出现负荷有功、无功功率的智能调节和分配能力不足。这一不足将导致系统功率分配不优化。分析基于虚拟阻抗改进下垂控制方法的基本原理，设计了一种基于虚拟阻抗的改进下垂控制策略。该控制策略可以重构线路阻抗，实现自动功率均分控制。通过引入虚拟谐波阻抗控制，可以有效提高微电网的功率共享效果，改善电能质量。