基于虛擬同步發電機的微電網改進下垂控制策略

米陽，夏洪亮

(上海電力學院 電氣工程學院，上海 200090)

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基于虛擬同步發電機的微電網改進下垂控制策略

米陽，夏洪亮

(上海電力學院 電氣工程學院，上海 200090)

摘要：針對傳統下垂控制作用下微電網的運行狀態平滑切換問題，利用虛擬同步發電機思想，在控制環中加入虛擬的轉動慣量方程，使得微電網逆變器具有與傳統的同步發電機相似的動態性能，解決了微電網逆變器輸出阻抗小、阻尼小等問題，以此來降低由于功率的急劇變化所造成的頻率振蕩；同時增加一個補償控制環節，增加系統在運行狀態切換情況下的穩定性。采用MATLAB軟件進行仿真，驗證了所設計的微電網改進下垂控制策略的有效性。

關鍵詞：微電網；虛擬同步發電機；下垂控制；補償控制；平滑切換

在環境保護與能源需求的雙重壓力下，近年來分布式發電以其清潔環保、供電可靠性高、投資小和發電方式靈活等優點，受到人們的關注[1-2]。由分布式電源(distribution generation，DG)、儲能裝置、相關負荷、保護裝置、能量變換裝置組合而成的微電網，是分布式發電的一種新趨勢[3]。

微電網中多個DG并聯運行，多采用對等控制策略。所謂對等控制，指各DG間是“平等”的，不存在從屬關系，所有DG以預先設定的控制模式參與有功和無功的調節，從而維持系統電壓頻率的穩定。對等控制是基于下垂控制法而成，目前微電網中多采用傳統的下垂控制，模擬電網中發電機有功-頻率特性曲線和無功-電壓曲線[4-5]。采用傳統的下垂控制，微電網在孤島情況下不能運行在工頻狀態，如果需要增加各個DG的功率分配精度，就需要增加下垂系數的值，運行頻率就更多的偏離工頻。如果用電壓-相位下垂控制取代電壓-頻率下垂控制，可以使微電網孤島運行時擁有更好的運行頻率，因而為文獻[6-8]所采用。但文獻[6-7]只考慮了微電網孤島運行的情況， 沒有研究微電網并網運行及微電網運行模式的轉換；文獻[8]只是在并網過程中通過設計預同步控制器來實現微電網的并網，并未考慮微電網在配電網出現故障，突然孤島情況下如何實現平滑切換。文獻[9-10]通過將同步發電機特性加入到逆變器的控制中來獲得更好的頻率響應，但文獻[9]所設計的控制策略僅應用在微電網孤島運行狀態下，文獻[10]的策略僅應用在微電網聯網運行情況下。

為了實現基于電壓-相位下垂控制的微電網運行狀態的平滑切換，本文在控制環中加入虛擬的轉動慣量方程，使得DG具有與傳統的同步發電機相似的動態性能，以此來降低由于功率的急劇變化所造成的頻率振蕩的問題，同時增加一個補償控制環節，保證系統在運行狀態切換情況下保持穩定，并通過仿真對所提控制策略進行驗證。

1微電網下垂控制基本理論

圖1為兩個DG的微電網結構圖，每個DG都帶有本地負荷，然后通過母線聯接在一起，與電網相連。

PCC—公共連接，point of common coupling的縮寫。圖1　兩DG微電網結構

如圖1所示，每個DG給母線提供有功和無功功率為：

式(1)和(2)中：E為DG輸出電壓幅值，UL為PCC電壓幅值，R為傳輸電阻，X為傳輸電抗，δDG為DG相位?？梢钥闯鯬和Q與傳輸電抗關聯性比較大，如果線路電抗非常大，輸出的有功功率由δDG決定，無功功率由DG輸出電壓決定。

頻率-電壓下垂控制為

(3)

(4)

式中：ω為電壓源型逆變器(voltage source inverter，VSI)角頻率，ω0為下垂控制角頻率設定值，m為角頻率比有功的下垂系數，E0為下垂控制電壓給定值，n為電壓比無功的下垂系數，Pn、Qn分別為DG運行在額定頻率和額定電壓時輸出的有功功率和無功功率。

頻率-有功下垂控制為

(5)

式中：δ為相位，δset為相位給定值，d為相位下垂系數。相位下垂控制的優點是使系統以一個恒定的頻率運行。

各下垂系數由下式得到：

(6)

(7)

(8)

式中：Pmax為DG在頻率下降時允許輸出最大有功功率，Δωmax為允許最大角頻率下降值，Qmax為DG電壓下降時允許輸出最大無功功率，ΔEmax為允許最大電壓下降值，Δδmax為允許最大的相位下降值。

2控制器設計

控制器通過選取適當的相位下垂系數，利用相位-有功下垂控制保證微電網恒頻運行和功率分配的精度，并通過補償控制增加系統運行的穩定性，實現微電網的平滑切換。

圖2為相位-頻率控制原理，相位和頻率環級聯后得到所需功率的參考值，與給定功率和實際輸出功率計算得到所需的功率偏差值，功率偏差值通過模擬的轉動慣量方程計算出角頻率偏差值。角頻率偏差值與給定角頻率相加得到電壓相量的角頻率，相位為角頻率偏差的積分值，通過電壓控制器計算得到電壓相量的幅值，應用幅值、相位和角頻率計算得到電壓相量。電壓相量通過脈寬調制(pulse width modulation，PWM)算法生成PWM波控制逆變器的功率元件。通過在功率環中模擬轉動慣量使得VSI具有同步發電機特性，用以抑制由于急劇功率變化所造成的頻率波動[9-10]。

ωset—角頻率給定值；Δωset—相位環計算得到的角頻率偏差給定值；Δω—角頻率偏差值；Pset—有功功率給定值；ΔPset—頻率環計算得到的有功功率偏差給定值；—相位的三相相量； Kd—功率-相位下垂參數；Kf—頻率下垂增益；Kp—功率環積分增益。圖2　相位-頻率下垂控制框圖

從圖2可以得到動態方程如下：

(9)

VSI頻率和相位的關系為

(10)

根據相位偏差值，第一個相位下垂環為第二個頻率下垂環產生角頻率參考值

(11)

根據此頻率設定點，頻率環計算出功率給定值

(12)

穩定運行條件下，積分環節的輸入為0。因此

(13)

其中

式中KfKd為相位下垂增益。從式(12)中可以推出Kf=1/m，KfKd=1/d。

控制策略中的電壓幅值控制器如圖3所示，包括電壓-無功功率下垂控制和低通濾波器。電壓-無功下垂控制可以根據每個DG的容量來成比例的分配無功功率，下垂控制后得到的電壓指令經過低通濾波器后得到電壓幅值。

Qset—無功功率的給定值；Eset—電壓幅值給定值；Δu—補償控制器輸出的補償控制信號；ωc—低通濾波器截止頻率。圖3　電壓控制器

應用電力系統中的電力系統穩定控制器理論設計的補償控制器框圖如圖4所示，控制器產生了一個在電壓控制器上的附加信號，通過采用頻率偏差值作為輸入，通過補償控制器來得到對于給定電壓的補償值，增加系統在運行中的穩定性[11]。

T、T1、T2為補償控制器傳遞函數的時間常數。
圖4補償控制器框圖

3仿真結果分析

本文以兩個DG的微電網為例，對所設計的控制策略進行仿真驗證。系統電路結構如圖5所示，兩個分布式電源并聯形成微電網后通過變壓器連接到配電網。為簡便起見，用直流源等效分布式電源，電壓值均取為800 V。

Lf—濾波電感；Cf—濾波電容。圖5　電路結構

線路1和線路2為380 V線路，傳輸電阻R1=0.641 Ω/km，傳輸電抗X1=0.101 Ω/km；線路3為10 kV線路，傳輸電阻R2=0.347 Ω/km，傳輸電抗X2=0.235 Ω/km (電抗參數均為50 Hz系統頻率時)，濾波電感Lf=0.6 mH，濾波電容Cf=1 500 μF?？刂葡到y參數見表1。

表1系統控制參數

參數DG1DG2參數DG1DG2Kd3040Kc-4.35.8Kf104104T8.26.7Kp0.10.1T10.50.7n10-410-4T10.040.08ωc200200

仿真分別在非計劃孤島和故障切除后并網兩種情況下，對提出的控制策略進行驗證。

3.1算例1

條件：微電網在0.5 s前聯網運行，0.5 s時與配電網解列，獨立運行。當配電網側發生故障時，微電網需要與配電網解列，仿真結果如圖6所示。

圖6　非計劃孤島情況下仿真波形

從圖6(a)可以看出，在非計劃孤島情況下，有功功率保持穩定，系統切換到孤島運行狀態后根據下垂參數來分配功率，具有超調小，響應速度快等優點；從圖6(b)可以看出，PCC點電壓的波動非常小，響應時間短，保證了微電網內部供電設備的電能質量，實現微電網運行狀態的無縫切換；從圖6(c)看出兩個DG在并網過程中頻率偏差不超過0.1 Hz，穩定后運行在額定頻率(50 Hz)，微電網PCC點的相位與配電網相差較小，利于在故障切除后微電網重新并網。

3.2算例2

條件：微電網在0.8 s前獨立運行，0.8 s后并網運行。在配電網側故障清除后，微電網需要重新并網，配電網可以分擔一部分負荷。微電網在并網過程中，由于功率、電壓幅值、相位不匹配，會造成DG相位振蕩，系統有可能失穩。本文中所提出的改進下垂控制策略可以保證在故障清除后，在不需要進行預同步的情況下，系統重新并網運行的穩定性，仿真結果如圖7所示。

圖7　重新并網情況下仿真波形

從圖7(a)可以看出，微電網在0.8 s重新并網情況下，分布式電源發出有功功率迅速穩定，暫態過程短，超調小，功率曲線平滑；從圖7(b)可以看出，PCC點電壓迅速趨于穩定，保證了對于負荷供電的電能質量，實現微電網運行狀態的無縫切換；從圖7(c)可以看出，PCC點頻率在微電網并入配電網的運行情況下的系統頻率變化較小，更好地滿足了微電網的頻率運行要求，提高了微電網運行的電能質量。

4結束語

本文采用相位-電壓設計下垂控制，使得獨立運行情況下微電網可以穩定運行在工頻狀態下，在控制環中加入模擬轉動慣量方程，使得微電網逆變器具有與同步發電機相似的動態特性，通過補償控制器增加了系統在暫態過程中的穩定性，通過仿真驗證了控制策略的有效性。

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米陽(1976)，女，河南南陽人。教授，碩士生導師，工學博士，主要研究方向為微電網控制、電力系統穩定與控制等。

夏洪亮(1992)，男，河南開封人。在讀碩士研究生，主要研究方向為微電網控制。

(編輯王朋)

Improved Droop Control Strategy for Micro-grid Based on Virtual Synchronous Generator

MI Yang, XIA Hongliang

(College of Electric Power Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Abstract：In allusion to smooth switching of operational state of the micro-grid under the role of traditional droop control, virtual moment of inertial equation is added in control loop by adopting thinking of virtual synchronous generator, which makes inverter of the micro-grid have similar dynamic performance with traditional synchronous generator and solves problems of output of the inverter such as small impedance, small damp, and so on. Thus, frequency oscillation caused by sharp change of power is reduced. Meanwhile, a compensation control is added for increasing stability of the system under the condition of operational state switching. MATLAB software is used for simulation, which verifies validity of the designed improved droop control strategy for micro-grid.

Key words：micro-grid; virtual synchronous generator; droop control; compensation control; smooth switching

作者簡介：

中圖分類號：TM721

文獻標志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)02-0054-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.011

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61403246)；上海綠色能源并網工程技術研究中心項目資助(13DZ2251900)；上海教委科研創新項目(15ZZ085)

收稿日期：2015-09-23