低壓微網(wǎng)多逆變電源的綜合控制策略設(shè)計

1、<p>　　低壓微網(wǎng)多逆變電源的綜合控制策略設(shè)計</p><p>　　摘要：針對微電網(wǎng)通常是接入低壓配電網(wǎng)的情況，分析了低壓微電網(wǎng)輸電線路與傳統(tǒng)高壓輸電線路阻抗比的差異，對低壓微網(wǎng)功率傳輸進(jìn)行了理論修正.在此基礎(chǔ)上采用不同的控制策略對低壓微電網(wǎng)進(jìn)行綜合控制，聯(lián)網(wǎng)模式下為了執(zhí)行支撐本地電壓和調(diào)節(jié)饋線潮流，微電源采用PQ控制策略；孤島模式下為確保負(fù)荷能各自快速分擔(dān)負(fù)載和電壓頻率穩(wěn)定，微電源采用電壓頻率V/f

2、下垂控制.為保證逆變器輸出阻抗與線路阻抗相匹配，在逆變器控制策略中引入阻性虛擬阻抗，根據(jù)低壓線路參數(shù)呈阻性的特點，對傳統(tǒng)高壓大電網(wǎng)下垂特性進(jìn)行修正，通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)正交變換矩陣，對電壓頻率V/f下垂控制進(jìn)行了改進(jìn)，使得傳統(tǒng)的V/f下垂控制得以擴(kuò)展應(yīng)用于低壓微網(wǎng)中.仿真驗證分析，證明了低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)下設(shè)計的綜合控制策略能夠保證系統(tǒng)與運行的穩(wěn)定性和可靠性. </p><p>　　關(guān)鍵詞：低壓微網(wǎng)；PQ控制；V/f下垂控制

3、；阻性虛擬阻抗；旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)；孤島模式 </p><p>　　中圖分類號：TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A </p><p>　　為協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾[1]，充分挖掘分布式能源為電網(wǎng)和用戶所帶來的價值和效益，近年來學(xué)者們提出了微電網(wǎng)（Microgrid）的概念[2-3].微電網(wǎng)是指由分布式電源（DG）、儲能系統(tǒng)、負(fù)荷和保護(hù)裝置匯集而成的配電網(wǎng)子系統(tǒng).而與單純的分布式電源（DG）相比，微電網(wǎng)

4、更能充分發(fā)揮微電源的各項優(yōu)勢，并且實現(xiàn)微電源的大規(guī)模并網(wǎng)，同時可以向用戶提供不間斷電源（UPS）等服務(wù). </p><p>　　微電網(wǎng)中的微電源包括光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、蓄電池和高速飛輪等等，通常情況下需要通過電力電子裝置將其與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運行[4].對于像風(fēng)力發(fā)電和光伏電池這樣的微電源，其輸出功率的大小受天氣影響較大，發(fā)電具有明顯的間歇性，這種微電源通常只發(fā)出恒定的有功功率或執(zhí)行最大功

5、率跟蹤，一般采用定功率PQ控制；對于像微型燃汽輪機(jī)、燃料電池、蓄電池等微電源，控制比較容易實現(xiàn)，既可以按照給定的有功無功進(jìn)行控制，又可以實現(xiàn)電壓頻率V/f下垂控制，其中電壓頻率V/f下垂控制可以用于保證微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定性[5-6]. </p><p>　　在微電網(wǎng)中，對逆變電源的控制策略研究大多是集中在電壓幅值和頻率下垂控制策略方面，通過該控制策略，各個逆變電源相互獨立，在并網(wǎng)和孤島運行時不需要進(jìn)行控制模式

6、的切換，避免了運行模式切換引起的換控制策略失敗的可能.而針對微電網(wǎng)一般接入低壓配網(wǎng)中，各個微電源與并聯(lián)母線之間的線路阻抗主要是呈阻性[7]，而采用電感電流和電容電壓的逆變器輸出阻抗主要是呈感性，這樣便使得逆變電源輸出的有功和無功與逆變器輸出電壓的幅值、相位之間存在比較嚴(yán)重的耦合. </p><p>　　本文把逆變器輸出的各種因素都考慮在綜合等效線路阻抗中，先通過對傳統(tǒng)高壓大電網(wǎng)下垂控制[3]進(jìn)行分析，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)

7、的方法，對傳統(tǒng)下垂控制進(jìn)行了擴(kuò)展，得到新的控制策略，在低壓電網(wǎng)的情況，實現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦，能夠有效地分擔(dān)變化的負(fù)載要求，這樣既能夠提高系統(tǒng)功率分擔(dān)的精度，同時也能夠為系統(tǒng)提高電壓及頻率的支撐.并且根據(jù)綜合等效線路阻抗一般呈阻感性，在逆變器控制策略中引入虛擬阻抗，并且合理設(shè)計逆變器控制參數(shù)，使得逆變器輸出阻抗呈阻性時可以采用簡單的有功調(diào)電壓幅值，無功調(diào)頻的下垂控制策略[8-9]. </p><p>&l

8、t;b>　　1低壓微電網(wǎng)結(jié)構(gòu) </b></p><p>　　微電網(wǎng)中的電源多為微型電源，即含有電力電子接口的小型機(jī)組（小于100 kW） ，包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏電池以及超級電容、飛輪、蓄電池等儲能單元.根據(jù)微電網(wǎng)概念，提出了典型的低壓微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示. </p><p>　　圖1所示的微電網(wǎng)整體呈輻射狀結(jié)構(gòu)，微電網(wǎng)由多個分布式電源系統(tǒng)組成，主要的微電

9、源包括如光伏電池、燃料電池、風(fēng)電機(jī)組等可再生的新能源以及儲能裝置、控制器、負(fù)荷等組成.其中微電網(wǎng)通過主分離器與外部電網(wǎng)連接，當(dāng)外部系統(tǒng)發(fā)生故障或者外部電能質(zhì)量不能滿足微電網(wǎng)內(nèi)用戶的要求時，該分離器動作使微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運行.在饋線側(cè)則根據(jù)負(fù)荷的重要程度使用不同的供電方式.本文研究的微電網(wǎng)采用3個分散的DG單元和一個負(fù)荷通過線路和開關(guān)并聯(lián)于母線上，在公共連接點（PCC）通過開關(guān)和升壓變壓器連接到10 kV配電網(wǎng)上. </p>

10、<p>　　2低壓微網(wǎng)功率傳輸?shù)睦碚撔拚?</p><p>　　但是絕大多數(shù)微電源都是接于低壓配電網(wǎng)中，而低壓情況下線路參數(shù)主要呈阻性.由表1可知，在高壓系統(tǒng)中線路阻抗以感性為主，然而微電網(wǎng)常常是接入低壓配電網(wǎng)中，而在低壓系統(tǒng)中線路阻抗近似呈現(xiàn)出純阻性（R>>X）.表1給出了典型的線路參數(shù)以及各種典型的適合低壓微網(wǎng)的傳輸常用導(dǎo)線參數(shù).從表中可知：適用于低壓微電網(wǎng)的導(dǎo)線阻抗比均大于1，說明其線

11、路電阻不能忽略.因此，傳統(tǒng)的下垂控制將會導(dǎo)致有功和無功功率控制耦合及系統(tǒng)穩(wěn)定性相關(guān)問題，因此傳統(tǒng)的下垂控制在低壓微電網(wǎng)中不再適用. </p><p>　　3逆變電源控制器的設(shè)計 </p><p>　　微電源的控制方式與其類型有關(guān)，對于采用電力電子逆變器的微電源來說，通常有3種控制方式：并網(wǎng)狀態(tài)下的 PQ 控制，孤島狀態(tài)下的調(diào)速差droop控制[10-12]以及V/f下垂控制[13-14].

12、采用傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)接入微網(wǎng)的控制方式與傳統(tǒng)控制方式相似，作為微網(wǎng)大多采用微電源的形式.在并網(wǎng)模式下，要求儲能系統(tǒng)能夠平抑分布式電源的并網(wǎng)功率波動，減少功率波動對微電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊，為此，一般采用PQ控制；在孤島運行時能夠提供微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率參考，且能合理地分擔(dān)負(fù)荷的功率，維持整個系統(tǒng)的功率平衡，通常采用電壓頻率（V/f）下垂控制[15]. </p><p>　　在圖7中，以電感電流瞬時反饋控制為內(nèi)環(huán)，以電容電壓瞬

13、時反饋控制為外環(huán).輸出電壓與參考電壓信號進(jìn)行比較，所得的誤差信號經(jīng)過瞬時電壓環(huán)PI控制器當(dāng)作電流內(nèi)環(huán)的參考給定值.逆變橋輸出濾波電感電流與電流給定的參考信號相比較，得到的誤差信號經(jīng)過瞬時電流環(huán)PI控制器作為 SVPWM 調(diào)制電壓信號.濾波電感電流內(nèi)環(huán)的引入，使濾波電感電流成為可控的電流源，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.同時，對包含在環(huán)內(nèi)的擾動，能起到及時的調(diào)節(jié)作用，改善了系統(tǒng)性能. 　　4仿真分析 </p><p>　　

14、為了驗證本文所提出的方法，搭建了共有3（n=3時）臺逆變器的低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，微網(wǎng)中各逆變器的參數(shù)見表2和表3，根據(jù)微電源控制圖和電路模型，利用MATLAB R2011a/Simulink進(jìn)行了仿真分析，為了便于分析，將微電源用直流電壓源代替. </p><p>　　由仿真波形圖可知，采用V/f下垂控制方法的DG的輸出電壓頻率在經(jīng)過短時間的震蕩后，其頻率能夠穩(wěn)定在50 Hz，三相輸出電壓幅值能夠恒定在其基

15、準(zhǔn)附近（本文仿真采用標(biāo)么值，穩(wěn)定在1附近）.當(dāng)2 s時投入load3時，逆變器輸出的有功功率和無功功率發(fā)生變化，發(fā)出的有功功率和無功功率均增大，相應(yīng)地，逆變器輸出電流增大，但能保持其電壓穩(wěn)定在基準(zhǔn)值附近.由以上分析可知，采用本文提出的V/f下垂控制的DG輸出的實時功率能夠快速穩(wěn)定有效地追蹤系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷的變化，從而維持孤島系統(tǒng)內(nèi)的電壓和頻率穩(wěn)定. </p><p><b>　　5結(jié)論 </b>&

16、lt;/p><p>　　微電網(wǎng)的基本運行依賴于各個微電源，微電網(wǎng)存在兩種運行方式.本文在不同的運行模式下，設(shè)計了低壓微電網(wǎng)逆變電源的綜合控制策略.在聯(lián)網(wǎng)的模式下，微電源采用PQ控制，使得微電源發(fā)出指定的功率，且能夠保證不改變低壓配電網(wǎng)的電壓水平；在孤島模式下，采用V/f下垂控制策略，根據(jù)低壓線路參數(shù)呈阻性的特點，對傳統(tǒng)高壓大電網(wǎng)下垂特性進(jìn)行修正，通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)正交變換矩陣，對電壓頻率V/f下垂控制進(jìn)行了改進(jìn)，使得傳統(tǒng)的

17、V/f下垂控制得以擴(kuò)展應(yīng)用于低壓微網(wǎng)中，并能保證當(dāng)系統(tǒng)功率變化時微電源與負(fù)荷之間的功率平衡，而對受外界條件影響較大的微電源，即功率源型微電源依舊采用PQ控制.通過MATLAB/Simulink仿真，驗證了控制策略的正確性與有效性，為后續(xù)工作奠定了基礎(chǔ). </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]黃偉， 孫昶輝， 吳子平， 等. 含分布

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