微網中分布式電源基于下垂控制的設計

郭鐵峰

（國網天津東麗供電公司，中國 天津 300300）

0 引言

微電網作為一個大小可以改變的智能負載，為本地電力系統提供了可調度負荷，可以在數秒內做出響應以滿足系統需要，適時向大電網提供有力支撐；可以在維修系統同時不影響客戶的負荷；可以減輕(延長)配電網更新換代；同時，可作為一個可定制的電源，可以滿足用戶多樣化的需求，提高負載電壓供電可靠性。本文針對組成微網的分布式電源間并聯運行的控制展開了研究工作，研究了多個分布式電源的并行控制策略，提出了多種控制策略，經過相互比較，選定一種易于實現控制的P-f和Q-V下垂控制策略，設計了相應的控制器進行仿真，驗證了P-f和Q-V下垂控制的正確性與可行性。

1 下垂控制

為了更簡單的控制分布式電源的接口逆變器，使不同類型分布式電源形成微網，一種常見的方法是模擬傳統發電機的控制系統，設計控制器使分布式電源的接口逆變器按照下垂特性曲線運行。常見的分布式電源接口逆變器控制方法分為恒功率控制、下垂控制和恒壓恒頻控制。本文采用的控制方法是下垂控制。

常用的分布式電源接口逆變器的下垂控制原理如圖1所示，它利用分布式電源輸出有功功率和頻率呈線性關系而無功功率和電壓幅值成線性關系的原理而進行控制。例如，當分布式電源輸出有功和無功功率分別增加時，分布式電源的運行點由A點向B點移動。該控制方法由于其具有不需要分布式電源之間通信聯系就能實施對整個微網系統控制的潛力，所以一般用于對等策略中的分布式電源接口逆變器的控制。

2 外環控制器的設計

本文外環為功率控制器，采用下垂特性,通過調節有功功率調節系統頻率和無功功率調節電壓幅值。分布式電源向微網輸出的有功功率和無功功率分別為：

由式（1）可知，分布式電源輸出的有功功率與電壓矢量間功角差δp成線性關系，無功功率與逆變器電壓的幅值V成線性關系。因此，針對分布式電源輸出的功率控制，逆變器可采用模擬傳統同步發電機控制特性的P-f下垂特性與Q-V下垂特性的控制方法，對分布式電源輸出功率進行靈活控制。

多環反饋控制器中的外環控制器即下垂控制器主要是為實現多個分布式電源無通信聯系的負荷功率共享。式（2）表達了圖2所示有功功率和頻率的關系無功功率和電壓的關系

式中 ω、ωref、P、Pref、V、Vn、Q、m 和 n 分別表示系統的頻率、 參考頻率、分布式電源輸出的有功功率、分布式電源參考功率、分布式電源輸出電壓幅值，輸出電壓參考幅值、分布式電源輸出的無功功率、P-f下垂增益和Q-V下垂增益。

在工頻fN=50Hz下，分布式電源輸出的額定有功功率為Pref，分布式電源輸出的無功為0時，其輸出的電壓幅值均為Vn。由于微網并網運行時各分布式電源的輸出頻率，即可確定下垂增益。本文設計的下垂控制器m=0.00001，n=0.0005，頻率變化的范圍為±2%，電壓幅值的變化范圍為±5%。Matlab設計下垂控制如圖 3所示，圖中Pref、Qref、P、Q分別表示分布式電源的參考有功功率、參考無功功率，輸出有功功率和無功功率，Vref、Fref分別表示分布式電源的參考頻率和參考電壓幅值，m、n分別表示P-f下垂增益和Q-V下垂增益。

3 內環控制器的設計

通過設計P-f和Q-V多環反饋控制器中內環控制器可以減少負荷擾動對接口逆變器輸出電壓的影響，保證逆變器輸出端口電壓等于外環控制器的參考電壓。同時通過對內環控制器參數的設計，使逆變器閉環輸出阻抗城感性，可減少傳輸的有功和無功控制受線路阻抗影響的耦合程度。

通過外環功率控制器產生內環控制器的參考電壓，內環為電壓和電流控制器，電壓控制器采用PI控制器主要起穩定接口逆變器輸出端口作用，而電流控制器采用比例控制器主要為提高響應速度，如圖4所示。

若忽略濾波電阻Rf(值很小)，則濾波電感電壓方程為：

Iinv表示逆變器輸出電流矢量Iinv=[iinvaiinvbiinvc]T；

Vo示逆變器輸出電壓矢量。

相應濾波電容的電流方程為：

式中：If表示流向微網的電流矢量。

根據式（3）～（4），設計內雙環控制器如圖所示，其外環為電壓控制器，內環為電流控制器。由于電壓控制器的主要目的是穩定逆變器輸出端口電壓，為了使負載電壓穩態誤差為0，采用PI控制器，圖4中Kvp為比例系數，Kvi為積分系數。電流控制器的主要目的是提高系統的動態響應速度，所以采用比例控制器K。

當Kvp時，Kvp越小逆變器的輸出阻抗在50Hz處越呈阻性；當Kvp＜1時，其50Hz處輸出阻抗呈感性，Kvp越大其感性阻抗的頻帶越寬。但由于高頻段輸出阻抗呈阻性能有效抑制諧波，所以應該選擇使50Hz處輸出阻抗呈感性。積分參數越大輸出阻抗越呈阻性。當Kvi=1時，50Hz處輸出阻抗為感性阻抗，但當Kvi=5000時，50Hz處輸出阻抗完全為阻性阻抗。同樣，為了抑制高頻段的諧波，應選擇使50Hz處輸出阻抗呈感性，使高頻段輸出阻抗呈阻性的控制器參數Kvi。取Kvp=10，Kvi=100,保證了50Hz處輸出阻抗呈感性，同時高頻段輸出阻抗呈阻性。

4 仿真驗證

本文采用Matlab仿真驗證所設計的多環反饋控制器，系統外環功率控制環采用P～f和Q～V下垂控制，通過此控制器產生內環控制器的參考電壓，內環為電壓和電流控制器，電壓控制器采用PI控制器主要起穩定接口逆變器輸出端口電壓作用，而電流控制器采用P控制器主要是為了提高響應。

在工頻fn=50Hz的工作條件下，逆變器輸出的電壓和電流的波形如圖5所示。內環控制器將控制分布式電源輸出端口的電壓幅值和相角在穩態時等于外環下垂控制器產生的參考電壓幅值和相角，電壓環的PI控制器將使電壓相角在穩態時與外環下垂控制器產生的參考電壓相角相同，動態變化會有輕微不同。

內環控制器可以減少負荷擾動對接口逆變器輸出電壓的影響，保證逆變器輸出電壓等于外環控制器的參考電壓。

在設計好的多環反饋控制器的主電路中加入一個斷路器和一個相同的負載，在t=0.3s時逆變器輸出的電壓減小，在t=0.7s時，斷路器打開，切掉另一個負荷，逆變器輸出電壓恢復。逆變器輸出的電壓和電流的波形如圖6所示。圖7所示為有負載變化時功率控制器輸出的功率和電壓波形，圖8所示為有負載變化時功率控制器的頻率和電壓幅值，仿真結果說明本文設計的多環反饋控制器能夠保證系統的供電可靠性和運行穩定性。

5 結論

本文利用下垂特性對微網中的微型源進行了多環反饋控制器的設計研究。外環功率控制器主要是為實驗多個分布式電源無通信聯系的負荷功率共享，內環控制器的主要目的是改善以電力電子接口的分布式電源的控制性能。此多環反饋控制器設計簡單，實用有效，為硬件實施提供可能性。仿真結果證明了控制方法的合理性和有效性。

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