改进型下垂控制六篇

2024-09-12

改进型下垂控制篇1

近年来,随着经济快速发展,一次性能源消耗随之增加,环境问题日益凸显,利用先进的电力电子技术将风力发电、光伏发电、储能电池等整合在一起的微电网应运而生。微电网能够在一定程度上克服分布式电源(DG)出力随机性和间歇性的缺陷,更加合理有效地利用分布式发电,提高了能源利用率,解决了偏远地区的供电难题[1]。但是在微电网中包含了多个DG,而各个DG之间需要进行合理的协调控制,不同微电源需要采用不同的控制器。微电网中多个微电源协调控制是解决微电网持续稳定运行、减小微电网对配电网的冲击、提高运行经济性和提高能源利用率的重要保障。

微电网层面的控制策略主要分为对等控制、主从控制和分层控制[2]。其中:主从控制策略要求微电网内部存在主控单元与从控单元[3],这种控制策略在微电网运行模式由并网向孤岛模式过渡过程中,主控单元存在控制策略的切换;对等控制策略则认为微电网内部微电源地位平等,可以实现“即插即用”,在并网向孤岛模式过渡过程中微电源无需改变控制方法,但是其控制方式单一,一些波动性微电源不能经济运行;分层控制策略能够实时与所有的微电源及负荷通信,并不断修正当前的运行点参考值[4],但是其完全依赖于上层的控制通信单元。

微电源的控制策略可以分为有功功率—无功功率(PQ)控制、电压—频率(Uf)控制和下垂控制[5]。下垂控制无需联络线就可以实现多微电源的功率分配,得到广泛应用[6,7,8]。但是传统的下垂控制受到线路等的影响难以实现功率的快速分配,较大的负荷会引起系统频率偏移,需要对下垂进行改进[9,10,11]。文献[12]在下垂控制中引入了虚拟阻抗环节,以消除线路阻抗对于功率的影响,但是也改变了系统的结构,增加了系统的不稳定因素。文献[13]在下垂特性基础上加入反馈环节,但是由于下垂系数过小,引入的反馈对于系统改善不大,需要进一步改进。文献[14]主要是对于孤岛检测下垂方法的改进,没有对正常运行时的情况进行优化。文献[15]提出一种旨在消除逆变器输出低次谐波的分频下垂控制器。文献[16,17,18,19]涉及混合控制,但是都采用传统的下垂控制,无法发挥混合控制的优势。

针对上述文献存在的问题,本文提出了对传统下垂控制进行改进的方法,并且综合考虑传统的主从控制与对等控制的特点,将本文所提的改进型下垂控制应用到多主从混合协调控制当中,通过合理设置下垂控制的下垂系数,可以实现外界功率变化在各个DG之间的合理分配,从而满足负荷变化的需要,维持孤岛运行模式下对于电压和频率的支持作用。仿真结果验证了本文所提控制方法应用于多主从混合协调控制系统上的有效性和可行性。

1 多主从微电网的控制结构

本文研究的多主从控制微电网系统结构示意图如图1所示。

图中,假设微电源有DG1,DG2,DG3共3个DG,它们通过各自的变换器连接到交流母线上,LC滤波器用于滤掉高次谐波,并将3个微电源和负荷通过线路、开关、变压器连接到配电网上。其中:DG1与DG2采用本文提出的改进型下垂控制方式,且两者参数完全相等,以利于体现下垂控制所拥有的冗余性特点,即单个下垂控制单元的故障不会影响系统的运行稳定性,DG1与DG2在孤岛运行时候可以充当主控部分;DG3采用PQ控制,以保证DG3能够输出恒定功率,在孤岛运行时可以充当从控部分。在并网与孤岛运行时所有微电源的控制方式可以保持不变,省去了通信系统环节,减少了微电网的构建成本。敏感负荷1和2分别与2个改进型下垂控制微电源直接连接,公共负荷接在微电网公共交流母线上,微电网通过总断路器QF、变压器、高压输电线路接入到配电网中。

2 微电网控制技术

2.1 微电网的多主从混合协调控制特点

在传统的主从控制中,主控微电源(即主控单元)仅为一个,从控微电源(即从控单元)一般为多个。主控单元可以在一定范围内为微电网的孤岛运行提供电压与频率的支持。但是对于迅速发展且规模在不断加大的微电网,仅用单个主控单元已经不能够维持微电网的电压与频率稳定,即便是小规模的微电网,对于充当主控单元的微电源要求也很高,它不仅需要快速地响应系统中的动态变化,还需要可靠的通信设备。若主控单元出现故障,微电网系统将完全瘫痪。

在对等控制中,微电网上所有微电源都采用下垂控制方法,这可以实现微电源与负荷的“即插即用”,提高系统的灵活性。但是对等控制方法过于单一,一些间隙性电源(例如光伏发电、风力发电)由于受到光照、温度、风速等的影响,其出力存在波动性和随机性,调节空间有限,因此一般希望其工作在最大功率输出状态,更适合采用PQ控制方法,从而可以尽可能多地输出绿色电能。

本文综合考虑传统的主从控制与对等控制的特点,提出将两种协调控制结合在一起实现多主从混合协调控制。这种混合控制方法采用多个主控单元和多个从控单元。其中:多个主控单元采用本文提出的改进型下垂控制方法,它们之间进行负荷出力分配,负责微电网的电压与频率稳定,实现系统中负荷变动的快速功率补偿;多个从控单元可采用PQ控制,从而实现最大功率发电。

与传统的主从控制相比,本文多主从混合协调控制的功率分配由多个主控单元的微电源一起完成,操作更加方便可靠。在微电网孤岛/并网模式切换前后,主控单元无需改变控制策略,系统运行更加流畅。

与对等控制相比,本文多主从混合协调控制突破了对等控制采用单一下垂控制模式的缺点,通过引入PQ控制有助于间歇性微电源实现最经济运行,同时还具有对等控制的“即插即用”特点。

微电网除了各个微电源之间需要进行协调控制,每个微电源本身也需要采用改进型下垂、PQ和Uf等控制方法。

2.2 微电源的改进型下垂控制方法

传统的下垂控制是在功率传输特性的基础上,通过模拟发电机的下垂特性实现并联的各个DG之间的功率控制,其控制原理如图2所示。

图中,Lf为滤波电感,Cf为滤波电容,Z为负载阻抗,Zline为输电线路的阻抗。微电源的传统下垂控制方法为:首先利用测量元件测量输电线路中的电压、电流;然后计算功率环节得到平均的有功功率和无功功率;再通过下垂控制环节中有功功率—频率(Pf)特性和无功功率—电压(QU)特性得到相应的电压与频率指令值;最后通过电压、电流双环控制器进行比例—积分(PI)调节,产生正弦脉宽调制(SPWM)信号。

对于线路阻抗主要呈感性的逆变器,微电网中DG输出的Pf和QU都呈线性关系(即Pf和QU特性),通过这种关系实现并联DG输出功率的合理分配。由此可得传统的下垂控制关系式为:

式中:fn为电网频率的额定值;Pn为微电源在额定频率下的输出有功功率;U0为微电源输出无功功率为0(即Qn=0)时的电压幅值;P和Q分别为逆变电源输出有功、无功功率的实测值;m和n分别为有功、无功的下垂系数;Pmax为微电源在频率下降时允许输出的最大有功功率;fmin为微电源输出有功功率最大时相应的最小频率;Qmax为微电源在电压幅值下降时允许输出的最大无功功率;Umin为微电源输出无功功率最大时相应的最小电压幅值。

同时需要说明的是由于电能质量的要求,在设置m和n的时候,需要保证电压与频率变化在一定范围内。传统的下垂控制中下垂特性是一条位置恒定的曲线,它们对于环境的适应性较差,难以满足微电网控制的需求,需要进一步改进。常见的改进型下垂控制在下垂系数不变的情况下引入反馈,但由于下垂系数的数值很小,引入的反馈在经过下垂系数后对于系统的性能改善很少,系统优化效果并不明显[9]。

本文提出的改进型下垂控制可解决此问题,其原理框图如图3所示。

图3中,通过引入反馈环节实现逆变器输出频率和电压幅值的补偿,从而提高系统的适应性和稳定性。其具体表示式为:

式中:m*和n*为修正后的下垂系数,一般比m和n大;Kp和Ki分别为PI控制的比例系数、积分系数;s为拉普拉斯算子。

从式(5)、式(6)可知,本文所提的方法是在传统的下垂控制基础上,将频率差f-fn与电压差U-U0分别作为反馈信号,反馈线上除了要增加一个PI控制环节,还需要对反馈线的下垂系数进行修正处理,从而构成一种新型的下垂控制方法。通过调节PI控制的比例系数Kp、积分系数Ki来补偿微电源输出电压变动的影响,增强频率和电压的动态稳定性;m*和n*是对下垂系数m和n的放大修正,主要是放大反馈环节的补偿作用,因为原来的反馈系数m和n太小,反馈效果不明显,需要对反馈线上的下垂系数m和n进行放大处理。这种改进在下垂特性上具体表现为:对于前一时刻的下垂特性的平移,平移的多少、快慢主要由系统参数、PI控制参数和修正的下垂系数来决定。

式(5)、式(6)化简为等式右边不再包含f和U的式(7)、式(8),并将它们与传统的下垂控制关系相比较可知,改进后的下垂控制相当于将传统下垂中的恒定下垂特性变为动态下垂特性,其下垂参数会随着系统的运行状况而自适应改变。

本文采用的动态下垂系数参数如下:m=0.000 01,n=0.000 3,引入PI控制环节的比例系数Kp=0.6,积分系数Ki=10,修正后的下垂系数m*=0.01,n*=0.3。

改进前后有功功率下垂系数的波特图见附录A图A1。通过设计新的下垂系数,在不同的线路工作情况下系统的下垂系数具有不同的相频和幅频特性,无功下垂系数也有类似的特性,这对系统处于复杂多变的运行条件下更具有适应能力。

2.3 微电源的PQ控制与Uf控制

微电源的PQ控制和Uf控制两种控制方法的原理框图见附录A图A2。一个微电源某一时刻只能工作在一种控制方法中。例如,在传统的主从控制中,主控单元并网运行时采用PQ控制,而孤岛运行时采用Uf控制。

PQ控制和Uf控制的特性如下:PQ控制是通过功率控制与电流控制两个环节,按照给定的有功功率Pref和无功功率Qref数值进行发电的控制技术。采用这类控制的微电源其本质相当于受控电流源。PQ控制实现的前提是微电网系统能够为该类电源提供稳定的电压幅值和相位参考值,该类电源对于微电网的稳定运行贡献较小。而Uf控制可以通过电压、电流环使得微电源输出的电压幅值U与频率f保持稳定不变,而输出的有功功率和无功功率可以变化。

3 微电网系统仿真分析

为了说明本文提出的混合控制方法的优点,下面分别对传统的主从控制、本文提出的多主从混合协调控制进行仿真分析,并对它们进行仿真比较。

3.1 传统的主从控制及分析

首先在MATLAB/Simulink软件平台上,搭建出传统主从微电网系统结构示意图,如附录A图A3所示。图中,假设微电网包括DG1和DG2两个微电源,其中,DG1为主控单元,DG2为从控单元。

仿真参数选取如下:微电源中Udc=1 000V,滤波参数Rf=0.1Ω,Lf=1.5mH,Cf=1 800μF;线路单位电阻R1=R2=0.642Ω/km,单位电抗X1=X2=0.083Ω/km;Uf控制模块中Uref=380V,f=50Hz,电压环Kp=10,Ki=2 000,电流环Kp=0.5;PQ控制控制模块中Pref=20 kW,Qref=0kvar,电流环中Kp=0.5,Ki=20;配电网高压线路中单位电阻R3=0.347Ω/km,单位电抗X3=0.234 5Ω/km,负荷采用恒定功率P=10kW,Q=10kvar。微电网系统仿真时间为0~4s。

1)0~2s:断路器K处于断开状态,微电网孤岛运行。期间(0~1s)断路器K1,K2,K3都处于闭合状态,待系统稳定后K3在1s时将母线上的负荷切除,在1.5s时又将其并入到微电网。

2)2s时刻:断路器K动作,微电网孤岛/并网模式切换。

3)2~4s:K处于闭合状态,微电网并网运行。期间(2.0~2.5s)断路器K1,K2,K3都处于闭合状态,待系统稳定后K3在2.5s和3s时分别动作一次,进行并网时公共负荷的投入与切除。

采用传统的主从控制时微电网的7组仿真曲线见附录A图A4。其包含了主控单元处和微网母线的电压、电流、有功功率、无功功率以及PQ单元处的频率波形曲线。

由图可见微电网采用传统的主从控制在孤岛运行、并网运行和并网/孤岛模式切换3种不同的运行状态下相关变量的曲线。在并网运行时,微电网中主控单元出口电压能保持400 V左右、电流保持25A左右、频率保持50 Hz,功率也相同,这是由于并网运行时两个微电源采用相同参数PQ控制的缘故;而在孤岛运行时,尤其在公共负荷投切操作时,主控微电源的电流、功率都有明显的变化,这对于微电网系统的稳定运行不利;而对于母线处的电压、电流和功率无论是孤岛运行还是并网运行,在负荷切换时候都有明显的变化;在微电网并网/孤岛模式切换前后,主控微电源的功率、从控微电源的电流与功率都有相应幅度的变化。

由此可见,由于传统的主从控制仅采用单个的主控单元,这种方式对于负荷投切以及微电网运行模式的切换都不能很好维持系统变量的稳定,因此,需要寻找更好的微电网协调控制策略。

3.2 多主从混合协调控制及分析

首先在MATLAB/Simulink软件平台上搭建出图1所示的多主从微电网结构示意图,由此再仿真验证基于本文所提改进型下垂控制的多主从混合协调控制微电网系统性能。

仿真参数选取如下:DG1和DG2都采用改进型下垂控制,其相应的参数为Pn=20kW,fn=50Hz,U0=311 V;滤波参数Rf=0.1Ω,Lf=1.5mH,Cf=2 000μF;电压、电流双环结构中电压环PI参数Kp=10,Ki=100,电流环比例系数Kp=10,载波频率fs=6 000 Hz;输电线路中,微电源低压线路单位电阻R1=R2=R4=1Ω/km,R3=0.641Ω/km,单位电抗X1=X2=X4=0.01Ω/km,X3=0.101Ω/km,线路长度为100 m,负荷采用恒定功率负荷,P1=P2=20kW,Q1=Q2=5kvar。公共负荷、PQ控制、配电网参数同上述传统主从控制一致。

为了分析微电源采用不同控制的特性以及与微电网和主网之间的联系,本算例对微电网孤岛和并网运行进行仿真,仿真时间为4s,具体操作如下。

1)0~2s:断路器QF处于断开状态,微电网孤岛运行。期间(0~1s)断路器QF1,QF2,QF3,QF4都处于闭合状态,待系统稳定后QF4在1s时将母线上的负荷4切除,在1.5s时又将其并入到微电网。

2)2s时刻:断路器QF动作,微电网孤岛/并网模式切换。

3)2~4s:QF处于闭合状态,微电网并网运行。期间(2.0~2.5s)断路器QF1,QF2,QF3,QF4都处于闭合状态,待系统稳定后QF4在2.5s和3s时分别动作一次,进行并网时公共负荷的投入与切除。

图4为采用本文提出的混合控制时微电网的7组仿真曲线。其包含了DG1与母线处的电压波形、电流波形、有功和无功功率波形及频率波形。

由这些曲线可见孤岛运行、并网运行以及并网/孤岛模式切换3个过程的变化情况。这3个过程中,多主从混合协调控制微电网系统的稳定性与传统的主从控制微电网系统相关波形相比有了很明显改善。在整个一系列变化过程中,DG1与母线处的电压保持300V恒定不变、频率稳定在50Hz附近,DG1电流基本在50A附近、母线侧电流在70A左右,能够与传统的主从微电网一样输出恒定的有功功率和无功功率。

DG1在0~2s输出有功26kW、在2~4s输出有功变为22kW,说明了DG1和DG2输出的功率分别消耗在输电线路、各自所带的负荷以及公共负荷上,当公共负荷切除时其输出功率有所减少;而在2~4s并网运行时,由于主网(即配电网)的支持,其输出功率基本保持不变,维持在20kW左右,相对于孤岛运行时的功率有所减少,这符合实际运行情况。母线处的频率波形距离50 Hz更加接近,上下波动不超过0.3%,对于传统的主从控制(频率波动2%)微电网有了明显的改善。

因此,本文多主从混合协调控制微电网的各项指标都能够满足电网质量的要求,尤其在并网/孤岛模式切换过程中,相对于传统的主从控制微电网存在明显冲击,本文的多主从混合协调控制微电网具有更为平滑的过渡过程。

对比图4和附录A图A4可以发现,传统的主从控制微电网对于主控单元具有很强的依赖性,主控单元的稳定性、容量直接影响到整个微电网系统的稳定性,主控单元还需要配置Uf控制和PQ控制两套不同的控制策略,这不仅结构上变得复杂,还需要可靠的通信设备进行模式切换操作。例如,附录A图A2为微电网控制中一个主控单元,相对于本文所提的改进型下垂控制方法结构更为复杂。

3.3 改进型下垂控制与传统的下垂控制比较

图5为孤岛条件下两种下垂控制方法用于本文的多主从混合协调控制系统中输出的频率信号。由图可见,本文提出的改进型下垂控制的频率控制精度明显优于传统下垂控制。其中:改进型下垂控制中反馈支路上(参见图3)PI控制的动作时间为0.5s,0.5s后改进型下垂控制系统的频率更接近频率的设定值(50 Hz),尤其在公共负荷切除的时间段内(1.0~1.5s),频率更加接近于50 Hz。因此,本文提出的改进型下垂控制的性能优于传统下垂控制。

随着微电网技术的不断发展,微电网的规模不断加大,传统的主从控制采用单个主控单元,这对单个主控的要求太高,而本文提出的多主从混合协调控制更适应于多个微电源的情况,微电源越多适应性越好,并且与对等网络一样,只要保证至少有一个微电源运行在下垂状态下,其余的微电源都可以进行微电源的“即插即用”。

4 结语

本文提出了改进型下垂控制方法,并将其用于多主从混合微电网当中,通过对传统的主从控制微电网与多主从控制微电网进行仿真分析,仿真结果表明在孤岛、并网运行和孤岛/并网运行模式切换下,本文所提的基于下垂控制的多主从微电网在适应性和稳定性上更加具有优势。另外,本文提出的控制方法在微电网运行模式切换时,无需改变微电源的控制方法,微电网仍能够平稳地运行。

本文还存在一些需要进一步研究的问题。例如,本文直流侧采用了直流电压源,侧重于对微电网运行特性进行分析,但未考虑微电源本身多样性的影响,微电源运行特性对微电网的影响有待于下一步深入研究;另外,本文采用的混合控制方法相比于传统控制方法取得了很好的仿真结果,下一步还需将其应用到微电网实际平台上,以进一步验证其性能优势。

改进型下垂控制篇2

随着石油和煤炭等能源价格的不断上涨,世界各国不得不应对能源危机带来的挑战。目前全世界都在推进新能源系统的建设,其中的重要内容包括可再生能源的开发和利用、微电网和分布式供电等技术的兴起和发展。微电网供电方式为可再生能源的利用开辟了新的方向,并对功率变流器以及电力系统功率控制器提出了全新的要求和考验。

大多数能源与微电网的接口都基于逆变器,通过对各台逆变器的输出进行控制,保证微电网系统运行的柔性和可靠性。根据微电网的控制要求,逆变器选择与传统发电机相类似的下垂特性曲线进行控制[1,2],将系统的不平衡功率动态分配给各逆变器模块承担,具有简单、可靠、易于实现的特点[3]。通常采用多个逆变器并联构成汇流母线,当电网负荷变化时,各逆变器之间不需要进行通信,只需通过汇流母线实现均流,是完全冗余的系统。

逆变器PQ下垂控制法只需要检测逆变器自身的输出,通过调整自身输出电压的频率和幅值来控制输出的有功和无功功率,实现微电网中逆变器功率的合理分配。传统的PQ下垂控制法需要通过低通滤波器计算每个工频周期逆变器输出的有功和无功功率,存在动态响应慢和周期性调节的固有缺点[4,5],而且在负荷变化时下垂系数是固定的,母线电压的幅值和频率波动较大[6,7,8]。同时,微电网中各逆变器输出连线阻抗的差异,也会在很大程度上影响均流的效果[9,10]。

本文针对低压微电网独立运行模式中逆变器并联的系统结构,对并联系统的有功功率和无功功率环流模型进行了分析。针对传统下垂法控制的逆变器在电网负荷不同时输出电压幅值和频率的不稳定问题,提出了一种改进的自调节下垂控制法,可以有效减小微电网中逆变器由于功率下垂调节所引起的交流母线电压幅值及频率的波动,提高了微电网系统的稳定性和可靠性。同时,本文针对微电网中逆变器之间无功功率环流引起的系统中设备传输容量和系统损耗的增加等问题,提出了一种通过检测并联系统逆变器输出无功功率、瞬时调节逆变器自身输出阻抗的方法,有效抑制了逆变器并联系统中的无功功率环流。仿真和实验验证了该控制策略的可行性和有效性。

1 微电网中逆变器并联系统

图1为典型的微电网结构示意图,光伏电池、燃料电池、风力发电机等通过电力电子变换装置转换后,经逆变器并入微电网。微电网通过静态切换开关在公共连接点(PCC)与主网相连。在微电网独立工作时,各逆变器系统是以并联形式供能的,从而构成了微电网的汇流母线[11,12]。

根据图1所示微电网中逆变器的并联结构,为了简化分析,取出其中2台逆变器构成并联系统,图2所示即为逆变器并联系统环流模型。在这个简化的模型中,微电网中并联的逆变器可以等效为一个电压源和一个阻抗的串联。逆变器之间的环流可以通过2台逆变器的输出相量计算得到。为了便于分析,连线阻抗中电感部分计入Li。所以,逆变器输出阻抗可以表示为:

$\begin{array}{l} Ζ = Ζ_{1} = Ζ_{2} = R_{1} + R_{1^{'}} + j ω L_{1} = \\ R_{2} + R_{2^{'}} + j ω L_{2} \end{array}$

基于以上模型和假设,微电网中逆变器之间的环流可以简化表示为:

$\dot{Ι}_{Η} = \frac{\dot{U}_{o 1} - \dot{U}_{o 2}}{2 Ζ} (1)$

为了简化分析,逆变器并联系统中做如下假设:R1′/R1=R2′/R2=N(N为Ri′与Ri的阻抗比), $R_{1} = R_{2} = R, L_{1} = L_{2} = L, \dot{U}_{o 1} = V_{1} ∠ 0 °, \dot{U}_{o 2} = V_{2} ∠ δ$ 。

已知逆变器输出为正弦波,并忽略高次谐波,逆变器之间的环流为:

$\dot{Ι}_{Η} = \frac{V_{1} - V_{2} e^{- j δ}}{2 (R + Ν R + j ω L)} (2)$

当逆变器输出电压幅值有差异、输出电压相位相同时,逆变器输出电压幅值和相位可以定义为:δ1=δ2,V1-V2=ΔV。有功功率环流分量IHP 和无功功率环流分量IHQ 分别可以表示为:

${\begin{cases} Ι_{Η Ρ} = \frac{2 (1 + Ν) R Δ V}{| Ζ |^{2}} \\ Ι_{Η Q} = \frac{2 ω L Δ V}{| Ζ |^{2}} \end{cases} (3)$

相反,当微电网中并联逆变器之间输出电压相位有差异、幅值相同时,逆变器输出电压幅值和相位可以定义为:V1=V2,Δδ=δ1-δ2。

类似地,有功、无功环流可以表示为:

$\begin{array}{l} \dot{Ι}_{Η Ρ} = \frac{2 (1 + Ν) R V_{1} \sin^{2} \frac{δ}{2} + ω L V_{1} \sin δ}{2 | Ζ |^{2}} (4) \\ \dot{Ι}_{Η Q} = \frac{(1 + Ν) R V_{1} \sin δ - 2 ω L V_{1} \sin^{2} \frac{δ}{2}}{2 | Ζ |^{2}} (5) \end{array}$

2 基于改进下垂法的逆变器并联控制

在微电网中,由于逆变器分布在各处,很难对它们进行统一的PQ控制。因此,各个微电网逆变器对自身输出电压的调节能力对维持系统可靠性和稳定性就显得非常关键。若缺乏本地电压调节,连有大量微电源的系统将经历有功功率和无功功率环流的振荡,最终导致系统崩溃,故电压控制需要确保逆变器电源之间无过大的电流环流。在传统电网中,发电机的内阻抗通常大到足以防止产生环流。而在放射性结构的微电网中,若电压稳定点有所偏差,电流环流将超过逆变器的额定值,从而损坏逆变器装置并导致微电网不能正常工作。所以能否有效控制微电网中逆变器之间的有功、无功功率环流,是决定微电网能否正常运行的关键因素之一。

根据式(3),在逆变器输出相位相同、幅值有差异情况下,可以得到有功环流IHP 和无功环流IHQ随逆变器输出幅值差ΔV和阻抗比N的变化关系,如图3所示。因N定义为逆变器连线阻抗和逆变器本身输出阻抗的比值,据此合理地设计逆变器输出阻抗和连线阻抗,可以获得最小的系统环流。

PQ下垂系数法只需检测逆变器自身的输出,通过调整自身输出电压的频率和幅值来控制逆变器输出的有功和无功功率,实现整个并联系统的功率均分和稳定,是一种完全冗余的控制方式,适合于微电网中各逆变器并联运行的控制。当系统阻抗呈现感性为主时,可得传统的PQ下垂法调节关系为:

$\begin{array}{l} ω = ω_{0} - m Ρ (6) \\ V = V_{0} - n Q (7) \end{array}$

式中:ω和ω0分别为逆变器输出角频率和初始角频率;V和V0分别为逆变器输出电压幅值和初始幅值;m 和 n分别为有功功率和无功功率的下垂系数。

若系统阻抗呈现阻性,有功功率和无功功率则与上述相反,分别对应输出电压幅值和角频率。传统的PQ下垂法中的下垂系数根据有功功率和无功功率进行频率和幅值的下垂调节,在不同的系统负荷下,下垂系数是不变的,因而造成输出电压和频率的过度下垂,增加下垂调节引起的微电网电压幅值和频率偏离,影响微电网电压质量和频率稳定性。

本文将下垂系数m和n用一个与有功、无功相关的简单函数替代,该函数可以是一次函数也可以是二次函数,如式(8)和式(9)所示。本文取其为一次函数,当检测到功率变化时,会根据实际输出功率大小动态地调节下垂量。随着微电网中负荷的波动,各台并联逆变器的幅值和频率的下垂量可以动态调节,减小负荷变化时由逆变器均流控制引起的微电网电压幅值和频率的过度下垂,从而避免微电网中交流母线电压幅值和频率出现较大波动,增加微电网逆变器并联系统的稳定性和可靠性。

$\begin{array}{l} ω = ω_{0} - (m_{1} - m_{2} Ρ) Ρ (8) \\ V = V_{0} - (n_{1} - n_{2} Q) Q (9) \end{array}$

基于本文提出的控制策略,利用MATLAB中的Simulink软件,建立了2台单相逆变器并联构成的小型低压微电网独立发电系统,图4为微电网逆变器并联时母线输出电压和系统环流的仿真结果。

在t=0.02 s时刻,给系统突加负荷,由图4(a)可看到,传统下垂法控制的逆变器输出电压2的幅值(Uo′)和频率(1/T′)均明显减小,使微电网母线电压幅值和频率出现了较大的偏离和波动,不利于微电网供电系统稳定运行。而通过改进的自适应下垂系数调节法,在同样的负荷变化情况下,输出电压1的幅值(Uo)和频率(1/T)变化量都大大减小,从而有效地稳定了微电网的幅值和频率,提高了微电网的供能质量、可靠性和安全性。从图4(b)中环流1,2可看出,改进前后2种方法并未使逆变器之间的环流发生明显变化,没有增加系统环流的负担。

图5表示逆变器系统输出阻抗随电压环积分系数变化的频域特性。根据逆变器的输出阻抗特性,逆变器电压环比例积分(PI)调节参数中的积分系数Ki对输出阻抗影响较大,间接决定了对环流和线阻抗的敏感度;在工频附近系统输出阻抗接近感性,且在该频段输出阻抗的大小随着电压环PI环节积分系数Ki的变大而迅速变大。

本文针对逆变器输出的阻抗特性,对电压环积分系数Ki进行了改进,采用与无功功率Q相关联的可变系数Ki′,如式(10)所示。逆变器可以根据实时检测的系统输出无功功率,动态地改变积分系数。正常工作时,由于微电网系统环流较小,逆变器的积分系数接近正常值,以确保较好的动态性能;当微电网系统出现较大无功环流时,在一定的稳定裕度内,增大逆变器输出阻抗,以抑制微电网系统无功功率环流的增加,减少由于无功功率环流所引起的系统容量负担和电网电压及频率稳定性等问题。

$Κ_{i^{'}} = Κ_{i} (1 - Κ_{Q} | Q |) (10)$

3 系统仿真和实验结果

根据本文提出的微电网逆变器并联控制策略,基于MATLAB软件建立了2台逆变器并联的微电网系统,并对该系统进行了负荷突变及功率均流实验。图6显示了t=0.2 s时负荷变化带来的逆变器有功功率和无功功率变化情况。可看出在微电网负荷较大和较小情况下,系统均能实现较好的功率均流,并由图4已知该系统中母线电压的幅值和频率相比传统下垂法控制的并联系统有较好的稳定性。

根据前述的微电网逆变器并联控制策略,设计并调试了2台基于DSP控制的单相逆变器,组成简易微电网逆变器并联系统。每个逆变器均由全桥拓扑构成,开关管工作频率为20 kHz,逆变器具有支持热插拔的并联锁相模块。

在实际实验中2台逆变器的连线阻抗设置了一定差值,图7(a)、图7(b)分别是2台逆变器并联接入时各台逆变器的输出电流波形。

根据实验结果所示,由改进下垂法控制的微电网逆变器并联系统均流性能较好,动态响应较快,并很快进入稳态,并联系统的环流较小,系统频率和幅值较稳定,并且当另一条逆变器并入微电网时系统能迅速实现功率均分,从而验证了该方法的可行性和可靠性。

4 结语

本文介绍了低压微电网独立运行时逆变器的并联控制技术,提出了一种改进的自调节下垂系数法,有效减小了传统下垂法控制的微电网逆变器在负荷波动时母线电压幅值和频率的不稳定,并对微电网逆变器并联系统的有功功率和无功功率环流模型进行了分析。针对微电网中无功功率环流会给系统带来设备容量和线路损耗增加等问题,提出了根据并联逆变器输出的无功功率瞬时调节其自身输出阻抗的方法,有效抑制了微电网系统中逆变器之间的无功功率环流。仿真结果和实验结果均表明,本文提出的微电网逆变器控制策略不仅具有良好的负载特性和输出特性,而且在微电网逆变器并联系统中具有较强的参数适应性、较好的动态响应性能和均流性能。

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改进型下垂控制篇3

【关键词】微电网；逆变器；下垂控制；控制策略

随着发电技术中对可再生能源和高效清洁能源的使用，微电网的应用越来越重要。分布式发电系统既满足理了日益增长的负荷需求，同时有效的减少了环境的污染。为了有效的解决电源大规模的应用问题，整合发电的优势，有效的减少分式发电的冲击力和负面影响，提出了微电网的概念。对于目前微电网的主要问题，即协调大电网与分布式电源之间的矛盾提出了重要的研究项目，即对于微电网中逆变器自适应下垂控制策略。本文所提控制策略针对现在微电网的实际应用，将微电网的电源、储能装置和控制装置有效的结合，能够有效的用户提供电能和热能。

1.微网逆变器自适应下垂控制

1.1微网控制与大电网控制的不同

微电网被视为是传统电力系统的微型版。电力系统正在全面的发展，对于电力的传输的提高和电力发展的深入，保持电网的稳定性对于电力系统发热安全也就显得尤为重要，对于电网不断的扩大，对于电网的稳定性也就存在很多不足，在技术和设备上都不能满足人们的需要，对于系统的稳定也就不同，对于系统运行的随机性，对于电力系统的安全的影响也就更大，对于电力系统的运行也就显示了很多方面的不足，对于特大型的互联电网的稳定性带来了很大的影响。

对于微电网根据微源的类型和渗透深度，负荷特性及电能质量约束条件等，微网控制欲运行策略与传统电力系统有显著的不同，主要原因如下：

（1）对于微电网的魏源就是根据稳态与动态的特征，对于电力的产生单元，与系统的大电网的发电有很多不同的地方。

（2）在微电网中出现的单相负荷和单相能源的不同，微电网中控制平衡的单相也就会受到很大的影响。

（3）对于微电网供电很多时候也就存在对电网的不可控制的情况，对于一些发电单元也就出现了很多的单元执行方法，不能更好的控制。

（4）同时在微电网控制中储存能源的长短的期限具有十分重要的作用。

（5）经济性也就是对微网的限制，必须要有效的保证微源的接入和断开，确保微电网的正确的运行。

根据上面的原因，对于微电网的控制需要进行从新研究，同时提出更有效的微电网逆变器自适应下垂控制策略。

1.2微网逆变器自适应下垂控制的相关设备

在实际的工作中，很多逆变器自适应下垂控制本身存在的一些固有的问题和缺陷，导致逆变器自适应下垂控制没有正常的工作，例如，一些逆变器自适应下垂控制在微电网功能出现问题，导致系统中的能量管理系统出现问题，同时对于能量管理系统是每个微电网不可或缺的一部分，其职责是优化微电源的运行。与微网的保护系统和微电源控制系统相比，能量管理系统从整个微网的角度来调度各种装置，因此对于发电和需求的控制是最为有效的。特别是对于微网逆变器自适应下垂控制的相关设施的管理，在对问题处理之后也就有相应的检查措施，要保证微电网能够正常运行。对微电网内部主要包括DG控制器、能量管理器、潮流控制器、继电保护协调器、可控负荷管理器等。

2.微电网中微源控制方法

对于微电网中微源的控制要根据微网中DG单元的运用不同，采取不同的控制方法，对于电源稳定的管理性能，更好的运用V/f控制策略，同时在受到外部影响较大的电源采用PQ控制，达到优化微电网的运行。

2.1 PQ控制方法

微电网建设管理单位内部进行PQ控制管理工作的相关策略进行健全和完善，对于PQ控制主要就是给定功率的电源中输出功率P和Q进行控制，对于电压和负荷的变化进行测试，主要就是有效的保证恒定功率的输出。当使用逆变器进入微电网时，逆变器的输出电压即为电网电压，通过调节逆变器的输出电流，从而实现注入有功功率和无功功率的控制。将有功与无功解耦，对电流进行控制，采用PI控制器可使稳态误差为0。利用锁相环技术，可使采用PQ控制的DG能够获得频率支撑。

2.2 VF下垂控制方法

VF下垂控制主要就是对检测的电压和频率的控制，保证其恒定性，在负荷发生变化的时候，对于电源的输出的频率和功跟上节奏变化。对于VF下垂控制的原理是由于测试的微型电源输出的电压和电流，计算相应微型电源输出的瞬间的有功和无功，然后也就要对通过的波频进行平均核算，并与微型电源参数功率进行比较，在最后通过VF下垂控制器，有效的控制微型电源输出的频率和电压。同时给微电网系统带来了更加安全的使用过程，也是电力稳定性的解决方法，通过提高VF下垂控制质量保证了微电网的稳定性，能够充分的提高电力使用的性能。

3.微网综合控制方法的分类

由于分布式发电的迅速发展，微网技术的不断成熟，微网的控制策略也不断的更新改进，其方法非常多，增加微电网保护技术的投入充分的稳定了电力使用的稳定性，同时也提供了一个非常有效的方法。在电力系统的传输中，能够让整个电力系统正常的运行，这也是主动控制电力系统稳定性的方法。下面按照不同的控制策略对控制方法进行分类介绍。

3.1主从控制

所谓主从控制主要就是对于微电网由上面的主层控制和底层从控制到实际的有效的控制，对于上层控制向下层的控制单元下达命令，在控制的时候需要进行可靠的通信线路采集和控制信息，在对微电网进行控制的时候也就会导致电压的不稳定性，在进行通信和控制软件的故障的时候也就会导致系统出现故障，在对微网进行扩展的时候还会受到通信成本和通信频率的限制。

3.2对等控制

所谓对等控制也就是针对之前微电网采用即插即用式DG的微网提出控制方法，在对微网的设备进行有效的管理，通过采用对等的模式进行自动的控制，微电网中进行接入或者去掉其中的一个不对微电网产生相应的影响，这也就是对等控制的作用。对等控制也就不需要通过通信环节，可以有效的实现分式电源的即插即用的效果，让微电网使用中更具优势。

3.3基于多代理技术的微网控制

对于微电网中控制的研究，根据很多的技术研究和实践，将传统的电力系统中的代理技术更好的应用到微电网控制系统，代理的治理具有反应能力和自发行为的特点，可以有效的对微电网的分散系统进行控制，满足微电网自适应下垂控制的需要，同时还提供了一个能够控制性能但又不需要经常管理的控制系统，对于相应的智能控制系統也就是现在微网控制系统的主要发展方向。

4.结束语

对于当前微电网逆变器自适应下垂控制研究主要就是对电网的本身控制进行分析，能量管理系统中对控制系统进行优化，需要不断的完善微网控制系统。这也就是需要对微网控制系统进行集中研究，主要对不同微型电网系统的运行和控制；以及独立运行的模式和网络接连的运行模式中，微网智能的频率转化和电压的控制策略进行研究；还要对微电网的分散控制方法进行有效的优化，提高微电网逆变器自适应下垂控制效果。 [科]

【参考文献】

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改进型下垂控制篇4

1 临床资料

由同一人完成42眼上睑下垂提上睑肌缩短术,男性18例24眼,女14例18眼,平均年龄为6岁-15岁,住院天数平均为一周。术前完善眼科常规检查,术前检查睑裂高、提上睑肌肌力和额肌肌力,手术采用局麻,不能耐受局麻的改全麻手术。手术方法:自内眦到外眦作一弧形皮肤切口,高度约6-7mm,若单眼先天性上睑下垂,应考虑与对侧眼睑皱襞保持一致,中等肌力(6-9mm)患者同时行上睑成形术效果更佳,术中可以切除部分眼睑皮肤和脂肪。切开皮肤及眼轮匝肌肉,分离眼轮匝肌和眶隔间隙,暴露眶隔。若看不到下方眶隔脂肪,可以轻压眼球,将脂肪向前推至眶隔下方。眼睑切口全长切除一小条眶隔,暴露眶脂肪。眶隔部分取出可以避免术后提上睑肌与眶隔粘连。经提上睑肌腱膜在睑板前表面开一小孔,将腱膜从睑板表面提起,沿睑缘平行方向用Westcott剪将其剪短。形成一舌状的提上睑肌,用提上睑肌夹固定。提上睑肌夹固定提上睑肌腱膜断端的远端,棉签推开眶脂肪,此时,在眶上方可以看节制韧带(Whitnall’s韧带),沿提上睑肌腱膜两侧剪短外角、内角及节制韧带[1]。左右移动肌肉镊感觉提上睑肌已被放松,可以顺利的拉出、回缩。用5-0的丝线将提上睑肌按预先的估计量由内、中、外三针等距褥式缝合于睑板的上缘,通过肌肉缝线调整术后眼睑高度及外形。由于术前肌力检查决定所需眼睑高度。肌力差的患者需要相对较高眼睑高度。若眼睑位置过高或过低,可以调整缝线位置直至眼睑高度满意,最后剪除多余的提上睑肌。皮肤切口可以用可吸收或不可吸缝线缝合。术后涂抗生素眼膏,保持角膜表面湿润。

2 结果

患眼术后加压包扎24小时,术后一周拆线。见患眼上睑下垂已经矫正,睑缘弧度自认,无眼睑闭合不全。术后一月及三月复诊:有1列1眼患者上睑又有轻度下垂,其余41例均未出现上睑下垂,睑缘弧度自然,眼睑闭合良好,无倒睫,无暴露性角膜炎发生。

3 讨论

先天性上睑下垂是一种常见眼睑位置异常,通常患者眼睑皱襞发育不良,提上睑肌肌力差,向下注视时下垂重量减少。大约有10%先天性上睑下垂伴有下颌瞬目综合征[2]。先天性上睑下垂多因提上睑肌发育不良或其支配神经功能减弱所致。儿童上睑下垂矫正术需要全身麻醉,而成人可以在镇静剂配合下局部麻醉完成。由于局部麻醉及镇静药使提上睑肌功能丧失,不论全身麻醉或局部麻醉,患者都无法配合睁眼和闭眼。所以医师需要在无患者配合下施行先天性上睑下垂矫正术。在充分评估提上睑肌功能的基础上制定手术计划,确定提上睑肌缩短长度或预计手术结束时眼睑高度[3]。由于最终眼睑高度和弧度可变性很大,先天性上睑下垂手术是眼部整形手术中最为困难的一种。尽管提上睑肌缩短非常有效,为了达到最满意的手术效果,依据术前测量数据,最好在术中定位眼睑高度。术者在改进式提上眼睑肌缩短术中几点体会是:(1)提上睑肌缩短术是在考虑术后可能回落的基础上抬高眼睑高度。一般提上睑肌肌力为(6-9mm),为中等肌力,术中上眼睑位置确定在高于角膜上缘。一般提上睑肌肌力为(10-12mm),为良好肌力,术中上眼睑位置确定在位于角膜上缘。提上睑肌肌力为(>12mm),为非常好肌力,术中上眼睑位置确定在位于瞳孔和角膜上缘高之间。(2)术后眼睑位置回落是指提上睑肌缩短数日至数周内睑缘松弛下垂。肌力差的患者术后回落相对较大,肌力良好的患者回落相对较小。术中确定眼睑高度时必须考虑肌力和术后可能的回落。(3)术中眶隔部分取出可以避免术后提上睑肌与眶隔粘连。(4)中等肌力(6-9mm)的患者较肌力好者需要更多的提上睑肌缩短量。当肌肉缩短量较大时,眼睑皮肤和脂肪会起到相反作用将睑缘向下推,使局部皮肤内卷、隆起,因此切除多余的皮肤及皮下脂肪,行上睑成形术。提上睑肌缩短术同时缩短眼睑可以得到更为理想的术后眼睑高度和外形[4]。

先天性上睑下垂导致儿童青少年弱视力,影响美观,并给儿童青少年成长发育带来一定影响,因此早起治疗非常有必要。

参考文献

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改进型下垂控制篇5

微电网作为一个大小可以改变的智能负载, 为本地电力系统提供了可调度负荷, 可以在数秒内做出响应以满足系统需要, 适时向大电网提供有力支撑;可以在维修系统同时不影响客户的负荷;可以减轻 (延长) 配电网更新换代 ;同时 , 可作为一个可定制的电源 , 可以满足用户多样化的需求, 提高负载电压供电可靠性。本文针对组成微网的分布式电源间并联运行的控制展开了研究工作, 研究了多个分布式电源的并行控制策略, 提出了多种控制策略, 经过相互比较, 选定一种易于实现控制的P-f和Q-V下垂控制策略, 设计了相应的控制器进行仿真, 验证了P-f和Q-V下垂控制的正确性与可行性。

1 下垂控制

为了更简单的控制分布式电源的接口逆变器, 使不同类型分布式电源形成微网, 一种常见的方法是模拟传统发电机的控制系统, 设计控制器使分布式电源的接口逆变器按照下垂特性曲线运行。常见的分布式电源接口逆变器控制方法分为恒功率控制、下垂控制和恒压恒频控制。本文采用的控制方法是下垂控制。

常用的分布式电源接口逆变器的下垂控制原理如图1所示, 它利用分布式电源输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理而进行控制。例如, 当分布式电源输出有功和无功功率分别增加时, 分布式电源的运行点由A点向B点移动。该控制方法由于其具有不需要分布式电源之间通信联系就能实施对整个微网系统控制的潜力, 所以一般用于对等策略中的分布式电源接口逆变器的控制。

2 外环控制器的设计

本文外环为功率控制器, 采用下垂特性, 通过调节有功功率调节系统频率和无功功率调节电压幅值。分布式电源向微网输出的有功功率和无功功率分别为:

由式 (1) 可知, 分布式电源输出的有功功率与电压矢量间功角差δp成线性关系 , 无功功率与逆变器电压的幅值V成线性关系。因此 , 针对分布式电源输出的功率控制, 逆变器可采用模拟传统同步发电机控制特性的P-f下垂特性与Q-V下垂特性的控制方法, 对分布式电源输出功率进行灵活控制。

多环反馈控制器中的外环控制器即下垂控制器主要是为实现多个分布式电源无通信联系的负荷功率共享。式 (2) 表达了图2所示有功功率和频率的关系无功功率和电压的关系

式中ω、ωref、P、Pref、V、Vn、Q、m和n分别表示系统的频率、参考频率、分布式电源输出的有功功率、分布式电源参考功率、分布式电源输出电压幅值, 输出电压参考幅值、分布式电源输出的无功功率、P-f下垂增益和Q-V下垂增益。

在工频fN=50Hz下 , 分布式电源输出的额定有功功率为Pref, 分布式电源输出的无功为0时, 其输出的电压幅值均为Vn。由于微网并网运行时各分布式电源的输出频率, 即可确定下垂增益。本文设计的下垂控制器m=0.00001, n=0.0005, 频率变化的范围为±2%, 电压幅值的变化范围为±5%。Matlab设计下垂控制如图3所示, 图中Pref、Qref、P、Q分别表示分布式电源的参考有功功率、参考无功功率, 输出有功功率和无功功率, Vref、Fref分别表示分布式电源的参考频率和参考电压幅值, m、n分别表示P-f下垂增益和Q-V下垂增益。

3 内环控制器的设计

通过设计P-f和Q-V多环反馈控制器中内环控制器可以减少负荷扰动对接口逆变器输出电压的影响, 保证逆变器输出端口电压等于外环控制器的参考电压。同时通过对内环控制器参数的设计, 使逆变器闭环输出阻抗城感性, 可减少传输的有功和无功控制受线路阻抗影响的耦合程度。

通过外环功率控制器产生内环控制器的参考电压, 内环为电压和电流控制器, 电压控制器采用PI控制器主要起稳定接口逆变器输出端口作用, 而电流控制器采用比例控制器主要为提高响应速度, 如图4所示。

若忽略滤波电阻Rf (值很小) , 则滤波电感电压方程为 :

Iinv表示逆变器输出电流矢量Iinv=[iinvaiinvbiinvc]T;

Vo示逆变器输出电压矢量。

相应滤波电容的电流方程为:

式中:If表示流向微网的电流矢量。

根据式 (3) ~ (4) , 设计内双环控制器如图所示, 其外环为电压控制器, 内环为电流控制器。由于电压控制器的主要目的是稳定逆变器输出端口电压, 为了使负载电压稳态误差为0, 采用PI控制器, 图4中Kvp为比例系数, Kvi为积分系数。电流控制器的主要目的是提高系统的动态响应速度, 所以采用比例控制器K。

当Kvp时, Kvp越小逆变器的输出阻抗在50Hz处越呈阻性;当Kvp<1时, 其50Hz处输出阻抗呈感性, Kvp越大其感性阻抗的频带越宽。但由于高频段输出阻抗呈阻性能有效抑制谐波, 所以应该选择使50Hz处输出阻抗呈感性。积分参数越大输出阻抗越呈阻性。当Kvi=1时 , 50Hz处输出阻抗为感性阻抗, 但当Kvi=5000时 , 50Hz处输出阻抗完全为阻性阻抗。同样, 为了抑制高频段的谐波, 应选择使50Hz处输出阻抗呈感性, 使高频段输出阻抗呈阻性的控制器参数Kvi。取Kvp=10, Kvi=100, 保证了50Hz处输出阻抗呈感性, 同时高频段输出阻抗呈阻性。

4 仿真验证

本文采用Matlab仿真验证所设计的多环反馈控制器, 系统外环功率控制环采用P~f和Q~V下垂控制, 通过此控制器产生内环控制器的参考电压, 内环为电压和电流控制器, 电压控制器采用PI控制器主要起稳定接口逆变器输出端口电压作用, 而电流控制器采用P控制器主要是为了提高响应。

在工频fn=50Hz的工作条件下 , 逆变器输出的电压和电流的波形如图5所示。内环控制器将控制分布式电源输出端口的电压幅值和相角在稳态时等于外环下垂控制器产生的参考电压幅值和相角, 电压环的PI控制器将使电压相角在稳态时与外环下垂控制器产生的参考电压相角相同, 动态变化会有轻微不同。

内环控制器可以减少负荷扰动对接口逆变器输出电压的影响, 保证逆变器输出电压等于外环控制器的参考电压。

在设计好的多环反馈控制器的主电路中加入一个断路器和一个相同的负载, 在t=0.3s时逆变器输出的电压减小, 在t=0.7s时, 断路器打开, 切掉另一个负荷, 逆变器输出电压恢复。逆变器输出的电压和电流的波形如图6所示。图7所示为有负载变化时功率控制器输出的功率和电压波形, 图8所示为有负载变化时功率控制器的频率和电压幅值, 仿真结果说明本文设计的多环反馈控制器能够保证系统的供电可靠性和运行稳定性。

5 结论

本文利用下垂特性对微网中的微型源进行了多环反馈控制器的设计研究。外环功率控制器主要是为实验多个分布式电源无通信联系的负荷功率共享 , 内环控制器的主要目的是改善以电力电子接口的分布式电源的控制性能。此多环反馈控制器设计简单, 实用有效, 为硬件实施提供可能性。仿真结果证明了控制方法的合理性和有效性。

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改进型下垂控制篇6

进入21世纪,能源已成为推动人类社会飞速发展的强劲动力,煤炭、石油等化石能源日渐枯竭,风能、太阳能等可再生能源得到国际社会的广泛关注和大力开发。风能是一种可再生的清洁能源,资源丰富,其中大规模近海风电场的建设已成为风能利用的一个重要方面。由于海上风电场远离海岸,以及随着风电场装机容量的不断扩大,风电并网采用传统的交流输电接入时,将会对所连接电网的稳定性及电能质量等产生较大影响[1,2,3]。风电功率的随机波动性制约了其直接接入电网的容量,柔性直流输电提供了一种全新的解决思路。通过柔性直流输电将风电场接入交流电网,可以利用交流侧换流站的无功能力平滑风电功率波动对交流电压的影响,还可以隔离交流侧的故障防止其影响风电场运行。由于直流输电单回线路输电容量高于交流输电,在海上风电等线路施工困难的领域,柔性直流输电可节省大量投资。此外,柔性直流输电可以方便地构成直流电网,非常适用于多个海上风电平台的汇集和接入。因此基于电压源换流器的高压直流(VSC-HVDC)输电技术成为目前最适合也是运用最多的风电并网技术[4,5,6,7]。当大规模地开发海上风电时,需要采用基于电压源换流器的多端直流(VSC-MTDC)输电系统[8,9,10,11]。

与双端直流系统相比,多端直流系统运行更加灵活、可靠,但其控制也更加复杂。文献[12]提出了直流电压偏差控制策略,即主导站停运引起的直流电压偏差大于一定值后,备用站进入直流电压控制模式,该策略需要备用站具有足够大的备用容量,这在实际中很难实现。文献[13]提出了基于直流电压下降特性的多点直流电压控制策略,用于主导站与辅助站间的有功功率分配,避免了单个换流站过载情况的发生,并能维持换流站停运故障后系统的直流电压控制。文献[14]将多点直流电压控制策略运用到适用于风电场并网的VSC-MTDC系统,提高了系统的可靠性,但同一时刻只有单个换流站参与功率调节,导致系统的响应速度较慢;该方法另外一点不足之处在于多个备用VSC控制器需要多个定电压的优先级,控制器的设计显得冗余和复杂,这限制了VSC的数目。文献[15]提出一种适用于风电场并网的多点直流电压自适应控制策略,该策略保证了功率裕度较小的换流站分担较少的功率变化量,功率裕度较大的换流站分担较多的功率变化量,实现风电功率变化量的合理分配,但是该策略并未考虑系统会出现直流电压偏差过大的情况。

风电场发出的功率具有随机性、间歇性和波动性等特点,本文提出一种变截距直流电压下垂控制策略,该策略通过设定新的功率参考值改变截距实现下垂特性曲线的平行移动,进行电压调整,将系统的直流电压控制在允许的运行范围内,若系统能够达到稳定运行的状态,该策略可消除电压偏差,将电压调节回额定值;最后利用EMTDC/PSCAD电磁暂态仿真验证了该控制策略的可行性和准确性。

1 VSC-MTDC系统结构及建模

图1是某一VSC-MTDC系统应用于海上风电场并网的拓扑结构示意图,本文以该系统为例进行控制策略的研究。

该环状系统由5个电压源换流站组成:VSC1和VSC2分别与各自的有源交流网络相连,采用电压下垂控制策略,实现直流电压的控制以及功率的分配;VSC3与无源交流网络相连,向无源网络供电;VSC4和VSC5分别连接风电场1和2,用以采集风电场发出的有功功率,采用定交流频率和定交流电压控制。以注入直流网络为功率正方向。电压源换流器和风电场的建模方法见文献[15]。

2 传统的直流电压下垂控制策略

传统的直流电压下垂控制策略是定直流电压控制和定有功功率控制模式的结合,其优点在于各换流站之间无需通信,常用于潮流频繁变化的风电场并网系统中,其基本原理和外环控制器分别如图2和图3所示。

传统的直流电压下垂控制特性曲线满足:

其中,Udcref为直流电压的额定值;Pref为功率参考值;K为下垂斜率。

当换流站从A点运行到B点,直流电压偏离额定值,电压偏差为:

不同的下垂斜率K对系统的影响很大。若K值过小,则直流系统的电压质量较好,但功率分配性能较差,易发生功率振荡;若K值过大,则直流系统具有良好的功率分配特性,但直流电压质量较差。因此需选择合理的下垂斜率来兼顾系统的功率分配特性和电压质量。传统的直流电压下垂控制策略通过让不同的换流站选择不同的下垂斜率K来实现有功功率的分配。在功率频繁变化的风电场并网系统中,采用下垂控制会出现直流电压偏差,在运行工况恶劣的情况下甚至会出现直流电压偏离额定值较大的情况。

3 变截距直流电压下垂控制策略

当采用直流电压下垂控制的系统出现电压偏差时,首先考虑消除电压偏差,如图4所示。

该换流站的初始运行点为A,直流电压运行在额定值。当风电场的输出功率增大时,换流站的运行点沿着下垂曲线1转移到稳定点B,即电压将上升为U′dc,功率增加至P′0,电压偏差为ΔUdc。此时将P′0设定为新的功率参考值,则直流电压-有功功率特性曲线将向下平行移动,下垂曲线的截距发生改变,得到新的下垂曲线2,系统的运行点将最终稳定在C点,电压偏差被消除,直流电压恢复到额定值。调整功率参考值改变截距实现直流电压-有功功率特性的平行移动可消除因功率变化引起的电压偏差,该过程类似于电力系统中频率的二次调整(二次调频),这里可以称为直流系统的电压调整。

电压的调整需要在系统达到新的稳定运行点之后进行,该条件必不可少。若系统在未达到稳定运行的情况下修改功率参考值,则系统会失去稳定,发生功率振荡,进而产生更恶劣的后果。为防止在功率频繁变化的过程中无法实现电压的调整,导致电压偏离额定值较大,设定系统电压的正常运行范围,上限为Udcmax,下限为Udcmin。当系统直流电压运行到上限或下限时,同样进行电压的调整。

由图5进行分析,系统初始运行点为A,若风电场输出功率增大,当换流站沿着下垂曲线1运行到D点时,功率增加至P″0,电压上升到运行范围的上限Udcmax,此时进行调压,将P″0设定为新的功率参考值,下垂曲线截距减小同时平行向下移动至曲线3,换流站将在新的下垂曲线3上运行,并且在达到新的稳定点时进行电压调整,消除电压偏差。同理当换流站沿着下垂曲线1运行到F点时,功率减小至P苁0,电压下降到运行范围的下限Udcmin,同样进行功率参考值的修改得到下垂曲线4,并且在曲线4上按照同样的规律运行。

本文提出的变截距直流电压下垂控制策略所采用的外环控制器如图6所示。该控制基于换流站本地控制,无需上层控制器。其中功率参考值指令控制器输出不同的功率参考值可以改变直流电压-有功功率特性曲线的截距,实现下垂特性曲线的平行移动,达到调整电压的效果。功率参考值指令控制器的工作流程如图7所示。

首先采集直流电压Udc和换流站的有功功率P,Udc和P中均含有高频波动分量,采用滤波器滤除高频波动分量之后分别得到U和Pf;判断U是否在系统电压的正常运行范围[Udcmin,Udcmax]之内。若不是,设定新的功率参考值为Pf,改变截距,系统进行调压,将电压调节在允许运行的范围之内。若是,再判断Pf是否达到稳态值,即系统是否达到新的稳定运行点,若是,则设定新的功率参考值为Pf,改变截距,系统进行调压,消除电压偏差,电压被调节回额定值;否则功率参考值保持不变,下一个采样步长以相同的步骤操作。

判断Pf是否达到了稳态值,即判断微分计算d Pf/dt是否为0。微分计算采用数字方法,设Δt为采样步长,t时刻的Pf为Pf(n),t-Δt时刻的Pf为Pf(n-1),t+mΔt时刻的Pf为Pf(n+m)。为避免个别点的扰动引起微分计算结果产生较大误差,d Pf/dt的计算采用多点微分再取平均值的方法,计算公式为:

由于采样步长Δt一般设置为微秒级,d Pf/dt很难达到零值,在这里只需满足|d Pf/dt|≤M(在EMTDC/PSCAD平台中M的取值范围一般在1~20MW/s之间),即可判断功率达到稳态值。

经过上述分析,系统的直流电压只有在允许的运行范围[Udcmin,Udcmax]内,且在系统达到稳态运行时,才会通过设定新的功率参考值改变截距以实现下垂曲线的平行移动,消除电压偏差,将电压调节回额定值;而一旦电压达到上限或下限就设定新的功率参考值改变截距以实现下垂曲线的平行移动,进行调压,以确保电压运行在[Udcmin,Udcmax]内。

4 算例分析

为了验证本文所提出的控制策略的正确性,在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件中对如图1所示的五端VSC-MTDC输电系统进行仿真研究。系统的部分仿真参数如下:正负极直流电压参考值为400 k V,VSC1、VSC2、VSC4容量均为300 MW,VSC3容量为100 MW,VSC5容量为250 MW,RL13、RL 25、RL 24、RL12均为0.1Ω,RL34、RL45均为0.5Ω,VSC1的斜率K1为0.2,VSC2的斜率K2为0.4,Udcmax为405 k V,Udcmin为395 k V。

仿真时间设定为15 s。风电场2通过换流站VSC5并入直流母线,15 s内输出功率保持不变,为230 MW。风电场1通过换流站VSC4并入直流母线,15 s内的输出功率一直处于频繁变化之中。换流站VSC3向无源交流网络供电,15 s内的负荷一直维持在25 MW。换流站VSC2和VSC1的初始功率参考值分别为-124 MW和-173 MW。

初始时刻,直流电压稳定在额定值400 k V。由于各换流站之间的阻抗非常小,各个换流站输出端口的直流电压几乎一样,为方便分析,仿真结果中只采用换流站VSC1的端口电压来说明。

(1)采用传统的直流电压下垂控制策略,风电场输出功率的变化量将由换流站VSC1和VSC2按照下垂斜率之比1∶2进行分配,如图8(a)所示。

换流站VSC1和VSC2的运行点将在下垂曲线上不断变化,直流系统的电压也将偏移额定值400 k V,甚至出现较大的偏差,如图8(b)所示。1.5 s左右,风电场1输出功率几乎为0,换流站VSC1和VSC2的输出功率也随之降低,直流电压降低到385 k V左右,偏离额定值约3.75%。在7~11 s时间段内,风电场输出功率较大,达到260 MW左右,换流站VSC1和VSC2的输出功率增大,直流电压上升到420 k V左右,偏离额定值约5%。

(2)采用本文所提出的变截距直流电压下垂控制策略的仿真结果如图9所示。设定系统运行时的电压上限值为405 k V,下限值为395 k V。

仿真结果表明系统的直流电压得到明显改善,始终被限制在允许的运行范围[395,405]k V,如图9(b)所示。该策略下各换流站的输出功率如图9(a)所示。随着风电场输出功率的变化,直流电压一旦达到电压上限或下限,功率参考值将被设定为当前时刻换流站的输出功率采样值,直流电压-有功功率特性曲线截距发生改变,曲线平行移动,进行调压,系统的工作点将在新的曲线上运行,直流电压会一直被维持在运行范围内。从图9(a)中可以看出,4~5 s和8~10 s这2个时间段内,风电场1的输出功率为恒定值,换流站VSC1和VSC2的输出功率也为恒定值,满足d Pf/dt≤M的条件,换流站VSC1和VSC2的功率参考值被设定为当前时刻换流站的输出功率采样值,系统进行调压,电压偏差被消除,直流电压被调节回额定值400 k V。整个过程中,换流站VSC1和VSC2的功率参考值变化情况如图9(c)所示。

5 结论

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