中國儲能網訊：電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室(清華大學)、許繼電氣股份有限公司的研究人員吳翔宇、沈沉等，在2015年第24期《電工技術學報》上撰文指出，在微電網孤網運行系統(tǒng)中，傳統(tǒng)下垂控制策略大多將頻率引入控制中，但是在以純逆變器為接口的微電網中，系統(tǒng)功率的不平衡量難以通過頻率直接反映。根據微電網公共母線電壓幅值(V)，以及d軸與q軸電壓的比值(rat)同微電網系統(tǒng)有功和無功不平衡量之間的關系，設計了P-V、Q-rat下垂控制策略。
該控制策略能夠使微電網在孤網運行時維持電壓及頻率穩(wěn)定，并且使所有的分布式電源按照預先設定的下垂系數分配有功及無功功率。
微電網是一種可將各種小型分布式電源組合起來為當地負荷提供電能的低壓電網。它具有并網和孤網兩種運行模式，能提高負荷側的供電可靠性。微電網在并網運行時，各分布式電源發(fā)出指定的有功及無功功率，負荷的增減由大電網進行平衡，系統(tǒng)的電壓和頻率也由大電網來維持穩(wěn)定。但是當微電網轉入孤網運行后，由于失去了大電網的支撐，系統(tǒng)的電壓和頻率必須由微電網自身來調節(jié)。
目前微電網孤網運行模式下主要的電壓頻率控制方法有主從控制和對等控制兩種。主從控制是指微電網在孤網運行時由其中一個分布式電源作為主控制源，采用恒壓恒頻控制，負責維持系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定，其他分布式電源發(fā)出指定的有功及無功功率，系統(tǒng)的負荷變化由這個主控制源來進行調節(jié)[1]。
但是這種控制方法對主控制源要求較高，其容量必須較大且可靠性較高，一旦主控制源出現(xiàn)故障整個微電網系統(tǒng)就會崩潰。在對等控制方式下，微電網中各個分布式電源的地位是平等的，沒有主與從之分，共同實現(xiàn)微電網中的負荷分配。下垂控制屬于對等控制。
在傳統(tǒng)大電力系統(tǒng)的頻率和電壓調節(jié)中，由于同步發(fā)電機的一次調頻特性，系統(tǒng)有功功率平衡情況和系統(tǒng)頻率有下垂關系，同時無功功率平衡情況和系統(tǒng)電壓也有下垂關系。微電網中的分布式電源大多是通過逆變器同大電網相連接，通過推導逆變器發(fā)出的有功、無功功率同逆變器輸出電壓及輸出阻抗的關系，人們發(fā)現(xiàn)在以逆變器為接口的微電網系統(tǒng)中同樣存在有功與頻率、無功與電壓的下垂關系，基于這種關系的下垂控制可以使微電網在孤網模式下穩(wěn)定運行，完成負荷分配[1-3]。
下垂控制的本質是根據逆變器發(fā)出的有功和無功來得到頻率和電壓的參考值，而倒下垂方法將這個過程倒過來，根據檢測到的頻率和電壓得到有功和無功的參考值，可以將逆變器控制成為一個具有下垂特性的功率源[4,5]。由于微電網處于中低壓配電網中，而低壓線路的阻抗通常以電阻為主，此時有功P與電壓V、無功Q與頻率f的耦合關系更強。
文獻[6,7]設計了P-V、Q-f下垂控制，用于微電網孤網運行中。但是這種方法與傳統(tǒng)同步發(fā)電機一次調頻不兼容，而且當逆變器使用LCL濾波器或通過變壓器接入公共母線時又有可能使逆變器的輸出阻抗以感性為主。
為了改變逆變器的輸出阻抗特性，以便于統(tǒng)一使用P-f、Q-V下垂控制，文獻[8,9]使用了構造虛擬阻抗的方法，可以將逆變器的輸出阻抗人為設計成為感性。由于線路阻抗的存在，線路上各點電壓不一致，因此在利用Q-V下垂關系進行控制時，會造成無功分配存在誤差，文獻[10,11]提出的補償方法改善了無功負荷的分配效果。下垂控制的固有特點是屬于有差調節(jié)，在穩(wěn)態(tài)下存在電壓和頻率的偏差，文獻[12,13]引入了PI控制，通過上下平移下垂曲線可以實現(xiàn)頻率和電壓的無差調節(jié)。
在傳統(tǒng)下垂控制中，系統(tǒng)頻率f往往作為一個控制變量。在傳統(tǒng)大電力系統(tǒng)中，由于同步發(fā)電機的存在，系統(tǒng)的頻率f由發(fā)電機轉子的轉速決定，并且轉子具有很大的慣性，系統(tǒng)負荷的變化在暫態(tài)過程中可以由轉子上的能量進行平衡。
但是當微電網中的分布式電源全部由逆變器接入電網時，由于逆變器直流母線電容上儲存的能量有限，屬于小慣性系統(tǒng)，而且系統(tǒng)的頻率由控制器決定，因此分布式電源輸出的功率是同系統(tǒng)頻率解耦的，分布式電源不能像傳統(tǒng)電力系統(tǒng)那樣通過頻率變化來反映功率的不平衡[14,15]。而且當微電網中多臺逆變器同時參與系統(tǒng)頻率調節(jié)時，容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。
本文所研究的微電網特指所有分布式電源均通過逆變器并入電網，通過對逆變器系統(tǒng)進行公式推導，發(fā)現(xiàn)負荷母線電壓的幅值影響有功功率平衡，而d軸與q軸電壓的比值影響無功功率平衡。
根據此關系，提出了一種基于電壓的下垂控制方法，該方法將逆變器系統(tǒng)頻率固定在50Hz，根據電壓幅值-有功下垂曲線以及電壓比值-無功下垂曲線得到有功以及無功的參考值，再通過PQ控制使得逆變器發(fā)出設定的功率，完成有功及無功負荷在各逆變器之間的合理分配。
該下垂控制策略突破了傳統(tǒng)下垂控制中必須將頻率引入控制中的限制，通過PSCAD/EMTDC仿真軟件進行建模與仿真，驗證了所提出控制策略的有效性。
圖5 下垂控制總體結構
結論
本文提出了一種基于公共母線電壓的下垂控制策略。首先針對一個典型的帶LC濾波器孤立運行的逆變器，推導出了負荷電壓幅值反映有功功率平衡，負荷電壓d軸、q軸的比值反映無功功率平衡的結論;然后根據這一關系進行了微電網分布式電源下垂控制策略的設計。由下垂控制方程得到逆變器的有功、無功參考值后對逆變器進行PQ控制，使其發(fā)出的有功及無功跟蹤參考值;最后以一個含兩臺逆變器的微電網系統(tǒng)為例進行了仿真，通過穩(wěn)態(tài)運行及負荷投切時的仿真結果驗證了所提出控制策略的有效性。
該下垂控制策略突破了傳統(tǒng)下垂控制中必須將頻率引入控制中的限制，能夠保證微電網孤網運行時電壓頻率的穩(wěn)定以及按照逆變器各自的容量大小來進行負荷的合理分配。
原標題:基于公共母線電壓的微電網孤網運行下垂控制策略
