可改善微網(wǎng)孤島模式下負(fù)荷分配的改進(jìn)下垂控制

1、可改善微網(wǎng)孤島模式下負(fù)荷分配的改進(jìn)下垂控制林焱1，吳丹岳1，劉建華2（1. 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007； 2. 四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院， 成都 610065）摘要：針對傳統(tǒng)下垂控制難以保證微網(wǎng)孤島模式下負(fù)荷分配準(zhǔn)確的問題，通過對功率分配特性的深入分析，得到了額定功率和線路阻抗不匹配是造成分配不準(zhǔn)確的根本原因，在此基礎(chǔ)上提出了一種依靠靜態(tài)修正下垂增益來改善功率分配特性的方法。該方法不會改變傳統(tǒng)下垂控制方程的形式，對系統(tǒng)動態(tài)特性和穩(wěn)定性無顯著影響，對微網(wǎng)運(yùn)行電壓的影響也較小。在Matlab/Simulink仿真平臺上驗(yàn)證了所提改進(jìn)方法的有效性。關(guān)鍵詞：微網(wǎng)；孤島模式；

2、下垂控制；負(fù)荷分配；下垂增益中圖分類號：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1001-1390（2012）14-0000-00An improved droop control for improving load distribution in an autonomous islanded mode micro-gridLin Yan1，Wu Danyue1，Liu Jianhua2（1. Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007, China. 2. School of Electrical Engineering an

3、d Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China）Abstract：In view of theThe conventional droop control is difficult to guarantee the load power distribution accurately in the islanded mode micro-grid, through in-depth analysis of the power distribution characteristics, this paper comes to th

4、e conclusion that the mismatch of rated power and line impedance isare the root cause of inaccurate distribution through in-depth analysis of the power distribution characteristics.is got, and an improved method depending on static correct the droop gain to improve power distribution characteristics

5、 is proposed on this basis. This method does not change the equation form of the conventional droop control, and has no significant effect on the system dynamic performance and stability, the impact on the operating voltage is also lesser. The effectiveness of the improved method is verified on the

6、Matlab/Simulink simulation platform.Key words：micro-grid, islanded mode, droop control, load distribution, droop gain0引言持續(xù)增長的能源需求和日益惡化的環(huán)境問題使得分布式可再生能源在全球范圍內(nèi)都受到了極大關(guān)注，對于如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等常見綠色新能源的開發(fā)和利用已經(jīng)成為一項(xiàng)重要研究課題。為了滿足新能源的發(fā)展需要，并進(jìn)一步發(fā)揮分布式電源(distributed generators，DGs)在電網(wǎng)中的積極作用，一種新的、靈活的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)微網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生1-3。微網(wǎng)是由多個DG

7、、儲能裝置、負(fù)荷、相關(guān)監(jiān)控和保護(hù)裝置等匯集而成的獨(dú)立發(fā)配電系統(tǒng)，具有并網(wǎng)和孤島2種運(yùn)行模式4。微網(wǎng)孤島運(yùn)行時，由于缺少外電網(wǎng)的頻率和電壓支撐，此時應(yīng)有足夠容量的DG工作在電壓源逆變器方式，以保證微網(wǎng)的正常運(yùn)行。這部分DG處在一種“平等”的并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)，多采用V/f下垂控制。傳統(tǒng)的V/f下垂控制是一種無需通信連接的對等控制方法，各DG按照自身的下垂特性曲線調(diào)整輸出電壓的頻率和幅值,并實(shí)現(xiàn)按各自額定功率成比例分配負(fù)荷。負(fù)荷的準(zhǔn)確分配對于確保微網(wǎng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行至關(guān)重要5。由于微網(wǎng)中DG具有較大的分散性，使得接入微網(wǎng)的線路阻抗有較大差異，各DG的額定功率也有所不同，傳統(tǒng)下垂控制難以保證輸出功率的準(zhǔn)確分

8、配。針對這一問題，文獻(xiàn)6分析了導(dǎo)致功率無法準(zhǔn)確分配的根本原因是線路壓降不等，但并未提出相關(guān)改進(jìn)措施。文獻(xiàn)7在此基礎(chǔ)上提出了通過補(bǔ)償線路壓降來改善負(fù)荷分配特性的方法，該方法在原下垂控制方程中引入了計算所得的線路壓降，改變了傳統(tǒng)下垂控制的動態(tài)特性和穩(wěn)定性，但文中沒有對其帶來的影響進(jìn)行分析。文獻(xiàn)8提出了一種Q-U下垂控制與U恢復(fù)機(jī)制相結(jié)合的控制方法，但該方法在改善負(fù)荷分配的同時對電壓的影響也較大。本文深入分析了微網(wǎng)孤島運(yùn)行時傳統(tǒng)下垂控制造成負(fù)荷分配不準(zhǔn)確的機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方法。通過對下垂特性曲線的斜率進(jìn)行靜態(tài)修正，在不改變原下垂控制方程形式的前提下改善了負(fù)荷的分配特性，避免了對系統(tǒng)動態(tài)特

9、性和穩(wěn)定性的顯著影響，對系統(tǒng)運(yùn)行電壓的影響也較小。最后，通過仿真分析驗(yàn)證了所提方法的有效性。1傳統(tǒng)V/f下垂控制圖1為兩臺DG并聯(lián)運(yùn)行的等效電路。圖中，U為微網(wǎng)公共母線上線電壓的有效值，并設(shè)其相角為0；E1、E2分別為DG1和DG2的輸出線電壓有效值，1、2為對應(yīng)的相角；R1、R2分別為DG1和DG2到公共母線的線路電阻，X1、X2為對應(yīng)的線路電抗；P1、P2分別為DG1和DG2輸出的有功功率，Q1、Q2為對應(yīng)的無功功率。在含多個DG的微網(wǎng)中，第x個DG輸出的有功功率和無功功率為9-10:（1）圖1 兩DG并聯(lián)運(yùn)行等效電路Fig.1 Equivalent circuit of two dist

10、ributed generations parallel operation由于低壓微網(wǎng)中線路阻抗近似呈阻性，且實(shí)際運(yùn)行時DG輸出電壓和并聯(lián)母線電壓的功角差很小，則式（1）可簡化為: （2）由式（2）可以看出，DG輸出的有功功率主要取決于線路兩端電壓的幅值差，無功功率主要取決于功角差，可得適用于低壓微網(wǎng)的阻性下垂控制方程11-12: （3）式中 x、Ex分別為DGx輸出電壓的角頻率和幅值；*、E*分別為DGx空載時的電壓角頻率和幅值，微網(wǎng)中各DG均取值相同；Px、Qx分別為DGx的實(shí)際輸出有功功率和無功功率；mx、nx分別為DGx的頻率和電壓下垂增益。為了保證微網(wǎng)的運(yùn)行頻率和電壓在允許范圍內(nèi)，

11、下垂增益mx和nx可按式（4）取值： （4）式中 max和Emax分別為微網(wǎng)運(yùn)行頻率和電壓幅值的最大允許變化值，微網(wǎng)中各DG均取值相同；Px,max和Qx,max分別為DGx的最大輸出有功功率和無功功率。為了實(shí)現(xiàn)DG按各自額定功率成比例分配負(fù)荷，下垂增益需滿足式（5）的關(guān)系： （5）式中 Pnx、Qnx分別為DGx的額定有功功率和額定無功功率。2 負(fù)荷分配特性分析及改進(jìn)方法2.1 負(fù)荷分配特性分析下垂控制達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，由式（3）可以推得各DG的輸出功率為： （6）由式（5）和式（6）分析可知，要確保DG之間準(zhǔn)確分配負(fù)荷，除了下垂增益需滿足式（5）的關(guān)系外，還必須保證各DG出口電壓幅值Ex和頻率x

12、分別相等。頻率x相等可以得到保證，故采用阻性下垂控制方程時無功功率的分配是準(zhǔn)確的，下面著重分析有功功率的分配特性。當(dāng)微網(wǎng)中線路呈阻性時，可以推得電壓幅值隨有功功率變化的函數(shù)關(guān)系為13： （7）在式（7）中，公共母線上電壓U對于每臺DG是相同的，但各DG到公共母線的線路阻抗Rx不同，各DG的額定功率也不相同，使得DG出口電壓Ex出現(xiàn)了差異，有功功率分配不準(zhǔn)確。當(dāng)給定公共母線上的電壓U時，就可以得到DG出口電壓E隨輸出有功功率變化的輸出特性曲線。為了便于分析，以圖1所示系統(tǒng)為例，設(shè)定以下參數(shù)：DG1、DG2額定功率均為50kW；傳輸線路電阻分別為：R1=0.2, R2=0.1；下垂增益均為0.4V

13、/kW；空載電壓幅值為320V?，F(xiàn)給定公共母線上的電壓U為305V，根據(jù)式（3）和式（7）作出下垂特性曲線和輸出特性曲線如圖2所示。圖2 輸出電壓與有功功率關(guān)系圖Fig.2 Relations between output voltage and active power 圖2中，下垂特性曲線和輸出特性曲線的交點(diǎn)即為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。兩DG的額定功率相同時，下垂特性曲線相同，但輸出線路阻抗不同，DG的輸出特性曲線不同，有功功率輸出就不相同。當(dāng)DG的額定功率不同時，可用相同的方法進(jìn)行分析，此處不再贅述。2.2 改進(jìn)方法為了便于推導(dǎo)，有必要對式（7）進(jìn)行一定的簡化。因?yàn)閭鬏斁€路電阻值較小，且傳輸功率也較

14、小，則有近似關(guān)系： (8) 將式（8）代入式（7）可得到Ex的近似表達(dá)式為： (9)式（9）的本質(zhì)含義其實(shí)是忽略了線路的有功功率損耗，由線路末端電壓即公共母線處電壓U和線路始端有功功率Px近似計算得到始端電壓Ex。采用圖1所示系統(tǒng)及2.1小節(jié)中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，可驗(yàn)證近似的合理性。聯(lián)立式（9）和式（3）中的有功電壓下垂控制方程，消去Ex可得： （10）則第i臺DG輸出有功功率Pi與第j臺DG輸出有功功率Pj的比值為： (11) 由式（11）可知，當(dāng)不考慮線路電阻Ri和Rj時，輸出有功功率比值等于各自下垂增益比值的倒數(shù)，再由式（5）所示的關(guān)系，額定有功功率的比值也等于各自下垂增益比值的倒數(shù)，則

15、輸出有功功率比值與額定有功功率的比值相等，可實(shí)現(xiàn)DG之間按各自額定功率成比例分配負(fù)荷；當(dāng)考慮線路電阻Ri和Rj時，要保證正確的負(fù)荷分配，線路電阻比值需與下垂增益比值相等，同樣利用下垂增益和額定功率的關(guān)系，則額定有功功率比值需與線路電阻比值的倒數(shù)相等。進(jìn)一步分析可知，當(dāng)額定有功功率比值與線路電阻比值的倒數(shù)不等，即兩者不匹配時，不匹配程度越大，負(fù)荷分配越不合理。在實(shí)際微網(wǎng)中，DG額定功率與線路阻抗難以精確匹配，需對傳統(tǒng)下垂控制進(jìn)行改進(jìn)來改善負(fù)荷分配特性。通過以上分析，本文提出了一種不改變傳統(tǒng)下垂控制方程形式，只需對下垂增益作靜態(tài)修正來改善負(fù)荷分配特性的方法。在ni和nj中分別引入修正值Ki和Kj，

16、得到經(jīng)修正后的下垂增益為： （12）代入式（11）得： (13)并令： （14）式中 Kc為待定系數(shù)，各DG中取值相同。由式（13）和式（14）可知，選取合理的Ki、Kj及Kc，就可以保證負(fù)荷分配準(zhǔn)確，下面說明如何選取這幾個值。首先，由式（14）可以解得： (15)式（15）中，輸電線路電阻可由微網(wǎng)相關(guān)參數(shù)計算得到，公共母線處電壓U可由下垂控制方程中的空載電壓E*近似代替，以保證修正值Ki和Kj為常數(shù)。為了減小修正值對運(yùn)行電壓的影響，可令： (16)解得： (17)至此，Ki、Kj及Kc的值均已確定，并且可以看出，Kc為公共參數(shù)，即每臺DG取值相同，Ki、Kj則分別對應(yīng)不同的DG。推廣到含有多

17、臺DG的微網(wǎng)中，將式（17）帶入式（15），并用E*近似代替U，可得DGx對應(yīng)的增益修正值Kx為： (18)式中 Rx為微網(wǎng)中所有DG輸出線路電阻之和；nx為微網(wǎng)中所有DG的電壓下垂增益之和。進(jìn)一步分析可知，當(dāng)各DG的額定功率和線路阻抗相匹配時，自身就能保證負(fù)荷分配準(zhǔn)確，此時下垂增益比值與線路電阻比值相等，由式（18）可算得Kx為0，將不產(chǎn)生修正影響。同樣以圖1所示系統(tǒng)及2.1小節(jié)中的相關(guān)參數(shù)為例進(jìn)行計算，并作出經(jīng)修正后的下垂特性曲線如圖3所示。圖3 增益修正后輸出電壓與有功功率關(guān)系圖Fig.3 Relations between output voltage and active power

18、 under revised droop gain從圖3中可以直觀的看出，下垂增益修正值的引入，使原下垂特性曲線的斜率發(fā)生了變化，修正后的下垂特性曲線與各自輸出特性曲線的交點(diǎn)確定了修正后的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，負(fù)荷分配特性得到了明顯改善。3 仿真分析與驗(yàn)證為了進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)方法的有效性，在Matlab/Simulink仿真平臺搭建了含兩臺DG的微網(wǎng)仿真模型，仿真模型圖如圖4所示。圖4 低壓微網(wǎng)仿真系統(tǒng)Fig.4 Simulation system of low voltage micro-grid下面將從不同的工況對所提改進(jìn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。微網(wǎng)空載運(yùn)行電壓320V，空載運(yùn)行頻率50Hz；DG1和DG2直流

19、側(cè)電壓均為800V，濾波電感和濾波電容分別為L1=L2=2mH，C1=C2=150F；負(fù)荷為40+j30kVA，其余仿真參數(shù)將根據(jù)不同的工況進(jìn)行設(shè)定。（1）工況1：DG額定功率相同,線路阻抗不同仿真參數(shù)如表1所示。設(shè)定1s前有功功率采用未經(jīng)修正的下垂增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，1s后采用經(jīng)修正后的下垂增益，仿真結(jié)果如圖5所示。表1 工況1仿真參數(shù)表Tab.1 Simulation parameters of case 1額定功率/kW線路阻抗Zx/下垂增益nx/(V/W)下垂增益mx/(rad/Var)修正值Kx/(V/W)DG1500.2+j0.026410-41.2610-5-1.56310-4DG25

20、00.1+j0.013410-41.2610-51.56310-4圖5 算例1仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of case 1從圖5（a）可以看到，當(dāng)采用未經(jīng)修正的下垂增益進(jìn)行調(diào)節(jié)時，DG1和DG2輸出有功功率分別約為17kW和23kW,出現(xiàn)了負(fù)荷分配不準(zhǔn)確。1s后采用經(jīng)修正的下垂增益，DG1和DG2的輸出有功功率均約為20kW,負(fù)荷分配準(zhǔn)確?？梢姡岣倪M(jìn)方法能夠有效改善傳統(tǒng)下垂控制的負(fù)荷分配特性。圖5（b）為修正下垂增益前后DG輸出電壓幅值的變化情況，DG1和DG2輸出電壓幅值變化均約為1V，變化幅度較小。（2）工況2：DG額定功率不同,線路阻抗相同仿真參數(shù)如表

21、2所示。同樣的，設(shè)定1s前有功功率采用未經(jīng)修正的下垂增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，1s后采用經(jīng)修正后的下垂增益，仿真結(jié)果如圖6所示。表2 工況2仿真參數(shù)表Tab.2 Simulation parameters of case 2額定功率/kW線路阻抗Zx/()下垂增益nx/(V/W)下垂增益mx/(Hz/Var)修正值Kx/(V/W)DG1500.1+j0.013410-41.2610-5-1.0410-4DG2250.1+j0.013810-42.5210-51.0410-4圖6 算例2仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of case 2圖6（a）中，雖然此時輸電線路阻抗相同，但是兩

22、DG的額定功率不同，1s前采用傳統(tǒng)下垂控制時仍不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的負(fù)荷分配，此時DG1和DG2輸出有功功率分別約為24.5kW和15.5kW，比值為1.58，而正確的功率分配比應(yīng)為2，相差較大。1s后采用經(jīng)修正的下垂增益，DG1和DG2輸出有功功率分別約為26.5kW和13.5kW，比值接近2，負(fù)荷分配特性得到顯著改善。采用本文改進(jìn)方法前后，由圖6（b）可知DG1和DG2輸出電壓幅值變化分別約為1V和0.5V，對輸出電壓的影響較小。（3）工況3：DG額定功率不同，線路阻抗不同，且兩者不匹配仿真參數(shù)如表3所示。同樣的，設(shè)定1s前有功功率采用未經(jīng)修正的下垂增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，1s后采用經(jīng)修正后的下垂增益，仿真

23、結(jié)果如圖7所示。表3工況3仿真參數(shù)表Tab.3 Simulation parameters of case 3額定功率/kW線路阻抗Zx/()下垂增益nx/(V/W)下垂增益mx/(Hz/Var)修正值Kx/(V/W)DG1500.2+j0.026410-41.2610-5-3.1310-4DG2250.1+j0.013810-42.5210-53.1310-4圖7 算例3仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of case 3DG額定功率和線路阻抗均不相同，DG1和DG2的額定有功功率比值為2，線路阻抗比值的倒數(shù)為0.5，兩者不匹配，工況2中這兩個值分別為2和1，所以工況

24、3的不匹配程度大于工況2。由圖7（a）中可知無改進(jìn)時DG1和DG2的輸出有功功率分別約為21.8kW和18kW，比值為1.21，對比工況2時的1.58,工況3的負(fù)荷分配更不合理，證明了理論分析的正確性。1s采用改進(jìn)方法后，DG1和DG2的輸出有功功率分別約為26.5kW和13.5kW，比值接近2，負(fù)荷分配合理。圖7（b）中，由于該工況下，下垂增益修正前負(fù)荷分配比例偏差較大，采用的下垂增益修正值較大，改進(jìn)前后電壓幅值變化較工況1和工況2時的大，DG1和DG2的輸出電壓幅值變化分別約為3V和0.5V，但整個過程電壓幅值都在允許范圍內(nèi)。4 結(jié)束語通過對微網(wǎng)孤島運(yùn)行時傳統(tǒng)下垂控制負(fù)荷分配特性的分析，找

25、到了造成負(fù)荷無法準(zhǔn)確分配的根本原因，提出了一種依靠靜態(tài)修正下垂增益來改善分配特性的方法，相關(guān)結(jié)論如下：（1）傳統(tǒng)下垂控制負(fù)荷分配不準(zhǔn)確的根本原因是額定功率的比值與線路阻抗比值的倒數(shù)不等，即兩者不匹配，且不匹配程度越大，負(fù)荷分配越不合理；（2）改進(jìn)方法是在原下垂增益中引入了一個靜態(tài)的增益修正值，在不改變下垂控制方程形式的前提下改善了負(fù)荷分配特性。增益修正值的合理選取使得改進(jìn)方法對DG輸出電壓的影響較小；（3）根據(jù)所提改進(jìn)方法搭建了仿真系統(tǒng)，并通過與傳統(tǒng)下垂控制的對比，驗(yàn)證了改進(jìn)方法的有效性。參考文獻(xiàn)1 劉文, 楊慧霞, 祝斌. 微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究綜述J. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012, 40(

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