分散式多變流器型微電網無互聯線潮流控制

分散式多變流器型微電網無互聯線潮流控制是指利用微電網系統內所有潛在的分散式無功補償源提供負荷所需無功，以期減小儲能系統功率調節壓力，實現系統潮流合理分配。

基本介紹

• 中文名：分散式多變流器型微電網無互聯線潮流控制
• 外文名：Distributed multi converter type microgrid without line power flow control
• 目的：減小儲能系統功率調節壓力
• 步驟：建模、潮流控制、改善、驗證
• 建模：對微電網系統進行建模
• 特點：分配精度較高

背景

近幾年，微電網概念備受關注，被視為利用分散式能源的最佳途徑。根據標準IEEE 1547.4，微電網從概念上講， 一般是指由分散式資源(distributed resource，DR)和本地負荷組成的電氣上互聯、控制上協調運行，具有自我控制、保護和管理的小型發配電系統。DR 一般包括分散式發電(distributed generator，DG)和分散式儲能(distributedstorage，DS)，或者兩者的組合。根據DR 系統接入微電網的方式，其可分為旋轉電機接口和變流器接口2 種形式。其中接口變流器常採用電壓源變流器(voltage source converter，VSC)，其控制策略常可分為電壓控制模式(voltage controlled mode，VCM)和電流控制模式(current controlled mode，CCM)。在分散式多變流器型微電網中，為最大化能源利用效率，DG 中的可再生能源如光伏發電、風力發電系統接口變流器的控制模式一般採用CCM，並根據最大功率跟蹤算法產生功率指令，且常運行於單位功率因數。而DS 可在微電網孤島運行工況下提供供需功率平衡和電壓支撐，控制模式一般採用VCM。基於此，微電網處於孤島運行工況下，系統內的無功需求將由DS 系統提供。這樣，在變流器視在功率一定的情況下，微電網系統內無功需求越大時，則DS 對電源與負荷之間有功供需平衡的調節能力將越弱。

另一方面，隨著分散式發電技術的發展，國內外DG 和微電網併網標準開始要求可再生能源具備無功控制和電壓調節能力，允許DG 參與公共連線點(point of common coupling，PCC)電壓調節。

因此，這些DG 將可看成微電網系統內的分散式無功功率補償裝置。

基於此，國內外學者開始探討利用這些分散式無功補償裝置輔助PCC 點電壓調節的控制研究。其中針對變流器無功控制策略的研究較多，主要有：恆無功功率Q 控制、恆功率因數cosφ 控制、基於有功輸出P 的cosφ(P)控制、基於併網點電壓幅值U 的Q(U)控制策略及基於併網點電壓幅值與有功出力的Q(U,P)等。但研究大多集中在DG 自身和接口變流器的無功功率控制上。很少從系統(微電網)層面上來協調整個微電網系統內的無功功率潮流。

多台VSC 並聯運行時，其控制方法有主從控制、集中控制、平均負載分配等基於有互聯線的控制方法，這類方法以高速數字通信或模擬信號形式實現對負載功率的分配，雖然能夠得到較好的負載分配效果，但是降低了系統的靈活性與可靠性。針對該問題，基於下垂控制的無互聯線方法被廣泛套用於VCM-VSC 中，其僅依賴變流器的本地信息，通過預設的下垂曲線來分配負載功率，達到了較好的功率分配效果。然而該方案很難直接套用於基於CCM-VSC 控制的DR 上。

基於以上分析，從系統層面出發，提出一種分散式多變流器型微電網無互聯線潮流控制方法。該方法利用微電網系統內所有潛在的分散式無功補償源提供負荷所需無功，以期減小儲能系統功率調節壓力，實現系統潮流合理分配。

首先對微電網系統進行建模。針對VCM-VSC 和CCM-VSC 控制特點，提出了適用於CCM-VSC 的倒下垂控制來實現CCM-VSC 間的功率分配。通過合理設定CCM-VSC 倒下垂係數與VCM-VSC 下垂係數實現潮流在基於這2 種接口變流器的DR 間的合理分配。其次，對功率分配精度進行分析，給出影響功率分配精度的因素。為改善VCM-VSC 無功分配的精度和控制穩定性，VCM-VSC 常採用虛擬阻抗控制， 其將影響無功在VCM-VSC 和CCM-VSC 間的分配。為了解決該問題，提出虛擬阻抗與自適應空載電壓補償相結合的方法來實現潮流在VCM-VSC 和CCM-VSC 間精確分配。

微電網系統建模

典型的微電網結構如圖所示，根據轉換開關狀態的不同，微電網可運行於併網或孤島模式。分散式多變流器型微電網系統以基於變流器接口的DR 系統為主導，本文重點對此展開研究。根據戴維寧和諾頓定理，接口為VCM-VSC 的DR 系統可等效為電壓源U_V 和阻抗z_v 串聯的電路，而接口為CCM-VSC 的DR 系統則可以等效為電流源I_C與阻抗z_C並聯的電路。因此，圖1可簡化為如圖2所示的等效電路，其中，n、m 分別表示微電網系統內VCM-VSC 和CCM-VSC 台數，不同VCM-VSC 和CCM-VSC 的相關變數用數字下標加以區分；zLV 為VCM-VSC到PCC點等效線路阻抗(包含VCM-VSC濾波器中網側電感)；z_LC為CCM-VSC 電壓採樣點到PCC 點的等效阻抗；U_cV 表示VCM-VSC 電壓矢量；U_g 表示CCM-VSC 採樣點電壓矢量；i_oV、i_oC分別為VCM-VSC和CCM-VSC輸出電流矢量；U_MG表示微電網母線電壓矢量。

無互聯線潮流控制

針對VCM-VSC 和CCM-VSC 控制特點，研究適用於這2 種接口變流器的無互聯線潮流控制，以期實現潮流在基於這2 種接口變流器的DR 間的合理分配。

1、適用於VCM-VSC 的下垂控制

假設線路阻抗為感性(目前VSC 常採用LCL 濾波器，因為網側電感的存在，假設一般成立或者可通過虛擬阻抗的設計來保證)，VCM-VSC 常採用P-ω、Q-U 下垂控制來實現VCM-VSC 之間的有功

與無功功率分配。其控制方程為：

式中ω_V、U_V， 、 ，k_pv、k_qv，P_V、Q_V，P_mV、Q_mV，ω_c 分別為輸出角頻率和相電壓幅值、空載角頻率和電壓幅值、角頻率和電壓下垂增益、濾波前後有功功率和無功功率以及濾波器截止角頻率。

穩態時，微電網系統工作於同一頻率，忽略線路阻抗壓降，則所有VCM-VSC 具有同一ωV、UV。若、一致，則：

式中下標數字含義同圖2。

可見，合理設定下垂係數，即可實現有功與無功功率的按需分配。常採用按DR 系統容量設定下垂係數。且下垂係數需滿足以下條件：

式中：Δω 和ΔU 分別為系統允許的最大角頻率和電壓幅值偏差；P_maxV 和Q_maxV 分別為每個單元允許輸出的最大有功和無功功率值。

2、適用於CCM-VSC 的倒下垂控制

基於 VCM-VSC 的下垂控制思想，適用於CCM-VSC 的倒下垂控制方法來實現CCM-VSC 之間的有功與無功功率分配。該類CCM-VSC 分為2 種形式：

1）採用ω-P、U-Q 倒下垂控制。

該類方法可套用於CCM-VSC 有功和無功功率調節能力不受DR 系統一次資源(如光伏、風電系統)環境條件的限制，如可再生能源過剩，DR 處於限功率運行工況，可以在限定的功率範圍內自由調配的情況。該方法控制方程為

式中ω_g、U_g， 、 ，k_pc、k_qc，P_C、Q_C 分別為CCM-VSC 變流器網側電壓採樣點母線電壓角頻率和幅值、空載角頻率和電壓幅值、角頻率和電壓倒下垂增益、有功功率和無功功率指令。

穩態時，微電網系統工作於同一頻率，忽略線路壓降，則CCM-VSC 檢測的網側母線電壓約等於微電網交流母線電壓，若 、 一致，則有

式中下標數字含義同圖2。

可見，合理設定倒下垂係數，即可實現有功與無功功率按需分配。

針對同時含有VCM-VSC 和CCM-VSC 的微電網，穩態時系統工作於同一角頻率，即ω_g=ω_V。忽略線路阻抗壓降，則理想工況下，有U_g=U_V 成立。若需實現同等容量的VCM-VSC 和CCM-VSC 均載分配，則只需預設 、、k_pvk_pc=1 且k_qvk_qc=1 即可，其中，上標ref 的含義是參考值。則由上述可得，此時P_mV=P_C 且Q_mV=Q_C。

2）有功功率按照DR 一次資源特性分配，無功功率按照剩餘容量倒下垂控制運行。當CCM-VSC 用於可再生能源時，為了最大化能源利用，常採用最大功率點跟蹤控制。因此有功功率輸出受限於當前DR 系統一次資源。同時，在視在功率一定的情況下，該系統當前具有的無功儲備也隨著有功功率的變化而變化。令S_C 為系統額定視在功率，P_MPPT 為系統當前最大功率點，則DR系統的無功儲備為:

功率分配精度分析及改善

由於穩態時，系統工作於同一角頻率，所以有功功率分配精度較高。然而由於線路壓降，各節點電壓幅值略有差異，從而導致無功功率不能按照需求精確分配。將重點針對該問題進行分析並提出改善方法。

1、改善VCM-VSC 分配精度的虛擬阻抗控制

VCM-VSC 通過內環控制器實現對電壓指令的跟蹤，其內環控制器參數與戴維寧電路等效電壓源矢量和串聯阻抗關係為：

式中：U_Vref 為下垂控制給出的電壓指令；G_cV 為內環控制器增益；z_cV 為控制器閉環等效阻抗。

由圖2可知，微電網母線電壓為：

若不採用虛擬阻抗，內環控制器的設計常使G_cV 和z_cV 在基波角頻率點的值分別約為1 和0。

因此，上式可以簡化為：

由於各分散式DR 系統到PCC 點距離不同，則等效的線路阻抗z_LV 難免有差異。由上式可知，若設定所有VCM-VSC 的U_Vref 相等，則會導致輸出電流的差異，其差值取決於線路阻抗。

當2 台VCM-VSC 下垂係數一致時，2 台變流器無功差值Q_mVdif 為：

可見，無功功率差值取決於下垂係數、空載電壓指令差值和實際因為線路阻抗導致的電壓差值。為改善無功分配精度，可以通過有互聯線方式適當調整空載電壓幅值或者採用無互聯線虛擬阻抗形式。減小2 個電源到PCC點之間等效阻抗差值。

2、CCM-VSC 間的功率分配精度分析

CCM-VSC 通過內環控制器實現對功率或者電流指令的跟蹤，常用諾頓等效電路表示。內環控制器參數與諾頓電路等效電流源和阻抗關係為：

式中：I_cref 為電流指令；G_cc為內環控制器增益；g_cc為閉環控制系統等效導納。

由圖2可得：

由上述兩個公式可得：

內環控制器的設計常使G_cc和g_cc在基波角頻率點的值分別約為1 和0。若所給的電流指令一致，則能實現CCM-VSC 間較好的均流特性。

3、VCM-VSC 與CCM-VSC 間的無功分配精度改善控制

令 Q_mC 為CCM-VSC 計算的無功功率值，假設CCM-VSC 的功率反饋能夠準確跟蹤功率指令，即QmC≈QC。可得，若k_qvk_qc=1 成立，則VCM-VSC 和CCM-VSC 之間的無功功率差值為

可見，其值取決於空載電壓差異和因為線路阻抗導致的電壓差異以及下垂係數。

對於CCM-VSC，忽略線路的阻性部分，並令X_LC 為線路感抗，則

若，可得

可見，無功功率差值主要取決於虛擬感抗、下垂係數以及當前的無功功率值。

可以自適應調節VCM-VSC 空載電壓值來改善功率分配精度。但該方法將減弱虛擬阻抗對VCM-VSC間無功分配精度的改善。

基於以上分析，提出CCM-VSC 自適應空載電壓補償法，其無功控制方程為：

可見，該方法無需依據互聯線來調整空載電壓幅值。只需依據當前計算的無功功率值即可自適應調整空載電壓補償值。

3、控制實現

基於以上分析，本文採用的 VCM-VSC 和CCM-VSC 控制框圖如圖3 所示。

實時硬體在環仿真驗證

1、仿真參數

為驗證所提控制策略的有效性，基於 dSPACE1005 平台對其性能進行實時硬體在環仿真測試。該平台拓撲如圖2，由4 台容量為25 kVA 變流器及1台90 kVA 可調模擬負荷組成。4 台變流器中，2 台變流器控制於CCM：CCM-VSC1 和CCM-VSC2，分別模擬光伏發電和風力發電系統；另外2 台控制於VCM：VCM-VSC1 和VCM-VSC2。4 台變流器參數相同，如表1 所示。

2、VCM-VSC 與CCM-VSC 間均載

實時硬體在環仿真結果和數據分別如圖4 和表2所示。初始階段S0：微電網系統運行於孤島模式，VCM-VSC1 和VCM-VSC2 採用下垂和虛擬阻抗控制， CCM-VSC1 和CCM-VSC2 均運行最大功率點、單位功率因數模式下，其有功功率P_mC1 和P_mC2 均為5 kW，無功功率Q_mC1 和Q_mC2 均為0。微電網負荷為阻感負荷，其中電阻R 為9.65Ω，電感L 為46 mH，額定電壓工況下對應有功負荷P_L 為15 kW，無功負荷Q_L為10kvar。由於下垂控制特性，微電網電壓幅值和角頻率稍偏離額定值U_N 和ω_N，負載有功功率為12.6kW，無功功率為8.4kvar。由圖4 和表2 可見，雖然VCM-VSC1 和VCM-VSC2 併網線路阻抗略有差異，但通過虛擬阻抗可實現均載，兩者的有功功率P_mV1 和P_mV2 均在1.298 kW，Q_mV1 和Q_mV2分別為在4.233 kvar 和4.153 kvar。2 台VCM-VSC之間有功實現了精確的均分，無功分配誤差δ_V12 為0.019，可見無功分配精度也較高。在該階段，負荷無功全部由VCM-VSC 提供。

S1 階段：在T1 時刻，將CCM-VSC1 控制模式轉為ω-P、U-Q 倒下垂模式。在此假設其有功功率與無功功率可自由調配，且認為與VCM-VSC具有相同的有功與無功容量。由於CCM-VSC1 對系統無功功率的支持作用，系統電壓偏離額定值的差值減小。由圖4 和表2 可見，CCM-VSC1 與2 台VCM-VSC 間實現了較好的有功功率均載，均穩定運行於2.888kW。然而，由於等效線路阻抗差異的影響，CCM-VSC 與VCM-VSC 並沒有實現較好的無功均載，CCM-VSC1 與2 台VCM-VSC無功分配誤差δ_V1C1 和δ_V2C1 分別為0.683 和0.705。

S2 階段：在T2 時刻，將CCM-VSC2 轉變為與CCM-VSC1 同樣的工作模式。系統電壓偏離額定值的差值進一步減小。同時可見，由於穩態時，系統運行於同一頻率，有功功率在4 台變流器之間實現了較好的均載，均穩定運行於3.514kW。

無功功率在2 台CCM-VSC 之間實現了較好的均載，均穩定運行於3.161kvar。但由於等效線路阻抗差異的影響，其並未與VCM-VSC 實現均載，δ_V1C1 和δ_V2C1分別為0.682 和0.709。

3、功率分配精度改善

實時硬體在環仿真結果如圖5 和表2所示，在本算例中，CCM-VSC 控制中加入自適應的空載電壓補償法控制。與上節相比， 無功功率在VCM-VSC 與CCM-VSC之間實現較好的均載性能。由表2 可見，在S2 階段，δ_V1C1 和δ_V2C1 分別為0.007 和0.033。

按照 VCM-VSC 有功額定為10 kW，無功額定為10 kvar，最大電壓偏差為10%額定電壓，最大頻率偏差為± 0.5Hz 設定下垂係數。CCM -VSC 按照視在功率為10kVA 計算。

初始條件S₀ ：CCM-VSC1 和CCM-VSC2 均運行最大功率點、單位功率因數模式下，其有功功率PmC1 和PmC2 分別為5 kW 和9 kW，無功功率QmC1 和QmC2 均為0。

S1 階段：T1 時刻，啟動CCM-VSC1，按照無功儲備量，3 台變流器按照QmC1:QmV1:QmV2=8.66:10:10共同分擔負荷無功8.8kvar。因此，QmC1、QmV1、QmV2無功功率將分別承擔2.6、3.1、3.1kvar。

結論

為了減小儲能系統功率調節壓力，實現潮流在系統內的合理分配，提出了一種分散式多變流器型微電網無互聯線潮流控制。針對VCM-VSC 和CCM-VSC 控制特點，提出了適用於CCM-VSC 的倒下垂控制來實現CCM-VSC 間的功率分配，並通過合理設定CCM-VSC 倒下垂係數與VCM-VSC 下垂係數實現潮流在基於這2 種接口變流器的DR 間的合理分配。同時， 為了改善VCM-VSC 和CCM-VSC 間功率分配精度，提出虛擬阻抗與自適應空載電壓結合法。最後，通過實時硬體在環仿真平台驗證了所提控制策略的正確性與可行性。結果表明， 功率能夠按照需求在VCM-VSC 和CCM-VSC 間合理分配，減小了VCM-VSC 功率調控壓力，且分配精度較高。

採用的虛擬阻抗與自適應空載電壓結合法暫僅考慮線路阻抗或虛擬阻抗設定為感性工況，其他工況可類比分析。在今後工作中分析多種線路阻抗和虛擬阻抗設定時的功率分配情況，以更好滿足實際工程套用的多種需求。