基于改进下垂控制的微电网运行控制研究

沈阳化工大学 薛 婵

本文将从下垂控制的基本原理出发，对基于改进下垂控制的微电网运行控制进行分析与探究，希望为相关人员提供一些帮助与建议，通过下垂控制的改进使得无功均分精度得到提高，确保微电网系统平稳运行。

引言：微电网的微电源若使用下垂控制，会因微电网结构复杂、电压幅值输出不等、线路阻抗存在差异等原因使得微电源在进行无功功率输出时无法实现均分，从而导致微电源之间产生无功环流现象。因此，应针对这些问题对下垂控制进行改进，实现微电网运行的有效控制，保证微电网的运行安全。

一、研究背景

目前，我国微电网开始广泛应用下垂控制，尤其是在微电网处于对等控制时。然而传统下垂控制因复杂的微电网结构、电压输出的幅值不同、线路有阻抗差异等，导致DG的无功输出较难实现均分效果，如果情况较为严重，微电网还会有较大无功环流出现。国外与国内学者都对其开展了大量研究，比如对逆变器谐波与基波分频下垂的控制器设置，就能对电压的谐波进行充分抑制，还能按照当前容量对谐波域与基波域功率进行科学分配，使得并联逆变器的时候有效提升分配功率的精度。

如果将负荷端电压幅值的反馈添加到传统下垂控制之中，会使分配负荷的精度得以提高，不过此方法需要较大无功下垂系数，不利于系统整体的稳定性。在传统下垂控制之中加入无功补偿与电压回复控制，可以对Q/V曲线里存在的电压偏差进行修正，并使分配的无功功率得到提高。在传统下垂控制之中加入虚拟阻抗的技术，在分布式电源的逆变式输出侧引入虚拟电抗，会使得输出阻抗表现出感性，并对Q/V的曲线进行修正，从而使分配无功精度的效果得到提升，不过虚拟阻抗的引入将降低系统的电压，不利于电压输出的质量。如果以动态虚拟阻抗为基础进行相应的改进控制，让虚拟阻抗值可以进行自行调整，使得线路电圧降落得到降低，便能对无功环流进行抑制。如果借助虚拟阻抗使不同输出线路的阻抗差异减小，可以增强微电源分配无功负荷的精度，不过依然不能有效解决该问题。因此，应寻找一种不对电能质量产生影响，且微电网系统的稳定运行不会受到负面影响的分配无功精度提升手段。

二、逆变器的下垂控制

（一）整体的逆变器控制

在逆变器中使用下垂控制，则其大体控制方法为：通过电流与电压的双环控制、功率的下垂控制、功率计算等方法获得可以对逆变器输出进行控制的一个SPWM波，实现对逆变器输出进行控制的目标。在本文，逆变器使用的是电流、电压的双环控制，让逆变器拥有了较强电压源外特征，电压环可以对功率下垂控制而出现的参考电压进行快速跟踪，电流环使得系统的动态响应得到有效改善。

（二）下垂控制的基本原理

下垂控制通常会被应用到对等控制微电网并联很多逆变器一同运行的控制上。通过下垂控制，可以在感性的微电网阻抗输出状态下解耦Q/V与P/f。其中，逆变器与电压源发挥等同效力。在逆变器等效输出处于感性阻抗的时候，相比于负载阻抗，逆变器线路的阻抗与等效输出的阻抗都比较小，但实际上相角偏差也较小。微电网里的输出线路通常表现出阻感性或是阻性，不过控制器会对逆变器端口输出电压进行直接调整，并非滤波器出口电压，因此在对逆变器的输出特征进行考虑时，要把变压器与滤波器阻抗也进行考虑。又因为微电网没有较长的传输线路，将变压器与滤波器的阻抗加入之后，输出阻抗依然表现出感性，因此应将线路的电阻进行忽略。线路电抗、变压器电抗、滤波可以共同叫做微电源输出的分布式电抗。

三、微电网下垂控制改进

在微电源的逆变器中，LC滤波器会输出较大的电杆，并且微电网没有较长的输电线路，因此微电源阻抗的输出依旧表现出感性，使得微电网运行过程中依然可以使用Q/V、P/f的下垂控制。应将电压补偿量引入传统的下垂控制之中，使得输出线路得到压降的补偿，使不同微电源分配无功负荷的精度得到提高。要想使存在于微电网里面的接入点电压幅值差异得到弥补，将接入点电压幅值的反馈控制引入传统无功下垂的控制过程中，当做补偿的无功下垂控制量，并对接入点变化的电压进行全面跟踪，然后对控制无功下垂的结构进行相应改进。微电网的幅值反馈量与电压补偿量通过调节PI可以获得无功下垂曲线补偿量初始值，对下垂曲线进行平移处理，从而对系统运行的稳定点进行调节，让不同微电源能够输出相同的电压幅值。因此，无功下垂的控制经过一系列改进，能够让分布式电源的无功功率发生改变，让微电网里不同的分布式电源可以输出相同的电压幅值。

四、下垂控制改进的补偿法

（一）纵截距补偿

在微电网应用下垂控制时，下垂曲线因其特征使得母线电压在运行时和期望的母线电压有一定的差异存在，加上系统中负载突变等大量不确定的因素所影响，使得母线电压会出现波动。只有母线电压保持稳定才能确保负载可靠的运行，因此大部分二次控制都对补偿母线电压进行考虑，也就是利用下垂曲线的平移，使得曲线里的电压初始值发生改变，然后对单元输出电压进行直接控制。系统中各个单元电流电压的信息都通过低速通信方法得到，利用补偿器将纵截距的补偿量进行输出使得下垂曲线得到调节。可利用电力线通信、控制器区域网络等方法进行低速通信，该方法符合分布式微电网特征，得到了下垂控制中二次控制的广泛应用。按照系统要求的不同，补偿器可以使用电流电压双补偿、电流补偿、电压补偿等方式。将电压补偿器引入二次控制，从而使母线电压得到回复，实现离网和并网的无缝切换。在切换时，微电网离网时母线电压的偏差信号通过补偿器被送到电池单元，并和下垂曲线初始电压相叠加，对曲线进行平移，使得电池单元的侧电压输出得到调节，让固态变压器和微电网的母线电压相一致，满足并要的需要。

（二）下垂系数补偿

各个微电网系统都有相应控制目标，部分系统要求快速应对负载突变，部分系统要求均分电流，从而使不同功率单元能够有效的使用。因此在微电网系统运用下垂控制时，下垂曲线的系数能够按照系统控制目标的不同对有关物理量进行关联，根据物理量做出的改变作出相应变化。关联的物理量按照计算时对下垂曲线系数进行调整。很多微电网系统的控制与结构要求相对简单，并且关联参数仅和本地的单元信息相关，因此无需通信就能够补偿下垂曲线。此外，出于对微电网具体运行时母线电压发生突变可能性以及电压敏感负荷在很大程度上受到电压突变影响的考虑，对电压突变及时应对的方法成为当前微电网系统需要解决的重要问题。微电网的系统功率经过快速的扰动，会产生母线电压突变现象，具体体现在母线电压的变速速率比较大。因此，在补偿下垂曲线的洗漱室，应将系统的具体要求作为考虑前提，把下垂曲线的系数和余下的储能装置容量、母线电压的变化率等不同物理量相关联，从而按照物理量变化的情况对下垂曲线的系数进行动态调整，实现下垂控制得到改进的目的。

五、同步的并网控制

在将微电网从孤岛运行的模式切换到并网的运行模式时，应尽快做到静态开关两边的相位、频率、电压幅值大体一致，也就是大电网和微电网实现同步运行，使并网产生的冲击减少。应借助微电网的模式控制切换器来测量静态开关两边电压的信号，多相角差、频率差、电压幅值差进行计算并微调，然后按照相位控制、频率控制、电网电压做到平滑地将微电网从孤岛运行的模式切换到并网运行的模式。从孤岛到并网的模式控制切换过程中，通过控制相位、频率、电压来得到对应电压幅值与频率初值改变量，在经过下垂曲线的平移获得最终幅值、频率、电压等参考值。进行并网之前，应先控制电压与频率，然后控制香味，让PCC两侧的电压幅值差与相位差逐渐缩小到符合并网运行的范围之中，然后将断路器闭合，达到从孤岛运行模式切换至并网运行模式的目标。

六、具体仿真

微电网具体的仿真过程如下：第一，在一秒之前，微电网处于孤岛运行的模式；第二，当处在一秒的时候，微电网的负荷突变，有功负荷从五十千瓦增长至六十千瓦，无功负荷从10kvar增长到13kvar；第三，当处在一秒半的时候，将频率与电压的控制模块启动，在1.6秒时再将相位控制的模块启动，这时大电网和微电网处于预同步控制的阶段，一旦符合并网的条件则对微电网进行并网。第四，当处在三秒的时候，将PCC开关断开，微电网从并网运行的模式成功切换至孤岛运行的模式，如图1所示。

图1 微电网仿真

七、结语

总而言之，研究基于改进下垂控制的微电网运行控制具有十分重要的意义。通过下垂控制的改进，让微电网在稳定运行时，令不同微电源能够对相同电压幅值进行输出，使得微电源分配无功负荷的精度得到提高，从而增强微电网系统运行的稳定性，让微电网系统得以安全运行。