基于改进非线性下垂控制的微电网并离网切换技术研究

1、0 引言 LDAYtRyKLDAYtRyK 随着社会的不断进步，对能源的需求越来越 大，由于传统化石能源不可再生，在不断减少 1 。 因此可再生能源的研究与应用越来越广泛。 为了满。足人们对供电质量的要求， 使微电网具有了孤岛运 行和并网运行两种方式 2 。如何保证微电网两种方 式之间平滑切换，是目前要解决的首要问题 3 Zzz6ZB2LZzz6ZB2L本文首先分析传统双模式和单模式切换过程 中产生的问题， 提出采用暂态自适应非线性下垂曲 线进行控制的单模式切换策略， 并在切换前预先调 整逆变器输出电压、 频率和功率， 有效抑制了传统 双模式和单模式切换过程中电压电流畸变的问题。 dvzfvk

2、wMdvzfvkwM1 微电网传统模式切换过程1.1 系统结构系统结构如图 1 所示 4。图 1 中： Udc是输入直流电压； S1- S6是开关器件； Lf、Cf 是滤波电感和电容； ZLoad 是负载电阻； S是并离网控制开关； Z g是并网阻抗； ea、eb、 ec是电网三相电压; iLa 、iLb 、 i Lc是电感侧电流； ia1、 ib1、ic1 是负载侧电流； ia、ib、ic、ua、ub、uc是PCC 点处电流与电压； g 为 PLL 锁相环取定的电网相位。rqyn14ZNrqyn14ZNiLfLa iLbiLcZLoadibiacSZgCfea eebc aa、iub、b、i

3、cucLLPi a、 i b、 ua、gec图 1 三相逆变器并网结构Fig.1 Three-phase inverter grid connectedstructure EmxvxOtOEmxvxOtO1.2 传统双模式切换过程分析如图 2 为传统双模式切换过程， 在切换当中存 在两方面问题：当并网切至离网时，由于控制模式超前工 作模式，于是会出现并网开关还未断开而控制模式 已经转为电压源控制的过渡过程 5 。此时逆变器输 出功率会产生较大波动， 还会在短时间内出现畸变 的电流，当并网开关断开时会对 PCC 点电压电流 产生较大的冲击。 当离网切至并网时， 会出现并网 开关还未闭合， 而控制

4、模式已经转为电流源控制的 过渡过程。 SixE2yXPSixE2yXP*基金项目： 国家自然科学基金项目( 51047010)；高等学校科研项目( 2015A-211)；2017年酒泉市科技支撑计划项目负载逆变器交流侧6并离网切换过程中控制指令存在一定的动 态响应突变过程，这同样会造成电网的不稳定 6ewMyirQ6ewMyirQ直流侧图 2 传统双模式切换过程Fig.2 Traditional two modes handover processkavU42VRkavU42VR1.3 传统单模式切换过程分析传统的下垂控制为：0 mP(1) U U 0 nQ式中 和 U 分别是输出的角频率和电

5、压； P 和Q 分别是是输出有功功率和无功功率；0和U0分别是空载时逆变器输出的角频率和电压；m 是有 功下垂系数； n 是无 功 下垂 系数。 y6v3ALoSy6v3ALoS传统下垂控制单模式切换过程没有出现控制 模式的切换， 只是控制并网开关的导通与关断， 由 此避免了双模式切换过程中所遇到的问题。 但传统 的下垂控制是一种有差调节， 当电压和频率进行一 次调节后， 会产生一定的偏差， 从而造成功率的波 动，影响电网的稳定性 7 。 M2ub6vSTM2ub6vST 由文献 8 可知：由于双向晶闸管的固有特性： 只有在电流过零时开关才能进行关断。 假设并网时 逆变器同时给负载和电网提供功

6、率， 由于大电网的 原因， 此时逆变器各相电流不能同时为零。 这就出 现了在离网过程中并网开关由于某相提前为零而 预先关断的现象，使电网与逆变器形成了新的回 路， 产生了电压电流的畸变。 由文献 错误！ 未找到 引用源。 可知： 下垂控制在指令突变时的响应速度 比较慢，这会使关断过程中的不良影响更为严重， 产生更加严重的电压电流畸变现象。文献 10 表 明，下垂系数过小或过大， 都将使微网运行不稳定。 0YujCfmU0YujCfmU对于传统下垂控制单模式切换存在的问题 11 ，本文提出了在切换前先调整电压、频率、功 率的方法， 在切换过程中采用改进下垂曲线进行控 制。在进行并网转离网操作前可

7、将逆变器输出功率 调整为负载功率， 其中包括对逆变器的有功和无功 的调节。并网运行时需要保持频率和电压的恒定。 在进行离网转并网操作前可将逆变器的频率调整 为并网时额定频率， 并将逆变器输出电压调整为并 网时额定电压。 这种方法可以解决切换过程中由于 某相电流提前为零、 控制指令突变以及传统单模式 中存在的一些问题，减少电压电流的畸变。Fig.3 SecondaryFig.4 Secondaryfrequency modulationvoltage regulation图中 f 为频率； Pmin 、 Pmax为 P-f 下垂曲线的U0 Us0这时微电源输出功率为：R22 U02 U sU 0

8、 cosX2 U0 U sU0cos 由以上两式可得：sin XP RQ(4)dtUsU0 cosX dP RdQdt dt0 s2 feUts8ZQVeUts8ZQV2 并离网切换前预调节2.1 离网切至并网在进行离网至并网操作前对微网进行电压和 频率的预调节，是切换过程中的重要条件 12 ，因 此 并 网 前需 要 对 其 进 行 预调 节 13 。 sQsAEJkWsQsAEJkW如图 3 是对频率进行二次调节。其中并网时 网压频率是 f01 ，对应的额定功率是 P0，假设微网 离网运行于 A 点，此时 A 点负载功率 PLoad 与额定 功率 P0 有一定的偏差， A 点频率 fA 与

9、网压频率 f 01也有一定的偏差，在离网切至并网前，需要保 证负载功率不变的情况下对频率进行调整。将 A 点的运行下垂曲线 f01 向上平移到 f02 曲线，此时 系统工作点由 A 移动到 B，B 点工作频率 fB 正好 等于并网时网压频率 f01 ，即此时满足了功率不变 的情况下对频率进行预同步。 如图 4 为对电压幅值 进行二次调整。初始的下垂曲线为V01 ，微网离网运行时工作在 A 点，此时系统额定电压为 V01 ，负 载无功功率为 QLoad ，A 点工作电压 VA 和运行无功 QLoad 均偏离电网额定值，因此要达到电压与电网 的同步，需要在无功不变的情况下将初始下垂曲线 向上平移，

10、即由工作点 A 移到工作点 B，此时 B 点工作电压 VB 正好等于系统额定电压 V01 ，即达到 了电压幅值的预同步。 以上同步过程结束后再进行 并网操作。 GMsIasNXGMsIasNX最小功率和最大功率； V 为电压； Qmax 和 Qmax 分 别 为 Q-V 下 垂 曲 线 正 负 无 功 的 限 值 参 数 。 TIrRGchYTIrRGchY2.2 并网切至离网 微网并网运行时要求具有电流源的输出特性14 ，即保持频率和电压不变的情况下对功率进行 调整。图 5 为有功调节，现假设并网时工作于 A 点，此时逆变器为负载输送功率的同时也对电网馈 送能量，电网决定 PCC 点电压频率

11、为额定频率 fG 。如果将下垂曲线由 A 点移动至 B 点，就可使 输出功率全部为负载功率。 图 6 为无功调整， 系统 并网运行时额定电压为 VG ，通过保证电压一定的 情况下左右平移下垂曲线就可控制无功功率的输 出。在并网切至离网前， 将下垂曲线向左平移， 工 作点由 A 移至 B ，此时逆变器输出无功仅为负载 无功功率。 如此便可在保持频率和电压稳定的情况 下对功率进行预同步。 7EqZcWLZ7EqZcWLZFig.5 Active power Fig.6 Reactive power regulation regulation 图中， PGrid 、 QGrid 分别是电网有功和无功

12、功 率。3 改进非线性下垂曲线通过以上对电压、 频率和功率的预同步， 理论 上可以实现微电网的平滑切换， 然而由于电网频率 和电压幅值存在波动，微网功率依旧会出现波动 15 。当微网功率发生波动时，控制指令需要一段 时间进行处理， 也就是下垂系数过小或过大都会导 致微网输出不稳。 lzq7IGf0lzq7IGf03.1 引入暂态分量如图 7 所示， 微电源输出电压为 U0 ，线路 阻抗为 Z R jX ，交流母线电压为 US 0 。图 7 微电源功率传输结构图Fig.7 Power transmission structure diagram of micropower zvpgeqJ1zvp

13、geqJ1XZ2 UsU 0sin(2)R2U sU 0 sin(3)UsU0在运行点对上式两边微分后得：(5)又：ddt U sU 0 cos dtX dP dP md d dt(6)dP于是将暂态分量 md dP 引入到传统下垂控制 d dt 中，将功率下垂控制改进为： dP 0 mP md 0 d dt(7)同理将暂态分量 nd dQ 也引入到电压下垂控 dt 制中，此时传统下垂控制改进为：dP0 mP md0 d dtdQU U 0 nQ nddt(8)0，也就是 引入的暂态分当功率不变时，上式中暂态分量是 传统下垂控制； 当功率发生波动时， 量有利于消除功率的波动和滞后性。 Nrpo

14、Jac3NrpoJac33.2 引入下垂系数与功率的一次函数项如图 8 所示，微电源1、 2 输出电压分别是 线路阻抗是 PG2 j QG2 ，假设负荷U2 2PG2 +jQG2U22图 8 两个微电源间功率分布结构图 Fig.8 Two micro power distribution structure diagram 1nowfTG41nowfTG4U1 1Z1PG1 j QG1, Z2点电压是 UL 0 。U11 PG1+jQG1由式（ 3）可得：U U1 U LX1QG2 U 2 U 2 UL X2 联合以上两式可得：X1QG1X 2QG2U1U1同样的，由式U22U 22)可得：X

15、1 P1 PL1 X2 P2 PL2(11)(12)U0ULU0UL其中， C 为常数。若负荷发生变化时将会使功m1P1 m2P2 dt 1 1 L1 2 2 L2 C 率分配产生变化， 所以传统下垂控制存在一定的功 率分配不准的问题， 此时需要增大下垂系数以增加 功率分配的稳定性。 但较大的下垂系数， 又将出现 过调节的现象。 因此， 当负荷发生变化时， 不变的 下垂系数不能同时实现较好的系统稳定和功率分 配。由式（ 11）、式（ 12 ）可知，输出功率是下垂 系数的函数， 当负荷和线路参数不变时， 简便，引入下垂系数与功率的一次函数项， 系数与功率的乘积能够稳定在一定的范围内， 进后的下垂

16、控制为： fjnFLDa5fjnFLDa5 0 m1 kmP PU U0 n1 knQ Q3.3 暂态自适应下垂控制结合式（ 8）和式（ 13）可得出本文所提的暂 态自适应下垂控制为：为了计算使下垂 故改(13)dP0 m1 kmP P md0 m d dQtU U0 n1 knQQ nd dQ0 nd dt（14）式中 md、nd 和km、kn 分别是有功和无功功 率的微分项系数与下垂因子；其他参数含义同式 （ 1 ）。3.4 改进非线性下垂曲线 将以上暂态自适应下垂控制方程经过拟和， 得 到的改进非线性下垂曲线趋势如图 9 所示。当A 点发生功率波动，由频率限值处至工作 点 A 下垂系数逐

17、渐增大，由工作点 A 至功率限值 处下垂系数逐渐减少。在 A 点工作时，传统下垂 曲线在 f 的范围内产生 P1 的功率变化，而改进 非线性下垂曲线产生P2 的功率变化， P2 比 P1更小， 功率更加稳定。 避免了切换前后并网开关过 零关断和控制指令突变带来的网压波动的影响。 tfnNhnE6tfnNhnE6(9)(10)Fig.9 Improved nonlinear droop curve图中， P 、 f 分别为有功功率和频率； fmax 和 fmin为频率限值； Pmax 和 Pmin为功率限值。4 算例分析4.1 双模式切换仿真分析在 Matlab/Simulink 平台搭建了并

18、/ 离网切换模 型。直流母线电压是 220 V， IGBT 的开关频率是 13 kHz ，滤波电感是 2.1 mH ，滤波电容是 15 F。 HbmVN777HbmVN777图 10 （ a）是并网转至离网仿真结果。0.06s以前并网工作，电流源模式运行。 0.06 s 时转为电 压源模式， 但还没闭合并网开关， 此时电流发生了 严重的突变； 0.09 s 时打开并网开关，产生了严重b）离网至并网图 10 双模式切换仿真Fig.10 Simulation of double mode switching83lcPA5983lcPA59图 10（ b）是离网转至并网仿真结果。 0.06 s 以前

19、离网工作，电压源模式运行。 0.06 s 时转为电 流源模式， 还没合上并网开关， 此时电压发生突变。 0.1 s 时合上并网开关，电压正常，但是之前产生 的电压突变严重影响了微网的稳定性。 mZkklkzamZkklkza4.2 单模式切换仿真分析根据以上双模式切换仿真平台搭建单模式切 换仿真系统， 系统容量为 2 kW ，负载容量为 1 kW， 微电源 1 对应参数为： AVktR43bAVktR43b m 1.5 10 5 rad/s/W, n 1.2 10 4 V/ var, md 1.3 10 5 rad/s, nd 4.5 10 5 V/ var,4 1 5 1km 5.5 10

20、4 W 1,kn 4.5 10 5 var 1; 微电源 2 对应参数为：m 1.2 10 5 rad/s/W, n 4 10 4 V/ var, md 1.4 10 5 rad/s, nd 3.5 10 5 V/ var, km 2.4 10 4 W 1,kn 3.5 10 5 var 1; 线路单位阻抗参数为：R 0.354 /km, X 0.068 /km4.2.1 并网切至离网仿真分析图 11 是传统下垂控制单模式并网至离网仿真 结果。图 11（ a）是网压频率变化，其波动比较明 显。图 11（ b）是逆变器输出功率，在 0.4s 并网转 至离网以前出现较大功率波动。图11（ c）和图

21、 11（ d）表示在切换之前微电源输出无功和有功均有 一定的波动。 但是整体上相比于传统双模式具有更大的优势。率频t/s（ a）网压频率t/s2.0Wk/率功b）逆变器功率c）微电源 1 输出功率d）微电源 2 输出功率图 11 传统单模式下并网至离网仿真结果 Fig.11 Simulation results of parallel/off network in traditional single mode 2MiJTy0d2MiJTy0d 图 12 是改进下垂曲线并网至离网仿真结果。 由图 12（ a）、图（ b）可知，在切换之前，通过本 文所提的预先调整功率的方法使逆变器仅为负载 输出

22、功率而不给电网馈送能量， 再使用改进下垂曲 线控制后，网压频率和功率波动显著降低。由图 12（c）和 12（ d）可以得出，本文提出的改进下 垂控制在微电网并离网切换过程中， 比传统下垂控 制功率波动更小， 功率分配更加合理， 响应时间更 快。 gIiSpiuegIiSpiue50.2050.15 z 50.10 /H 50.05 率 50.00 频 49.9549.9049.8549.800.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5t/s （ a）网压频率 2.0Wk/率功0.13b）逆变器功率0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 t/s（c）微电源 1 输出功率1.21.00.

23、80.60.40.20.00.8d）微电源 2 输出功率图 12 采用改进下垂控制单模式并网至离网仿真结果Fig.12 Simulation results of parallel/off networkusing the improved droop control singlemodeuEh0U1YfuEh0U1Yf4.2.2 离网切至并网仿真分析 采用本文所提的并网前预先对电压和频率进 行同步的方法， 使逆变器输出电压和频率与电网同 步，再采用改进下垂曲线的方法进行控制输出。 13（a）为传统下垂曲线的入网电流，图0.52 s 时进图行并网操作， 在这一过程中电流出现较大畸变。 13（b

24、）为改进非线性下垂曲线入网电流，相比于 传统下垂曲线控制， 切换时刻未出现电流冲击且波 动明显变小。 IAg9qLsgIAg9qLsg1510/A 5流流电 0-5-10-150.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60t/s（ a）传统下垂曲线入网电流/A 流 电151050-5-10-15 0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60t/s( b)改进下垂曲线入网电流图 13 单模式离网至并网仿真结果Fig.13 Simulation results of single mode off grid togrid connection WwghWvVhWwghWv

25、Vh5 结束语 文章对微电网双模式切换产生的问题进行了 分析，分析得出双模式切换存在控制指令突变和工 作模式滞后控制模式的问题。 并通过对传统下垂控 制单模式切换的分析指出传统单模式切换可以有 效避免双模式存在的问题， 但是传统单模式切换由 于受电网功率波动影响也会产生一定的电压电流 畸变。于是本文对传统下垂控制单模式切换进行了 改进，即切换前对频率、电压和功率进行预同步， 在切换过程中采用暂态自适应非线性下垂曲线进 行控制。 仿真结果表明， 采用本文提出的方法可以 有效的抑制电压电流的冲击与畸变。 将暂态分量引 入到下垂控制中， 使系统动态响应更迅速， 输出功 率更平稳， 实现了并离网的无缝

26、切换。 但是在求取 时没有考虑多逆变器并联的具体情况， 下一步将结 合电路自身的详细参数对下垂控制单模式切换做 更进一步的研究。 asfpsfpiasfpsfpi参考文献：1 陈丽娟 , 王致杰 . 基于改进下垂控制的微电网运行控制研究 J. 电力系统保护与控制 , 2016, (4): 16-21. ooeyYZTjooeyYZTj Chen Lijuan, Wang Zhijie. Operation control of micro-grid based on improved droop controlJ. Power System Protection And Control, 20

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