微电网建模与控制基础 课件 L7 课程 微电网下垂控制原理

L7.微电网下垂控制原理课程内容下垂控制原理及实现下垂控制的功率分配主从控制的缺陷主从控制中需要通讯母线与每一个微源相连。微电网孤岛运行时只有一个主微源塑造母线电压，一旦主微源发生故障，需重新选定微源塑造母线电压，控制切换复杂且可靠性差。下垂控制的优点采用下垂控制，微源之间不需要通讯。微电网母线电压由多个微源共同塑造，均为电压控制型变流器。考虑线路的微网结构实际微网中，变流器的交流侧通过电缆或架空线连接，线路阻抗不可忽略。线路阻抗通常表达式为Lline+Rline线路两端的功率传输以电压型变流器带负载为例推导线路两端(A、B两点)的功率传输。用简化的单相电路及向量图分析平均功率传输。设A点电压相位为0，标注功率流动正方向。

此时变流器控制对象为A点电压VA

线路两端的功率传输A点的输出电流向量I的共轭量表达如下，其中X=ωL线路为感性时，X>>R，R可忽略，上式改为A点输出复功率S为，可得A点输出有功功率、无功功率表达式如下线路两端的功率传输当δ很小时，sinδ≈

δ，cosδ≈1。A点输出有功P主要由线路两端的电压相位差δ（功角）决定。A点输出无功Q主要由线路两端电压幅值差VA‒VB决定。线路阻抗X和电压幅值VA、VB也会影响PQ功率大小频率-有功下垂方程的推导变流器1在A点的输出有功，和变流器2在C点的输出有功如下式所示下图为两台变流器的单相简化电路模型频率-有功下垂方程的推导为使两台变流器按照一定比例分配有功功率，需要满足输出有功偏大时→减小功角输出有功偏小时→增大功角因此在微网中各个变流器需将各自功角与输出有功形成反比关系，形成负反馈频率-有功下垂方程的推导在上式中加入变流器参考工作点——ω0、P0。将角速度转化为频率，得到频率-有功下垂控制方程,（kP=kpω/2π）因功角由两台变流器共同决定，无法精确控制，需通过控制单个变流器输出频率间接调整功角。单个变流器控制目标为：微调基波频率，并让频率与有功输出形成反比关系(kpω>0)电压-无功下垂方程的推导无功与有功类似，变流器1在A点的输出无功和变流器2在C点的输出无功如下所示。

电压-无功下垂方程的推导为使两台变流器按照一定比例分配无功功率，需要满足输出无功偏大时→减小电压有效值/幅值输出无功偏小时→增大电压有效值/幅值因此在微网中各个变流器需将各自电压幅值与输出无功形成反比关系，形成负反馈电压-无功下垂方程的推导单台变流器的控制目标为：控制其输出电压幅值，并让电压幅值与输出无功成反比关系(kQ>0)。在上式中加入变流器参考工作点（V0、P0），得到电压幅值-无功下垂控制方程完整下垂方程的推导将频率-有功下垂控制方程和电压-无功下垂控制方程结合，得到一个完整的有功+无功下垂控制关系方程下垂曲线斜率确定斜率kQ和kP由变换器的功率容量、允许的最大电压和频率偏差决定f0和V0为变流器参考频率和电压。fmin，Vmin为允许的最小频率和电压有效值。P0i，Q0i为第i个变流器的参考点输出功率。Pimax，Qimax为第i个变流器允许的最大输出有功和无功。下垂控制的实现单台变流器下垂控制的实现如下：变流器采用电压控制下垂控制生成电压参考给定和坐标变换所需的相角下垂控制框图根据下垂控制方程，得到变流器电压幅值给定和频率给定。电压幅值给定和频率给定，分别转化为dq电压给定和相角。下垂控制中的P和Q输入，为检测到的变流器实际注入微网的功率。课程内容下垂控制原理及实现下垂控制的功率分配下垂控制的有功功率分配下垂控制的关键在于实现多台变流器之间的协调。以两台变流器为例，假设两台变流器有相同的

f-P下垂曲线和线路阻抗。稳态时下垂控制的有功功率分配稳定状态下，微网系统中所有节点的基波频率相同(f1=f2)，两台变流器分别工作在A1和A2点因为两台变流器有着相同的下垂曲线，因此两台变流器的输出有功也相同动态过程中下垂控制的有功功率分配在动态过程中，假设变流器1实际输出功率偏大(P1>P2)。因两台变流器下垂曲线相同，可在同一条下垂曲线上标注工作点。根据下垂曲线，变流器1的输出频率f1会更小。动态过程中下垂控制的有功功率分配根据功角与有功的关系，更小的频率f1会使输出有功P1减小，更大的频率f2会使输出有功P2增大。动态过程中下垂控制的有功功率分配可以看到，按照下垂曲线运行的两台变流器，功率和频率变化关系呈现负反馈特性。两台变流器的工作点逐渐向中点靠近，最终自动移动到新的频率和功率平衡工作点（下垂曲线上新的f-P点）下垂曲线功角关系下垂控制的有功功率分配例：当微网负载在0.3秒发生28W-55W突变时两台有相同有功下垂曲线、不同线路阻抗的变流器输出有功及频率如下所示两变流器按照下垂曲线均分负载功率，不受线路阻抗影响系统频率发生微小偏移，形成新的平衡工作点下垂控制中的无功分配微电网中无功分配由各台变流器输出电压V决定。无功分配特性与有功分配特性类似，主要差别是微网中各节点电压不完全相同(因为线路阻抗，V1≠V2≠Vbus)。稳态时下垂控制的无功功率分配下垂控制中，变流器的输出无功与电压幅值相关变流器的输出无功通过改变电压幅值调节决定因为各线路压降不同，稳态时变流器输出电压不一定相等(V1≠V2)。稳态时下垂控制的无功功率分配以一台变流为例，说明电压幅值和输出无功的关系。可以计算得到微网母线电压Vbus和变流器输出无功Q1之间的关系：稳态时下垂控制的无功功率分配变流器输出无功与电压幅值之间的下垂关系如下。将线路的功率方程带入到上式，消除输出电压V1：稳态时下垂控制的无功功率分配假设微电网中两台变流器下垂曲线一样，线路阻抗不同：则两台变流器的输出无功与母线电压Vbus的关系为：稳态时下垂控制的无功功率分配可以看出，两台变流器的无功分配除了和各自下垂系数KQ有关，还和各自线路阻抗X有关。微电网母线电压相等，由此可得两台变流器输出无功的关系：动态过程中下垂控制的无功功率分配动态过程中的无功调节机制与有功功率调节机制类似。为简化分析，假设两台变流器的下垂系数和线路阻抗都相同。在动态过程中，假设变流器1实际输出更多无功功率，根据下垂曲线，则它输出电压幅值V1会更小。动态过程中下垂控制的无功功率分配根据电压幅值与无功的关系，更小的电压幅值V1会使输出无功Q1减小。动态过程中下垂控制的无功功率分配可以看到，按照下垂曲线运行的两台变流器，电压幅值和无功功率变化关系呈现负反馈特性。两台变流器的工作点逐渐向中点靠近，最终达到新的电压幅值和无功功率平衡工作