微网逆变器的分层控制策略分析

微网逆变器的分层控制策略分析

郑霓虹1叶华2

（1南京国电南自自动化有限公司上海分公司上海201319；2四川岷江水利电力股份有限公司四川611830）

摘要：在改革开放的新时期，传统的逆变器下垂控制方法能够实现多电压型的逆变器并联，但在逆变器阻抗或线路阻抗产生变化时难以精确调节。现提出一种基于下垂控制方法的分层控制理论，首先引入虚拟阻抗来调节逆变器阻抗以抑制逆变器系统间的环流；然后对逆变器的输出功率进行监督，当输出功率产生变化时计算得出阻抗的变化，通过电流反馈再次调节；在不同环境下线路阻抗的性质也大不相同，考虑了线路阻抗对于逆变器输出功率的影响；最后通过Matlab/Simulink仿真，验证这种方法对环流抑制和功率均分的效果明显好于传统的下垂控制方法。

关键词：下垂控制；虚拟阻抗；环流抑制；分层控制

引言

微网是整合各种分布式能源优势、减弱分散的分布式发电对大电网的不利影响、充分挖掘分布式发电经济效益的有效方式，已经成为分布式发电领域的研究热点和重要发展方向。本文针对微网逆变器及其协调控制展开研究，借鉴同步发电机组的运行特性、控制策略以及电力系统的电压、频率控制结构，建立了微网逆变器的数学模型、各种运行模式下的控制器以及微网分层控制结构。

1微网的定义和特点

1.1定义

为了解决高渗透率发布式发电（distributedgeneration，DG）的并网运行，减弱分布式发电对电网的负面影响，本世纪初有学者提出了一种新型DG运行方式一微网（Microgrid）。这一概念由美国可靠性技术解决方案协会（theConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolutions，CERTS）首先提出，根据CERTS的定义，微网是由多个负载和微电源共同组成的系统，可同时提供电能和热量；微网对大电网表现为单一受控源，克服了传统DG的能量随机波动，满足了用户对电能质量和供电安全等的要求。随着微网的发展，欧洲微电网项目也给出了微网的定义，其特点是强调了含有储能装置、使用电力电了装置进行能量调节，并且将微源分为不可控、部分可控和全可控三种类型。而我国的微网定义是指以DG技术为基础，以分散型资源或用户的小型电站为主，结合终端用户电能质量管理技术形成的小型模块化、分散式供能网络。总体来说，微网是由可再生能源、非再生能源、储能单元、电力电了装置、公共负荷以及保护、监控、控制系统等构成的智能小型电网。具有并网和孤岛两种运行模式，可在电网有故障或者不具备并网条件时，脱离电网独立运行，保证对重要负荷的可靠供电，并可实现并网和孤岛两种运行模式之问的无缝切换。微网一般为单点接入电网，由电力开关（SW）在公共连接点点（pointofcommoncoupling，PCC）接入低/中压配电网侧，图1为微网的结构示意图。

图1微网的结构示意图

1.2特点

微网并不是传统电力系统的简单缩小版，由于包含有数量众多、特性各异的多种分布式电源，而是一个大规模、非线性、多约束和多时间的多维度复杂系统，具有复杂性、非线性、适应性、开放性、空间层次性、组织性和自组织性、动态演化性等复杂系统特征，属于变量众多、运行机制复杂、不确定性因素作用显著的特殊的复杂系统。因此，微电网技术的研究与开发应用应首先对其典型特点有全面的认识和掌握。

微网的构造理念是将分布式电源靠近用户侧进行配置供电，输电距离相对较短，其负荷特性、分布式电源的布局以及电能质量要求等各种因素决定了微网在容量规模及电压等级、结构模式和控制模式等主要方面呈现有别于传统电力系统的特点：

1、容量及电压等级：微网的容量规模相对较小，其电压等级常为低压或者中压等级；

2、结构模式：微网按照供电制式可分为交流、直流和交直流混合三种不同结构，技术最成熟，应用最广泛的是交流微网结构；

3、控制模式：微网主要有对等控制模式和主从控制模式两种，主从控制模式仍是目前国内外微网实验系统与示范工程的主流。

为了实现微网整个系统安全、稳定、可靠和经济运行目标，应在综合考虑微电典型特征的基础上，遵循因地制宜、因时制宜的设计原则，合理选择微网运行控制模式、运行控制策略、各分布式电源的控制方法（包含逆变控制）以及多分布式电源间的协调控制方法等关键内容。

2微网逆变器的分层控制策略

2.1基于电压源型虚拟同步发电机（VoltageSourceVirtualSynchronousGenerator，VVSG）的功率一频率控制策略

本文所提出的电压源型虚拟同步发电机，其控制算法为三层控制环路。第一层为运行控制器，包括了中央控制器接口、调速控制器和励磁控制器；第二层为同步发电机（SynchronousGenerator，SG）控制器，引入SG的机电暂态模型来模拟同步发电机的机械惯量和电气特性，得到端口电压给定值；第三层为内环控制器，通常为电压控制环，用以跟踪SG控制器的给定值，确保电路满足定了电压模型。

2.2一次电压控制

根据微网分层控制结构，将各底层虚拟同步发电机（VirtualSynchronousGenerator，VSG）的电压控制称为一次电压控制。由励磁调节性能分析可知，在不考虑线路阻抗情况下，电压调节特性曲线的斜率与VSG等效输出电抗有关外，还与励磁调节器的比例系数有关，比例系数越大，带励磁调节器的VSG调节特性越平缓，电压稳态误差越小，不过，多台具有平缓调节特性的VSG并联时，较小的电压波动容易产生较大的无功功率变化量，不利于系统电压的稳定和无功功率的分配，因此，必须合理选取励磁调节器比例系数，使其满足各种运行模式的要求。

2.3二次电压控制

根据电路原理，线路阻抗导致电网各接点电压不可能相等，对于庞大的电力系统而言，衡量电力系统各区域电压水平的标志是区域内几条关键性母线的电压水平如何，为了重点保证这几条关键性母线的电压水平，电力系统在各区域系统调度中心设置了区域系统电压调节器，通过远距离测量枢纽母线电压，与参考电压比较后，按照一定的电压控制规律，计算出控制量的大小，再按照一定的分配原则，分配到各有效发电机组，用以调整发电机励磁，以维持枢纽点电压回到规定范围内，这一控制称为二次电压控制。

相对于大电网而言，微网中无功电源的数量要少得多，且随着通信技术和计算机技术的快速发展，远距离自动协调控制多个无功功率电源来维持微网母线电压水平是非常可能的，因此，根据微网电压分层控制结构，由于第三层中计划功率计算周期较长，负荷预测的精度有限，分散的一次控制是有差控制，且微网中各接点电压各不相同，微网在孤岛模式下的电压质量很难得到保证，为此，第二层二次电压控制对进一步提高电压质量起到非常重要的作用。微网孤岛运行时，系统各点的电压水平各不相同，且无功调节设备多种多样，如静态无功补偿器、电容器、发电单元及变压器变比、同步调相机等，电压控制比较复杂。

2.4Matlab仿真

采用Simulink仿真，图（b）为逆变器在传统下垂控制下由于阻抗不等输出电压、电流下降；图（c）则反映了通过功率监督得出所需阻抗的补偿，通过分层控制后电压、电流的输出情况以及环流的抑制情况。

图2传统下垂控制下逆变器的输出电压和电流对比图

图3引入虚拟阻抗后分层控制的电压、电流输出

结语

微网中存在光伏发电、风力发电等可再生能源发电形式，所产生的电能具有明显的随机性和间歇性特点，对微网的稳定运行有较大影响，飞轮、蓄电池等储能装置起到平抑能量波动、维持功率供需平衡、支撑电压/频率的重要作用，成为微网不可或缺的重要组成部分。可以从仿真模型清楚地看出，当逆变器的阻抗不同时，单纯依赖传统的下垂控制不能稳定地输出电压、电流以及抑制逆变器系统间的电流环流。而引入虚拟阻抗后，通过分层控制可以有效抑制由于阻抗差异带来的电流环流，得到的电压、电流输出也更加稳定。

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