一种并联分布式微源的无功功率均分控制策略

.作者:刘尧 韩华 粟梅 孙尧 谌慧滨 龙熹
.来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2015年第2期
.中文关键字:微电网;改进下垂控制;无功出力分配;低带宽通信技术;参数优化
.英文关键字:microgrid; improved droop control; reactive power sharing; low-bandwidth communication; parameter optimization
.中文摘要:在微电网多逆变器并联系统中,由于各逆变器之间的输出阻抗和馈线阻抗存在差异,因此,应用传统的下垂控制策略会导致逆变器间无功均分精度较低而造成环流问题。为了减小环流、提高无功分配的精度,提出一种改进型下垂控制的微电网无功均分策略。该方案利用低带宽通信获取各微源的无功功率信息,修改无功电压下垂特性曲线的电压偏置,达到提高无功出力分配精度的目的。同时,所提出的环流和负荷电压偏差为优化指标的目标函数,优化并设计控制参数。研究结果表明:改进的无功均分方法在不影响有功功率均分的条件下,极大提高了微源无功功率均分的精度,并具有良好的动态和稳态性能。
.英文摘要:For multi-inverters parallel operation in microgrid, the output impedance of inverters and the line impedance between the inverters and point of common coupling are always different, which can result in big circulating current and low precision of power sharing among inverters by using the traditional droop control method. To reduce the circulating current and improve the reactive power sharing accuracy, a novel droop control strategy of reactive power sharing was proposed. The method with low bandwidth communication was employed to modify the voltage bias of reactive power-voltage droop characteristic, so that the reactive power sharing accuracy can be improved. The objective function was proposed with the optimization index of circulate current and load voltage deviation, and the system parameters were optimized and designed. The results show that the improved droop controller can achieve load reactive power precisely without affecting the active power sharing, and it also has a good dynamic and steady-state performance.
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DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.022

一种并联分布式微源的无功功率均分控制策略

刘尧,韩华,粟梅,孙尧,谌慧滨,龙熹

(中南大学 信息科学与工程学院,湖南 长沙,410083)

摘要:在微电网多逆变器并联系统中,由于各逆变器之间的输出阻抗和馈线阻抗存在差异,因此,应用传统的下垂控制策略会导致逆变器间无功均分精度较低而造成环流问题。为了减小环流、提高无功分配的精度,提出一种改进型下垂控制的微电网无功均分策略。该方案利用低带宽通信获取各微源的无功功率信息,修改无功电压下垂特性曲线的电压偏置,达到提高无功出力分配精度的目的。同时,所提出的环流和负荷电压偏差为优化指标的目标函数,优化并设计控制参数。研究结果表明:改进的无功均分方法在不影响有功功率均分的条件下,极大提高了微源无功功率均分的精度,并具有良好的动态和稳态性能。

关键词:微电网;改进下垂控制;无功出力分配;低带宽通信技术;参数优化

中图分类号:TM712             文献标志码:A         文章编号:1672-7207(2015)02-0525-09

A control strategy of reactive power sharing for parallel distributed micro-sources

LIU Yao, HAN Hua, SU Mei, SUN Yao, CHEN Huibin, LONG Xi

(School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: For multi-inverters parallel operation in microgrid, the output impedance of inverters and the line impedance between the inverters and point of common coupling are always different, which can result in big circulating current and low precision of power sharing among inverters by using the traditional droop control method. To reduce the circulating current and improve the reactive power sharing accuracy, a novel droop control strategy of reactive power sharing was proposed. The method with low bandwidth communication was employed to modify the voltage bias of reactive power-voltage droop characteristic, so that the reactive power sharing accuracy can be improved. The objective function was proposed with the optimization index of circulate current and load voltage deviation, and the system parameters were optimized and designed. The results show that the improved droop controller can achieve load reactive power precisely without affecting the active power sharing, and it also has a good dynamic and steady-state performance.

Key words: microgrid; improved droop control; reactive power sharing; low-bandwidth communication; parameter optimization

分布式发电(DG)具有污染少、能源利用率高、安装地点灵活、输配电资源和输电线路损耗小等特点,逐渐成为未来大型电网的有力补充和有效支撑,是未来电力系统的发展趋势之一[1]。微电网作为分布式电源的有效载体,包含各种形式的微源、储能装置、能量转换装置、保护以及负荷控制[2]等设备,可以运行在孤岛和并网2种模式下,是近年来分布式能源接入的有效途径。在微电网中,微源逆变器并联运行控制策略一般采用基于有互联线的主从控制法[3]、集中控制法[4]及平均负载分配法[5]和基于无互联线的下垂控制[6-7]等方法。其中基于有互联线通信的方法可以达到很好的均流效果,并减少输出电压总谐波畸变率。然而,互联线的存在会限制系统的灵活性和冗余性,从而降低微电网系统的可靠性。基于无互联线的对等控制方法是源于同步电机中的下垂控制思想,利用有功功率、无功功率和电压的频率、幅值之间的对应关系来调节逆变器出电压参考值。在微电网中,由于各微源到负荷的阻抗不等,造成各逆变器的无功功率不能均分,甚至导致DG间产生严重的无功环流[8]。为解决此问题,许多研究者对传统的下垂法进行了改进。在线路阻感比很高的情况下,Engler等[9]采用反下垂特性控制逆变器输出电压的幅值和频率。当线路阻抗中的阻性成分和感性成分均不可忽略时,Brabandere等[10]采用有功功率和无功功率解耦的方法精确地控制系统输出功率,但这种方法需要精确地获得线路中阻感比。另外,文献[11]引入一种虚拟电感来防止谐波分布不均对逆变器的影响,但虚拟电抗的增加导致输出电压跌落,降低了系统电压质量,且所提出的虚拟阻抗算法对逆变器的控制带宽要求较高,实现难度较大。近年来,一些研究人员采用复合方法控制逆变器并联,在保留无互联线下垂控制特性的基础上加入通讯线[12]。张纯江等[12-13]提出了互动跟踪式无主从控制方法,通过同步BUS母线和CAN总线控制各逆变器基准信号的同步和幅值的调节实现功率均分,但通讯带宽要求和成本较高。综上所述,采用有互联线的控制方法获得了良好的并联特性但牺牲系统冗余度和增加复杂连线,采用无互联信号线的并联控制方法实现了系统冗余度,但电流均分效果下降。本文作者综合这些方法的优劣,提出一种改进下垂控制的微电网无功均分策略。该方法利用低带宽通信获取各微源的无功功率信息,用于修改无功电压下垂控制的电压偏置,提高无功出力分配精度。与传统的下垂控制策略相比,该方案具有简单且容易实现、对通信带宽要求不高和精确的无功功率均分等优点。最后,在建立2台单相逆变器并联系统的小信号数学模型[14]的基础上,通过状态矩阵特征根的分布,分析系统的动态特性,并证明系统的稳定性。

1  微电网功率下垂法基本原理

1.1  微电网的结构

微电网由分布式电源(DG)和负荷构成,每个DG单元通过电力电子接口和相应馈线接至公共母线上,其结构如图1所示。微电网可以运行在并网模式下,也可孤岛自治运行。在并网模式下,只需控制微源表现为电流源行为,因此,控制相对简单。而在孤岛模式下,需要控制微源表现为电压源以提供电压支撑,若控制稍不当,则造成无功环流问题。因此,本文仅针对孤岛模式下微电网的基波有功和无功的均分问题,提出一种改进的下垂控制算法,不考虑非线性负载均分问题。

图1  微电网的结构

Fig. 1  Schematic of microgrid configuration

1.2  传统的下垂控制

图2所示为仅含有2个分布式电源的并联系统简化原理图。在孤岛运行模式下,2个分布式单元根据自身频率和电压幅值调整输出有功和无功,保持微电网的稳定运行。

由图2可得逆变器输出的有功功率Pn和无功功率Qn为:

     (1)

    (2)

图2  2台逆变器并联系统简化原理图

Fig. 2  Schematic diagram of two distributed generations

其中:xn为逆变电源输出感抗和线路感抗之和;rn为逆变电源的输出电阻和线路电阻之和;En为逆变电源输出电压幅值;δn为并联系统输出电压矢量之间的夹角;n为第n个分布式微源(n=1,2)。

由于实际中相角偏差δn很小,可认为sinδnn,cosδn=1。同时,考虑实际中分布式微源通常配置串联虚拟电抗来保证系统的稳定性和满足应用下垂控制的条件[6, 11],因此,可认为xn>>rn条件成立。于是,式(1)和(2)可分别写为:

             (3)

            (4)

从式(3)和(4)可以看出:各DG单元输出的有功功率Pn可以通过相角δn调节,无功功率Qn可以通过电压幅值调节。因此,在并联逆变器无互联线通信时可以采用传统的下垂控制:

              (5)

式中:ω*和E*分别为DG在空载下输出电压的角频率和幅值;ωn和En分别为DG实际输出电压的角频率和幅值;mn和qn分别为频率和电压的下垂增益。

将式(5)中无功表达式代入式(4),得到无功功率的表达式:

              (6)

由式(6)可知:由于实际分布式微源输出侧虚拟电抗的配置和变压器电感参数存在,故可忽略线路电  阻[6, 11]。各分布式微源发出的无功功率与线路电抗xn、空载电压幅值E*、公共母线电压V和无功下垂增益qn有关。式(6)中,由于xn<<V,xn<<E*,因此,从式(6)敏感性分析可知,线路阻抗是引起分布式微源输出无功不能均分的最敏感性因素。不妨假设2台分布式微源的容量相等,则无功下垂增益设置相同。若存在不匹配的馈线阻抗x1>x2,则DG1输出的无功功率小于DG2输出无功功率;而当线路参数严重不匹配时,甚至引起系统的稳定性[11]。因此,有必要对传统下垂控制进行改进。

2  改进型无功下垂控制策略及参数优化

2.1  改进型无功下垂策略的提出

由于频率为全局变量,使有功功率输出不受等效阻抗的影响,因而可以实现比例精确均分。而无功功率的偏差由线路阻抗差异、输出电压幅值差异、微电网复杂结构等因素引起。

   (7)

为克服传统无功功率下垂的缺陷,提出改进型无功电压下垂控制表达式,如式(7)所示。式中:mn和qn分别为第n台微源的频率和电压的下垂增益(n=1,2,3,…),可根据其自身容量设置;Qn*为每个微源稳态时理论上输出的无功功率;Kq为积分时间常数;Kr为微分时间常数。图3所示为改进型下垂控制框图。

图3  改进型无功电压下垂控制框图

Fig. 3  An improved droop control scheme of reactive power

2.2  改进算法的过程和通信要求

传统的下垂控制仅采用本地无功功率,无需通信环节。本文提出的改进型无功算法在中央控制器[14]的作用下,采样微电网内各个微源的无功信息,经过无功参考计算得到平均输出功率Qn*,然后将Qn*通过低带宽通信分配至每个微源。微源通过式(7)中的无功功率-电压下垂表达式调整自身输出无功功率,稳态时均等于其自身参考值。从式(7)可知,本文方法采样和传统的是微源无功值(直流信号),对通信的带宽和成本要求较低,而且微电网本身对无功分配的动态要求并不高,因此,在实际中可通过廉价的RS232/485通信实现数据传输。但需要说明的是:低带宽通信仅是实现本算法式(7)的一种通信手段,具体通信细节不是本文研究的重点。

表1所示为各算法的通信要求的比较。其中,传统的下垂控制策略无互联线通信,降低通信成本,但不能均分无功功率,从而引起系统环流。文献[12-13]采用CAN总线技术通信,需要高同步脉冲保证指令信号的一致性,因此,其带宽和通信成本较高。本文采用廉价的RS232/485通信,仅用到无功功率信息,为直流信号,其带宽和成本较低,且提高了无功功率均分的精度。

表1  各算法的通信要求比较

Table 1  Communication requirements comparison between algorithms

2.3  改进算法的参数优化

改进型无功下垂算法中含有无功增益参数、无功偏差积分系数和与无功微分系数,且参数影响系统的稳定性和动态性能,因此,有必要对提出改性型无功下垂算法中的参数进行优化。首先,在微电网系统中,电压需要保持在一定范围内,否则将影响微电网电能质量;其次,微网中各个微源应合理出力,尽量减少环流。因此,本文选择负荷公共侧电压和环流作为优化指标,尽量保持公共电压接近额定值和无功环流为0 A,得到其目标函数为:

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