分布式多變流器型微電網(wǎng)無互聯(lián)線潮流控制微電網(wǎng)系統(tǒng)建模

典型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)的不同，微電網(wǎng)可運行于并網(wǎng)或孤島模式。分布式多變流器型微電網(wǎng)系統(tǒng)以基于變流器接口的DR 系統(tǒng)為主導(dǎo)，本文重點對此展開研究。根據(jù)戴維寧和諾頓定理，接口為VCM-VSC 的DR 系統(tǒng)可等效為電壓源U_V 和阻抗z_v 串聯(lián)的電路，而接口為CCM-VSC 的DR 系統(tǒng)則可以等效為電流源I_C與阻抗z_C并聯(lián)的電路。因此，圖1可簡化為如圖2所示的等效電路，其中，n、m 分別表示微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)VCM-VSC 和CCM-VSC 臺數(shù)，不同VCM-VSC 和CCM-VSC 的相關(guān)變量用數(shù)字下標(biāo)加以區(qū)分；zLV 為VCM-VSC到PCC點等效線路阻抗(包含VCM-VSC濾波器中網(wǎng)側(cè)電感)；z_LC為CCM-VSC 電壓采樣點到PCC 點的等效阻抗；U_cV 表示VCM-VSC 電壓矢量；U_g 表示CCM-VSC 采樣點電壓矢量；i_oV、i_oC分別為VCM-VSC和CCM-VSC輸出電流矢量；U_MG表示微電網(wǎng)母線電壓矢量。

近幾年，微電網(wǎng)概念備受關(guān)注，被視為利用分布式能源的最佳途徑。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1547.4，微電網(wǎng)從概念上講， 一般是指由分布式資源(distributed resource，DR)和本地負(fù)荷組成的電氣上互聯(lián)、控制上協(xié)調(diào)運行，具有自我控制、保護和管理的小型發(fā)配電系統(tǒng)。DR 一般包括分布式發(fā)電(distributed generator，DG)和分布式儲能(distributedstorage，DS)，或者兩者的組合。根據(jù)DR 系統(tǒng)接入微電網(wǎng)的方式，其可分為旋轉(zhuǎn)電機接口和變流器接口2 種形式。其中接口變流器常采用電壓源變流器(voltage source converter，VSC)，其控制策略?？煞譃殡妷嚎刂颇Ｊ?voltage controlled mode，VCM)和電流控制模式(current controlled mode，CCM)。在分布式多變流器型微電網(wǎng)中，為最大化能源利用效率，DG 中的可再生能源如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接口變流器的控制模式一般采用CCM，并根據(jù)最大功率跟蹤算法產(chǎn)生功率指令，且常運行于單位功率因數(shù)。而DS 可在微電網(wǎng)孤島運行工況下提供供需功率平衡和電壓支撐，控制模式一般采用VCM。基于此，微電網(wǎng)處于孤島運行工況下，系統(tǒng)內(nèi)的無功需求將由DS 系統(tǒng)提供。這樣，在變流器視在功率一定的情況下，微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)無功需求越大時，則DS 對電源與負(fù)荷之間有功供需平衡的調(diào)節(jié)能力將越弱。

另一方面，隨著分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外DG 和微電網(wǎng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)開始要求可再生能源具備無功控制和電壓調(diào)節(jié)能力，允許DG 參與公共連接點(point of common coupling，PCC)電壓調(diào)節(jié)。

因此，這些DG 將可看成微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的分布式無功功率補償裝置。

基于此，國內(nèi)外學(xué)者開始探討利用這些分布式無功補償裝置輔助PCC 點電壓調(diào)節(jié)的控制研究。其中針對變流器無功控制策略的研究較多，主要有：恒無功功率Q 控制、恒功率因數(shù)cosφ 控制、基于有功輸出P 的cosφ(P)控制、基于并網(wǎng)點電壓幅值U 的Q(U)控制策略及基于并網(wǎng)點電壓幅值與有功出力的Q(U,P)等。但研究大多集中在DG 自身和接口變流器的無功功率控制上。很少從系統(tǒng)(微電網(wǎng))層面上來協(xié)調(diào)整個微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的無功功率潮流。

多臺VSC 并聯(lián)運行時，其控制方法有主從控制、集中控制、平均負(fù)載分配等基于有互聯(lián)線的控制方法，這類方法以高速數(shù)字通信或模擬信號形式實現(xiàn)對負(fù)載功率的分配，雖然能夠得到較好的負(fù)載分配效果，但是降低了系統(tǒng)的靈活性與可靠性。針對該問題，基于下垂控制的無互聯(lián)線方法被廣泛應(yīng)用于VCM-VSC 中，其僅依賴變流器的本地信息，通過預(yù)設(shè)的下垂曲線來分配負(fù)載功率，達(dá)到了較好的功率分配效果。然而該方案很難直接應(yīng)用于基于CCM-VSC 控制的DR 上。

基于以上分析，從系統(tǒng)層面出發(fā)，提出一種分布式多變流器型微電網(wǎng)無互聯(lián)線潮流控制方法。該方法利用微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)所有潛在的分布式無功補償源提供負(fù)荷所需無功，以期減小儲能系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)壓力，實現(xiàn)系統(tǒng)潮流合理分配。

首先對微電網(wǎng)系統(tǒng)進行建模。針對VCM-VSC 和CCM-VSC 控制特點，提出了適用于CCM-VSC 的倒下垂控制來實現(xiàn)CCM-VSC 間的功率分配。通過合理設(shè)置CCM-VSC 倒下垂系數(shù)與VCM-VSC 下垂系數(shù)實現(xiàn)潮流在基于這2 種接口變流器的DR 間的合理分配。其次，對功率分配精度進行分析，給出影響功率分配精度的因素。為改善VCM-VSC 無功分配的精度和控制穩(wěn)定性，VCM-VSC 常采用虛擬阻抗控制， 其將影響無功在VCM-VSC 和CCM-VSC 間的分配。為了解決該問題，提出虛擬阻抗與自適應(yīng)空載電壓補償相結(jié)合的方法來實現(xiàn)潮流在VCM-VSC 和CCM-VSC 間精確分配。

針對VCM-VSC 和CCM-VSC 控制特點，研究適用于這2 種接口變流器的無互聯(lián)線潮流控制，以期實現(xiàn)潮流在基于這2 種接口變流器的DR 間的合理分配。

1、適用于VCM-VSC 的下垂控制

假設(shè)線路阻抗為感性(目前VSC 常采用LCL 濾波器，因為網(wǎng)側(cè)電感的存在，假設(shè)一般成立或者可通過虛擬阻抗的設(shè)計來保證)，VCM-VSC 常采用P-ω、Q-U 下垂控制來實現(xiàn)VCM-VSC 之間的有功

與無功功率分配。其控制方程為：

式中ω_V、U_V，

式中下標(biāo)數(shù)字含義同圖2。

可見，合理設(shè)置下垂系數(shù)，即可實現(xiàn)有功與無功功率的按需分配。常采用按DR 系統(tǒng)容量設(shè)置下垂系數(shù)。且下垂系數(shù)需滿足以下條件：

式中：Δω 和ΔU 分別為系統(tǒng)允許的最大角頻率和電壓幅值偏差；P_maxV 和Q_maxV 分別為每個單元允許輸出的最大有功和無功功率值。

2、適用于CCM-VSC 的倒下垂控制

基于 VCM-VSC 的下垂控制思想，適用于CCM-VSC 的倒下垂控制方法來實現(xiàn)CCM-VSC 之間的有功與無功功率分配。該類CCM-VSC 分為2 種形式：

1）采用ω-P、U-Q 倒下垂控制。

該類方法可應(yīng)用于CCM-VSC 有功和無功功率調(diào)節(jié)能力不受DR 系統(tǒng)一次資源(如光伏、風(fēng)電系統(tǒng))環(huán)境條件的限制，如可再生能源過剩，DR 處于限功率運行工況，可以在限定的功率范圍內(nèi)自由調(diào)配的情況。該方法控制方程為

式中ω_g、U_g，

穩(wěn)態(tài)時，微電網(wǎng)系統(tǒng)工作于同一頻率，忽略線路壓降，則CCM-VSC 檢測的網(wǎng)側(cè)母線電壓約等于微電網(wǎng)交流母線電壓，若

式中下標(biāo)數(shù)字含義同圖2。

可見，合理設(shè)置倒下垂系數(shù)，即可實現(xiàn)有功與無功功率按需分配。

針對同時含有VCM-VSC 和CCM-VSC 的微電網(wǎng)，穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)工作于同一角頻率，即ω_g=ω_V。忽略線路阻抗壓降，則理想工況下，有U_g=U_V 成立。若需實現(xiàn)同等容量的VCM-VSC 和CCM-VSC 均載分配，則只需預(yù)設(shè)

2）有功功率按照DR 一次資源特性分配，無功功率按照剩余容量倒下垂控制運行。當(dāng)CCM-VSC 用于可再生能源時，為了最大化能源利用，常采用最大功率點跟蹤控制。因此有功功率輸出受限于當(dāng)前DR 系統(tǒng)一次資源。同時，在視在功率一定的情況下，該系統(tǒng)當(dāng)前具有的無功儲備也隨著有功功率的變化而變化。令S_C 為系統(tǒng)額定視在功率，P_MPPT 為系統(tǒng)當(dāng)前最大功率點，則DR系統(tǒng)的無功儲備為:

由于穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)工作于同一角頻率，所以有功功率分配精度較高。然而由于線路壓降，各節(jié)點電壓幅值略有差異，從而導(dǎo)致無功功率不能按照需求精確分配。將重點針對該問題進行分析并提出改善方法。

1、改善VCM-VSC 分配精度的虛擬阻抗控制

VCM-VSC 通過內(nèi)環(huán)控制器實現(xiàn)對電壓指令的跟蹤，其內(nèi)環(huán)控制器參數(shù)與戴維寧電路等效電壓源矢量和串聯(lián)阻抗關(guān)系為：

式中：U_Vref 為下垂控制給出的電壓指令；G_cV 為內(nèi)環(huán)控制器增益；z_cV 為控制器閉環(huán)等效阻抗。

由圖2可知，微電網(wǎng)母線電壓為：

若不采用虛擬阻抗，內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計常使G_cV 和z_cV 在基波角頻率點的值分別約為1 和0。

因此，上式可以簡化為：

由于各分布式DR 系統(tǒng)到PCC 點距離不同，則等效的線路阻抗z_LV 難免有差異。由上式可知，若設(shè)置所有VCM-VSC 的U_Vref 相等，則會導(dǎo)致輸出電流的差異，其差值取決于線路阻抗。

當(dāng)2 臺VCM-VSC 下垂系數(shù)一致時，2 臺變流器無功差值Q_mVdif 為：

可見，無功功率差值取決于下垂系數(shù)、空載電壓指令差值和實際因為線路阻抗導(dǎo)致的電壓差值。為改善無功分配精度，可以通過有互聯(lián)線方式適當(dāng)調(diào)整空載電壓幅值或者采用無互聯(lián)線虛擬阻抗形式。減小2 個電源到PCC點之間等效阻抗差值。

2、CCM-VSC 間的功率分配精度分析

CCM-VSC 通過內(nèi)環(huán)控制器實現(xiàn)對功率或者電流指令的跟蹤，常用諾頓等效電路表示。內(nèi)環(huán)控制器參數(shù)與諾頓電路等效電流源和阻抗關(guān)系為：

式中：I_cref 為電流指令；G_cc為內(nèi)環(huán)控制器增益；g_cc為閉環(huán)控制系統(tǒng)等效導(dǎo)納。

由圖2可得：

由上述兩個公式可得：

內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計常使G_cc和g_cc在基波角頻率點的值分別約為1 和0。若所給的電流指令一致，則能實現(xiàn)CCM-VSC 間較好的均流特性。

3、VCM-VSC 與CCM-VSC 間的無功分配精度改善控制

令 Q_mC 為CCM-VSC 計算的無功功率值，假設(shè)CCM-VSC 的功率反饋能夠準(zhǔn)確跟蹤功率指令，即QmC≈QC?？傻?，若k_qvk_qc=1 成立，則VCM-VSC 和CCM-VSC 之間的無功功率差值為

可見，其值取決于空載電壓差異和因為線路阻抗導(dǎo)致的電壓差異以及下垂系數(shù)。

對于CCM-VSC，忽略線路的阻性部分，并令X_LC 為線路感抗，則

若

可見，無功功率差值主要取決于虛擬感抗、下垂系數(shù)以及當(dāng)前的無功功率值。

可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)VCM-VSC 空載電壓值來改善功率分配精度。但該方法將減弱虛擬阻抗對VCM-VSC間無功分配精度的改善。

基于以上分析，提出CCM-VSC 自適應(yīng)空載電壓補償法，其無功控制方程為：

可見，該方法無需依據(jù)互聯(lián)線來調(diào)整空載電壓幅值。只需依據(jù)當(dāng)前計算的無功功率值即可自適應(yīng)調(diào)整空載電壓補償值。

3、控制實現(xiàn)

基于以上分析，本文采用的 VCM-VSC 和CCM-VSC 控制框圖如圖3 所示。

1、仿真參數(shù)

為驗證所提控制策略的有效性，基于 dSPACE1005 平臺對其性能進行實時硬件在環(huán)仿真測試。該平臺拓?fù)淙鐖D2，由4 臺容量為25 kVA 變流器及1臺90 kVA 可調(diào)模擬負(fù)荷組成。4 臺變流器中，2 臺變流器控制于CCM：CCM-VSC1 和CCM-VSC2，分別模擬光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；另外2 臺控制于VCM：VCM-VSC1 和VCM-VSC2。4 臺變流器參數(shù)相同，如表1 所示。

2、VCM-VSC 與CCM-VSC 間均載

實時硬件在環(huán)仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)分別如圖4 和表2所示。初始階段S0：微電網(wǎng)系統(tǒng)運行于孤島模式，VCM-VSC1 和VCM-VSC2 采用下垂和虛擬阻抗控制， CCM-VSC1 和CCM-VSC2 均運行最大功率點、單位功率因數(shù)模式下，其有功功率P_mC1 和P_mC2 均為5 kW，無功功率Q_mC1 和Q_mC2 均為0。微電網(wǎng)負(fù)荷為阻感負(fù)荷，其中電阻R 為9.65Ω，電感L 為46 mH，額定電壓工況下對應(yīng)有功負(fù)荷P_L 為15 kW，無功負(fù)荷Q_L為10kvar。由于下垂控制特性，微電網(wǎng)電壓幅值和角頻率稍偏離額定值U_N 和ω_N，負(fù)載有功功率為12.6kW，無功功率為8.4kvar。由圖4 和表2 可見，雖然VCM-VSC1 和VCM-VSC2 并網(wǎng)線路阻抗略有差異，但通過虛擬阻抗可實現(xiàn)均載，兩者的有功功率P_mV1 和P_mV2 均在1.298 kW，Q_mV1 和Q_mV2分別為在4.233 kvar 和4.153 kvar。2 臺VCM-VSC之間有功實現(xiàn)了精確的均分，無功分配誤差δ_V12 為0.019，可見無功分配精度也較高。在該階段，負(fù)荷無功全部由VCM-VSC 提供。

S1 階段：在T1 時刻，將CCM-VSC1 控制模式轉(zhuǎn)為ω-P、U-Q 倒下垂模式。在此假設(shè)其有功功率與無功功率可自由調(diào)配，且認(rèn)為與VCM-VSC具有相同的有功與無功容量。由于CCM-VSC1 對系統(tǒng)無功功率的支持作用，系統(tǒng)電壓偏離額定值的差值減小。由圖4 和表2 可見，CCM-VSC1 與2 臺VCM-VSC 間實現(xiàn)了較好的有功功率均載，均穩(wěn)定運行于2.888kW。然而，由于等效線路阻抗差異的影響，CCM-VSC 與VCM-VSC 并沒有實現(xiàn)較好的無功均載，CCM-VSC1 與2 臺VCM-VSC無功分配誤差δ_V1C1 和δ_V2C1 分別為0.683 和0.705。

S2 階段：在T2 時刻，將CCM-VSC2 轉(zhuǎn)變?yōu)榕cCCM-VSC1 同樣的工作模式。系統(tǒng)電壓偏離額定值的差值進一步減小。同時可見，由于穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)運行于同一頻率，有功功率在4 臺變流器之間實現(xiàn)了較好的均載，均穩(wěn)定運行于3.514kW。

無功功率在2 臺CCM-VSC 之間實現(xiàn)了較好的均載，均穩(wěn)定運行于3.161kvar。但由于等效線路阻抗差異的影響，其并未與VCM-VSC 實現(xiàn)均載，δ_V1C1 和δ_V2C1分別為0.682 和0.709。

3、功率分配精度改善

實時硬件在環(huán)仿真結(jié)果如圖5 和表2所示，在本算例中，CCM-VSC 控制中加入自適應(yīng)的空載電壓補償法控制。與上節(jié)相比， 無功功率在VCM-VSC 與CCM-VSC之間實現(xiàn)較好的均載性能。由表2 可見，在S2 階段，δ_V1C1 和δ_V2C1 分別為0.007 和0.033。

按照 VCM-VSC 有功額定為10 kW，無功額定為10 kvar，最大電壓偏差為10%額定電壓，最大頻率偏差為± 0.5Hz 設(shè)置下垂系數(shù)。CCM -VSC 按照視在功率為10kVA 計算。

初始條件S₀ ：CCM-VSC1 和CCM-VSC2 均運行最大功率點、單位功率因數(shù)模式下，其有功功率PmC1 和PmC2 分別為5 kW 和9 kW，無功功率QmC1 和QmC2 均為0。

S1 階段：T1 時刻，啟動CCM-VSC1，按照無功儲備量，3 臺變流器按照QmC1:QmV1:QmV2=8.66:10:10共同分擔(dān)負(fù)荷無功8.8kvar。因此，QmC1、QmV1、QmV2無功功率將分別承擔(dān)2.6、3.1、3.1kvar。

為了減小儲能系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)壓力，實現(xiàn)潮流在系統(tǒng)內(nèi)的合理分配，提出了一種分布式多變流器型微電網(wǎng)無互聯(lián)線潮流控制。針對VCM-VSC 和CCM-VSC 控制特點，提出了適用于CCM-VSC 的倒下垂控制來實現(xiàn)CCM-VSC 間的功率分配，并通過合理設(shè)置CCM-VSC 倒下垂系數(shù)與VCM-VSC 下垂系數(shù)實現(xiàn)潮流在基于這2 種接口變流器的DR 間的合理分配。同時， 為了改善VCM-VSC 和CCM-VSC 間功率分配精度，提出虛擬阻抗與自適應(yīng)空載電壓結(jié)合法。最后，通過實時硬件在環(huán)仿真平臺驗證了所提控制策略的正確性與可行性。結(jié)果表明， 功率能夠按照需求在VCM-VSC 和CCM-VSC 間合理分配，減小了VCM-VSC 功率調(diào)控壓力，且分配精度較高。

采用的虛擬阻抗與自適應(yīng)空載電壓結(jié)合法暫僅考慮線路阻抗或虛擬阻抗設(shè)置為感性工況，其他工況可類比分析。在今后工作中分析多種線路阻抗和虛擬阻抗設(shè)置時的功率分配情況，以更好滿足實際工程應(yīng)用的多種需求。

《分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)》主要內(nèi)容簡介：分布式發(fā)電是解決未來能源短缺的必經(jīng)之路，而微電網(wǎng)作為“網(wǎng)中網(wǎng)”的形式是解決分布式發(fā)電無縫接入大電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。《分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)》第一部分介紹分布式發(fā)電，以解決能源問題；第二部分介紹微電網(wǎng)，以解決電網(wǎng)模式問題。全書共分為9章。第1章主要簡述分布式發(fā)電以及微電網(wǎng)；第2章至第5章介紹分布式發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，包括分布式電源特性、含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)潮流計算以及分布式電源的定址和定容問題；第6章至第9章介紹微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括國內(nèi)外微電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀、微電網(wǎng)管理系統(tǒng)、孤島檢測問題以及微電網(wǎng)下的市場競價問題?！斗植际桨l(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)》可供省市級電網(wǎng)運行與調(diào)度工作者及科研院所工程技術(shù)人員參考，也可供高等院校電氣工程類專業(yè)教師、高年級本科生及研究生參考使用。

2021年10月11日，《統(tǒng)一潮流控制器技術(shù)規(guī)范》發(fā)布。

2022年5月1日，《統(tǒng)一潮流控制器技術(shù)規(guī)范》實施。