2016, Vol. 37
2.金策工业综合大学 电气工程系, 平壤 999093
2.Department of Electrical Engineering, Kim Chaek University of Technology, Pyongyang 999093, DPRK
微电网中分布式发电(distributed generation, DG)把高可靠性、高质量的电力提供给分布式负荷[1].微电网中不对称电压导致电能质量问题, 比如不稳定、额外的功率损耗、对异步电机的负面影响.不对称电压可以在不对称负荷连接在微电网的情况下发生.近年来, 出现了一些电能质量补偿的控制方法.传统的串联/并联型有源电力滤波器是通过注入负序电压/电流来补偿电压不对称[2], 但当存在严重的负载不对称时, 通过有源滤波器注入的电流超过滤波器的额定容量.微电网中DG用来充当分布式有源滤波器, 通过基于下垂控制的有功、无功功率控制补偿不对称电压.文献[3]通过多个DG间的准确控制补偿电压不对称.文献[4]在逆变单元中采用了不对称功率-电纳下垂控制实现不对称、谐波功率分配控制方法.另一方面, 微电网中各DG到负荷的线路阻抗不等, 影响了不对称功率的精确分配.所以, 传统的下垂控制难以直接实现不对称、谐波负荷分配.文献[5]采用了正负序虚拟阻抗调整DG的等效阻抗.文献[6]利用低频宽通信的集中式控制方法补偿不对称电压, 实现不对称功率的精确分配.但是, 集中式的控制方法存在灵活性不足、低可靠性等缺点.近年来, 基于一致性的分布式控制方法在各种研究领域成为热点之一[7], 包括应用于微电网[8].文献[9]采用分布式电压不对称补偿实现各DG间的负序电流的精确分配.
综上所述, 大多数方法针对线性、不对称负荷功率的精确分配不能完全克服微电网线路阻抗特性的影响.因为集中式控制方法降低系统的灵活性和可靠性, 难以应用于含多个DG的复杂微电网.为此, 在微电网中存在不对称负荷的情况下, 提出了基于分布式自适应虚拟阻抗的不对称功率分配方法.在传统的下垂控制基础上, 基于分布式控制的自适应负序虚拟阻抗控制策略在准确分配不对称负荷的同时也改善了公共连接点(point of common coupling, PCC)的电压不对称, 提高了系统的灵活性和可靠性.仿真结果表明了所提控制方案的正确性和有效性.
1 微电网无功功率分配控制图 1为3个DG、负荷构成的微网系统结构图.负荷由位于PCC的线性对称负荷、不对称负荷或者两种负荷的结合构成.各DG单元通过本地控制器维持稳定的电压和频率, 同时实现负荷功率分配.为了改善负荷功率分配精度, 有必要建立和利用DG间的通信系统.
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图 1 含线性、不对称负荷的微网结构图 Fig.1 Diagram of microgrid with linear and imbalanced loads |
为了满足无互联线通信功率分配的要求, 模仿同步发电机下垂控制被广泛地应用于微电网.传统有功-频率和无功-电压下垂控制可表示为
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(1) |
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其中: ω*, E*分别为DG在空载下输出电压的角频率和幅值; ωi, Ei分别为DG实际输出电压的角频率和幅值参考值; mi, ni分别为频率和电压的下垂系数; Pi, Qi分别为第i个DG的输出有功和无功功率.线路阻抗的不匹配影响传统下垂控制的稳定性和动态性能.为了实现解耦有功和无功功率, 减少线路阻抗的影响, 文献[5]提出了虚拟阻抗:
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(3) |
其中: Vref, i为修改的参考电压; Vdroop, i为下垂控制器的输出电压; Ioi为分布式发电的基波正序电流; Zv, i为虚拟阻抗.
1.2 不对称功率分配控制在微电网孤岛运行模式时不精确分配不对称负荷功率可能会导致DG的过电流保护动作[8].为了实现不对称功率精确分配, 应使等效基波负序阻抗可按照DG单元容量实现反比例分配:
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(4) |
其中: XNeg, 1到XNeg, N为1到N个DG单元的等效基波负序阻抗; QNeg, 1到QNeg, N为1到N个DG单元的额定负序功率.根据式(4), 在同等容量DG存在的情况下, 不对称功率不均分分配通过相等的等效基波负序阻抗实现.
2 不对称功率分配控制 2.1 负序虚拟阻抗控制根据1.2节的分析, 为了实现负荷功率精确分配, 可通过调整虚拟阻抗使等效基波负序阻抗成恰当比例实现.实际上, 由于不匹配线路阻抗的存在, 式(4)难以满足.为了得到各DG相匹配的等效基波负序阻抗, 采用基波负序虚拟阻抗:
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(5) |
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(6) |
其中: XNegline, i, XNegV, i分别为在基波负序上第i个DG线路上的电抗和虚拟电抗; XNegV, i*为静态虚拟电抗, 保证实现等效电抗为电感性的; ΔXNegV, i为基波负序虚拟电抗修正项.通过自适应调整ΔXNegV, i, 使各DG单元的等效基波负序阻抗相匹配, 实现不对称功率准确分配.
2.2 不对称功率控制当各DG单元到负荷的线路阻抗不等时, 为了得到相匹配的等效基波负序阻抗, 微电网内部各DG间的无功功率分配要求已知各DG的线路阻抗[8], 但实际上难以获得.为减少线路阻抗不匹配因素对负荷精确分配的不利影响, 无功功率分配需提出合理的功率控制方法.因此, 本文通过设计一致性算法来自适应调整虚拟阻抗.为实现不对称功率精确分配, 设计了基于一致性的不对称功率分配控制算法, 充分利用本地和邻居的负序无功功率信息.当DG的额定容量不等时, 利用基于一致性的负序无功功率误差, 不对称负荷功率按照DG容量实现比例分配.为简化讨论, 本文考虑微电网内部各DG有相等的额定容量, 利用实值表示不对称功率精确分配.
3 分布式自适应负序虚拟阻抗控制近年来, 一致性问题用于促进微网中多个DG的协调.为实现不对称功率精确分配, 本节设计了基于一致性算法的虚拟阻抗自适应控制方法, 该方法提出基于一致性算法的负序虚拟阻抗修正项.分布式不对称功率控制是基于一阶线性多智能体系统的调节同步化问题[13]:
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(7) |
基于一致性的不对称功率分配环发现不对称功率不匹配:
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(8) |
其中, CQNeg为耦合増益.整体系统表示为
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其中: QNeg=[QNeg, 1 QNeg, 2… QNeg, N] T; uQ Neg=[uQNeg, 1 uQNeg, 2… uQNeg, N] T; L为拉普拉斯矩阵.
把不对称功率不匹配注入到比例积分(proportional integral, PI)控制器, 负序虚拟阻抗修正项NQBi为
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(11) |
其中: kpNQ, kiNQ为PI控制器的比例和积分増益.
如果第i个DG分配的不对称功率比需要的不对称功率少, 那么NQBi通过一致性算法的不对称功率分配环增大, 负序虚拟阻抗自适应减少.当通过式(8)使不对称功率不匹配自然等于零时, 微网各DG均分分配不对称负荷功率.负序虚拟电感、电阻表示为
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(12) |
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(13) |
其中: LVNeg, i*, RVNeg, i*为静态虚拟电感、电阻; kLNeg, kRNeg为比例增益.负序电阻用来于增强控制系统的阻尼.
4 控制结构 4.1 DG的有功、无功功率计算利用双二阶广义积分器锁频环(DSOGI-FLL)检测[6]各DG的三相电压和电流的正序和负序.通过DSOGI-FLL检测的正负序电压、电流计算通过低宽滤波器的三相输出功率:
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其中: Pf, Qf分别为分布式发电输出的有功、无功功率; QNeg为分布式发电输出不的对称功率[5]; Vα, f+, Vβ, f+为静止参考坐标系下的基波正序电压; Iα, f+, Iβ, f+为静止参考坐标系下的基波正序电流; Iα, f-, Iβ, f-为静止参考坐标系下的基波负序电流; V+为基波正序电压的幅值.
4.2 虚拟阻抗环该方法得到基波负序虚拟阻抗后, 在静止参考坐标系下计算相应的虚拟电压降落.计算正负序电压降落的框图如图 2所示.
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图 2 正负序虚拟阻抗图 Fig.2 Virtual impedance at fundamental positive/negative-sequence |
为确保准确的电压跟踪, 采用基于比例谐振(proportional resonant, PR)控制器的电压、电流控制器:
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其中: kpV, krV分别为电压控制器的比例、谐振增益; kpI, krI分别为电流控制器的比例、谐振增益; ω0, ωb分别为基波频率和谐振控制器的带宽.
图 3为提出的线性和不对称无功功率分配控制策略框图.可以看出, 所提出的方法是完全分布式的控制方法, 有效避免了集中控制器的使用, 增强了系统的灵活性和可靠性, 同时保证不对称功率的准确分配.
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图 3 微电网分布式控制图 Fig.3 Distributed control scheme of microgrid |
以图 1所示的含3台DG的微电网系统为例验证所提出的分布式不对称功率控制方法的正确性和有效性.3台DG的额定容量相等, 三相对称负荷连接于公共接线, 不对称负荷连接于a相.DG的额定功率为20 kW, 额定电压和频率分别为120 V和60 Hz, DG滤波电感和电容分别为1.8 mH和50 μ F, 线路阻抗Z1=0.3+j0.131, Z2=0.2+j0.226, Z3=0.1+j0.358.下垂控制参数: m=2×10-5Hz/W, n=0.001 V/Var.电压电流控制器参数: kpV=1; krV=100, kpI=5, krI=500.
5.2 有功、正负序无功功率分配控制图 4为传统下垂控制和本文提出的有功、无功功率分配曲线.由图 4可知, 通过在本文方法中引入自适应虚拟阻抗使负荷正负序无功功率的分配误差得到补偿, 实现均分分配, 同时也没影响负荷有功功率的分配精度.
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图 4 功率分配控制仿真实验结果 Fig.4 Simulated results of power sharing control (a)-传统方法；(b)-本文方法. |
图 5为采用传统和本文方法后各分布式发电的电流曲线.经对比可知, 分布式自适应负序虚拟阻抗控制较传统下垂控制可使DG输出电流均等.采用所提出的分布式不对称功率分配控制后DG1和PCC的电压曲线如图 6所示.由图 6可知, PCC的电压不对称率减少到1.38%, 改善了电压不对称, 满足低于2%的国际电工委员会=(IEC)的电压不对称率, 但DG1的电压不对称率增加到2.45%.也就是说DG1的输出电压牺牲使PCC的电压减少到满足IEEE的标准.
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图 5 DG的三相输出电流的放大波形 Fig.5 Enlarged waveforms of DG output three-phase current (a)-传统方法；(b)-本文方法. |
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图 6 DG1，PCC的电压波形 Fig.6 DG1 and PCC voltage waveforms |
1) 在考虑线路阻抗的情况下, 通过无功功率精确分配的分析, 基于一致性理论和虚拟阻抗提出了分布式负序虚拟阻抗控制方法, 可精确地均分线性、不对称负荷无功功率.
2) 在不对称负荷存在的情况下, 本文方法能实现多个DG的输出电流精确分配, 可改善微电网PCC电压的质量.
3) 本文方法通过调整虚拟阻抗, 不受未知线路阻抗的影响, 在DG多智能体网络拓扑结下, 仅需要邻居的信息, 避免了集中控制器的使用, 具有较好的灵活性和可靠性, 适用于复杂的微电网结构.
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