基于虛擬阻抗的微電網(wǎng)下垂控制分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u14325基于虛擬阻抗的微電網(wǎng)下垂控制分析綜述 1200441.1引言 1290841.2基于虛擬阻抗的傳統(tǒng)下垂控制 1160951.3基于虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制 2130411.3.1線路電阻觀測(cè)器 4324731.3.2自適應(yīng)虛擬電感 5122131.3仿真分析 61.1引言微電網(wǎng)一次控制層常采用下垂控制，以使各DG的輸出電壓幅值和頻率能夠維持穩(wěn)定，功率能在各DG間均勻分配，并利于滿足DG的“即插即用”。但下垂控制在等效阻抗為阻性、阻感性的多DG并聯(lián)微電網(wǎng)中使用時(shí)存在一定的缺點(diǎn)和不足，為改善此問(wèn)題，研究者們提出“虛擬阻抗”技術(shù)。本章以傳統(tǒng)下垂控制為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)線路電阻觀測(cè)器和自適應(yīng)虛擬電感來(lái)對(duì)傳統(tǒng)虛擬阻抗技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以解決多DG并聯(lián)的孤島微電網(wǎng)中由于等效阻抗不匹配造成的各DG無(wú)功功率無(wú)法按容量均分的問(wèn)題，并進(jìn)一步抑制環(huán)流，使得下垂控制具有更好的靈活性和優(yōu)越性。1.2基于虛擬阻抗的傳統(tǒng)下垂控制由2.2.2節(jié)對(duì)下垂控制的分析可知，在感性、阻性、阻感性等效阻抗下，電壓功角差與幅值差不盡相同，分布式電源的輸出有功和無(wú)功功率有著不同的表達(dá)式，對(duì)應(yīng)著感性、阻性、阻感性三種下垂控制。相較于另外兩者，感性下垂控制能夠取得較好的控制效果。由于低壓微電網(wǎng)中線路阻抗往往呈現(xiàn)阻性和阻感性，感性下垂控制的控制效果就會(huì)受到影響，主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)：其一是有功功率和無(wú)功功率之間存在強(qiáng)耦合關(guān)系[38]；另外在多DG并聯(lián)的系統(tǒng)中由于各DG等效阻抗不匹配，這種不匹配的阻抗會(huì)造成各DG間存在功率環(huán)流，尤其是無(wú)功環(huán)流，從而直接影響DG間的無(wú)功功率分配，破壞孤島微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行?！疤摂M阻抗技術(shù)”的提出用來(lái)解決這一系列問(wèn)題，其基本思想是在線路控制中引入一個(gè)虛擬阻抗環(huán)，使線路整體呈現(xiàn)“強(qiáng)感性”，即，降低有功和無(wú)功功率間的強(qiáng)耦合關(guān)系，并一定程度抑制并聯(lián)DG間的環(huán)流。與物理阻抗相比，虛擬阻抗不消耗或僅消耗極小的功率，具有較好的實(shí)用性。虛擬阻抗環(huán)可按式（1.1）～（1.2）在dq軸進(jìn)行設(shè)計(jì)： (1.1) (1.2)式中，為虛擬阻抗，為虛擬電阻，為虛擬電感，、分別為逆變器輸出電流經(jīng)濾波器后在dq軸上分量，、分別為逆變器輸出電流在虛擬阻抗產(chǎn)生的電壓降。從下垂控制方程所產(chǎn)生的參考電壓中減去這個(gè)電壓降得到一個(gè)新的參考電壓值，達(dá)到模擬感性線路目的，再送入電壓外環(huán)進(jìn)行控制。虛擬阻抗由虛擬電阻和虛擬電感兩部分構(gòu)成，一般也可僅使用虛擬電感。采用虛擬電感所起到的作用是削弱有功和無(wú)功功率間的耦合性，抑制并聯(lián)逆變器間的無(wú)功環(huán)流；而采用虛擬電阻則主要是為了改善輸出高頻率造成的諧波問(wèn)題。傳統(tǒng)虛擬阻抗環(huán)的控制框圖如圖3-1所示：圖3-1虛擬阻抗控制結(jié)構(gòu)圖1.3基于虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制下垂控制中使用上節(jié)所提到的虛擬阻抗技術(shù)雖然可以有效降低有功功率和無(wú)功功率間的耦合關(guān)系，一定程度上抑制無(wú)功環(huán)流，改善無(wú)功功率的分配的誤差，但在實(shí)際多DG并聯(lián)的孤島微電網(wǎng)中，各DG的等效阻抗不盡相同，且線路阻抗也會(huì)因?yàn)楦鞣N突發(fā)情況而發(fā)生變化，這就使得虛擬阻抗值的確定變?yōu)橐豁?xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行情況發(fā)生改變時(shí)，原本根據(jù)線路阻抗設(shè)計(jì)好的虛擬阻抗值可能不適用，若虛擬阻抗值過(guò)大，會(huì)造成過(guò)大的電壓降；若虛擬阻抗值過(guò)小，則難以起到該有控制效果。針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)基于虛擬阻抗的傳統(tǒng)下垂控制進(jìn)行改進(jìn)，采用基于電阻觀測(cè)器的虛擬負(fù)電阻與自適應(yīng)虛擬電抗形成虛擬阻抗環(huán)，基于改進(jìn)虛擬阻抗的下垂控制的設(shè)計(jì)，降低了功率之間的耦合關(guān)系，使各DG的無(wú)功功率按容量精確分配，并減少了多DG并聯(lián)逆變器間存在的環(huán)流，提高了下垂控制的靈活性與穩(wěn)定性。單個(gè)DG改進(jìn)后的整體下垂控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示。圖中虛擬阻抗由兩部分組成：其一是基于線路電阻觀測(cè)器的虛擬負(fù)電阻，其二是自適應(yīng)虛擬電感。功率計(jì)算單元通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量的DG輸出電壓電流計(jì)算得到，表達(dá)式如（1.3） (1.3)式中，為低通濾波器，加入低通濾波器的目的是為了孤島微電網(wǎng)提供更多的虛擬慣性，降低系統(tǒng)對(duì)一些干擾的敏感性。其傳遞函數(shù)為：其中，為截止頻率。圖3-2單個(gè)DG的基于改進(jìn)虛擬阻抗的控制結(jié)構(gòu)1.3.1線路電阻觀測(cè)器為實(shí)現(xiàn)虛擬電阻值的靈活可變，采用文獻(xiàn)[39-40]所提出的線路觀測(cè)器進(jìn)行實(shí)時(shí)線路電阻值的測(cè)量。其基本思想為：在系統(tǒng)的某一穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)施加一個(gè)暫態(tài)小擾動(dòng)，通過(guò)采樣擾動(dòng)前后的電壓、電流值進(jìn)行計(jì)算即可得到實(shí)時(shí)線路電阻值，測(cè)量過(guò)程中不需要任何通信線路和額外的硬件外設(shè)。以下對(duì)線路電阻觀測(cè)器進(jìn)行分析設(shè)計(jì)：孤島微電網(wǎng)中，某逆變器至PCC點(diǎn)所連線路阻抗可在dq軸上表示為： (1.4)式（1.4）為擾動(dòng)前的關(guān)系式，其中，、為逆變器輸出電壓經(jīng)濾波器后在dq軸上分量，、分別為逆變器輸出電流經(jīng)濾波器后在dq軸上分量，為線路電阻，為線路電感，、為PCC點(diǎn)電壓在dq軸上分量。某一時(shí)刻，令雙環(huán)控制器中的電流內(nèi)環(huán)停止接收電壓外環(huán)所送入的電流參考信號(hào)，為了降低擾動(dòng)對(duì)有功功率的影響，僅在q軸短暫形成一個(gè)新的電流參考值送入電流內(nèi)環(huán)控制器，該參考值可取原電流參考值的10%～20%，而d軸參考電流值與擾動(dòng)前一致。當(dāng)輸出電流跟蹤達(dá)到新的參考值后，記錄此刻的逆變器dq軸輸出電壓電流的值，其后擾動(dòng)結(jié)束，恢復(fù)電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)運(yùn)行。添加擾動(dòng)后當(dāng)輸出電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)的參考值后，某逆變器至PCC點(diǎn)所連線路阻抗則可在dq軸上表示為： (1.5)式（1.5）中，、為擾動(dòng)后輸出電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)dq軸分量，為擾動(dòng)后輸出電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)q軸分量，、為擾動(dòng)后PCC點(diǎn)電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)dq軸分量。由于在雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，電流內(nèi)環(huán)的響應(yīng)速度非?？?，添加擾動(dòng)后達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)階段的調(diào)節(jié)過(guò)程所需的時(shí)間極短，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行造成影響，此處可認(rèn)為PCC點(diǎn)電壓在擾動(dòng)前后一致，即，。則式（1.5）與式（1.4）作差可得：即可實(shí)時(shí)測(cè)得電阻： (1.6)式中，、為電壓、電流擾動(dòng)前后的q軸分量穩(wěn)態(tài)值之差。在計(jì)算得到線路的電阻值后，取其負(fù)值作為虛擬電阻的值，從而進(jìn)一步削弱線路阻抗中阻性成分的影響，使下垂控制具有更佳的控制效果。另外，運(yùn)行過(guò)程中線路阻抗發(fā)生變化時(shí)，也可通過(guò)再注入擾動(dòng)實(shí)時(shí)修正虛擬電阻的值，使得下垂控制更具靈活性與實(shí)時(shí)性。1.3.2自適應(yīng)虛擬電感自適應(yīng)虛擬電感的基本思想是在傳統(tǒng)虛擬電感的基礎(chǔ)上加上一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的虛擬電感，使得多DG并聯(lián)系統(tǒng)中即使線路等效阻抗不匹配，無(wú)功功率也能在各DG中按容量均勻分配。以兩DG并聯(lián)系統(tǒng)為例進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，設(shè)兩DG容量一樣，即下垂控制系數(shù)相同，采用基于傳統(tǒng)虛擬阻抗的下垂控制，則采用基于自適應(yīng)虛擬電感的下垂控制。設(shè)線路電阻值已被虛擬負(fù)電阻值所完全抵消，由電力系統(tǒng)分析的知識(shí)可得，則與輸出電壓為： (1.7) (1.8)式中，為PCC點(diǎn)電壓，為線路電抗，為傳統(tǒng)虛擬電抗，為自適應(yīng)電抗，為輸出無(wú)功功率，為按容量精確分配的無(wú)功功率，可由下式求得： (1.9)式（1.9）中，為第i個(gè)DG容量占總DG容量的比例，為孤島微電網(wǎng)所需要的總無(wú)功功率。由電壓下垂控制方程：和，將式（1.7）與（1.8）相減可得：整理后得：把定義為自適應(yīng)系數(shù)，并取積分以進(jìn)一步提高無(wú)功功率均分精度，則自適應(yīng)電抗表示為： (1.10)則整體自適應(yīng)虛擬電抗表示為： (1.11)自適應(yīng)虛擬電抗則可有效推廣至i個(gè)DG并聯(lián)模型 (1.12)1.3仿真分析為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)改進(jìn)下垂控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建如圖3-3所示模型進(jìn)行仿真分析，取i=2，即搭建2DG并聯(lián)的孤島微電網(wǎng)模型，負(fù)載為RL線性負(fù)載，分布式電源用恒壓直流源表示。從線路電阻觀測(cè)器的測(cè)試到傳統(tǒng)下垂控制與本章所提改進(jìn)下垂控制性能對(duì)比，全方位對(duì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。圖3-3i個(gè)DG并聯(lián)的孤島微電網(wǎng)模型自適應(yīng)虛擬電感中的自適應(yīng)系數(shù)設(shè)為0.11，其他部分系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表3-1.表3-12DG并聯(lián)系統(tǒng)的參數(shù)LC濾波器線路阻抗額定電壓/頻率直流側(cè)電壓有功-頻率下垂系數(shù)無(wú)功-電壓下垂系數(shù)311V/50HZ=800V1）線路電阻觀測(cè)器測(cè)試設(shè)定系統(tǒng)在1.75s施加擾動(dòng)，1.9s啟動(dòng)線路電阻觀測(cè)器，則DG1和DG2觀測(cè)到的線路電阻值如圖3-4、3-5所示。圖3-4DG1線路電阻測(cè)量結(jié)果圖3-5DG2線路電阻測(cè)量結(jié)果由圖3-4可知，DG1實(shí)際線路電阻為0.128Ω（紅線所示），觀測(cè)器所測(cè)得實(shí)時(shí)電阻為0.12Ω（率線所示）；由圖3-5可知，DG2實(shí)際線路電阻為0.156Ω（紅線所示），觀測(cè)器所測(cè)得實(shí)時(shí)電阻為0.154Ω（綠線所示），均在可接受誤差范圍內(nèi)，證明了電阻觀測(cè)器的有效性。2）基于傳統(tǒng)虛擬阻抗的下垂控制測(cè)試使用基于傳統(tǒng)虛擬阻抗的下垂控制策略測(cè)試2DG模型，設(shè)置0.3s投入RL線性負(fù)載，由表3-1可知，DG1和DG2的下垂系數(shù)比為2:1。DG輸出有功功率、無(wú)功功率波形如圖3-6、3-7所示，系統(tǒng)環(huán)流波形如圖3-8所示，其中環(huán)流定義為2DG輸出電流作差后得到。圖3-6采用傳統(tǒng)下垂控制2DG有功功率輸出波形圖3-7采用傳統(tǒng)下垂控制2DG無(wú)功功功率輸出波形圖3-8采用傳統(tǒng)下垂控制環(huán)流波形下垂系數(shù)與容量成反比，仿真中設(shè)定了DG1和DG2的下垂系數(shù)比為2:1，則DG1與DG2容量比為1:2，由圖3-6～3-7可知，基于虛擬阻抗技術(shù)的傳統(tǒng)下垂控制中，各DG有功功率能通過(guò)有功-頻率下垂控制方程按容量均分，即，而DG1與DG2輸出等效阻抗不完全一致，各DG輸出的無(wú)功功率不能按容量進(jìn)行比例分配。從圖3-8中可以看出雖然采用了虛擬阻抗技術(shù)，兩并聯(lián)DG間仍存在較大環(huán)流，環(huán)流的存在也影響了無(wú)功功率的均分。3）基于虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制測(cè)試與仿真2）設(shè)置相同，DG1和DG2的容量比為1:2，設(shè)置0.3s投入負(fù)荷，同時(shí)啟動(dòng)自適應(yīng)虛擬電抗，1.9s啟動(dòng)線路電阻觀測(cè)器，實(shí)時(shí)啟動(dòng)虛擬負(fù)電阻控制環(huán)，共同構(gòu)成系統(tǒng)虛擬阻抗部分。DG輸出有功功率、無(wú)功功率波形、系統(tǒng)環(huán)流波形如圖3-9～1.11所示。圖3-9采用改進(jìn)下垂控制2DG有功功率輸出波形圖3-10改進(jìn)下垂控制2DG無(wú)功功率輸出波形圖3-11采用改進(jìn)下垂控制的環(huán)流波形由圖3-9、3-10可以看出，由于自適應(yīng)虛擬電抗控制策略的添加，兩DG的有功、無(wú)功功率可以完全按照容量比列進(jìn)行精確分配。由于1.75s線路電阻觀測(cè)器添加了一個(gè)擾動(dòng)，有功、無(wú)功功率在會(huì)出現(xiàn)小幅波動(dòng)，但很快便恢復(fù)正常狀態(tài)。由圖3-11可知，0.3s投入負(fù)荷并啟動(dòng)自適應(yīng)虛擬電抗后，逆變器間環(huán)流比較小，1.92s形成虛擬負(fù)電阻后，環(huán)流進(jìn)一步減小，抑制效果明顯。圖3-12采用改進(jìn)下垂控制時(shí)各DG輸出頻率圖3-12采用改進(jìn)