当前位置:首页 >> 电力/水利 >>

孤岛型低压微网中改进型无功分配策略


144

第 30 卷 2014 年

第4期 2月

农 业 工 程 学 报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering

Vol.30 No.4 Feb. 2014

孤岛型低压微网中改进型无功

分配策略
顾 军 1,2,张 兴 1※,朱云国 1,刘 芳 1,徐海珍 1,石荣亮 1
2. 安徽理工大学电气与信息工程学院,淮南 232001) 摘 要:为了解决基于传统下垂控制的孤岛型低压微网无功分配不合理及公共连接点(point of common coupling, PCC)电压降落严重这 2 个问题,在详细分析传统下垂控制中无功分配机理的基础上,提出一种改进型无功分配 策略。 通过引入虚拟感抗使得低压微网线路中有功无功解耦以满足所提策略的实现条件, 将分布式电源 (distributed generation, DG) 单元空载电压幅值与 PCC 电压幅值的差值引入传统下垂控制中以形成闭环控制。 对改进型无功分 配策略实现过程中用 DG 单元接入点电压幅值来代替 PCC 电压幅值所造成的无功分配相对偏差进行了具体的量化 分析。仿真结果表明,该改进型无功分配策略既可以实现无功的合理分配,又可以大大降低 PCC 电压降落。当空 载输出电压幅值设定为 155.5 V, 2 个 DG 单元共同承担负载的条件下, 采用传统无功分配策略时 PCC 电压幅值为 141 V,而采用改进型无功分配策略时 PCC 电压幅值为 152 V。该研究可为微网实际运行控制提供参考。 关键词:分布式发电;电压控制;无功功率;下垂控制;孤岛型低压微网 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2014.04.018 中图分类号:TM464 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2014)-04-0144-08 顾 军,张 兴,朱云国,等. 孤岛型低压微网中改进型无功分配策略[J]. 农业工程学报,2014,30(4):144 -151. Gu Jun, Zhang Xing, Zhu Yunguo, et al. Improved reactive power sharing strategy in islanded low-voltage microgrid[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(4): 144-151. (in Chinese with English abstract) (1. 合肥工业大学电气与自动化工程学院,合肥 230009;

0





近年来,为了缓解农村日益增长的能源消费需 求给国家能源供给带来的巨大压力,充分利用农村 丰富的可再生能源,国家在农村地区特别是偏远农 村地区大力推广光伏发电、小型风力发电等分布式 发 电 技 术 [1-8] 。 如 果 将 分 布 式 电 源 ( distributed generation,DG)单元、储能单元和负载构成孤岛 型微网,则可实现电能的优化管理,更好地解决偏 远农村地区无电和缺电的问题[9-11]。 在孤岛型微网中,并联的 DG 单元需要合理分 担负荷,即各 DG 单元按照各自的容量对微网总负 荷进行比例分担[12-14]。在各种并联策略中,下垂控 制因其不需要通信、可靠性高、冗余度好等优点而 得到广泛关注[15-23]。然而在实际中,偏远农村地区 的孤岛型微网的电压等级较低,此时线路不再为纯
收稿日期:2013-09-23 修订日期:2014-01-03 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51277051)。 作者简介:顾 军(1978-) ,男,安徽淮南人,副教授,博士生,主 要研究方向:微网逆变器的相关控制技术。合肥 合肥工业大学电气与 自动化工程学院,230009。Email:jungu@126.com ※通信作者:张 兴(1963-) ,男,上海人,教授,博士生导师,主 要研究方向:电力电子与电力传动和新能源发电技术。合肥 合肥工业 大学电气与自动化工程学院,230009。Email: honglf@ustc.edu.cn

感性,这就使得有功无功存在耦合,给传统的频率 /有功、电压/无功下垂控制带来稳定性问题[24-25]。 其次无功分配由于不像传统的频率/有功、电压/无 功下垂控制中有功分配那样存在频率这个全局变 量而变得并不合理。另外对于采用传统下垂控制的 微网,由于无功负荷的增大以及下垂控制自身的原 因,公共连接点(point of common coupling,PCC) 电压幅值降落严重。 对于低压微网线路不为感性而导致的有功无 功耦合问题,De Brabandeze 等[18]提出通过矩阵变 换将实际有功功率无功功率变换成虚拟有功功率 无功功率的方法。但该方法并不能对实际有功功率 无功功率进行直接控制与分配,而且也无法解决无 功分配不合理的问题。Guerrero 等[19]提出通过软件 的方式在各 DG 单元输出端引入虚拟感抗来进行有 功无功解耦。该方法可以有效解决低压微网线路存 在的有功无功耦合的问题,并且可以改善无功分配 不合理的现象。但是如果想通过该方法对容量大、 距离 PCC 远,或者容量小、距离 PCC 近的 DG 单 元来实现无功功率的合理分配, 这样会使得 PCC 电 压不能满足负载的要求。专门针对无功分配不合理 的问题,研究人员也提出不少方法。Tuladhar 等[20] 提出谐波电压注入法,即在微网逆变器输出电压中

第4期



军等:孤岛型低压微网中改进型无功分配策略

145

注入频率可调整的谐波电压,利用微网稳态运行时 谐波电压的频率在整个微网中都相等的特点来实 现无功功率的合理分配,但是注入的谐波电压导致 电压、 电流的畸变。 针对低压微网的无功分配问题, Li Yunwei 等[21]提出先通过引入虚拟感抗进行有功 无功解耦,再调整各 DG 单元的下垂系数来达到无 功功率的合理分配。该方法依赖于各 DG 单元在并 入电网运行时的工作点,需要通过 DG 单元先并入 电网来获取线路阻抗压降和输出功率信息,然而这 些信息对于孤岛型微网是不可能得到的。Sao C K 等[22]提出让 PCC 的电压跟踪由传统下垂控制生成 的电压给定, 以使得各 DG 单元合理分配无功功率。 文献[18-21]均没有考虑 PCC 电压幅值降落大的问 题,文献[22]所提的方法虽然能减小由于无功负荷 增大所造成的 PCC 电压幅值降落, 但不能减少由于 下垂控制自身的原因所造成的 PCC 电压幅值降落。 为了解决传统下垂控制的低压微网在孤岛运 行时无功分配不合理且 PCC 电压幅值降落严重的 问题,在详细分析传统下垂控制中无功分配机理的 基础上提出一种改进型无功分配策略。该策略首先 利用控制环在 DG 单元的输出端引入虚拟感抗,使 得传输阻抗(线路阻抗和虚拟感抗)呈感性,以实 现有功功率、无功功率解耦,从而满足所提策略的 实现条件, 再将 DG 单元空载电压幅值与 PCC 电压 幅值的差值引入传统下垂控制中。该方法不仅能在 传输阻抗失配的情况下实现无功功率的合理分配, 还能大大改善由于无功负荷增大和下垂控制自身 原因所带来的 PCC 电压幅值降落问题。 考虑到 PCC 到 DG 单元的距离远,PCC 电压幅值的采集需要通 信,为了不破坏下垂控制的本地控制优势,本文所 提的改进型无功分配策略中原本使用的 PCC 电压 幅值可改用 DG 单元接入点的电压幅值来代替,虽 然这样会对无功分配效果造成一定的影响,但是通 过量化分析后能够发现这个影响在工程上是可以 接受的。仿真试验结果证明所提无功分配策略的正 确性和有效性。

和幅值(V);mi 和 ni 分别为第 i 个微网逆变器的 角频率和电压幅值的下垂系数;Pi 和 Qi 分别为第 i 个微网逆变器输出的有功功率( W )和无功功率 (Var)[26]。 当微网处于稳态时,各微网逆变器的 ωi 相等, 由式(1)可知,各微网逆变器的 miPi 相等。在 mi 合理选择的情况下,各 DG 单元可以按照各自容量 比例来进行有功负荷的合理分配。但是传统下垂控 制在进行无功分配时,其分配机理就复杂的多,有 必要进行深入分析。 本文采用如图 1a 所示的孤岛型微网结构,为 了方便分析,该微网由 2 个 DG 单元(DG1、DG2) 和一个负载组成[27-28]。在低压微网中,线路阻抗中 的电阻相对于感抗已不能被忽略[29-30],如果继续采 用如式(1)、(2)所示的那种传统下垂控制,有功 功率和无功功率将存在耦合,这大大降低了系统的 稳定性。为了实现有功无功解耦并提高系统稳定 性,通常采用引入虚拟感抗的方法(具体实现详见 3.1 节)。加入虚拟感抗后,相应的等效电路图如 图 1b 所示。通过虚拟感抗的引入,有功无功得以 解耦,式(1)、(2)所示的下垂控制可继续使用, 则 DG1 和 DG2 输出电压的幅值分别通过式(3)、 (4)得到: E1 = E0 ? n1Q1 (3)

E2 = E0 ? n2 Q2

(4)

式中: E1 和 E2 分别为 DG1 单元和 DG2 单元中微网 逆变器输出电压的幅值,V;n1 和 n2 分别代表 DG1 Q1 和 Q2 分 单元和 DG2 单元电压幅值的下垂系数; 别为 DG1 单元和 DG2 单元输出的无功功率,Var。 对于一段线路而言,其两端的电压降可由式 (5)决定: R ? P + X ?Q (5) ΔV = Erated 式中: P 和 Q 分别为一段线路在其功率输入端的有 功功率(W)和无功功率(Var); R 和 X 分别为 , 一段线路中的电阻和感抗 ( X 也适用于虚拟感抗) Ω ;Erated 为一段线路的额定电压,V;ΔV 为一段 线路两端的电压降,V。 将式(5)应用到图 2b 中,DG 输出电压的幅 值 E1、E2 与 PCC 电压幅值 Vc 之间的关系可以用式 (6)和式(7)表示: ( X feeder1 + X V 1 )Q1 + R feeder1 P 1 (6) E1 = VC + Erated

1

传统下垂控制中无功分配的机理

各 DG 单元是通过各自的微网逆变器来接入微 网的。所谓传统下垂控制,即根据各 DG 单元输出 的有功功率、无功功率来调整各自的微网逆变器输 出电压的角频率和幅值,用公式可表达为: ωi = ω0 ? mi Pi (1)

Ei = E0 ? ni Qi

(2)

式中:ωi 和 Ei 分别为第 i 个微网逆变器实际输出电 压的角频率(rad/s)和幅值(V);ω0 和 E0 为各微 网逆变器在空载条件下输出电压的角频率(rad/s)

E2 = VC +

( X feeder 2 + X V 2 )Q2 + R feeder 2 P2

Erated

(7)

式中:Vc 为 PCC 电压幅值,V。

146

农业工程学报

2014 年

a. 孤岛型微网结构图 a. Configuration of islanded microgrid

b. 孤岛型微网等效电路图 b. Equivalent circuit model of islanded microgrid 注: Rfeeder1 和 Xfeeder1 分别代表 DG1 线路阻抗中的电阻和感抗, ?; Rfeeder2 和 Xfeeder2 分别代表 DG2 线路阻抗中的电阻和感抗,?;XV1 和 XV2 分别 为 DG1 和 DG2 引入的虚拟感抗,?; E1∠δ1 、 VC ∠δ C 和 E2 ∠δ 2 分别为 DG1 单元输出电压、PCC 电压和 DG2 单元输出电压的相量表达形式; RL 和 XL 分别代表负载的电阻和感抗,?。 Note: Rfeeder1 and Xfeeder1 are respectively resistance and inductive reactance of DG1 line impedance, ?; Rfeeder2 and Xfeeder2 are respectively resistance and inductive reactance of DG2 line impedance, ?; XV1 and XV2 are respectively virtual inductive reactance of DG1 and DG2; E1∠δ1 , VC ∠δ C and E2 ∠δ 2 are respectively phasor expressions of DG1 output voltage, PCC voltage and DG2; RL and XL are respectively resistance and inductive reactance of load, ?.

倍,如果要实现无功功率的合理分配,Q1 应为 Q2 的 4 倍。根据式(9),在忽略各 DG 单元线路感 即 4 XV1=XV2。 抗的条件下, 此时 XV2 应为 XV1 的 4 倍, 如果 DG1 单元到 PCC 的距离为 DG2 单元到 PCC 的距离的 4 倍, 也就意味着 Rfeeder1 为 Rfeeder2 的 4 倍, 即 Rfeeder1=4 Rfeeder2。在低压微网中,为了有功无功 解耦,虚拟感抗的大小要大于线路电阻[23]。如果为 了 DG1 线路有功无功解耦,选择 XV1>Rfeeder1,则 XV2>16Rfeeder2,这将导致 DG2 单元经过传输阻抗后 的电压降落变得更加严重。如果有一种即使在传输 阻抗失配情况下也能实现无功合理分配的策略,这 样对于虚拟感抗的选择就只需要考虑有功无功解 耦,XV2>Rfeeder2 就可以满足要求。可见寻求一种不受 传输阻抗失配影响的无功分配策略显得尤为重要。

2
2.1

改进型无功分配策略

Fig.1

图 1 孤岛型微网结构图及其等效电路图 Islanded microgrid configuration and equivalent circuit diagram

下面分析 DG1 与 DG2 之间不能合理分配的原 因。联立式(3)、(4)、(6)、(7)可得: [( X feeder1 + XV 1 )Q1 ? ( X feeder 2 + XV 2 )Q2 ] + n1Q1 ? n2Q2 = Erated
( R feeder1 P 1 ? R feeder 2 P 2) Erated

(8) 在式(8)中,如果满足式(9)、式(10)这 2 个条件,就可以使得 n1Q1 = n2 Q2 ,即可保证 DG1 单元和 DG2 单元能够按照各自的容量来合理分配 无功负荷。 ( X feeder1 + X V 1 )Q1 = ( X feeder 2 + X V 2 )Q2 (9)

改进型无功分配策略的控制结构 通过对传统下垂控制中无功分配机理的分析 后可以发现,由于各 DG 的传输阻抗的失配,导致 各 DG 单元对无功负荷的分配不合理。此外,由式 (6)、(7)可知,随着无功负荷的增大,VC 将下 降。同时由式(2)可知,由于采用传统下垂控制 策略,这势必又造成 VC 进一步下降。而对于微网 的负载而言,它们得到的供电电压幅值应该在一定 的范围内,不能太小。可见,提出一种既能有效解 决无功功率分配不均,同时又能大大减少由于无功 负荷增大和传统下垂控制而造成的 VC 降落的新型 无功分配策略,显得势在必行。 将 E0 与 VC 为了确保 VC 保持在给定范围之内, 的差值 E0?VC 引入传统下垂控制中,以形成反馈控 制,具体结构如图 2 所示。由图 2 可见,当系统进 入稳态运行时,PI 调节器的输入为 0,可得: ni Qi = K e ( E0 ? VC ) (11) 式中:Ke 为 E0?VC 的反馈系数。

R feeder1 P 1 = R feeder 2 P 2

(10)

通过式(9)和式(10)可知,各 DG 单元的 传输阻抗(包括虚拟感抗和线路阻抗)失配,即传 输阻抗不能满足式(9)和式(10)的要求,将导 致各 DG 单元不能对无功负荷进行合理分配。线路 阻抗的大小取决于各 DG 单元的地理分布情况,也 就是各 DG 单元到 PCC 的距离。在这种情况下, 如 果按照式(9)和有功无功解耦的双重要求去选取 虚拟感抗,这样可能会导致 VC 不能满足负载的要 求。例如,DG1 单元的容量为 DG2 单元容量的 4

注: uoabc 和 ioabc 为 DG 单元中微网逆变器输出电压 (V) 和输出电流 (A) 的采样值;uref 为微网逆变器输出电压的给定值,V。 Note: uoabc and ioabc are respectively output voltage (V) and current (A) of microgrid inverter in DG unit; uref is reference value of output voltage of microgrid inverter, V.

Fig.2

图 2 改进型无功分配策略的控制结构图 Block diagram of improved reactive power sharing strategy

第4期



军等:孤岛型低压微网中改进型无功分配策略

147

由于各 DG 单元的 Ke 可以取相同值,而 VC 是 公共连接点电压幅值, 对于各 DG 单元也是相同的, 故 niQi 为常数。可见各 DG 单元只要选择合适的下 垂系数 ni,则可按各自容量的比例来对无功负荷进 行合理分配。正如第 1 节所分析的那样,对于低压 微网而言,只要通过引入虚拟感抗的方法使得有功 无功解耦,既使在传输阻抗失配的情况下,采用改 进型无功分配策略也可以实现无功的合理分配。另 外,通过式(11)可以看出,当各 DG 分配的无功 功率一定的情况下,如果选择一个较大的 Ke,可以 大大减小 E0 与 VC 的差值,使得由于无功负荷增大 和下垂控制而造成的 VC 降落问题大大减轻。 由图 2 可见,改进型无功分配策略需要采集并 使用 VC 参与控制。然而在实际中,由于 PCC 距离 各 DG 单元很远,这就需要通过通信的方式来获得 VC。加入通信手段,将严重降低下垂控制本地控制 的优势。如果用 DG 单元接入点电压来替代 VC,就 可以取消通信,但是这种替代必然对无功的合理分 配造成一定影响。下面通过量化的方式来分析这种 替代对无功合理分配带来的影响。由式(11)可知: K (12) ΔQi = ? e ΔVCOi n 式中: ΔVCOi 为 VC 与第 i 个 DG 单元接入点电压的 差值,V; ΔQi 为 ΔVCOi 所引起的无功偏差,Var。 为了方便分析, 定义 DG1、 DG2 接入点电压的 差值为 ΔVO = ΔVCO 2 ? ΔVCO1 。对于并联运行的 2 个
* * ,此处 Q1* 、 Q2 微网逆变器而言, Q1 + Q2 = Q1* + Q2

考虑到虚拟感抗的引入,原本因低压微网线路 不呈感性而带来的有功无功耦合问题得到解决,并 且线路电阻由于远小于虚拟感抗而被忽略。在线路 电阻被忽略的情况下,由图 1b 可知,第 i 个 DG 单 元输出的无功功率为:

Qi =

Ei2 ? EiVC cos(δ i ? δ C ) Xi

(15)

式中: δi 为第 i 个 DG 单元输出电压的相位, rad; δC 为公共连接点电压的相位,rad;Xi 为第 i 个 DG 单 元的传输阻抗, Ω 。 在有功无功解耦的情况下,根据式(14) 、 (15) 可得到相关的小信号扰动方程: K ΔEi = ( K P + I )[ K e (ΔE0 ? ΔVC ) ? ni ΔQi ] (16) s ΔQi = Fi ΔVC + H i ΔEi (17) 其中: Fi = ?
Hi =
o Eio cos(δ io ? δ C ) ; X1

o 2 Eio ? VCo cos(δ io ? δ C ) ; X1

o 式中: Eio 、 VCo 、 δ io 、 δ C 分别为 Ei 、 VC 、 δ i 、 δ C

的稳态运行点。 联立式(16)、(17),可得: H i Ke ( K P s + K I ) ΔQi = ΔE0 + (1 + H i ni K P ) s + H i ni K I

( Fi ? H i K e K P ) s ? H i K e K I ΔVC (1 + H i ni K P ) s + H i ni K I

(18)

为 DG1、 DG2 根据各自容量应该合理分配的无功负 荷。由于 ΔVO 导致的无功功率分配的相对偏差为:

通过式(18)可以发现,系统线性化后的传递 函数的特征值 λ 为 ? H i ni K I /(1 + H i ni K P ) 。ni 为下垂 系数,是正数, K P 、 K I 也可选为正数,另外通过
o ), 分析 H i 表达式可发现,只要 2 Eio > VCo cos(δ io ? δ C

eQ =

Q1 Q2 ΔQ1 ΔQ2 K e E0 ΔVO ? *= * ? * = Q1* Q2 Q1 Q2 ni Qi* E0

(13)

式中:eQ 为无功功率分配的相对偏差,%。 由式(13)可知,在实现改进型无功分配策略 时,如果各 DG 单元都采集公共连接点电压, ΔVO 为 0,无功分配偏差也为 0。如果 ni Q /( K e E0 ) 选择 为 5%,而 ΔVC / E0 为 0.25%,则无功分配的偏差仅 为 5%,在实际工程应用中是可以接受的。 2.2 改进型无功分配策略的稳定性分析 为了分析所提改进型无功分配策略的稳定性, 下面对其进行小信号分析。如图 2 所示,所提改进 型无功分配策略可用式(14)表示: Ei = K P [ K e ( E0 ? VC ) ? ni Qi ] + (14) K I ∫ [ K e ( E0 ? VC ) ? ni Qi ] dt 式中:KP 为图 2 中 PI 调节器的比例系数;KI 为图 2 中 PI 调节器的积分系数。
* i

则 H1 也为正数。 系统线性化后的传递函数的特征值

λ < 0 ,故所提新型无功分配策略在小信号条件下
是稳定的。

3

仿真分析

为了验证本文提出的改进型无功分配策略,在 Matlab/Simulink 环境下搭建如图 1a 所示的微网进 行系统仿真,各 DG 单元的功率控制如图 2 所示, 各 DG 单元的微网逆变器输出电压控制及实现虚拟 阻抗的结构图如图 3 所示。DG1 单元和 DG2 单元 的容量相同。仿真中第 3 秒前由 DG1 单元单独为 负荷提供有功功率无功功率, 从第 3 秒开始由 DG1 单元和 DG2 单元共同为负荷提供有功功率无功功 率。 为了体现所提策略在无功分配以及减小 PCC 电 压降落上的优势,将改进型无功分配策略与传统下

148

农业工程学报

2014 年

垂控制的无功分配策略进行对比分析。本文的重点 是就传统下垂控制中无功分配不合理及 PCC 电压 降落大的问题而提出的改进型无功分配策略,对于 微网逆变器的输出电压控制已有大量文献报道,在 此就不再赘述。由于虚拟感抗的引入在改进型无功 分配策略中发挥很大的作用,下面就对虚拟感抗的 引入作一说明[23]。

具体实现可见图 3。 3.2 仿真分析 由于 DG1 单元和 DG2 单元的容量相同,当两 者并联运行并处于稳态时各自对无功负荷的分配 量保持相等是最合理的。然而由图 4a 可以看出, 在采用如式(2)所示的传统下垂控制无功分配策

DG2 单元由于其传输阻抗较小而分配 略的情况下,
了更多的无功负荷。由图 4b 可以看出,当采用如 图 2 所示的改进型下垂控制无功分配策略时,DG1 单元和 DG2 单元并联运行达到稳态后,虽然两者 的传输阻抗并不相当,但这 2 个 DG 单元各自分配 的无功负荷是相等的。另外由图 4b 还可以看出, 改进型下垂控制无功分配策略可以满足 DG 单元组 建微网的要求。

注:Udc 为直流侧电压(V) ;Lf 为滤波电感(H) ;Cf 为滤波电容(F) ; Lfeeder 和 Rfeeder 分别为线路电感(H)和电阻(?) ;iαβ 为两相静止坐标系 ;ioαβ 下的滤波电感电流(A) ;uαβ 为两相静止坐标系下的输出电压(V) 为两相静止坐标系下的输出电流(A) ;uref 为输出电压的给定值(V) ; ioα 和 ioβ 为输出电流在 α 轴和 β 轴上的分量(A) ;uLVα 和 uLVβ 为虚拟电 感电压在 α 轴和 β 轴上的分量(V) ;ω 为角频率(rad/s);LV 为虚拟电感 值(H)。 Note: Udc is DC voltage(V); Lf is filter inductor(H); Cf is filter capacitor(F); Lfeeder 和 Rfeeder are respectively feeder inductor(H) and resistance(?); iαβ is filter inductor current in two-phase stationary frame(A); uαβ is output voltage in two-phase stationary frame(V); ioαβ is output current in two-phase stationary frame(A);uref is reference value of output voltage(V); ioα and ioβ are respectively output current on α axis and on β axis(A); uLVα and uLVβ are respectively virtual inductor voltage on α axis and on β axis(V); ω is angular frequency (rad/s); LV is virtual inductor value(H).

a. 传统无功分配策略 a. Traditional reactive power sharing strategy

图 3 微网逆变器输出电压控制及实现虚拟感抗的结构图 Fig.3 Block diagram of output voltage control of microgrid inverter and virtual reactance implementation

3.1

虚拟感抗的实现 首先用线电流的采样值来计算虚拟电感的电 压降,然后从功率环生成的电压给定中减去虚拟电 感的电压降来生成最终的逆变器输出电压给定。为 了得到虚拟电感的电压降,就需要对线电流作求导 运算,即 uVL = LV (dio dt ) ,其中 uVL 为虚拟电感的 电压降,V;LV 为虚拟电感值,H;io 为微网逆变器 输出的线电流,A。然而求导运算会使线电流中的 高频噪声放大,可能会导致微网逆变器控制系统出 现不稳定,尤其在暂态过程中。通常避免噪声放大 的方法就是加入高通滤波器,以使传递函数的高频 增益平坦。但这种方法要考虑到高频噪声衰减与基 波相位和幅值误差的折衷问题。本文对于虚拟电感 引入所采用的方法是通过坐标变换,将原本三相坐 标系的求导运算变成两相静止坐标下的乘积运算,

b. 改进型无功分配策略 b. Improved reactive power sharing strategy

Fig.4

传统与改进型无功分配策略时各 DG 无功分配情况的对比 Reactive power sharing comparison between traditional strategy and improved strategy

图4

由图 5 可以看出,在无功分配采用如图 2 所示 的改进型下垂控制无功分配策略,有功分配如式 (1)所示的传统下垂控制策略的情况下,DG1 单元 和 DG2 单元仍可以保证按照各自的容量合理分配 有功负荷,故改进型下垂控制无功分配策略对有功 负荷的分配没有造成不好的影响。 由图 6a 可以看出,在使用传统下垂控制无功 分配策略的情况下,当 DG1 单元单独为负荷供电 时,VC 为 127.5 V,而当 DG1 单元和 DG2 单元并

第4期



军等:孤岛型低压微网中改进型无功分配策略

149

联为负荷供电时,VC 为 141 V。而从图 6b 可以看 出,在使用改进型下垂控制无功分配策略的情况 VC 为 148.7 V, 下, 当 DG1 单元单独为负荷供电时, 而当 DG1 单元和 DG2 单元并联为负荷供电时,VC 为 152 V。而在仿真试验中,空载情况下 VC 被设定 通过对比图 6a 和 6b 可以看出, 改进型 为 155.5 V。 下垂控制无功分配分配策略在满足无功负荷合理 分配的前提下,大大降低了 VC 的降落。

图7

采用 DG 单元接入点电压实现改进型无功分配策略时 各 DG 单元的无功分配情况 Fig.7 Reactive power sharing among DGs when implementing improved strategy with access point voltage amplitude

4





图 5 改进型无功分配策略下各 DG 的有功分配情况 Fig.5 Active power sharing among DGs under improved strategy

a. 传统无功分配策略 a. Traditional reactive power sharing strategy

1)对基于下垂控制的孤岛型低压微网无功分 配机理进行了分析。由分析可知,导致无功分配不 合理的根本原因为传输阻抗的失配。 2)提出一种既可以保证无功功率的合理分配 又能大大降低 PCC 电压幅值 VC 降落的无功分配方 案。通过对所提策略的小信号稳定性分析,明确所 提策略的稳定条件。 3)为了保持下垂控制的无通信优势,用 DG 单元接入点电压来代替 PCC 电压。 对这个替代所造 成的无功分配相对偏差进行量化分析后发现,只要 满足一定的条件,这个偏差可以限制在实际工程应 用中能够接受的范围内。 4)当空载输出电压幅值设定为 155.5 V,2 个 DG 单元共同承担负载的条件下,采用传统无功分 配策略时 PCC 电压幅值为 141 V,而采用改进型无 功分配策略时 PCC 电压幅值为 152 V。
[参 考 文 献] 寇建平,赵立欣,郝先荣,等. 我国 2007 年农村可再生 能源发展现状与趋势[J]. 可再生能源,2008(3):5-10. Kou Jianping, Zhao Lixin, Hao Xianrong, et al. Development status and trend of rual renewable energy in China[J].Renewable Energy Resources, 2008(3): 5-10. (in Chinese with English abstract) 田宜水,赵立欣,孟海波,等. 中国农村生物质能利 用技术和经济评价[J]. 农业工程学报,2011,27(增刊 1):1-5. Tian Yishui, Zhao Lixin, Meng Haibo, et al. Technicaleconomic assessment on rural bio-energy utilization technologies in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(Supp.1): 1 - 5. (in Chinese with English abstract) 李伟,李世超,王丹. 太阳能光伏发电风险评价[J]. 农 业工程学报,2011,27(增刊 1):176-180. Li Wei, Li Shichao, Wang Dan. Risk evaluation of the solar photovoltaic energy project[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(Supp.1): 176-180. (in Chinese with English abstract)

[1]

b. 改进型无功分配策略 b. Improved reactive power sharing strategy

[2]

Fig.6

图 6 传统与改进型无功分配策略时 VC 对比 Comparison about VC between traditional strategy and improved strategy

由图 7 可以看出,当采用 DG 单元接入点电压 幅值替代 VC 来实现改进型下垂控制无功分配策略 时,DG1 单元和 DG2 单元之间无功分配虽然有偏 差但是非常小。在实际使用中,如果按照式(13) 去合理选择相关参数,可使两者无功功率分配的相 对偏差控制在 5%之内,完全可以满足工程要求。

[3]

150 [4]

农业工程学报

2014 年 2010,38(19):235-239. Su Ling, Zhang Jianhua, Wang Li, et al. Study on some key problems and technique related to microgrid[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(19): 235- 239. (in Chinese with English abstract) 冯锋,林新春,段善旭,等. 一种 UPS 并联的均流控 制策略[J]. 通信电源技术,2003(12):1-4. Feng Feng, Lin Xinchun, Dun Shanxu, et al. A currentsharing control strategy f or UPS parallel operation[J]. Telecom Power Technologies, 2003(12): 1- 4. (in Chines with English abstract) 纪明伟,张兴,杨淑英. 基于电压源逆变器的微电网 控制策略[J]. 合肥工业大学学报:自然科学版,2009, 32(11):1678-1682. Ji Mingwei, Zhang Xing, Yang Shuying. Study on the control strategies of voltage source inverter in micro-grid[J]. Jouranal of Hefei University of Technology, 2009, 32(11): 1678-1682. (in Chinese with English abstract) 林新春,段善旭,康勇,等. UPS 无互联线并联中基 于解耦控制的下垂特性控制方案[J]. 中国电机工程学 报,2003,23(12):117-122. Lin Xinchun, Duan Shanxu, Kang Yong, et al. Modeling and stability analysis for parallel operation of UPS with no control interconnection basing on droop characteristic[J]. Proceedings of the CSEE, 2003, 23(12): 117-122. (in Chinese with English abstract) 郑宏,史玉立,孙玉坤,等. 微电网并网逆变器下垂 控制策略的改进[J]. 农业工程学报,2012,28(6):191 -196. Zheng Hong, Shi Yuli, Sun Yukun, et al. Improvement of droop control strategy for grid-connected inverters in microgrids[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(6): 191 - 196. (in Chinese with English abstract) De Brabandere K, Bolsens B, Van Den Keybus J, et al. A voltage and frequency droop control method for parallel inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(4): 1107-1115. Guerrero J M, Garcia De Vicuna L, Matas J, et al. Output impedance design of parallel-connected ups inverters with wireless load-sharing control[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005, 52(4): 1126-1135. Tuladhar A, Hua J, Unger T, et al. Control of parallel inverters in distributed AC power systems with consideration of line impedance effect[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2000, 36(1): 131-138. Li Yunwei, Kao Chingnan. An accurate power control strategy for power-electronics-interfaced distributed generation units operating in a low-voltage multibus microgrid[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24(12): 2977-2988. Sao C K, Lehn P W. Autonomous load sharing of voltage source converters[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2005, 20(2): 1009-1016. He Jinwei, Li Yunwei. Analysis, design, and implementation of virtual impedance for power electronics interfaced distributed generation[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, 47(6): 2525- 2538. 阚加荣,谢少军,吴云亚. 无互联线并联逆变器的功 率解耦控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2008, 28(21): 40-45.

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

张仁贡. 农村水能与太阳能混合发电系统的设计与应 用[J]. 农业工程学报,2012,28(14):190-195. Zhang Rengong. Design and application of rural hydrosolar hybrid power system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(14): 190 - 195. (in Chinese with English abstract) 彭军,李丹,王清成,等. 户用型可再生能源发电系 统在苏尼特右旗应用的调查分析[J]. 农业工程学报, 2008,24(9):193-198. Peng Jun, Li Dan, Wang Qingcheng, et al. Investigation and analysis of the application of household renewable energy generating systems in Sonid right banner[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(9): 193-198. (in Chinese with English abstract) 李德孚. 户用“风-光”互补发电系统技术与应用[J]. 农 业工程学报,2006,22(增 1):162-166. Li Defu. Technology and application of household “wind-solar” complementary power system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(Supp 1): 162-166. (in Chinese with English abstract) 陈松利,田德,辛海升,等. 200 W 浓缩风能型风力发 电机的应用及运行效果 [J]. 农业工程学报, 2012 , 28(8):225-229. Chen Songli, Tian De, Xin Haisheng, et al. Application and operation effect of 200 W concentrated wind energy generator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(8): 225 - 229. (in Chinese with English abstract) 张帆,蔡壮,杨明皓. 基于随机机会约束规划的农村 风/水/光发电容量配置[J]. 农业工程学报, 2010, 26(3): 267-271. Zhang Fan, Cai Zhuang, Yang Minghao. Capacity allocation of rural hybrid generating system based on stochastic chance constrained programming[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(3): 267-271. (in Chinese with English abstract) 郑漳华,艾芊. 微电网的研究现状及在我国的应用前 景电网技术[J]. 电网技术,2008,32(16):27-31. Zheng Zhanghua, Ai Qian. Present situation of research on microgrid and its application prospects in China[J]. Power System Technology, 2008, 32(16): 27-31. (in Chinese with English abstract) 鲁宗相,王彩霞,闵勇,等. 微电网研究综述[J]. 电力 系统自动化,2007,31(19):100-107. Lu Zongxiang, Wang Caixia, Min Yong, et al. Microgrid research[J]. Automation of Electric Power Systems, 2007, 31(19): 100-107. (in Chinese with English abstract) 盛鹍, 孔力, 齐智平, 等. 新型电网-微电网 (Microgrid) 研究综述[J]. 继电器,2007,35(12):75-81. Sheng Kun, Kong Li, Qi Zhiping, et al. A survey on research of microgrid-a new power system[J]. Relay, 2007, 35(12): 75-81. (in Chinese with English abstract) Lasseter R, Akhil A, Mamay C, et al. White paper on integration of distributed energy resources-The CERTS MicroGrid concept, LBNL-50829[R]. Office of Power Technologies, the US Department of Energy, Contract DE-AC03-76SFW098, 2002. 苏玲,张建华,王利,等. 微电网相关问题及技术研 究·电力系统保护与控制[J]. 电力系统保护与控制,

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22] [23]

[24]

第4期



军等:孤岛型低压微网中改进型无功分配策略

151

Kan Jiarong, Xie Shaojun, Wu Yunya.Research on decoupling droop characteristic for parallel inverters without control interconnection[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(21): 40-45. (in Chinese with English abstract) [25] 牟晓春,毕大强,任先文. 低压微网综合控制策略设 计[J]. 电力系统自动化,2010,34(19):91-96. Mou Chunxiao, Bi Daqiang, Ren Xianwen. Low microgrid integrated control strategy design[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(19): 91 -96. (in Chinese with English abstract) [26] 林新春,段善旭,康勇,等. 基于下垂特性控制的无 互联线并联 UPS 建模与稳定性分析[J]. 中国电机工程 学报,2004,24(2):33-38. Lin Xinchun, Duan Shanxu, Kang Yong, et.al. Modeling and stability analysis for parallel operation of UPS with

[27] [28]

[29] [30]

no control interconnection basing on droop characteristic[J]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(2): 33 - 38. (in Chinese with English abstract) 雷彪. 单相逆变器无连线并联技术研究[M]. 杭州:浙 江大学,2006. Guerrero J M, Garcia de Vicuna L, Miret J, et al. A Wireless Load Sharing Controller to Improve Dynamic Performance of Parallel-Connected UPS Inverters[C]// IEEE PESC, Mexico, 2003: 1408-1413. Engler A, Soultanis N. Droop control in LV-Grids [C]//International Conference on Future Power Systems, , Vaasa, Finland, 2005: 6. Laaksonen H, Saari P, Komulainen R. Voltage and frequency control of inverter based weak LV network micro-grid[C]//International Conference on Future Power Systems, Vaasa, Finland, 2005: 6.

Improved reactive power sharing strategy in islanded low-voltage microgrid
Gu Jun1,2, Zhang Xing1※, Zhu Yunguo1, Liu Fang1, Xu Haizhen1, Shi Rongliang1
(1. School of Electrical Engineering and Automation, Hefei Univetstity of Technology, Hefei 230009, China; 2. College of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Abstract: Nowadays, more and more DG (distributed generation) and renewable energy sources, e.g. solar, wind, are promoted in vast rural areas. Several DG units can form an islanded microgrid together with storage units and common loads, which can achieve optimal management of electric energy and then better solve the power shortage problem in remote rural areas without electricity. The droop control is always used to realize power sharing in islanded microgrid because of no external communication and high reliability. Though the traditional frequency/voltage droop control technique shares common active loads, its reactive power sharing strategy is plant parameter dependent and does not realize reasonable reactive power sharing. Additionally, PCC (point of common coupling) voltage amplitude drop is serious because of reactive load increasing and inherent characteristics of the traditional droop control. In order to solve the problem of unreasonable reactive power sharing of islanded low-voltage microgrid and serious PCC voltage amplitude drop, a detailed analysis of reactive power sharing mechanism of the traditional droop control is carried out. By the analysis, the inherent limitation of the traditional droop control strategy is revealed and it is proved that the fundamental reason of unreasonable reactive power sharing is a transfer impendence mismatch. Based on the analysis, an improved reactive power sharing strategy is proposed for the microgrid working in islanded mode. Firstly, the proposed reactive power sharing strategy uses a control loop to introduce a virtual inductance at the output end of the DG unit in order to make a transfer impendence of low-voltage microgrid become inductive, which has only the active power and the reactive power decoupled and then meets the condition of realizing the proposed reactive power sharing strategy. Next the difference between the DG unit voltage amplitude at no load and PCC voltage amplitude is fed back to the traditional droop control in a certain way. The proposed reactive power sharing strategy can not only achieve reasonable reactive power sharing under the condition of transfer impendence mismatch, but also greatly improve serious PCC voltage amplitude drop which is caused by increasing reactive loads and the inherent characteristics of the traditional droop control. Through the small signal stability analysis of the proposed strategy, the stability conditions are revealed that are easy to meet in practice. Because the distance from the DG unit to the PCC is far, the acquisition of PCC voltage amplitude need communication, which undermines the advantage of local control of the traditional droop control. In order to keep the advantage of local control, the PCC voltage amplitude is replaced by the access point voltage amplitude of the DG unit, which leads to a reactive power sharing error. Quantitative analysis of the error in reactive power sharing has been carried out thoroughly. By the analysis, it is found that the error is acceptable in the project as long as certain conditions are satisfied. A simulation platform is made up of two parallel connected inverters and a common load. Various simulation results show that the proposed reactive power sharing strategy is very effective and does not interfere with active power sharing. Key words: distributed power generation; voltage control; reactive power; droop control; islanded low-voltage microgrid (责任编辑:信世强)

孤岛型低压微网中改进型无功分配策略
作者: 作者单位: 顾军, 张兴, 朱云国, 刘芳, 徐海珍, 石荣亮, Gu Jun, Zhang Xing, Zhu Yunguo, Liu Fang, Xu Haizhen, Shi Rongliang 顾军,Gu Jun(合肥工业大学电气与自动化工程学院,合肥 230009; 安徽理工大学电气与信息工程学院,淮南 232001), 张兴,朱云国,刘芳,徐海珍,石荣亮,Zhang Xing,Zhu Yunguo,Liu Fang,Xu Haizhen,Shi Rongliang(合肥工业大学电气与自动化工程学院,合肥,230009) 农业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2014(4)

刊名: 英文刊名: 年,卷(期):

参考文献(30条) 1.寇建平;赵立欣;郝先荣 我国2007年农村可再生能源发展现状与趋势[期刊论文]-{H}可再生能源 2008(03) 2.田宜水;赵立欣;孟海波 中国农村生物质能利用技术和经济评价 2011(增刊1) 3.李伟;李世超;王丹 太阳能光伏发电风险评价 2011(增刊1) 4.张仁贡 农村水能与太阳能混合发电系统的设计与应用[期刊论文]-{H}农业工程学报 2012(14) 5.彭军;李丹;王清成 户用型可再生能源发电系统在苏尼特右旗应用的调查分析[期刊论文]-{H}农业工程学报 2008(09) 6.李德孚 户用"风-光”互补发电系统技术与应用 2006(增1) 7.陈松利;田德;辛海升 200 W 浓缩风能型风力发电机的应用及运行效果 2012(08) 8.张帆;蔡壮;杨明皓 基于随机机会约束规划的农村风/水/光发电容量配置[期刊论文]-{H}农业工程学报 2010(03) 9.郑漳华;艾芊 微电网的研究现状及在我国的应用前景电网技术 2008(16) 10.鲁宗相;王彩霞;闵勇 微电网研究综述[期刊论文]-{H}电力系统自动化 2007(19) 11.盛鹍;孔力;齐智平 新型电网-微电网(Microgrid)研究综述[期刊论文]-{H}继电器 2007(12) 12.Lasseter R;Akhil A;Mamay C White paper on integration of distributed energy resources-The CERTS MicroGrid concept,LBNL-50829 2002 13.苏玲;张建华;王利 微电网相关问题及技术研究@电力系统保护与控制 2010(19) 14.冯锋;林新春;段善旭 一种UPS并联的均流控制策略 2003(12) 15.纪明伟;张兴;杨淑英 基于电压源逆变器的微电网控制策略[期刊论文]-合肥工业大学学报(自然科学版) 2009(11) 16.林新春;段善旭;康勇 UPS 无互联线并联中基于解耦控制的下垂特性控制方案 2003(12) 17.郑宏;史玉立;孙玉坤 微电网并网逆变器下垂控制策略的改进[期刊论文]-{H}农业工程学报 2012(06) 18.De Brabandere K;Bolsens B;Van Den Keybus J A voltage and frequency droop control method for parallel inverters[外文 期刊] 2007(04) 19.Guerrero J M;Garcia De Vicuna L;Matas J Output impedance design of parallel-connected ups inverters with wireless load-sharing control[外文期刊] 2005(04) 20.Tuladhar A;Hua J;Unger T Control of parallel inverters in distributed AC power systems with consideration of line impedance effect[外文期刊] 2000(01) 21.Li Yunwei;Kao Chingnan An accurate power control strategy for power-electronics-interfaced distributed generation units operating in a low-voltage multibus microgrid 2009(12) 22.Sao C K;Lehn P W Autonomous load sharing of voltage source converters[外文期刊] 2005(02) 23.He Jinwei;Li Yunwei Analysis,design,and implementation of virtual impedance for power electronics interfaced distributed generation 2011(06) 24.阚加荣;谢少军;吴云亚 无互联线并联逆变器的功率解耦控制策略[期刊论文]-{H}中国电机工程学报 2008(21) 25.牟晓春;毕大强;任先文 低压微网综合控制策略设计[期刊论文]-{H}电力系统自动化 2010(19) 26.林新春;段善旭;康勇 基于下垂特性控制的无互联线并联UPS建模与稳定性分析[期刊论文]-{H}中国电机工程学报 2004(02) 27.雷彪 单相逆变器无连线并联技术研究[学位论文] 2006 28.Guerrero J M;Garcia de Vicuna L;Miret J A Wireless Load Sharing Controller to Improve Dynamic Performance of Parallel-Connected UPS Inverters 2003 29.Engler A;Soultanis N Droop control in LV-Grids 2005

30.Laaksonen H;Saari P;Komulainen R Voltage and frequency control of inverter based weak LV network micro-grid 2005

本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_nygcxb201404018.aspx


相关文章:
贞丰县代理发表职称论文发表-电网无功功率自动补偿控制...
更多论文选题,论文发表题目可登陆“云发表”网站自主...孤岛型微电网中逆变器并联运行控制策略 28……热...一种改进的分布式电源无功功率精确分配下垂控制策略 ...
...电网基建工程质量管理控制策略论文选题题目
一种适用于直流微电网的改进型电流负荷分配控制策略 34……基于模型预测控制的配电网无功优化控制策略 35……孤岛型微电网中逆变器并联运行控制策略 36……电网工程...
永丰县职称论文发表-电网废旧物资处置策略论文选题题目
低压微电网孤岛模式下改进下垂控制策略 27……复杂...大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制策略 42……...配电网邻域速动型分布式馈线自动化策略及仿真分析 51...
南昌县职称论文发表网-电网无功功率自动补偿控制装置论...
微网中蓄电池储能系统的控制策略研究 18……基于线路观测器的孤岛运行微电网改进...双馈风电系统低电压故障下无功控制方法研究 47……并网型光伏电站无功电压控制 ...
甘井子区职称论文发表网-微电网运行目标控制策略论文选...
孤岛型微电网中逆变器并联运行控制策略 1/6 云发表,专业论文发表网站!http://...一种适用于直流微电网的改进型电流负荷分配控制策略 14……自治直流微电网分层...
凤凰县职称论文发表网-10kv以下配网无功电压优化及控制...
孤岛微电网的电压不平衡二次控制策略 27……一种新型低压微网逆变器并联策略...改进小生境差分进化算法在配网无功优化中的应用 48……主动配电网中联络变压器...
建水县代理发表职称论文发表-新能源微电网能量管理电能...
MSVC-L 型动态无功补偿装置在西部铜业提升系统的应用...高渗透率微网多功能电能质量控制器 63……孤岛微...一种应用于直流微电网的改进型下垂控制策略 65……...
天等县代理发表职称论文发表-电力自动化电力系统改进措...
改进和声算法在均压环三维电场优化中的应用 16……...改善连锁脱网的风电场群电压无功紧急控制策略 21…...基于负荷分类调度的孤岛型微网能量管理方法 93……...
乌伊岭区职称论文发表网-电力工程输配电用电工程自动化...
基于招投标策略的地区电网无功优化控制 18……智能用...改进 Verhulst 模型在饱和负荷预测中的应用 40……...基于负荷分类调度的孤岛型微网能量管理方法 45……...
昂昂溪区代理发表职称论文发表-输配电用电工程自动化论...
大型光伏电站无功电压控制策略 4……计及风速与负荷...基于负荷分类调度的孤岛型微网能量管理方法 34……...改进型 Z 源逆变器 100……基于输电网扩展规划的 ...
更多相关标签:
低压无功补偿 | 低压无功补偿装置 | 低压无功补偿柜接线图 | 低压无功补偿控制器 | 低压无功补偿柜 | 低压无功功率补偿装置 | 低压无功补偿原理 | 低压无功补偿模块 |