雒志秀，李旭锋

（1.吕梁学院物理系，山西吕梁033000；2.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳110870）

分布式电源（DG）包括太阳能、风能等，不断受到国内外学者广泛关注，具有区域性、灵活性和波动性的特点。分布式电源主要有电压型和电流型电源两种运行方式，电压型电源侧重于对系统稳定性的支撑，主要应用于孤岛及其并网切换过程中较多。电流型电源主要应用于最大功率并网，不考虑电网功率平衡问题。分布式电源故障穿越热点主要包括高压穿越、低压穿越和频率穿越，电压故障穿越问题研究较多，而关于系统频率变化下控制研究内容较少［1-3］。孤岛电网负荷变化会引起系统频率变化，如果频率超出安全范围会导致大停电事故。针对负荷引起的这种频率波动，设计分布式电源孤岛电网运行方案，从孤岛系统稳定角度，要求分布式电源根据频率变化及时合理响应。因此，在孤岛系统负荷变化引起频率偏离时分布式电源按照同步发电机模式运行，及时改变出力，将具有非常重大的意义［4-6］。

同步发电机由于频率、电压稳定，并对电力系统有功无功起到支撑作用，倍受电力系统调度青睐。文献［7］提出了一种基于同步发电机的新型微电网逆变电源，实现了缓解系统频率波动和实现频率无差控制。但只分析了网侧逆变控制策略，没有具体分析分布式电源发电侧运行情况。文献［8］研究了基于虚拟同步发电机的并网有功、无功调节方案，侧重于分析微电网并网、孤岛切换研究，没有考虑孤岛模式下微电网频率波动的情况。目前微电网的实际运行都依靠大量储能装置，当储能装置超出调节范围时，需要分布式电源本身进行迅速调节。本文通过对分布式电源变换器的改进，储能装置不参与调节，孤岛电网负荷变化时保证系统能够继续运行。

1 分布式电源传统控制策略

为实现分布式能源最大利用，一般在风能和光伏的发电侧都采用基于最大功率跟踪（MPPT）控制策略。传统控制策略在发电侧不参与调节直流母线电压稳定，国内外已有较多文献对其进行了深入研究［9-10］，本文不再赘述。分布式能源的网侧变换器主要控制目标为稳定直流电容电压和调整功率因数，实现接入电力系统。

在同步旋转dq 坐标系下对网侧变换器采用电网电压定向矢量控制，并将电网电压定向于d轴，网侧变换器电压解耦方程为［11-12］

网侧变换器采用双闭环控制，内环为电流环，外环控制目标为直流母线电压和无功功率。整体控制策略如图1所示。

图1 变流器网侧PQ控制策略Fig.1 Grid-side PQ control strategy of converter

2 分布式电源改进控制策略

2.1 微电网频率变化下功率响应

微电网负荷与电源出力不平衡时，会导致系统频率发生波动。对于分布式电源，及时正确出力才能够有助于系统频率调节，而出力变化时，使最大功率控制的发电侧功率与逆变器输出功率不一致必定导致直流母线电压变化。分布式电源逆变输出的有功无功分别为［13］

式中：E，U分别为逆变器输出端电压和孤岛电网电压幅值；R，X 分别为输电线路电阻与电抗值；δ为二者之间的角度差。

对于系统输电线路中由于X≫R，进一步假定sin δ=δ，cos δ=1，得出输出功率与E-U和δ成比例，即可通过如图2的下垂曲线控制输出功率，下垂控制方程为

式中：Pi，Qi为每个DG 系统发出的有功、无功（i=1，2，3，…，n）；为电力调度对DG 的要求；为下垂曲线斜率。

图2 分布式电源的下垂曲线Fig.2 Droop curves of distributed generators

根据下垂曲线可知，频率发生波动时会对输电线路压降产生变化，影响微电网PCC点电压波动。如果微电网无功调节不及时，导致电压偏差较大，故需考虑无功功率调节。

根据上述分析，在接入点频率发生变化时，需要有功功率做出迅速合理响应，依靠传统的PQ控制策略无法做到。下垂主要应用在微电网对等控制中，实现多DG出力的协调控制，响应速度快，但下垂控制是一种有差调节，微电网输出频率和电压幅值不能保持恒定。依据传统V/f 控制策略是由下垂控制发展而来，不能保证分布式电源的有功输出，故提出一种新型网侧变换器改进控制策略。利用网侧逆变器改变出力及时响应电网需求，考虑分布式电源直流母线电压存在波动，需对发电侧控制策略进行改进。

2.2 发电侧改进控制策略

2.2.1 光伏发电侧改进控制策略

光伏发电侧采用MPPT 控制模式，由网侧逆变器实现并网。由于电网频率变化下分布式电源存在直流母线电压波动，因此在MPPT 控制模式下设计直流母线电压抑制算法，当分布式电源正常运行，直流母线电压无波动时，该扰动项为零，不影响原有控制算法。具体控制策略如图3所示。

图3 光伏发电系统改进整流控制策略Fig.3 Improved rectifier control strategy of photovoltaic power generation

图3 中，采用Boost电路对光伏电池进行升压，C1为光伏稳定电容，C2为直流母线电容。光伏发电系统采集光伏输出电压upv和ipv经过MPPT计算后得出光伏电压给定值，并增加后级直流母线电压扰动项为反馈增益系数u1,dc分别为直流母线电压参考值和给定值。

2.2.2 风机发电侧改进控制策略

针对永磁同步发电机组进行分析，发电机定子磁链追Ψs恒定不变，在同步旋转dq坐标系下对机侧变换器采用转子磁场定向矢量控制，并将电网电压定向于d轴。通过d轴电流控制磁场，q轴电流控制转矩。考虑在电网频率变化时直流母线电压波动，对机侧变换器设计了基于q 轴直流母线电压抑制算法。具体控制策略如图4所示。

图4 风机改进整流控制策略Fig.4 Improved rectifier control strategy of wind power

2.3 网侧改进控制策略

微电网频率变化时，将微电网内部DG 等效为虚拟同步发电机，实现对频率恢复起到支撑作用。虚拟同步发电机磁场能量EM为

式中：is，if分别为虚拟同步发电机定子电流与励磁电流；Ψs，Ψf分别为定子磁链与转子磁链；Ls，LM分别为自感和互感系数；θ 为转子角位置。

虚拟同步发电机机械方程为

式中：J 为转动惯量；Tm为机械转矩；Dp为阻尼系数。

同步发电机反电动势e为

转子磁场恒定时，可假定转子磁场由电流源if提供。则虚拟同步发电机反电动势为

微电网频率过低时，通过调节励磁电流迅速减小电磁转矩，实现调频。微电网频率过高时，导致线路压降增大，无功消耗增多，通过补偿励磁电流调节电压稳定。励磁电流补偿量Δif为

式中：kp,U，ki,U分别为电网电压比例积分系数。

加入转子磁场励磁电流补偿量，实现频率变化下出力及时响应，保证电压幅值稳定。考虑逆变器频率与微电网一致，二者相位不一定一致，而相位一致时频率一定一致，故采用控制相位方法实现频率变化下准确迅速响应。整体控制策略如图5所示。

图5 改进网侧逆变器控制策略Fig.5 Improved control strategy of grid-side converter

3 仿真分析

DG 接入10 kV 微电网，整体结构如图6 所示。风力发电系统容量为100 kW，采用永磁直驱发电机组。太阳能电池选用1 000块200 W光伏组件，总峰值为200 kW，系统负荷功率可调。在PSCAD/EMTDC 中搭建模型，并进行仿真分析。

图6 分布式电源模型Fig.6 Model of distributed generators

依据对分布式电源接入电力系统频率变化下的要求，仿真开始时令分布式电源都处于各自满发状态，电网稳定。在0.2 s 时，令电力系统负荷增加，使系统频率瞬间跌落至48 Hz。当系统逐渐稳定后，在0.6 s 时，令电力系统负荷突然减小，使系统频率瞬间上升至50.5 Hz。分析仿真过程中分布式电源有功、无功出力及直流母线电压动态响应情况，如图7～图9 所示，仿真过程为1 s。

图7 分布式电源有功出力Fig.7 Real power of distributed power

图8 分布式电源无功出力Fig.8 Reactive power of distributed power

图9 分布式电源直流母线电压Fig.9 DC bus voltage of distributed power

图7 中，光伏与风机初始有功出力分别为200 kW与100 kW满发状态。当0.2 s时，由于电力系统负荷突然增加，分布式电源协调电力系统1次调频，分布式电源出力瞬间增大。此时分布式电源直流母线电容略有降低，向电网补充功率，并且向电网吸收少量无功，如图8和图9所示。之后由于系统2次调频，系统频率逐渐稳定。当0.6 s时，系统负荷突然减小，分布式电源协调电力系统1次调频，分布式电源出力瞬间减小。此时分布式电源直流母线电容有较少幅度升高，减少向电网输出功率，并且向电网发出少量无功。之后由于系统2次调频，系统频率逐渐稳定。图10为分布式电源并网点的正常相位和故障相位，0.2 s 时相位偏差逐渐增大，在0.8 s后相位偏差消失。

图10 分布式电源相位Fig.10 Phase of distributed power

4 结论

1）通过在分布式电源发电侧设计了抑制直流母线电压控制算法，在逆变器输出功率变化时稳定了直流母线电压。

2）提出了分布式电源网侧逆变器虚拟同步发电机控制策略，在电力系统频率波动时功率响应快，能够对频率变化起到抑制作用。同时利用补偿虚拟同步发电机励磁电流的方法保证了无功和电压的稳定。

3）通过仿真分析验证了所提机侧与网侧改进控制策略的有效性，实现了频率变化下分布式电源的及时响应。

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