龙　军，罗　群，覃　龙

(1.广西大学电气工程学院， 广西南宁530004；2.广西大学先进测控与智能电力研究中心， 广西南宁530004)



低压微网孤岛模式下改进的下垂控制策略

龙军1，2，罗群1，2，覃龙1，2

(1.广西大学电气工程学院， 广西南宁530004；2.广西大学先进测控与智能电力研究中心， 广西南宁530004)

摘要：针对多台分布式电源并联孤岛运行时，使用传统的下垂控制策略存在功率振荡以及受负荷波动影响较大等问题，提出了一种基于简化情感智能控制器的低压微网P-V下垂控制策略，功率控制中引入自调节下垂系数环节，电压外环控制中引入具有参数自学习能力的简化情感控制器。结果表明，与传统下垂控制方式相比，基于简化情感智能控制器的低压微网P-V下垂控制策略可以更好地实现系统功率的准确均分，抑制功率振荡和减少负荷变化带来的电压波动，提高系统的动稳态性能。

关键词：微网；下垂控制；孤岛模式；功率均分；情感控制器

在日益严重的能源紧缺与环境危机的双重压力下，新能源技术已成为全球各国的研究热点。传统的主从控制需要强通信，不适用于逆变器并联运行的独立系统，而微电网下垂控制使用弱通信，能够实现多分布式电源的功率分配和“即插即用”功能，其冗余性和可靠性较高[1]，因而成为微网研究的重点。

下垂控制方法是在线路阻抗呈感性的前提下，借鉴发电机的下垂特性控制逆变器的输出功率和电压[2-3]。传统的下垂控制策略会因负荷的大幅度变化导致电压和频率的偏移。文献[4]采用PR控制器实现了静止α/β坐标系下的无静差跟踪，且抑制了电网电压特定次谐波影响，但PR控制器的阶数高，增加系统设计的复杂度。文献[5]提出一种基于自抗扰技术的微电网下垂控制策略，具有较强的抗干扰能力，但电压幅值波动较大。文献[6]提出一种改进的下垂控制策略，在电压外环控制环节引入辅助控制信号，提高了系统的动态性能。文献[7]分析单电压环控制和双闭环控制的优缺点，针对运行场合的不同来选择控制策略。文献[8]对比两种重复控制与PI控制相结合的复合控制方法的优缺点，提出引入重复控制的复合控制策略。文献[9]提出了一种动态调节下垂系数的改进下垂控制策略，实现了运行模式的平滑过渡和恒功率输出。

20世纪末，情感被证实在人类的认知过程中有着重要的促进作用。Lucas在2004年设计出了基于BEL的智能控制器，称为基于大脑情感学习的智能控制器(BEL-Based Intelligent Controller，BELBIC)[10]。随着微处理器运行速度的不断提高，BELBIC的实时性问题得到有效解决[11]，并在各种工业领域得到了广泛应用[12-13]，但情感控制器不足之处在于参数过多且难于整定，而简化情感控制器在保留参数自学习能力的基础上简化了BEL模型，克服了多参数和难整定的缺点。

本文针对传统下垂控制策略功率振荡以及受负荷波动影响较大等问题，进行了微电网下垂系统建模，将简化情感控制器应用于其中，使系统具有参数自学习能力。仿真结果表明所设计的改进下垂控制策略能抑制功率振荡和减少负荷变化带来的电压波动，提高了系统的动稳态性能。

1简化情感控制器

1.1情感控制器

图1　情感控制器的模型Fig.1　Structure of BELBIC

情感控制器的结构如图1所示，它包括杏仁体、眶额皮质、丘脑以及感官皮质[14]。杏仁体发挥主要控制作用，它与眶额皮质、丘脑以及感官皮质在处理情绪的过程中保持协调一致。眶额皮质协助杏仁体的学习过程，避免出现过学习和欠学习。

在情感控制器模型中，丘脑接收感官输入信号的最大值，并将其传输至杏仁体。杏仁体和眶额皮质的输出分别为：

Ath=VthSImax,

(1)

Aj=SIjVj,

(2)

Oj=SIjWj,

(3)其中，SImax为所有感官输入信号中的最大值，Ath为杏仁体接受的丘脑刺激信号，SIj是第j个感官输入信号，Aj和Oj分别为第j个刺激信号的杏仁体和眶额皮质的输出值，Vth、Vj和Wj为相应节点的权值。

情感控制器模型输出为：

(4)

情感学习过程是通过动态调节权值来实现，将情感控制器应用到下垂系统的双环控制的电压环中，杏仁体权值调节率为：

(5)

其中，i=1，2，3，αd和αq为杏仁体学习率。

眶额皮质权值调节率为：

(6)

其中，j=1，2，3，βd和βq为眶额皮质学习率。

下垂系统的情感控制器的输出为：

(7)

式中，sd1，sd2，sq1和sq2为可调参数；υd1，υd2，υdm，υq1，υq2，υqm为杏仁体权值；ωd1，ωd2，ωq1，ωq1为眶额皮质权值；ed，eq为d轴和q轴的电压误差。

图2　简化情感控制器的结构Fig.2　Structure of simplified emotional intelligent controller

1.2简化情感控制器

情感控制器的比例、积分参数会同时影响杏仁体和眶额皮质的权值。简化情感控制器是在情感控制器模型的基础上去除眶额皮质，并隐藏奖励信号，达到了简化结构和减少参数的目的。简化情感控制器的结构如图2所示[15]。

本文通过去除奖励信号REWd和REWq的方式，达到了减少情感控制器参数的目的。因系统中各层的输出都具有PI结构，故情感控制器中存在使下面等式成立的相应参数：

(8)

将上式代入式(5)中，杏仁体权值调节率为：

(9)

其中，i=1，2。

(10)

由上式可看出，简化情感控制器具有PI结构，因保留了杏仁体，参数具有自校正能力。sd1vd1、sq1vq1相当于PI控制器的比例参数，sd2vd2、sq2vq2相当于积分参数。

在一定范围内，sd1、sq1越小，其静差相对较小，调整时间较长，sd1、sq1越大，其静差相对较大，系统振荡加剧，相对调整时间缩短；sd2、sq2越小，其静差越大，调整时间较短，而sd2、sq2越大，则静差越小，但是调整时间变大。比例和积分参数的调整方向和步长取决于双环控制中电压误差的大小，学习率为参数调整的步长，α过小，系统达到稳定的时间变慢；α过大，比例、积分系数变化过快，易造成系统振荡。当下垂控制系统到达稳态或者过跟踪后，调节器参数将不再变化，而是依靠PI控制器进行系统调节。

2改进的微网下垂控制策略

在低压微电网中，线路阻抗呈阻性，系统常采用P-V下垂控制。另外，不一致的传输线路阻抗和本地负荷会影响功率均分的精确性。通常情况下，采用虚拟阻抗方法[16]或调节下垂系数方法[17]解决该问题。

根据传输线呈阻性推导出来的P-V下垂控制方程为：

fref=f0-kQ(Qav-Q0),

(11)

uref=U0-[kP-(DP+Di/s)(P*-Pav)]P0,

(12)

其中，

(13)

(14)

(15)

本文改进的下垂控制结构示意图如图3所示。图中,Udc为直流测电压；Li、Ci分别为三相滤波器的电感和电容；u0i、ici分别为滤波电容电压和电流；i0i为DG输出电流；ZLi为线路阻抗；ZLDi为本地负载，其中，i=a，b，c。

图3　改进的下垂控制结构

功率控制环节引入自调节下垂系数，其结构框图如图4所示。功率控制环节的下垂系数经过PI控制器的调节，使之随着系统功率的变化而小幅波动，从而达到合理分配有功功率的目的。

图4　自调节下垂系数功率控制环节

图5　基于简化情感的电压电流双环控制环节Fig.5　Voltage and current double-loop control section based on simplified emotion

电压电流双环控制的外环采用简化情感控制器，参数能够根据被控对象的变化而变化，增强下垂控制系统的抗干扰能力；内环为电流控制环，采用比例控制器，以增加系统带宽，提高响应速度。

3算例与仿真实验

基于Matlab/Simulink仿真平台，对所提出的微电网下垂控制策略进行动态仿真验证，其基本示意图如图6所示。微网由3个分布式电源并联组成，且均采用下垂控制，交流侧母线电压为380 V，负荷1、2、3为本地负荷，负荷4为可变负荷。

图6　微网结构图

分布式电源的逆变器容量比为2∶1∶1；微网的线路参数为R=0.641 Ω/km，X=0.101 Ω/km，可变负荷4的功率为16 kW，12 kvar；PI控制器参数：ki=5，kp=100；简化情感智能控制器参数：sd1=sq1=0.5，sd2=sq2=6，αd=αq=0.1；分布式电源的仿真参数如表1所示。

微网处于孤岛模式下，其仿真过程为：0～0.2 s，K1、K2、K3、K4均断开，分布式电源DG各自带本地负载运行；0.2～0.35 s，K1、K2、K3闭合，3个DG并联运行；0.35 s，K4闭合，投入可变负荷4；K4断开，0.65 s切除负荷4；0.9 s，K1断开，切除DG1，DG2、DG3并联运行。

表1　分布式电源的仿真参数

采用传统PI控制器和简化情感控制器的下垂控制仿真波形如图7～图10所示。

(a) PI控制器DG单元输出的有功功率

(b) 简化情感控制器DG单元输出的有功功率

(c) PI控制器DG单元输出的无功功率

(d) 简化情感控制器DG单元输出的无功功率

(e) PI控制器DG单元输出的频率

(f) 简化情感控制器DG单元输出的频率

图7采用PI控制器与简化情感控制器的DG单元仿真结果

Fig.7Simulation results of DG using PI controller and simplified emotional intelligent controller

(a) 基于PI控制器的下垂系统中DG1单元的输出电压

(b) 基于简化情感控制器的下垂系统中DG1单元的输出电压

(a) 基于PI控制器的下垂系统中DG1单元的输出电流

(b) 基于简化情感控制器的下垂系统中DG1单元的输出电流

(a) 基于PI控制器的下垂系统中DG2单元的输出电压

(b) 基于简化情感控制器的下垂系统中DG2单元的输出电压

(c) 基于PI控制器的下垂系统中DG2单元的输出电流

(d) 基于简化情感控制器的下垂系统中DG2单元的输出电流

(a) 基于PI控制器的下垂系统中DG3单元的输出电压

(b) 基于简化情感控制器的下垂系统中DG3单元的输出电压

(c) 基于PI控制器的下垂系统中DG3单元的输出电流

(d) 基于简化情感控制器的下垂系统中DG3单元的输出电流

由图7～图11可得，基于PI控制的下垂控制系统存在功率振荡以及受负荷波动影响较大等问题。经过波形对比可知，采用简化情感智能控制器的微网下垂控制系统有3个优点：

①由图7～图11可看出,在0～1 s时，在微网下垂控制系统中，采用简化情感智能控制器的超调量比采用传统PI控制器小。以图8(a)为例，电压超调量由10.5%减小至无超调。

②比较图7～图11在开关动作前后的功率稳态波形，可见采用简化情感控制器的波形振荡程度更小，具有良好的稳态性能。

③仿真中参考电压幅值为311 V。在0.65 s切除可变负荷4时，图8(a)、图10(a)、图11(a)中的电压幅值增加至365 V左右，图7(c)中无功功率突增了2 000 var、1 200 var、1 200 var，需要0.01 s的调节时间。而采用简化情感控制器的图8(b)、图10(b)、图11(b)中的电压幅值仅增加至345 V左右，图7(d)中无功功率突增1 000 var、600 var、600 var，仅需要0.004 s便达到稳态，表明采用简化情感控制器的微网下垂系统的抗干扰能力明显增强，调节时间更短。

4结论

本文针对传统下垂控制中功率振荡以及输出电压与频率易受负荷波动影响等问题，提出了一种孤岛模式下改进的下垂控制策略。简化情感控制器是BEL模型的改进，参数较少且具有参数自学习能力。将简化情感智能控制器应用于微电网下垂控制策略中，其参数易于整定，方法简单易行。仿真实验结果表明，该策略能保证系统功率分配的精确性，且在负荷波动和投切DG时表现出来的抗干扰能力、动态性能和稳态精度均优于传统PI控制器。

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(责任编辑裴润梅)

收稿日期：2016-01-06；

修订日期：2016-02-02

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51567002)

通讯作者：龙军(1956—)，男，广西南宁人，广西大学教授；E-mail：gxnnlj161@163.com。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0754

中图分类号：TM71

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)03-0754-10

Improved droop control strategy for island low-voltage microgrid

LONG Jun1,2, LUO Qun1,2, QIN Long1,2

(1.College of Electrical Engineering,Guangxi University, Nanning 530004, China；2.Advanced Control and Intelligent Power Research Center, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract:When parallel-connected DGs run in islanding mode the problems of power oscillation and voltage fluctuation arise by using the traditional droop control strategy. A P-V droop control strategy based on the simplified emotional intelligent controller which used in the low-voltage microgrid is proposed. The simplified emotional intelligent controller which had the ability of parameter self-learning is applied in outer voltage loop while droop coefficient self-regulating section is introduced into the part of power control. In the simulation, comparing with the traditional droop control strategy, the proposed control strategy can make load distribution more accurate and can restrain power oscillation and voltage fluctuation which give a better dynamic and static performance of system.

Key words:microgrid; droop control; islanding mode; power sharing; emotion controller

引文格式：龙军，罗群，覃龙.低压微网孤岛模式下改进的下垂控制策略[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(3)：754-763.