微网孤岛运行时基于逆变器的新型功率控制

第1期2011年1月电源学报

Journal of Power Supply

No.1

Jan.2011

微网孤岛运行时基于逆变器的新型功率控制

张轩，刘进军

（西安交通大学电气工程学院，西安710049）

摘要：提出了一种在微网孤岛运行下逆变器无信号线功率分配的新型控制策略——

—动态功率平衡。当微网被动或主动地与上级电网断开时，微网会处于孤岛工作模式。在这种情况下，通过逆变器连接的电源则表现为电压源，其幅度和频率则通过下垂特性得到控制。然而，当负载重载或轻载时，这种下垂特性会产生大的频率偏移；平缓的下垂特性可以避免频率的过大偏差，但却使得逆变器之间难以功率分配。与传统的下垂控制相比，通过动态地改变大容量逆变器中下垂曲线的位置，动态下垂曲线控制则可将系统频率控制在一个设定的范围内，这样不但使得微网中大部分电源工作在额定功率下，在负载降低时也能充分利用新能源发电，同时这些逆变器仍可以保持原有的功率分配特性。文中还给出了控制方法的分析与设计。通过应用PSCAD/EMTDC仿真，验证了此种控制方法。

关键词：微网；逆变器；下垂控制

中图分类号：TM464文献标志码：A文章编号：CN12-1420（2011）01-0038-05

1引言

近年来，分布式发电系统的不断发展对现有的电力市场带来了益处，同时也带来了极大挑战。分布式能源的管理与控制技术的进步为微网的形成铺平了道路[1]。微网是一种由分布式电源和负载构成的，有能力独立运行的配电网系统[2]。微网可以平滑地过渡并运行于如下两种方式[3，4]：

正常并网模式——

—微网与一主干中压电网相连，既可以向电网输送能量，也可以从电网中获得能量。

紧急模式——

—微网与上级电网断开，独立运行。

大多数分布式能源由于其特性，不能直接接入微网。因此，需要电力电子接口（dc/ac或ac/dc/ac）从而使逆变器控制成为微网运行的关键[3，5]。在文献[6，7]中，已经通过试验验证了微网孤岛运行及重新连网技术，并且展示了逆变器在该过程中如何自动地将控制模式由电流源型转换为下垂控制特性。但微网一般运行在低压配电网中，这样线路就不能近似为一纯电感，而有着较高的R/L比率。因此在这种情况下，频率-有功（P-f）、幅值-无功(Q-U)下垂特性就必须有所修正[8～10]。

通过以上修正，传统的下垂特性在纯阻性电路下变为频率-无功、幅值-有功下垂特性，在高R/L 比值下则变为P-P’-f和Q-Q’-U下垂特性。这样，只要知道传输线路的阻抗特性，就可以精确地控制微网中逆变器之间的功率分配。但负载在较大范围内变化时，频率大幅偏移所带来的稳定性问题依然存在。在文献[11]中，这种问题得到了关注，但解决的方法是通过信号传输线从微网的总控制器中发出指令来设置某些逆变器的工作点，而不是对逆变器的无传输线独立控制。

在本文中，用于微网孤岛模式下逆变器并联的一种新型的无传输线动态下垂控制策略被提出。通过动态地改变某类逆变器的下垂曲线位置，将频率偏移控制到了设定的范围内，极大地增强了微网系统的稳定性。本文首先对这种控制方法进行了分析，并提出了设计方法，最后通过PSCAD/EMTDC 仿真对这种控制策略进行了验证。

2理论分析

2.1传统的下垂控制

收稿日期：2010-05-31

作者简介：张轩(1986-)，男，西安交通大学电气工程学院工业自动化系博士研究生，研究方向为电力电子技术在可再生能源

中的应用。E-mail：xuan.zhang@

对于如图1所示的输电线，从A点流入的有功P和无功Q可由下式表示：

（1）

（2）

图1通过传输线的有功与无功功率

在一般的线路长度下，传输线两端的电压相差δ很小，因此有sinδ≈δ,cosδ≈1,则上式可等效为：

（3）

（4）式（3）、式（4）说明了在纯感性传输线下，传输的有功功率的大小由端电压相位差δ决定，而无功功率的大小则由端电压的幅值差决定。而对频率的控制可以自动地控制相角。因此，如果负载消耗的有功和无功确定的话，微网中逆变器电源的电压频率和幅值就被确定了。通过上述结论，可以得到传统的P-f和Q-U下垂特性：

（5）

（6）其中f0和U0分别为逆变器输出电压的额定频率和幅度。而P0和Q0则分别为逆变器输出的额定有功和无功。k p和k q分别为有功-频率下垂特性斜率和无功-幅值下垂特性斜率。逆变器输出电压功率的下垂特性可以由图（2）表示。

图2P-f与Q-U下垂特性

2.2新型动态有功管理

图3所示为两台逆变器的P-f下垂控制。在图3（a）中，对A1和A2两点输出电压的频率通过图3（c）所示的控制框图来实现。在图3（b）中，曲线sum 为逆变器inv1和inv2输出的总功率与频率的下垂特性，当负载从“load0”变为“load1”，系统的频率会从f0移至f1。这种控制策略可以使得逆变器之间有好的功率分配特性。但是当f1距f0较远时，会对负载产生不良影响，甚至使整个系统不稳定。

（a）两台逆变器并联电路

（b）逆变器与负载的功率频率特性

（c）下垂控制框图

图3P-f下垂特性用于逆变器并联

当频率上升或下降到设定的阈值时，如50.0±0.2Hz，通过改变P-f下垂曲线的位置，则可以使频率重新回到50.0Hz。如图4（a）所示，在初始状态，逆变器和负载的P-f曲线分别为曲线a和L0，当负载突增时，负载的P-f曲线变为L1，所以逆变器的工作点开始从A向C移动。但当工作点移动至B点时，出于对系统稳定性的考虑，系统频率不能再降低。这时P-f曲线开始由a向a'，a''，a'''…移动，

在

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