《基于自适应下垂控制的微电网控制策略研究-唐昆明.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于自适应下垂控制的微电网控制策略研究-唐昆明.pdf（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第44卷第18期 电力系统保护与控制 V0144 No18兰Q!生!旦!鱼旦 121皇!呈!丝翌!121型!竺呈!些竺竺呈塑竺! 璺望：!垒：!鱼DOI：107667PSPCI51631基于自适应下垂控制的微电网控制策略研究唐昆明1，王俊杰1，张太勤2(1输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆400044；2重庆新世纪电气有限公司，重庆400030)摘要：感应电动机负荷的起动和功率变化对微电网孤岛运行时的电能质量及功率平衡影响较大，因此提出了一种自适应暂态下垂控制方法。该方法在传统下垂控制中引入暂态分量、功率与下垂系数的一次函数项，以改善下垂控制的动态性能和均流效果。针对
2、含有感应电动机负荷的微电网，采用基于分层控制结构的自适应暂态下垂控制和PO控制相结合的协调控制策略。利用PSCADEMTDC进行仿真实验，仿真结果验证了所提自适应下垂控制方法的正确性和微电网协调控制策略的有效性。关键词：微电网；感应电动机负荷；PQ控制；改进下垂控制；PSCADEMTDCResearch on control strategy for microgrid based on adaptive droop controlTANG Kunmin91，WANG Junjiel，ZHANG Taiqin2f1State Key Laboratory ofPower Transmissio
3、n Equipment&System Security and New Technology,College ofElectricalEngineering，Chongqing University,Chongqing 400044，China；2Chongqing New Century ElectricPower Corporation，Chongqing 400030，China)Abstract：The start and power change of induction motor load have a big influence on voltage，仔equency and
4、powerbalance of microgrid，especially of islanded microgridSo an adaptive-transient droop control strategy is investigatedInthe proposed method，a linear function of the power and droop coefficient and a transient component are introduced toimprove the dynamic performance and power sharing oftradition
5、al droop contr01The whole control strategy ofmicrogrid，which contains induction motor load，is a combination of adaptive-transient droop control and PQ control based onhierarchical contr01The simulation model of microgrid is implemented in PSCADEMTDC somvaleThe simulationresults verify the correctnes
6、s of the proposed adaptive-transient droop control and the effectiveness of the microgridcontrol strategyKey words：microgrid；induction motor load；PQ control；improved droop control；PSCADEMTDCO 引言微电网是由微电源、负荷、储能装置及控制装置等结合而形成的一个独立可控系统112|。针对微电源的不同类型和微电网灵活的运行方式，并考虑到负荷的需求，需要对微电网进行源荷协调控制，即将微电源和负荷均作为可调度的资源参
7、与电力供需平衡控制【3J。文献45】采用基于动态虚拟阻抗的自适应下垂控制策略，减小了引入虚拟阻抗而导致电压的下降过大；文献【6】研究了交直流混合微电网在蓄电池平抑作用下的运行控制策略；文献7采用电压一相角下垂控制代替电压一频率下垂控制，但只研究了孤岛运行的情况；文献8】针对光伏发电的特点，提出一种Pm下垂控制方法，抑制光伏电源并网时的暂态过电压；文献9】引入d轴与q轴电压的比值rat，提出了PU、Qrat下垂控制策略；文献101提出一种改进的鲁棒下垂控制方法，但该方法只适用于线路阻抗呈阻性的情况；文献11】提出一种通过组网电源的功率裕度调整微电源下垂系数的自适应下垂控制方法；文献12在下垂控制
8、中引入电网参数的估计值和功率参考值，文献131在Pf下垂控制中引入自适应最小均方环节，实现了下垂控制的自适应调节。目前微电网控制策略的研究着重于对逆变器的控制和微电网的运行控制，负荷多采用恒阻抗(z)、恒电流(I)或恒功率(P)等静态负荷模型，较少考万方数据唐昆明，等 基于自适应下垂控制的微电网控制策略研究 69虑到负荷采用动态模型对微电网的影响，但动态负荷对微电网尤其是孤岛运行时微电网有较大影响。而实际微电网中感应电动机负荷在总的负荷中占有不可忽略的比例，因此典型的动态负荷模型感应电动机模型是研究动态负荷对微电网影响的理想模型。文献14】对感应电动机负荷的机械特性和稳定特性进行了分析；文献1
9、5】研究了电动机负荷起动及功率变化对微电网暂态的影响。针对感应电动机负荷在起动和功率变化过程中需要大量有功和无功功率，进而引起微电网(特别是微电网孤岛运行时)电压频率波动及微电源间功率分配失准的问题，本文提出了一种自适应暂态下垂控制方法，引入暂态分量、功率与下垂系数的一次函数项，改善下垂控制的动态性能，实现微电源间合理的功率分配；并在此基础上，采用自适应暂态下垂控制和PQ控制相结合的微电网协调控制策略。利用PSCADEMTDC搭建仿真模型，验证了所提控制策略的正确性和有效性。1 微电网的结构本文采用的微电网如图1所示。图1微电网的基本结构Fig1 S廿1JctlJre diagram of m
10、icrogrid本文采用分层控制作为微电网的整体控制策略，微电网中央控制器(Microgfid Central Controller，MGCC)作为上层控制器对微电网进行统一的协调控制，实时监钡JJPCC两端的电压、电流、频率等电气信号，并负责微电网与大电网之间的通信；负荷控制器(Load Controller)和微电源控制器(Microsource Controller)作为底层控制器，实时监测负荷和微电源的运行状态，对负荷和微电源进行控制：LC和MC从属于MGCC，三者之间通过可靠的通信连接。在图1中，三个微电源均和储能装置相连，其逆变器直流侧电压基本保持不变，可以等效为直流电源。微电源1
11、、Eft0接口逆变器采用本文所提的白适应暂态下垂控制，微电源3的接口逆变器采用PQ控制。负荷为一定比例的ZIP负荷和感应电动机负荷组成，接在微电网交流母线上。2 自适应暂态下垂控制21传统下垂控制传统的下垂控制为09=：coo-一mPU Uo nQ (1)I = 一 7式中：缈和u分别为下垂控制输出的角频率和电压；P和Q为输出有功功率和无功功率；COo和分别是逆变器空载时输出的角频率和电压；m和n分别为有功功率和无功功率的下垂系数。传统的下垂控制是一种有差调节，没有考虑电压和频率的恢复问题。在感应电动机负荷启动及功率变化的过程中，伴随着无功功率及有功功率的波动，进而影响微电网电压、频率的稳定。
12、22引入暂态分量如图2所示，微电源输出电压为砜么万，通过阻抗为Z=R+的线路接入微电网交流母线，假设交流母线的电压为玑么0。砜么占 U。Z0匦卜+_牙图2微电源与交流母线间功率传输示意图Fig2 Power transmission between MS and AC bus此时，微电源输出的有功功率和无功功率分别为P：弓R“(U。2-饥砜COS万)+芸配sin万 (2)Q：莠(砜z一饥COS万)一箬虮sin万 (3)由式(2)和式(3)可得：sin万：XP-RQ (4)u。在工作点对式(4)两边微分可得：堂=而上eosSfIdt Uo cosa(x竺dtR塑dt)=吼一缨=2蟛(5)配 ”
13、5 7 由式(5)可知，当功率变化时，微电源的输出角频率和系统角频率之间会产生偏差；同理，微电源输出电压的相角变化时会导致输出功率的振荡。因此当负荷功率波动时，可引入输出电压相角的微分负反馈以减小相角偏差，从而减小输出功率的振荡。万方数据电力系统保护与控制d8。LdP： 了dP，故在传统频率下垂dt 2U一2 i取仕传现拟翠r垂控制中引入sU暂o c态os分6量dt m_dmd dP，将有功下垂控制改进为缈：铴一，胪一idP。同理在电压下垂控制中也引入暂态分量旦呈，引入暂态分量后传统下垂控o)=coo-川mP-一md李dP U2282，通过阻抗为Zl=R1+j五和Z2=R+j五的图3两个微电源
14、I司功军分配不意图Fig3 Power sharing between MS 1 and MS2由式(3)可得：QG。=告(u一叽) (7)QG：=詈(一) (8)联立式(7)和式(8)可得u一等=一等 (9)1 U 玑 将传统下垂控制方程代入式(9)，并对分母部分简化后可得 (碍Q一他02)：兰垒掣一下X,Q1-OLO00)V0 V 0同理，由式(2)可得：(，眉一，z2最)出=兰五铲一掣+c(11)其中，C为常数。式(10)和式(11)表明传统下垂控制的功率分配60=：o砜90-叫m(11枷-k,P)U 5 (12)i=砜一聆(1一以Q)Q r叫嚣竺嚣凛dP，踽篡二器黼，又华：一咀，对其进
15、行拉氏变换可得：黜_则平均功率为渤_1 p nU6 buJH；HuS旦0s+心 0旦S+倪心U蛔， 、 71 r r一uuS1Hd HuSj乃缎0学万方数据唐昆明，等 基于自适应下垂控制的微电网控制策略研究 71具中，嫂为1氐逋滤、圾器的截止频翠。对弓I入暂态分量的下垂控制方程式(6)进行线性化可得：学唿0三嵫j(18，将式(17)带入式(18)，整理后可得：Al訾戗0 ，U 、 其中A=强键qs+，撇l瓯J+啦(键乩+1)J+，喇乩+键J+键列出其特征方程，利用Matlab绘制其根轨迹。分别将、的值取为0，观察当其中一个参数为0时，另一个参数从0增大的根轨迹，然后通过闭环主导极点的值来确定m
16、。、nd合适的取值，取到较合适的值为m=1X10、nd=4x10。252吒、颤的取值对引入功率与下垂系数一次函数项的下垂控制方程式(12)，以七。取值为例进行分析，丸的取值方法类似。屯取不同数值时，自适应有功下垂曲线如图4所示。其中，只为逆变器输出额定功率。PkW图4 k取不同数值时白适应下垂曲线对比Fig4 Adaptive droop curves with different value of k由图4可知，七。=0时，即是传统下垂曲线，此时无任何改善效果；由k=1e时的曲线可知，逆变器以额定功率运行时电压频率点恢复至额定值，此时下垂特性无法对逆变器间的环流进行抑制。为确保全功率运行范围
17、内都有一定的下垂特性，并使1一kmP0，再结合逆变器额定容量以及白适应下垂曲线的趋势，屯可在03与08e之间取值。3 微电网的协调控制策略并网运行时，图1中微电源1、2逆变器采用改进的下垂控制；微电源3逆变器采用PQ控制；感应电动机起动时吸收的无功由大电网提供。大电网故障或微电网计划孤岛时，微电网运行模式由并网切换至孤岛。由于微电源1、2逆变器在并网时采用自适应暂态下垂控制，故切换过程不需要改变微电源的控制方式。孤岛运行时，微电网与大电网断开连接，微电源1、2作为主控单元来维持微电网电压和频率的稳定，其逆变器采用自适应暂态下垂控制，微电源3逆变器仍然采用PQ控制。感应电动机负荷吸收的无功功率由
18、微电源1、2共享。当孤岛运行的微电网需要并网运行时，MGCC检测微电网的频率、电压幅值和相角，若均满足并网条件，贝,IJPCC断路器合闸，MGCC执行并网控制策略并向各MC下发功率控制参考值。在并网过程中，如某个并网条件不满足，则不能并网，由MGCC调整微电源出力(如增发无功功率)并持续检测电压、频率、相位，直至满足并网条件。4 仿真实验与算例分析本文采用PSCADEMTDC软件搭建如图1所示的微电网仿真实验模型。感应电动机负荷参数详情见参考文献16】；微电源1逆变器的下垂控制系数为m=2x10radsW，n=lxlO。4Vvar，md=14x10rads，=42x105Vvar，吒=5xlO
19、W，k=4x10q var；功率参考值为足，=50kW，Q，=o；微电源2逆变器的下垂控制系数为m=1210。radsW，2=52104Vvar，md=12x10rads，nd=4x10Vvar，k=2xlOqW，乞=4x10。var；功率参考值为足，=20kW，线，_0：微电源3的功率参考值为R，=10 kW，Qrd=0；线路采用阻抗元件模型，单位阻抗参数为R=0642Qkm，X=0101Qkm。算例1：微电网并网运行，感应电动机负荷额定功率为75 kW，在5 s时空载起动，10 s时功率从零增加至额定功率；微电源1、2、3均按各自的功率参考值输出设定的有功和无功功率。仿真结果如图5所示。由
20、图5(a)可知，感应电动机负荷在起动过程中无功需求很大，此时负荷点的电压幅值下降较大(如图5(c)所示)。图5(b)表明系统频率除了在电动机起动和功率变化过程中有一定的振荡外，维持在50 Hz不变。由图5(d)和图5(e)可知，在电动机负荷起动和懈一坌苎，啪一，盟埋竺心地如盟如塑删万方数据72 电力系统保护与控制功率变化时，微电源1、2都会增加输出的无功功率以满足其需求，而输出的有功功率基本不发生变化。由图5(f)可知，采用PQ控制的微电源3，其输出功率基本保持为参考功率不变。508草50 4意500爨49 6492算例2：微电网孤岛运行，感应电动机负荷额定功率为75 kW，在5 s时空载起动
21、，10 s时功率从零增加至额定功率；其他仿真参数同算例1。仿真结果如图7所示。2 4 6 8 10 12 14ts(b1系统频率150鲁1嚣至0砭一505150N 5100姜50 50羹500049 502 4 6 8 10 12 14tiS(b)系统频率ts(c)负荷点电压(d)微电源l输出的功率 (e)微电源2输出的功率(O微电源3输出f：lf】功率 (曲电网输出的功率图5微电网并网运行时的仿真结果Fig5 Simulation results of gridconnected microgfid在算例1中，对微电源1、2采用传统的下垂控制方法进行仿真，其他参数保持不变，其输出情况如图6所
22、示。tJs t岖(a)微电源l的输出功率 (b)微电源2的输出功率图6算例1中微电源l、2采用传统下垂控制时的输出功率Fig6 Simulation results of MS 1 and MS2 operming intraditional droop control in case 1对比图5和图6中微电源1、2的输出功率可以看出，与传统下垂控制相比，采用本文所提出的自适应暂态下垂控制的微电源1、2，其输出功率的震荡幅值更小，动态响应时间更快，动态过程更为平滑，输出功率在动态后保持稳定，功率分配更为合理，更好的实现了微电网在感应电动机起动和功率变化下的功率平衡。s(e)微电源2输出的功率t
23、ls(d)微电源l输出的功率2 4 6 8 10 12 14tsm微电源3输出的功率图7微电网孤岛时的仿真结果Fig7 Simulation results of islanded microgrid由图7仿真结果可知，感应电动机负荷起动及功率变化的过程中，所需的有功和无功功率由微电网中采用自适应下垂控制的微电源1、2共享。结合图7(b)、图7(d)和图7(e)可以看出，微电网孤岛运行时的频率随微电源1、2的有功功率的变化而变化。由图7(d)和图7(e)可知，在感应电动机负荷起动过程中，无功需求很大，微电源1、2输出的无功功率将发生较大增加。由图7(D可知，采用PQ控制的微电源3输出的功率基本
24、维持为参考功率。在算例2中，对微电源1、2采用传统的下垂控制方法进行仿真，其他参数保持不变，其输出情况如图8所示。140100602020l弓t旭(a)微电源1的输出功率 (b)微电源2的输出功率图8算1歹112dO微电源1、2采用传统下垂控制时的输出功率Fig8 Simulation results ofMSl and MS2 operating intraditional droop control in case 2对比图7和图8中微电源1、2的输出功率可以看出，本文所提出的自适应暂态下垂控制在微电网孤岛运行时亦可达到在并网运行时的动态性能和均流蘸照万方数据唐昆明，等 基于自适应下垂控制
25、的微电网控制策略研究 73效果。算例3：仿真开始时微电网并网运行，感应电动机负荷额定功率为75kW，5s时切换至孤岛运行，其他仿真参数同算例1。仿真结果如图9所示。360320280240tfs(c)微电源1输出的功率蔷麦2 4 6 8 10 12 14tlsm)系统频率2 4 6 8 10 12 14“s(d)微电源2输出的功率s(e)微电源3输出的功率图9微电网由并网切换至孤岛时的仿真结果Fig9 Simulation results of gridconnected microgridchange to islanded由图9(a)和图9(b)可知，在微电网孤岛运行后系统的电压幅值和频率
26、均略有下降，此时微电网的频率和电压由采用自适应暂态下垂控制的微电源1、2维持。图9(c)和图9(d)表明，当微电网孤岛运行后，微电源1、2输出的有功功率均增加，微电源1输出的无功功率减小，微电源2输出的无功功率增加，实现了负荷功率共享。图9(e)表明采用PQ控制的微电源3的输出功率基本维持为参考功率。在算例3中，对微电源1、2采用传统的下垂控制方法进行仿真，其他参数保持不变，其输出情况如图10所示。s(a)微电源1的输“j功率2 4 6 8 10 12 14ts(b)微电源2的输出功率图10算例3中微电源l、2采用传统下垂控制时的输出功率Fig10 Simulation results ofM
27、Sl and MS2 operating intraditional droop control in case 3对比图9和图10中微电源l、2的输出功率可以看出，本文所提出的白适应暂态下垂控制在微电网运行模式切换过程中，与传统下垂控制相比，其输出功率的震荡幅值更小，动态响应时间更快，动态过程更为平滑，功率分配更为合理。5 结语本文针对微电网电压频率协调控制中，感应电动机的负荷特性可能导致的微电网电压频率波动及微电源间负荷分配失准的问题，提出了一种自适应暂态下垂控制。在此基础上，采用自适应暂态下垂控制和PQ控制相结合的分层控制策略对微电网进行协调控制。利用PSCADEMTDC进行了仿真分析，
28、仿真结果表明：(1)在自适应暂态下垂控制中，暂态分量的引入减小了动态响应时间，降低了输出功率的震荡幅值，改善了下垂控制的动态性能；(2)功率与下垂系数一次函数项的引入提高了负荷变化时微电源间的功率分配精准度，改善了均流效果；(3)所采用的协调控制策略可实现含感应电动机负荷的微电网在并网和孤岛模式下的功率平衡，亦可实现微电网运行模式的顺利切换。参考文献1 鲁宗相，王彩霞，闵勇，等微电网研究综述J】电力系统自动化，2007，3l(19)：100107LU Zongxiang,WANG Caixia,MIN Yong,et a1Overviewon microgrid researchJAutoma
29、tion of Electric PowerSystems，2007，31(19)：1001072NIKOS H，HIROSHI A，REZA I，CMicrogridsJIEEEPower&Energy Magazine，JulyAugust，2007：79-943 姚建国，杨胜春，王珂，等智能电网“源网荷”互动运行控制概念及研究框架J】电力系统自动化，2012，36(2n：l一6YAO Jianguo，YANG Shengchun，WANG Ke，et a1Concept and research framework of smart grid”source-grid-load”inter
30、active operation and conlrolJAutomationofElectric Power Systems，2012，36(21)：1-64 闰俊丽，彭春华，陈臣基于动态虚拟阻抗的低压微电网下垂控制策略J】电力系统保护与控制，2015，43(21)：1-6YAN Junli，PENG Chunhua,CHEN ChenDroop controlstrategy based on dynamic virtual impedance inlow-voltage microgridJPower System Protection andControl，2015，43(21)：1-
31、65AUGUSTINE S，MISHRA M K，LAKSHM NAdaptivedroop control strategy for load sharing and circulatingcurrent minimization in low-voltage standalone DCmicrogridJIEEE Transactions on Sustainable Energy,2015，6(1)：13214163 丁明，田龙刚，潘浩，等交直流混合微电网运行控制叠墨ZJ了每耋d蚕山万方数据-74- 电力系统保护与控制策略研究【J】电力系统保护与控制，2015，43(9)：1-8DING
32、 Ming，TIAN Longgang，PAN Hao，et a1Researchon control strategy of hybrid ACDC microgridJPowerSystem Protection and Control，20 1 5，43(9)：1-87 MAJUMDER民CHAUDHURI B，GHOSH A，et a1Improvement of stability and load sharing in anautonomous microgrid using supplementary droopcontrol loopJIEEE Transactions on
33、Power Systems，2010，25(2)：796-8088 李瑞生，翟登辉光伏DG接入配电网及微电网的过电压自动调节方法研究J】电力系统保护与控制，2015，43(22)：6268LI Ruisheng，ZHAI DenghuiResearch on over-voltageautomatic adjustment method of distributed photovoltaicsource accessing to distribution network or microgridJPower System Protection and Control，20 1 5，43(22)
34、：62689 吴翔宇，沈沉，赵敏，等基于公共母线电压的微电网孤网运行下垂控制策略【J】电工技术学报，2015，30(24)：135-141WU Xiangyu，SHEN Chen，ZHAO Min，et a1A droopcontrol method based on PCC bus voltage in islandedmicrogridJTransactions ofChina Electrotechnical Society,201530(24)：135-14110王逸超，罗安，金国彬微网逆变器的改进鲁棒下垂多环控制J】电工技术学报，2015，30(22)：116123WANG Yich
35、ao，LUO An，J1N GuobinImproved robustdroop multiple loop control for parallel inverters inmicrogridJTransactions of China ElectrotechnicalSociety,201530(22)：11612311麻常辉，潘志远，刘超男，等基于自适应下垂控制的风光储微网调频研究J】电力系统保护与控制，2015，43(23)：21-27MA Changhui，PAN Zhiyuan，LIU Chaonan，et a1Frequency regulation research of wi
36、nd-PV-ES hybridmicrogrid system based on adaptive droop controlJPower System Protection and Control，2015，43(23)：212712VSSQSE J C，GUERREOR J M，LUNA A，et a1Adaptivedroop control applied to voltage-source inverters operatingin grid-connected and islanded modesJIEEE Transactionson Industrial Electronics
37、，2009，56(1 0)：408840961 3LI Peng，CHEN Chao，ZHANG Shuangle，et a1Researchof adaptive inverse control applied to microsources basedon p-f droop characteristicC】IEEE InternationalConference on Power System Technology,20 1 214赵兵，汤涌感应电动机负荷的动态特性分析J】中国电机工程学报，2009，29(7)：7 177ZHAO Bing，TANG YongDynamic charac
38、teristicsanalysis of induction motor loadsJProceedings of theCSEE，2009，29(7)：7 1-7715肖朝霞，方红伟含多分布式电源的微网暂态稳定分析【J】电工技术学报，201 1，26(增刊1)：253261XIAO Zhaoxia,FANG HongweiTransient stability analysisof microgrid containing multiple microgrid sourcesJTransactions of China Electrotechnical Society,20 1 1，26(S
39、l、：253-26116孙华东计及感应电动机负荷的电压稳定分析及其应用研究D】北京：中国电力科学研究院，2005SUN HuadongStudy on voltage stability analysis and itsapplication considering induction motor loadsDBeijing：China Electric Power Research Institute，2005收稿Et期：2015-09-13； 修回Et期：2016-01-27作者简介：唐昆明(1959-)，男，副教授，研究方向为电力系统保护与综合自动化等；王俊杰(1 991一)，男，通信作者，硕士研究生，研究方向为微电网综合控制； Email：cquw西163tom张太勤(1 966-)，男，硕士研究生，高级工程师，研究方向为配电自动化。(编辑张爱琴)万方数据