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实现孤岛微电网无功均分的新策略

2022年06月23日 唐山机械设备网

上海电力学院电气工程学院的研究人员米阳、蔡杭谊、宋元元、李振坤,在2019年第9期《电工技术学报》上撰文指出(论文标题为“基于同步补偿的孤岛微电网无功均分研究”),交流微电网孤岛运行时,由于分布式电源(dg)的等效线路阻抗存在差异,导致传统下垂控制无功均分精度较低,进而产生环流问题。为此,提出了一种基于同步补偿的改进下垂控制策略。

当dg运行在无功均分模式时,同步补偿下垂特性曲线的参考电压,可以提高无功功率均分的精度。当有dg输出电压降至限定最小值时,各个dg均切换至电压恢复模式,同步恢复电压至参考电压。同时设计控制策略协调无功均分模式和电压恢复模式,使得系统稳定运行,最终实现dg输出的无功功率均分且输出电压在额定值附近。

最后设计matlab仿真和rtds实验方案,结果验证了所设计的控制策略的有效性,且对通信带宽要求较低,具有较强的鲁棒性,仍保持了微电网各dg的“即插即用”的特点。

随着新能源分布式发电的发展,微电网受到了各国学者广泛的关注。微电网是由分布式电源、负荷、储能装置、电力电子变换器、监控和保护装置等构成的中小型发配电单元,可以有效管理和实现分布式电源(distributed generation, dg)的灵活控制。

微电网的运行模式包括孤岛模式和并网模式,并可在两种模式间进行无缝切换。在孤岛运行模式下,并联运行的dg通常采用下垂控制来实现功率的合理分配。传统下垂控制模拟电力系统发电机的行为,通过dg的频率和电压调整自身输出功率。频率是系统的全局变量,所以受控于系统频率的有功功率可以实现均分。

而受控于系统电压的无功功率由于各dg的线路阻抗不一致无法实现精确均分,导致系统内产生无功环流,影响电能输送效率,严重时甚至引起系统稳定性问题。因此实现无功功率的精确均分,抑制无功环流是孤岛交流微电网稳定运行的关键问题。

有学者设计了一种主动线路观测器,可基于本地信号较精确地辨识出线路阻抗的实际值,基于该线路辨识结果,可有效补偿dg线路的不匹配电压降,实现无功功率均分。但是该方法较为复杂,对微电网结构要求很高,不适用于网状等复杂结构。

有学者通过构造虚拟电抗,增加各dg的等效输出阻抗,改进控制策略,提高了无功均分的精度,但是由于dg输出阻抗的增加,会引起较大的电压偏差。有学者通过虚拟电容算法模拟逆变器输出端的并联电容特性,并根据线路阻抗差异自适应补偿线路阻抗压降。但该算法中对输出电压进行两次微分,微分运算使得高频噪声放大和输出电压畸变,会降低系统稳定性。

有学者提出了一种自适应调节下垂系数的方法,将基准逆变器的输出功率与各dg的输出功率相比较,并自适应地调节各逆变器的下垂系数,该方法有效地减小或消除了由线路阻抗不一致引起的系统环流,实现了功率均分,但是该方法在计算下垂系数时需要利用dg之间的信息,对于通信带宽要求较高。

基于以上分析,本文提出了基于同步补偿的改进下垂控制策略。根据dg的输出电压生成同步信号,通过该信号实现无功功率均分和电压恢复,随后设计两种模式协调运行策略,最终实现无功功率均分且输出电压在额定值附近。本方法仅需低带宽的通信,无需利用dg之间的信息,保证了微电网“即插即用”。

图1 微电网的结构

图4 结构控制框图

图11 基于rtds的实验框图

结论

本文主要研究了交流微电网孤岛运行时多dg并联运行无功均分问题,具体工作如下:

1)基于微电网电压-无功下垂特性,分析了同等容量dg间无功出力分配不均的原因,提出了一种利用基于同步补偿的改进下垂控制策略。该方法在传统下垂控制的基础上,根据dg的输出电压生成同步信号s1、s2。

当dg工作在无功均分模式时,按采样周期同步补偿下垂特性的电压偏置,使得无功功率均分精度逐渐提高;当dg工作在电压恢复模式时,在不影响无功分配精度的同时同步补偿电压偏置。通过稳定性分析,探讨关键参数对系统稳定性的影响。

2)设计无功均分模式和电压恢复模式的协调控制策略,使得系统稳定运行时,dg输出的无功功率实现均分,且输出电压保持在额定值附近。本方法对通信带宽要求较低,具有较强的鲁棒性,算法简单,无需利用dg之间的信息,实现了微电网各dg的“即插即用”。

3)设计仿真和rtds实验,验证了本文提出策略的正确性和有效性。

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