广西大学行健文理学院 广西南宁 530005
摘要：微电网是分布式电源、储能设备、电力电子接口、控制设备以及用电负荷组合而成的统一整体，其入网标准只针对单一接口，并不针对其内部具体的分布式电源，避免了分布式发电的多点并网，可解决新能源发电的大规模入网问题，提高可再生能源的利用率和供电可靠性，使分布式发电能够充分发挥效能。下垂控制的分布式电源（DG）接入孤岛微电网时，可在故障时呈现电压源特性以维持母线电压稳定。本文就此展开了探究。
关键词：分布式电源；微电网；下垂控制；电压支撑；故障控制策略
1低压微网控制概述
微电网有孤岛模式和并网模式2种，在孤岛模式下，微电网中的分布式电源常通过以下垂控制为基础的逆变器并联技术组网运行。传统下垂控制可实现并联逆变器的协调运行，但受线路阻抗影响，有功或无功功率不能合理分配，这将对系统的稳定性产生影响。因此，孤岛模式下微电网中的功率分配问题是研究微电网的关键问题之一。DG通过逆变器接入微电网，具有控制灵活、响应快速的特点。但受功率器件的限制，故障时DG并不具备传统同步电机提供较大短路电流的能力。但其可在故障时产生或维持特定的故障特征，以实现快速定位故障点的效果。微电网中存在主从控制与对等控制两种模式。对等控制中，各DG地位均等，根据接入系统点处电压、频率就地进行控制，无需通信。电压源型控制具有电压支撑功能而广泛应用于对等控制微电网中，其不需要依靠某个DG作为主电源而实现了所有DG的即插即用功能[1]。下垂控制与虚拟同步电机（VSG）控制模仿同步电机中的下垂特性，是目前对等控制中应用于DG的主要控制方法。将下垂控制应用于电压源型逆变器并网系统中，可实现微电网在并网、孤岛两种模式中无缝切换。有人提出了一种基于线性逐次逼近修正的改进下垂控制方法，在并网-孤岛切换时加入积分环节，提高了稳定性。有研究将最大功率点跟踪控制嵌入到下垂控制中，提出了一种有功功率内环、直流电压外环的控制方法，实现了DG在并网、孤岛运行模式中无缝切换。
2下垂故障低压微网控制策略
在低压微电网中，由于线路较短，且本文使用LCL滤波器，故Rs≈Rf，Xf≈Xs，DG至并网点阻抗基本上由DG的输出阻抗决定。结合上文分析，微电网发生故障时，DG应按输出有功、无功功率比等于Rs/Xs以最大程度支撑母线电压。DG在微电网故障时须快速实现故障控制，必须快速检测、确定故障参数及参考值，且为避免输出电流过大长时间进入非线性饱和区损坏电力电子器件而留有一定的输出裕量[2]。考虑到故障时DG的短路电流贡献能力较小、发生高阻故障时故障线路的正序电压变化不明显等因素，本文利用母线的正、负、零序电压的故障分量幅值作为下垂故障控制策略的启动判据。改进的下垂控制策略使得DG可以无静差地跟踪新的无功参考信号Pref，与有功下垂系数kp无关，避免了电压波动而影响有功输出。本文所提出的改进下垂控制策略消除了电网电压、频率波动、故障时电压骤降的影响，使得DG在故障时能更好地跟踪有功、无功参考信号，从而达到故障控制与电压支撑的目标。
3仿真分析
本文提出的改进下垂控制算法基于d-q旋转坐标系，发生对称故障时，可直接在d-q坐标系中对DG进行控制。发生不对称故障时，本文所提出的改进下垂控制算法可在α-β坐标系或三相静止坐标系中分相控制，同样适用于不对称故障。本文仅对对称故障进行仿真分析。在Matlab/Simulink建立如图6所示的孤岛微电网模型。微电网的电压等级为380V，频率为50Hz。DG1~DG4均采用图5所示改进的下垂故障控制策略，其额定功率均为8.5kVA，最大输出电流为额定电流的2倍。LD1~LD3均为三相恒功率负载，额定功率为（10+j5）kVA。线路AB、BC、AD长度均为0.2km，负荷经0.1km线路连接至母线，线路正序阻抗为Zl=（0.642+j0.083）Ω/km。DG直接连接在母线上。为验证所提故障控制策略的有效性，本文使用两个算例进行验证。故障时，故障馈线两端均有采用故障控制策略的DG进行功率支撑。为对比故障时故障控制策略的电压支撑效果，算例2如图3所示，此时故障馈线只有一端含有故障控制策略的DG进行故障时功率支撑[3]。
3.1算例1
0.3s时，在BC中点处发生三相短路故障，过渡电阻为3Ω。此时母线B与C电压相差不大，测量母线C电压和DG2输出电流波形分别如图1、图2所示。故障前电压峰值为311V，故障后电压峰值为300V。DG2在故障前输出电流峰值为19A，使用改进的下垂故障控制策略，在故障发生后经过一个周期的调整输出电流被锁定在2倍额定电流峰值38A，能很好地进行低电压穿越并维持在最大输出电流内，且对母线C进行良好的电压支撑，维持了母线C电压稳定。此时，母线A电压峰值为308V，母线D电压峰值为305V。
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图1 母线C电压波形
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图2 DG2 输出电流波形
3.2算例2
建立如图3所示孤岛微电网模型，此时母线C处无DG2，其余参数与算例1相同。0.3s时，在BC中点处发生三相短路故障，过渡电阻为3Ω。由图4可知，故障前母线电压峰值为311V，故障后母线B电压峰值跌落至292V，母线C则跌落至281V。母线B处DG3采用改进的下垂故障控制策略，图5中故障前输出电流峰值为24A，故障后电流峰值被控制在2倍额定电流峰值39A。DG3很好地进行了低电压穿越并维持了母线B电压稳定。此时，母线A电压峰值为305V，母线D电压峰值为300V。对比算例1与算例2，由图1与图4（b）可知，在母线C处无DG2时电压峰值跌落将近20V，并且在图1中，由于电压源型DG2对母线C起到良好的支撑作用，母线C未出现明显的电压骤降情况。算例2中的母线C由于缺少DG2支撑，故障发生时出现了明显电压骤降过程；母线B处有DG3接入，其电压峰值跌落较少。由于缺少DG2的功率支撑，算例2中的母线A、D均有一定程度的下降。证明使用该控制策略后，DG能在故障时进行低电压穿越的
图3 微电网模型
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图4 故障时母线电压波形
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图5 DG3输出电流
同时很好地对所在母线进行电压支撑，使得在发生三相对称故障时，母线电压依然能维持在较高水平[4]。
4.结束语
本文对低压孤岛微电网中DG的下垂控制策略进行了研究，提出了一种根据输出阻抗设置有功、无功输出参考值的改进下垂故障控制策略。该策略在微电网发生故障时，通过修改输出功率参考值并充分计及DG的输出电流受限的情况，能较好地解决微电网中电压、频率波动对输出功率的影响，使得DG能无差地跟踪有功、无功参考值，实现了低电压故障穿越控制的同时维持母线电压稳定且处于较高水平。
参考文献：
[1]王二永，王帅.自适应下垂系数的低压微电网功率控制策略[J].电力系统保护与控制，2019，47（23）：52-56.
[2]薛太林，刘良.低压微网中实现有功功率均分的改进型下垂控制策略[J].电气自动化，2019，41（04）：33-36.
[3]邓皓，崔双喜，樊小朝.基于功率解耦的低压微网无静差下垂控制[J].电气传动，2018，48（11）：63-66.
[4]黄骏翅，曾江，杨林，黄仲龙.低压微网逆变器自适应谐波下垂控制策略[J].电力自动化设备，2018，38（05）：204-210+226.
基金项目：本文为2020年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“低压光储交流微网实物模拟平台设计与开发”（编号：2020KY54015）成果。