摘要：本文首先介绍了微电网，分析了下垂控制理论和功率调节技术以及基于虚拟功率和类功率的功率控制器的设计和基于端电压和类功率的仿真，研究了下垂控制策略中存在的缺点，并对其未来深入研究方向进行了探究。
关键词：微电网；孤岛模式；下垂体
当前，对于能源的需求一直在不断增长，但是传统的能源储存量越日益减少。所以，人们一直在研究与探索可再生、无污染的新型能源，比如风能、太阳能等，这些新型能源发电逐渐代替传统能源，并且在电网中起到越来越重要的作用。虽然这些新型能源能够解决传统能源不足的需求缺口，但是其自身也存在很多缺陷，比如，风能发电存在不可控性、随机性等。所以，研究人员提出了微电网，这是一种全新的分布式能源组织方式和结构。
1、简介微电网
微电网主要是多种分布式电源、负荷、保护、监控、储能单元等装置组合为一个集合，而且其运行方式非常灵活，还具有能够在孤岛模式和并网模式两种运行模式之间互相切换的可调度性能。微电网在实际运行过程中第一个要解决的技术问题就是运行控制问题。微电源有恒压恒频控制、恒功率控制和下垂控制这三种控制方法。当微电网处于孤岛运行时，采取的是对等控制策略。在此控制策略下，下垂控制不仅不用通信连接，还能够即插即用，还具有可以可靠性高、降低系统成本的优势。
2、下垂控制理论和功率调节技术
2.1基于公共节点电压在不同线路阻抗特性下的下垂控制策略理论分析
电压频率下垂法指的就是将传统发电机中的下垂特性加入到并联逆变电源的微电网。其操作步骤为：第一，当输出的阻抗近似为感性时，输出有功功率较大的逆变电源，通过频率下垂特性可以减少其输出频率，使之降低输出有功功率，形成负反馈。输出无功功率较大的逆变功率，通过幅值下垂特性可以减少电压幅值，使之降低无功功率，形成负反馈。第二，当输出的阻抗近似为阻性时，因为有功功率和电压幅值之间、无功功率和频率之间彼此相关，所以，幅值下垂特性可以对有功功率进行调节，频率下垂特性可以对无功功率进行调节。
图1为单相电路中一个电压型控制并网运行方式的复频域等效电路图。其中的阻抗和传输功率之间的关系式为：
(1)
随之接入微电网中的电压等级不同，输出线路中就会出现不同的参数特点，当输入的电压等级为高压时，输出线路为感性；当输入的电压等级为中压时，输出线路为阻感性；当输入的电压等级为低压时，输出线路为阻性。
当X>>R2时，此时为经典下垂控制策略。
(2)
此关系式可以实现无功功率与有功功率之间的解耦控制。
当X<<R2时，
（3）
此关系式为反调差控制。
当X和R2之间十分接近时，二者中任何一个在进行控制功率时都不可以忽视。
2.2基于端电压和类功率的新型下垂控制策略理论分析
以上分析中只考虑到了接入微电网的是一个逆变电源的情况，但是在实际生活中当多个逆变电源同时接入微电网中时，会出现环流问题，而上述分析没有考虑到这个问题。在下垂控制是使用公共节点电压时，由于反馈信号中能传输的距离是有限制的，而在微电网中各个微电源的位置很分散，所以很难测量到真正的公共节点电压。所以，以上分析的下垂控制中没有完全把下垂控制算法实现。然后，考虑到以上两个点的缺陷，提出了一个新型下垂控制策略即基于端电压和类功率的下垂控制策略。以线性组合的方式重新定义类功率变量，重新设计一个合理的参数达到类无功功率只与幅值差有关系，有功功率只与相位差有关系。在全部的功率调节技术中只使用逆变电源的端电压，而不使用公共节点电压，这样是为了避免不准确性。
从图2中可以看出第一台逆变电源输出的有无功功率关系式为
第二台逆变电源关系式类似。
通过线性组合可以得出两台逆变电源输出的类有功功率之间的差值一一对应其各自输出的电压相位差，以及两台逆变电源输出的类无功功率之间的差值一一对应电压的幅值差。
3、基于虚拟功率和类功率的功率控制器的设计
基于虚拟功率和类功率的功率控制器的设计，不仅能够完成给予虚拟功率的下垂控制策略，还能够完成基于类功率的下垂控制策略。而且两种下垂控制策略之间只通过一个选择开关就可以实现转换。在此种微电网控制中，其微电源可以使用不同种类的电压等级，所以说具有通用性。可以通过abc-to-dq0变换算出微电源输出的瞬时有功和无功功率，还能够使用低通滤波器知道瞬时有功功率的平均功率和瞬时无功功率的平均功率。再通过旋转坐标，算出类功率或者虚拟功率，把这两者的数值与微电源的功率给出的参考数值进行对比。使用不同的下垂控制器，可以算出输出的角频率与电压的参考值，把这两者输入双环控制器，达到平稳调节过程的目的。
4、基于端电压和类功率的仿真
验证其策略的正确性，可以使用Matlab/Simulink搭建基于端电压与类功率的模型。设置模型参数为：两台逆变电源初始相位差为1.9°，第一台逆变电源的输出电阻为0.09，输出电感为0.9mH，第二台逆变电源的输出电阻为0.09，输出电感为0.9mH。分别使用基于公共节点电压在不同线路阻抗特性下的下垂控制策略理论分析的内容和基于端电压和类功率的新型下垂控制策略理论分析的内容进行实验，可以得出有功功率曲线与无功功率曲线图。
图3有功功率曲线
通过图中可以看出第一，第二逆变电源的有功功率与无功功率最终相等。
5、下垂控制策略的缺点和未来研究方向探究
在下垂控制策略中仍有几个缺点需要继续改进，第一点，对于非线性负载或者线路导致的谐波分布不能进行正确地调节；第二点，对于三相系统中因为拓扑结构变化而产生的控制方式变化，尤其是其中
线性负载和非线性负载同时存在的情况下，下垂控制并不是最佳选择。
图4 无功功率曲线
在下垂控制策略研究中，考虑的情况是以一次调频为基础，对于二次调频却没有进行研究，在后续中，可以加入对于二次调频的研究。
6、总结
在实际工程中，会遇到很多由于电压等级不同而呈现出不同的阻抗特性的情况，针对于这种情况，本文分析了微电源在阻感性、阻性和感性这三种不同的阻抗特性情况下的功率传输特性，以及无功功率与有功功率之间的耦合问题，并提出了相应的控制策略即坐标旋转的虚拟功率控制策略。这种控制策略可以完成阻感性情况下解耦控制功率，而且还具有调节简单，跟踪效果极佳的优点。
参考文献
[1]邹芳,毕红续,甘齐锋. 孤岛模式下微电网的运行研究[J]. 通信电源技术,2016,33(04):57-59.
[2]孙奥. 微电网平滑切换控制策略研究[D].新疆大学,2017.
[3]曹元峥. 基于虚拟同步发电机的微电网逆变器控制策略研究[D].合肥工业大学,2017.
[4]林焱,蔡振才,吴丹岳,刘建华. 微电网孤岛模式下基于虚拟阻抗的负荷分配控制策略[J]. 电测与仪表,2016,53(09):67-73.
[5]吴栋伟,窦晓波,吴在军,胡敏强,孙纯军,赵波. 孤岛模式下基于快速储能投退机制的微电网多源协调控制[J]. 电力系统自动化,2013,37(01):174-179+190.
论文作者:魏明
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/19
标签：功率论文; 电网论文; 策略论文; 电压论文; 端电压论文; 阻抗论文; 逆变电源论文; 《电力设备》2017年第33期论文;