基于Matlab-Simulink的下垂控制微电网的仿真分析

基于Matlab/Simulink的下垂控制微电网动态特性的仿真与分析杨俊虎，韩肖清，姚岳，刘杏林，郭凯，韩雄（太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原030024）摘要：本文以一基于下垂控制的微电网为研究对象，在Matalb/Simulink平台搭建仿真模型。对微电网并负荷和切除分布式电源进行了详细的仿真分析，同时研究了逆变器设置参数对微电网动态特性的影响，得出下垂控制的微电网是一个N+X冗余系统，可以实现DG和负荷的即插即用；调节逆变器设置参数可以调节微电网的动态特性。关键词：下垂控制；动态特性；逆变器控制参数；负荷功率分配中图分类号：TM76文献标识码：A0.引言微电网是一个具有高可靠性、高灵活性的单一可控的电网[1,2]。微电网可以接入各种类型的分布式电源（DistributedGeneration,DG）和负荷，DG可以是微型燃气轮机、柴油机、燃料电池、蓄电池等可控发电单元，也可以是风力发电、太阳能发电等具有随机性、间歇性的新能源发电单元，还可以是热电联供、冷热电联供等发电形式；负荷可以是电负荷包括敏感负荷、可控负荷、不可控负荷，也可以是热负荷或冷负荷。微电网可以针对不同的DG采取不同的控制策略，为不同重要等级的电负荷提供不同电能质量的电能[1-5]。新能源DG的输出功率由自然环境决定，难以与负荷功率实时匹配，因此微电网中需要安装可控发电单元，不间断的为负荷提供电能[6,7]。可控DG是否能够快速响应并良好地分配不平衡功率，成为了微电网稳定运行的关键[8]。国内外对于可控DG运行控制的策略研究可以分为：主从控制、集中控制、分层控制、平均负荷功率分配控制、下垂控制等[6-10]。下垂控制模拟传统发电机与系统频率、无功功率与端电压之间的关系对DG逆变器进行控制，下垂控制对通信系统的依赖小、可靠性高，易于实现DG和负荷的即插即用和微电网运行模式的无缝切换，得到了国内外的广泛关注[6,7,10]。本文从DG逆变器下垂控制的实现方式出发，介绍了论文采用的实现方式，理论分析了DG逆变器设置参数的调节作用。然后，运用Matalb/Simulink，搭建一微电网仿真模型，分析了负荷并网和DG切除对微电网动态特性的影响，并讨论了逆变器设置参数对微电网动态特性的影响。1.下垂控制的理论基础下垂控制有两种实现方法[7,10]：一种是根据测量系统的频率和逆变器输出电压幅值产生逆变器的参考频率和参考电压；一种是根据逆变器输出的有功功率和无功功率产生逆变器输出电压频率和幅值的参考值。本文采用后者，逆变器输出有功功率、无功功率与输出频率和端电压之间的关系可以表示为：npmP（1）nqVVnQ（2）式中：V是逆变器端口电压的幅值；ω是逆变器输出电压的角频率；Vn、ωn分别是DG逆变器空载运行时的端电压的幅值和角频率；mp、nq分别是P-ω和Q-V的下垂系数。其中：ωn、mp称为逆变器的有功设置参数；Vn、nq称为逆变器的无功设置参数。动态调节ωn和Vn可以实现下垂曲线的平行移动，从而实现微电网二次调频的作用；动态调节mp和nq改变下垂曲线的斜率可以调节暂态过程中不平衡功率在DG间的分配，也可实现逆变器稳态输出功率调节。收稿日期：基金项目：国家国际科技交流与合作专项(2010DFB63200)。作者简介：杨俊虎（1986-），男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制；(E-mail):[e-mail]韩肖清（1964-），女，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统运行与控制、新能源技术。2.微电网结构与参数在Matlab/Simulink平台搭建图1所示微电网仿真模型。微电网电压等级为380V，DG逆变器采用三环控制[11]。线路参数为：Rline1=0.23Ω，Xline1=0.1Ω，Rline2=0.35Ω，Xline2=0.58Ω；负荷参数：Pload1=6kW，Qload1=1kVA，Pload2=4kW，Qload2=0kVA，Pload3=3kW，Qload3=0.5kVA。1lineR2lineR1lineL2lineL11PjQ22PjQ33PjQ1DG2DGN1N2N3图1微电网结构3.仿真分析3.1负荷并网扰动试验微电网初始运行方式假定为负荷2与微电网断开联接。初始运行方式达到稳定后，t=1s时负荷2与微电网并网联接。DG1和DG2有功设置参数相同：ωn1=ωn2=50.0438×2π，mp1=mp2=5×10-5；无功设置参数中nq均为1×10-3，Vn略有不同：Vn1=220，Vn2=220.5。仿真结果如图2所示。0.811.21.41.61.85.06.07.08.0t/sP/kWP1P20.811.21.41.61.80.50.70.91.1t/sQ/kVAQ1Q2（a）有功输出响应（b）无功输出响应0.811.21.41.61.849.9849.9950t/sf/Hzf1f20.811.21.41.61.8215217219221223225t/sV/VV2V1（c）频率响应（d）电压响应图2负荷2并网时各DG的响应特性图2可见t=1s负荷并网后，经过约0.3s的暂态过程，各DG趋于稳定。1）图2(a)所示各逆变器稳态输出相同的有功功率，因为各逆变器有功设置参数(mp、ωn)相同，而且同一微电网中各DG运行频率相同（图2(c)），由式(1)可知各逆变器输出有功功率相同，仿真结果与理论相同；在暂态过程DG1的最大超调量大于DG2，是因为节点N2与N1的电气距离小于N2与N3的电气距离。2）图2(b)所示负荷2并网后DG1与DG2输出的无功功率不再相同。虽然负荷2是一个纯有功负荷，但是由于节点间线路参数的不同，DG在向负荷2输送功率的同时引起电压幅值的降落不同，使得逆变器端电压幅值的变化量不同，因而使得各DG输出无功功率不再相同。3）图2(c)可见，如果逆变器有功设置参数(mp、ωn)不作调整，则扰动的结果一定会带来频率的偏差。4）图2(d)可见，DG1和DG2端电压始终不同，是对初始状态DG无功调节的结果。3.2无功设置参数Vn调节试验微电网初始运行方式假定为负荷2与微电网断开联接，初始参数与3.1相同。t=1.5s时调节各DG逆变器无功设置参数Vn1=221.09，Vn2=222.11。仿真结果如图3所示。0.811.21.41.61.825.06.07.08.0t/sP/kWP1P20.811.21.41.61.820.60.70.80.91.0t/sP/kVAQ2Q1（a）有功输出响应（b）无功输出响应0.811.21.41.61.8249.9849.995050.005t/sf/Hzf1f20.811.21.41.61.82215217219221223225t/sV/V（c）频率响应（d）电压响应图3负荷2并网时,然后调节无功设置参数，各DG的响应特性图3(b)可见，调节无功设置参数Vn可以调节各DG输出的无功功率，而且对DG逆变器输出电压的影响不会很大，如图3(d)所示。图3(a)和(c)可见，调节无功设置参数Vn调节各DG输出的无功功率，同时也会影响DG输出的有功功率和频率，但是影响不大，因为DG逆变器的端阻抗并非纯感性，P-ω和Q-V没有实现完全解耦控制。3.3Q-V下垂系数nq调节试验微电网初始运行方式假定为负荷2与微电网断开联接，nq1=nq2=5×10-2其余参数与3.1相同。仿真结果如图4所示。图4(a)和(b)与图2(b)和(d)比较，可见，当无功下垂系数nq增大，暂态过程中无功波动会变大，但是稳态过程中各DG输出的无功功率差值减小；无功下垂系数nq增大，当负荷波动时会引起电压较大范围的波动。0.811.21.41.61.80.60.70.80.91.0t/sP/kVAQ1Q20.811.21.41.61.8215217219221223225t/sV/VV2V1（a）无功输出响应（b）电压响应图4负荷2并网时，调节Q-V下垂系数nq，各DG的响应特性3.4P-ω下垂系数mp调节试验3.4.1P-ω下垂系数mp对微电网动态性能影响的实验微电网初始运行方式假定为负荷2与微电网断开联接，三次仿真试验中各DG的下垂系数分别为：mp1-1=mp2-1=5×10-5，mp1-2=mp2-2=2×10-4和mp3-1=mp2-3=4×10-4，其余参数与3.1相同。仿真可得DG1输出的有功功率和频率如图5所示。0.811.21.41.61.85.06.07.08.0t/sP/kWP1-2P1-3P1-10.811.21.41.61.849.8449.8849.9249.9650t/sf/Hzf1-1f1-2f1-3（a）有功输出响应（b）频率响应图5调节P-ω下垂系数mp，当负荷2并网时，各DG的响应特性图5可见，随着P-ω下垂系数mp增大，DG逆变器输出参数波动性会变大，有功扰动引起频率的偏差会变大。微电网实际运行中mp不能太小，否则有功功率调节的精度会降低；mp也不能太大，否则微电网的稳定性会变差[12]。3.4.2P-ω下垂系数mp影响DG间负荷功率分配的实验微电网初始运行方式假定为负荷2与微电网断开联接ωn1=50.0438×2π，ωn2=50.0875×2π，mp1=5×10-5，mp2=10×10-5，其余参数与3.1相同。仿真结果如图6所示。0.811.21.41.61.85.06.07.08.0t/sP/kWP1P20.811.21.41.61.849.97549.98549.99550.005t/sf/Hzf1f2（a）有功输出响应（b）频率响应图6P-ω下垂系数mp不同时，负荷2并网各DG的响应特性图6所示，当负荷2并网后DG1与DG2输出的负荷功率分别增加2.66kW和1.33kW；微电网运行频率略有下降，在稳定状态下各DG逆变器的频率相等。可见，DG逆变器下垂系数影响不平衡功率的分配，DG承担的不平衡功率与逆变器下垂系数成反比，下垂系数小的DG承担的不平衡功率多，反之亦然。仿真也再一次证明同一电网中不同发电单元输出频率相等是电网稳定运行的必要条件。初始参数中ωn1与ωn2略有不同，是调节初始DG承担的有功功率的结果。3.5切除DG试验微电网初始运行方式假定DG、负荷全部并网。DG1和DG2有功设置参数相同：ωn1=ωn2=50.0679×2π，mp1=mp2=5×10-5；无功设置参数与3.1相同。t=1s时DG1切除；t=1.5s时负荷1切除；t=2s时调节ωn2=50.0716×2π，使微电网运行频率恢复为额定频率。仿真结果如图7所示0.811.21.41.61.822.22.405.010.015.0t/sP/kWP1P20.811.21.41.61.822.22.4-0.500.51.01.52.02.5t/sQ/kVAQ1Q2（a）有功输出响应（b）无功输出响应0.811.21.41.61.822.22.449.9449.9649.985050.0250.0450.06t/sf/Hzf1f20.811.21.41.61.822.22.4215217219221223225t/sV/VV1V2（c）频率响应（d）电压响应图7切除DG2，并调节有功设置参数时，各DG的响应特性图7说明微电网可以对DG切除的扰动保持稳定运行，该微电网是一个1+1冗余系统，可实现DG的即插即用；调节逆变器控制参数ωn可以调节有功功率在DG间的分配量，使微电网运行频率基本保持不变，做到无差调节。4.结论1）基于下垂控制的微电网是一个N+X冗余系统，可以实现DG和负荷的即插即用。2）DG逆变器下垂系数影响不平衡负荷功率的分配，DG承担的不平功率与其逆变器下垂系数呈反比；DG逆变器下垂系数影响影响微电网的稳定性，随着逆变器下垂系数的增大，系统阻尼比减小，系统稳定性变差，甚至失去稳定。3）负荷扰动和DG扰动都会造成电压和频率的偏移。动态调节逆变器控制参数，可以调节有功功率和无功功率在DG间的分配；可以消除无功功率在逆变器间的流动；可以实现频率的无差