实现孤岛微电网无功均分的新策略
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
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。
文献[11-12]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。
文献[13-14]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。文献[15-16]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。
文献[17]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
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。