考虑高渗透率逆变型分布式电源并网控制_程海军.pdf

收稿日期：2022-08-24作者简介：程海军（1978-），男，辽宁建平人，副教授，硕士。考虑高渗透率逆变型分布式电源并网控制程海军，王海伏，赵薪宇，姜敏（辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001）摘要：针对高渗透率下逆变型分布式电源并网能够对电网具有电压和频率支撑的问题，提出一种基于偏移度分区的逆变型分布式电源并网控制策略。首先，计算系统频率和电压的偏移度，并根据偏移度将系统分为9个区域，当系统处于不同区域时，改变逆变型分布式电源的功率输出模式，通过采用不同的控制方法，使分布式电源自主参与电网电压和频率调整；其次，对于系统频率和电压的细微波动等原因而发生的频繁切换问题，采用增加切换裕度来避免各运行模式之间的频繁切换；最后，利用MATLAB进行仿真，验证了该控制策略的正确性及模式间切换控制的有效性。关键词：高渗透率；逆变型分布式电源；控制策略；偏移度中图分类号：TM464文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）01-0042-07DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.01.007第 19 卷第 1 期2 0 2 3 年 1 月Vol.19 No.1Jan.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）在“双碳”目标下，构建新型电力系统必然是以新能源为主体1-2。新能源发电的随机性和间歇性3，以及机组的弱支撑性和低抗扰性，对电力系统的电力电量平衡、安全稳定分析控制等方面的影响日益显著。在此背景下，分布式电源并网控制策略必须能够满足电网电压和频率支撑的需求。文献 4-5 利用变流器拓扑结构的相似性，使并网逆变器具有静止无功发生器（SVG）的功能，只考虑对负载的无功补偿，没有从配电网的角度解决对系统电压的支撑。文献 6 利用多个逆变器的剩余容量为线路提供电压支撑，控制各逆变器需要发出的无功功率。文献 7 提出双馈风力机采用恒压控制，在充分利用机组无功和调压能力的基础上，安装SVG以支持风电场的电网电压。文献 8 针对风电并网运行中负荷突变引起的频率波动和电压骤升骤降问题，提出了一种风电并网系统智能联调频率和电压优化控制方法。文献 9 研究了风力发电机组在最大功率点下的频率支持能力，为了防止在正常工作模式和频率支持模式之间切换时引起的二次频率骤降，提出了一种风电机组频率支持的时变下垂特性。文献 10-11 通过在前级构造功率环实现光伏逆变器对电网频率支撑，没有考虑直流侧不稳定而使系统失稳的问题。文献 12 提出倒下垂控制策略，在一定功率范围内对频率进行支撑，但要求直流侧为稳定的电压源。文献 13 依据同步发电机功率输出与系统频率的关系，在扰动观察法的基础上，提出具有倒下垂特性的最大功率跟踪控制策略，然而风电的随机性和低惯性增加了电力系统安全经济运行的难度。文献 14 提出了一种基于有功频率和无功电压下垂控制的电压频率协调控制策略，在下垂控制中引入逻辑积分环节，实现了电压支撑和频率支撑，但快速性不够。本文提出一种基于频率和电压偏移度的逆变型分布式电源并网控制策略，实时计算系统频率和电压的偏移度，根据偏移度的变化对并网逆变器采用不同的控制模式，调整逆变器的有功和无功功率输出，从而使分布式电源自主参与电网电压和频率调整，有利于高渗透率系统的稳定运行。1分布式电源并网电压频率特性分析图1为分布式电源并入电网的等效电路，其中电网侧母线电压为ES，并网点电压为VS，线路的电阻和电抗分别为R和X，分布式电源输出的有功功率和无功功率分别为P和Q。图1分布式电源并网等效电路当分布式电源并入电网时，忽略电压横分量的影响，电压关系为ES=VS+PR+QXVS（1）当分布式电源进行无功补偿时，此时电压关系为ES=VS+PR+(Q+Q)XVS（2）式中，VS为无功补偿后分布式电源侧的电压；Q为分布式电源对电网提供的无功功率补偿量。无功功率补偿前后电网电压应当保持不变，即ES保持不变，由式（1）和式（2）可得VS+PR+QXVS=VS+PR+(Q+Q)XVS（3）由式（3）可得Q=VSX(VS-VS)+PR+QXVS-PR+QXVS（4）式（4）中的PR+QXVS-PR+QXVS通常较小，可忽略不计，所以式（4）可改写为Q=VSX(VS-VS)（5）式（5）中的VS-VS为电压的偏移量V，所以式（5）可以写为Q=VSXV（6）在式（6）中，电压的偏移量为V时，分布式电源需要增发的感性无功功率或者容性无功功率为Q。所以，无功功率的参考值Qref为Qref=Q+VSXV（7）综合负荷的静态频率特性为KL=PLf（8）式中，KL为单位调节功率；PL为综合负荷有功功率变化量；f为系统频率变化量。单位调节功率表征随频率变化时负荷消耗功率的大小。分布式高比例接入电网时，应能随着系统频率的变化动态调整有功功率的输出。当系统频率升高时，分布式电源减小有功功率；当系统频率降低时，分布式电源增发有功功率。因此，当分布式电源发出的有功功率补偿量等于综合负荷功率的变化量时，f为0，系统频率不发生变化。由式（8）可得有功功率补偿容量为P=PL=KLf（9）式中，P为分布式电源需要增发或者减少的有功功率的补偿量。所以，系统有功功率的参考值Pref为Pref=P-P=P-KLf（10）2基于偏移度的分区控制策略2.1频率偏移度频率偏移度显示了系统频率偏移标称频率的程度，其定义为f=f-f1f0（11）在式（11）中，f0=fmax-fmin2，f1=fmax+fmin2，f为第 1 期程海军，等：考虑高渗透率逆变型分布式电源并网控制43第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）系统频率，fmax和fmin分别为系统允许的最大频率和最小频率。频率偏移度与系统频率运行的对应关系如表1所示。表1频率偏移度与系统频率运行状态对应关系频率偏移度-1f 1f=0f 1f 1u 1,-1 f 1）3（u 1,f-1）5（0 u 1,f-1）6（u-1,f 1,f 1）8（0 u 1,f 1）9（u 1）系统运行状态电压、频率处于允许范围内电压越上限频率在允许范围内电压越下限频率在允许范围内电压越上限频率越下限电压在允许范围内频率越下限电压越下限频率越下限电压越上限频率越上限电压在允许范围内频率越上限电压越下限频率越上限逆变器运行模式下垂控制最大感性无功功率输出最大容性无功功率输出最大有功功率输出最大有功功率输出最大有功功率输出最小有功功率输出最小有功功率输出最大容性无功功率输出图3系统控制框图有功功率参考值的计算流程如图4所示，其中Pi为当前时刻的有功功率参考值，Pi-1为上一时刻的有功功率的参考值。无功功率参考值的计算流程如图5所示，其中Qi为当前时刻的无功的功率参第 1 期程海军，等：考虑高渗透率逆变型分布式电源并网控制45第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）考值，Qi-1为上一时刻的无功功率的参考值。图4有功参考值计算流程图5无功参考值计算流程针对系统频率和电压在分区临界点的细微波动引起的逆变器工作模式频繁切换问题，在区间切换的动作判据中增加切换裕度。由偏移度较小的区域换到偏移度较大的区域时，其切换条件修正为偏移度大于分区边界值+；由偏移度较大的区域切换到偏移度较小的区域时，其切换条件修正为偏移度小于分区边界值-。为切换裕度，取值范围为0.010.05。3仿真分析基于Matlab/Simulink搭建分布式电源并网模型，电网额定电压为0.4 kV（线电压有效值为380 V，相电压有效值为220 V，相电压幅值为311 V），额定频率为50 Hz。3.1不同渗透率下电压频率支撑效果仿真系统在t=0.1 s时受到扰动，相电压幅值由311 V减小为245 V，分布式电源在高渗透率（50%）和低渗透率（5%）时，相电压幅值波形如图6所示，输出的容性无功功率波形如图7所示。图6相电压幅值图7逆变器输出容性无功功率由图 6 和图 7 可以看出：分布式电源达到高渗透率（50%）系统，在0.1 s0.4 s内，系统的电压偏移度小于 1，逆变器运行于 3区，以最大容性无功功率输出模式运行，使分布式电源发出容性无功功率，系统电压升高，在 0.4 s 时，系统电压恢复正常，逆变器恢复至 1 区控制模式。在低渗透率下，逆变器输出的容性无功功率为 100 Var，分布式电源的无功补偿量不能使电压恢复到正常水平；而在高渗透率下，逆变器输出的容性无功功率为 2 000 Var，确保系统电压恢复到正常水平。系统在t=0.3 s时受到扰动，频率由50 Hz上升为51 Hz，分布式电源在高渗透率（50%）和低渗透46率（5%）时，系统频率波形和有功功率波形如图 8和图9所示。图8频率波形图9逆变器输出有功功率由图8和图9可以看出：分布式电源达到高渗透率（50%）系统，在0.3 s0.7 s内，系统的频率偏移度大于 1，逆变器以最小有功功率输出模式运行，削减并网逆变器有功功率的输出，进而使电网频率恢复。在低渗透率下，逆变器输出有功功率的减少量不足以使系统频率恢复至正常运行水平；而在高渗透率下，逆变器输出的有功功率减少量足够使系统频率恢复至正常运行水平。3.2控制策略仿真分析分布式电源的渗透率达到50%的电力系统以额定状态运行。系统电压在0.1 s时开始跌落，相电压幅值由311 V下降为245 V；系统电压在0.4 s时开始恢复，相电压幅值由 245 V 恢复到 311 V。系统相电压幅值变化波形，以及采用下垂控制策略和基于偏移度的分区控制策略的逆变器输出无功功率波形，如图10所示。图10相电压幅值和不同控制下输出的容性无功功率从图 10 不难发现：系统电压降低后，下垂控制策略和分区控制策略的逆变器输出的容性无功功率都增加了，达到电压支撑的效果。分区控制策略下，逆变器输出无功功率更大，电压支撑效果更好。系统频率在0.3 s时开始升高，电网频率由50Hz升高到51 Hz；系统频率在0.7 s时开始恢复，电网频率由 51 Hz 恢复到 50 Hz。系统频率变化波形，以及采用下垂控制策略和基于偏移度的分区控制策略的逆变器输出有功波形，如图11所示。图11系统频率和不同控制下输出的有功功率从图11可以发现：系统频率波动后，下垂控制策略的逆变器输出有功功率变化微乎其微，分区控制策略下，逆变器输出有功功率从 9 000 W 下降到8 000 W，更加注重对系统频率的支撑效果。4结论以上理论分析和仿真结果表明：所提出的基于偏移度的分区控制策略是一种解决高渗透率下分布式电源并网、保证系统频率和电压稳定的有效控制算法。1）所提出的分区控制策略基于偏移度的变化改变了逆变器的多种运行模式，突出对系统较大偏移参数的优先支撑，该算法比下垂控制算法支撑效果更优。2）所提出的基于偏移度分区控制策略针对于分布式电源高渗透率系统，具有较好的支撑能力，在低渗透率系统中效果发挥受限制。3）实现基于偏移度的分区更精细，逆变器的运行模式更多样，切换裕度更精准，是后续研究的方向。第 1 期程海军，等：考虑高渗透率逆变型分布式电源并网控制47第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）Grid-connected Control of Inverter Interfaced DistributedGeneration Considering High PenetrationCHENG Hai-jun,WANG Hai-fu,ZHAO Xin-yu,JIANG Min（School of Electrical Engineering,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,Liaoning Province）Abstract：In order to solve the problem of voltage and frequency support for grid connection of inversedistributed generat