微電網(wǎng)平滑過渡的功率優(yōu)化控制

周曉燕，劉天琪，李 媛，湯 凡，袁 園

（1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065；2.四川電力科學(xué)研究院，成都 610072）

微電網(wǎng)平滑過渡的功率優(yōu)化控制

周曉燕1，劉天琪1，李 媛1，湯 凡2，袁 園1

（1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065；2.四川電力科學(xué)研究院，成都 610072）

微電源的接入會(huì)對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)電壓和頻率造成較大影響，針對(duì)由4個(gè)不同類型微源組成微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)后存在的并網(wǎng)、孤網(wǎng)和兩種運(yùn)行模式之間的切換，建立了參數(shù)更為接近實(shí)際的微電網(wǎng)控制模型以研究并網(wǎng)孤網(wǎng)互換、孤網(wǎng)下投切負(fù)荷或微源等3種運(yùn)行模式的平滑過渡。對(duì)所建模型進(jìn)行了仿真分析，對(duì)比了每種運(yùn)行模式下采用功率優(yōu)化前后的各微源出力以及微電網(wǎng)交流母線電壓頻率的變化情況。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提功率優(yōu)化控制策略的可行性及有效性，實(shí)現(xiàn)平滑過渡的同時(shí)，可提高被優(yōu)化微源的利用率。

微電網(wǎng)；模式切換；平滑過渡；反調(diào)差率控制；功率優(yōu)化

許多微源采用電力電子裝置與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)，因此可實(shí)現(xiàn)靈活控制，如目前已提出的基于功率管理系統(tǒng)的控制、電壓有功下垂/頻率無功提升VPD/FQB（voltage-power droop/frequency-reactive power boost）協(xié)調(diào)控制、主從控制、對(duì)等控制以及基于多代理技術(shù)的控制等等[1-6]。而為實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)在不同運(yùn)行模式下電壓、頻率的穩(wěn)定和模式之間的平滑過渡，需要對(duì)微電網(wǎng)中的各微源采用合理的控制策略和優(yōu)化方法。

文獻(xiàn)[7]指出，應(yīng)根據(jù)不同類型分布式電源各自的特點(diǎn)而采用不同的控制方式。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]均建立了微電網(wǎng)的仿真模型，前者針對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行的模式切換等情況進(jìn)行了控制策略的設(shè)計(jì)和仿真研究；后者比較了PQ和V/f控制策略，并側(cè)重兩種控制策略的組合應(yīng)用。兩篇文獻(xiàn)所設(shè)計(jì)的模型及所考慮的運(yùn)行情況對(duì)實(shí)際微網(wǎng)的運(yùn)行控制研究均有重要參考價(jià)值。文獻(xiàn)[10]通過分析孤網(wǎng)運(yùn)行模式下并聯(lián)逆變器的有功功率和無功功率環(huán)流模型，提出了一種瞬時(shí)調(diào)節(jié)逆變器自身輸出阻抗從而減小線損的方法，并基于傳統(tǒng)下垂控制提出了一種改進(jìn)的自調(diào)節(jié)下垂控制法，可有效減小逆變器由于負(fù)荷突變等所引起的交流母線電壓及頻率的波動(dòng)，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。文獻(xiàn)[11-14]研究了獨(dú)立和并網(wǎng)模式的切換過程，減小了切換過程的沖擊。

本文針對(duì)較少微網(wǎng)控制模型，從各微源的具體特性出發(fā)考慮適宜的控制策略，并同時(shí)考慮微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)為減小沖擊、平滑過渡，各微源應(yīng)重新設(shè)置功率指令，對(duì)含風(fēng)電、光伏、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等不同微源的微電網(wǎng)，基于功率優(yōu)化思想研究了并網(wǎng)孤網(wǎng)相互轉(zhuǎn)換、孤網(wǎng)下投切負(fù)荷或微源等3種運(yùn)行模式的平滑過渡。不再以濾波器的設(shè)置或同步并網(wǎng)控制器等的設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，而將重點(diǎn)放在切換時(shí)如何配合下垂特性調(diào)節(jié)功率指令，從而確保內(nèi)部功率平衡，減小沖擊實(shí)現(xiàn)平滑過渡，并且可以提高被優(yōu)化微源的利用率。最后以電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件PSCAD（power systems computer aided design）為仿真平臺(tái)建立了微電網(wǎng)及其控制模型，對(duì)不同運(yùn)行模式的切換進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。同時(shí)，模型中考慮了負(fù)荷重要性等級(jí)，線路參數(shù)和負(fù)荷也更接近實(shí)際，對(duì)建立微電網(wǎng)運(yùn)行控制仿真平臺(tái)有實(shí)際參考價(jià)值。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

為研究控制策略及功率優(yōu)化，所采用微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the low voltage microgrid

微型燃?xì)廨啓C(jī)、光伏電池、燃料電池和風(fēng)機(jī)4個(gè)微源，分別通過線路接到400 V低壓交流母線上，再與10 kV、50 Hz的配電網(wǎng)相連。在仿真過程中考慮了負(fù)荷的特征，饋線1中接入典型恒阻抗負(fù)荷46+j12 kVA；饋線2中接入恒功率負(fù)荷42.05+j11 kVA；饋線3中接入一般負(fù)荷20+j5 kVA，對(duì)供電可靠性要求不高，必要時(shí)可以切除。

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，4個(gè)微源均采用PQ控制策略；孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，考慮到實(shí)際風(fēng)光出力不穩(wěn)定性，仍采用PQ控制策略，微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池等可控微電源改用V/f控制策略。

2 功率優(yōu)化策略

若在低壓配網(wǎng)中使用P-f、Q-V則會(huì)引入明顯的功率耦合現(xiàn)象[15]，使得功率不能有效受控并傳遞，因此本文采用P-V、Q-f。

圖2 采用下垂特性控制時(shí)的功率分擔(dān)Fig.2 Power sharing under frequency droop control

式中：fn和Vn為電網(wǎng)的額定頻率和電壓；Kf和KV為頻率下垂系數(shù)和電壓下垂系數(shù)；Pn和Qn為額定有功功率和無功功率。

并網(wǎng)時(shí)，配電網(wǎng)與微網(wǎng)之間存在交換功率，而當(dāng)切換到孤網(wǎng)時(shí)，配網(wǎng)有功、無功出力均降為零。則此時(shí)，采用V/f控制的微源之間共同承擔(dān)功率缺額，并且KV越大所分擔(dān)的有功功率出力越少；Kf越大分擔(dān)的無功功率出力出少。當(dāng)負(fù)荷功率發(fā)生變化時(shí)，采用V/f控制的微源按照下垂特性式（1）和式（2）進(jìn)行協(xié)調(diào)出力；而采用PQ控制的微源則按照式（3）和式（4）進(jìn)行協(xié)調(diào)出力。

雖然理論上，采用V/f控制的逆變器和采用PQ控制的逆變器，經(jīng)各VSC自行調(diào)整電壓和頻率，最終穩(wěn)定在一個(gè)新的工作點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率的分配。但實(shí)際上離網(wǎng)、投切負(fù)荷或微源時(shí)，若不進(jìn)行合理功率優(yōu)化，單純依靠V/f控制微源之間的下垂特性進(jìn)行協(xié)調(diào)分擔(dān)負(fù)荷，雖在其調(diào)控范圍內(nèi)雖然可以完成過渡，但頻率和電壓跳變較大，并且可能會(huì)造成孤網(wǎng)后有功和無功功率的出力不穩(wěn)。而若在計(jì)劃內(nèi)離網(wǎng)前、切除負(fù)荷前以及切除微源前，以減小V/f控制的微源的功率變化量為目標(biāo)，而使PQ控制的微源按照其容量約束及分擔(dān)負(fù)荷情況優(yōu)化出力后，最終使得各微源出力穩(wěn)定在另一個(gè)新的工作點(diǎn)上，可保證所有微源出力平穩(wěn)，同時(shí)也可提高風(fēng)電和光電等微源的利用率。

3 并網(wǎng)逆變器的控制策略

3.1 PQ控制器的設(shè)計(jì)

PQ控制策略通常用于微源并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。在該狀態(tài)下，微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷波動(dòng)、頻率和電壓擾動(dòng)由大電網(wǎng)承擔(dān)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PQ控制策略結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of PQ control strategy

控制器主要由上層功率控制器和電流控制器構(gòu)成。Pref和Qref分別為有功無功功率參考值，可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷所需而靈活設(shè)置。通過選擇合理的同步旋轉(zhuǎn)軸（使得q軸電壓分量為0）實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓的Park變換。Δid和Δiq為功率解耦所得的參考id，ref、iq，ref與電網(wǎng)實(shí)際量測值id、iq之差，在PI調(diào)節(jié)器的作用下，為逆變器輸出電壓提供參考，同時(shí)據(jù)濾波電感參數(shù)設(shè)置用于控制逆變器的d-q軸電壓分量Vd和Vq。Vd′和Vq′分別為電流環(huán)控制所得的d軸、q軸調(diào)制電壓信號(hào)。鎖相環(huán)確保PQ控制的微源獲得頻率支撐。

3.2 V/f控制器的設(shè)計(jì)

孤網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)候，控制策略主要解決的問題就是如何實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量的電壓和頻率支撐，維持內(nèi)部功率平衡。

采用V/f控制策略的VSC提供微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)頻率和電壓支撐，所接入節(jié)點(diǎn)的電壓和頻率恒定，輸出的有功功率和無功功率由下垂特性、微源容量和負(fù)荷共同決定，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 V/f控制器結(jié)構(gòu)Fig.4 Schematic diagram of the V/f controller

利用PI調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的無差控制，限幅器限制輸入輸出功率大小在合理范圍內(nèi)，若超過上限但頻率仍小于參考值時(shí)，則增大其他微源所發(fā)出的功率或者切去次要負(fù)荷以使頻率恢復(fù)參考值，反之同理。

4 仿真分析

4.1 計(jì)劃內(nèi)離網(wǎng)再并網(wǎng)

圖5 并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)再重新并網(wǎng)的運(yùn)行結(jié)果Fig.5 Operation results of microgrid when it is connected，disconnected and connected again with the distributed grid

微電網(wǎng)系統(tǒng)0～3.0 s并網(wǎng)運(yùn)行，3.0～5.6 s孤網(wǎng)運(yùn)行，5.6～8.0 s并網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果見圖5。圖中各微源分別為：風(fēng)力發(fā)電機(jī)（wind turbines，WT）、光伏電池（photo-voltaic cells，PV）、微型燃?xì)廨啓C(jī)（micro gas turbine，MT）、燃料電池（fuel cell，F(xiàn)C）。

并網(wǎng)時(shí)主網(wǎng)容量相對(duì)微源大得多，此期間微電網(wǎng)中分布式電源的頻率和電壓幅值則由大電網(wǎng)決定。

當(dāng)3.0 s時(shí)，隔離斷路器斷開，微電網(wǎng)由并網(wǎng)狀態(tài)切換為孤網(wǎng)運(yùn)行。微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池切換為V/f控制策略，為系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐，此處不再贅述。光伏和風(fēng)機(jī)仍采用PQ控制，并進(jìn)行功率指令優(yōu)化。圖5（a）～（d）為優(yōu)化前風(fēng)光出力的運(yùn)行結(jié)果，功率和頻率波動(dòng)較大，圖5（e）～（h）為按風(fēng)光容量及分擔(dān)負(fù)荷優(yōu)化出力的運(yùn)行結(jié)果，優(yōu)化后所有微源平穩(wěn)出力，過渡相對(duì)平滑，頻率波動(dòng)明顯降低，并且提高了被優(yōu)化微源的利用率。

當(dāng)5.6 s時(shí)重新并網(wǎng)，同理，再次優(yōu)化風(fēng)光功率指令。分析過程同理。

縱觀全過程，由圖5（g）和（h）可知，功率優(yōu)化后系統(tǒng)的電壓幅值和頻率在孤網(wǎng)以及并網(wǎng)時(shí)由于瞬時(shí)功率供需不平衡均發(fā)生小幅波動(dòng)，而后快速恢復(fù)，并保持穩(wěn)定；有功、無功功率經(jīng)短時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)后恢復(fù)平穩(wěn)。整個(gè)過程中電壓幅值和頻率的變化始終在允許范圍內(nèi)。網(wǎng)損與并網(wǎng)時(shí)持平。

4.2 孤網(wǎng)模式下投切負(fù)荷

當(dāng)3.0 s時(shí)切掉20 kW的一般負(fù)荷，5.6 s再重帶負(fù)荷。頻率和電壓的變化均在允許范圍內(nèi)。優(yōu)化后相對(duì)優(yōu)化前過渡平滑，運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

圖6 孤網(wǎng)模式下投切負(fù)荷的運(yùn)行結(jié)果Fig.6 Operation results when load changes during islanded mode

4.3 孤網(wǎng)模式下投切微源

在孤網(wǎng)運(yùn)行的模式下，3.0 s時(shí)切去光伏，原孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)其有功出力為20 kW，不發(fā)出無功。5.6 s時(shí)再重新并入孤網(wǎng)系統(tǒng)。優(yōu)化后亦相對(duì)優(yōu)化前過渡平滑，其運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。

圖7 孤網(wǎng)模式下投切光伏發(fā)電的運(yùn)行結(jié)果Fig.7 Operation results when PV is connected，disconnected and connected during islanded mode

5 結(jié)語

所建控制模型實(shí)現(xiàn)了不同模式下微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷和微源間供需平衡，并考慮了采用PQ控制的微源出力優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了平滑過渡并提高了其利用率。孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)本系統(tǒng)采用燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池作為主控單元，由于其容量以及調(diào)節(jié)能力的限制，微電網(wǎng)處于孤網(wǎng)運(yùn)行模式的時(shí)間不會(huì)太長，但這也與實(shí)際情況相符。在以提高微源利用率為目標(biāo)而出力優(yōu)化方面有待進(jìn)一步研究。

[1] 王凌，李培強(qiáng)，李欣然，等（Wang Ling，Li Peiqiang，Li Xinran，et al）.微電源建模及其在微電網(wǎng)仿真中的應(yīng)用（Modeling of micro-powers and its application in microgrid simulation）[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceed－ings of the CSU-EPSA），2010，22（3）：32-38.

[2]張建華，黃偉．微電網(wǎng)運(yùn)行控制與保護(hù)技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3] Pecas Lopes J A，Moreira C L，Madureira A G.Defining control strategies for analysing microgrids islanded operation[C]//IEEE Russia Power Tech，St.Petersburg，Russia：2005.

[4] Laaksonen H，Saari P，Komulainen R.Voltage and frequency control of inverter based weak LV network microgrid[C]//International Conference on Future Power Systems，Amsterdam，Netherlands：2005.

[5] 吳蓓蓓，蘇建徽，張軍軍，等（Wu Beibei，Su Jianhui，Zhang Junjun，et al）.用于微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的逆變電源控制方法（Control strategies of inverter in microgrid island operation）[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2011，23（1）：1-5.

[6] 馬力（Ma Li）.混合系統(tǒng)微網(wǎng)控制策略分析（Control strategy analysis of hybrid system in micro-grid）[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（6）：104-108.

[7] 王成山，肖朝霞，王守相（Wang Chengshan，Xiao Zhao xia，Wang Shouxiang）.微網(wǎng)綜合控制與分析（Synthetical control and analysis of microgrid）[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electric Power Systems），2008，32（7）：98-103.

[8]牟曉春，畢大強(qiáng)，任先文（Mou Xiaochun，Bi Daqiang，Ren Xianwen）.低壓微網(wǎng)綜合控制策略設(shè)計(jì)（Study on control strategies of a low voltage microgrid）[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electric Power Systems），2010，34（19）：91-96.

[9] Wang Yang，Lu Zongxiang，Min Yong.Analysis and comparison on the control strategies of multiple voltage source converters in autonomous microgrid[C]//IET International Conference on Developments in Power System Protection，Manchester UK：2010.

[10]姚瑋，陳敏，牟善科，等（YaoWei，Chen Min，Mou Shanke，et al）.基于改進(jìn)下垂法的微電網(wǎng)逆變器并聯(lián)控制技術(shù)（Paralleling control technique of microgrid inverters based on improved droop method）[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electric Power Systems），2009，33（6）：77-80，94.

[11]Tirumala R，Mohan N，Henze C.Seamless transfer of gridconnected PWM inverters between utility-interactive and stand-alone modes[C]//the 17th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition.Dallas，USA：2002.

[12]王贊，肖嵐，姚志壘，等（Wang Zan，Xiao Lan，Yao Zhilei，et al）.并網(wǎng)獨(dú)立雙模式控制高性能逆變器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（Design and implementation of a high performance utility-interactive inverter）[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSEE），2007，27（1）：54-59.

[13]裴瑋，李澍森，李惠宇，等（Pei Wei，Li Shusen，Li Huiyu，et al）.微網(wǎng)運(yùn)行控制的關(guān)鍵技術(shù)及其測試平臺(tái)（Key technology and testbed for microgrid operation control）[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electric Power Systems），2010，34（1）：94-98，111.

[14]楊占剛，王成山，車延博（Yang Zhangang，Wang Chengshan，Che Yanbo）.可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式靈活切換的小型微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（A small-scale microgrid system with flexible modes of operation）[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electric Power Systems），2009，33（14）：89-92，98.

[15]Li Yunwei，Kao Ching-Nan.An accurate power control strategy for power-electronics-interfaced distributed generation units operating in a low-voltage multibus microgrid [J].IEEE Trans on Power Electronics，2009，24（12）：2977-2988.

Microgrid Smooth Transition Based on the Power Optimization Control

ZHOU Xiao-yan1，LIU Tian-qi1，LI Yuan1，TANG Fan2，YUAN Yuan1
（1.School of Electrical and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；
2.Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China）

The voltage and frequency of distribution network will be affected as the access of distributed resources. Aiming at a microgrid composed of four different types of distributed sources，when it is connected with the distribution network，there are three operation modes：grid-connected mode，islanded mode and the mode-switch between the two modes.A microgrid control model with more realistic parameters is established.The simulation analysis of smooth transition of three cases is studied：switching microgrid operation modes，changing load during islanded mode，cutting and reconnecting one distributed source during islanded mode.The change of the power output of each distributed source，voltage and frequency of the AC bus in each case before and after the optimization are compared with each other.Simulation results show that the proposed power optimization control strategy is feasible and effective，and at the same time of achieving smooth transition，the rate of utilization of the distributed sources which are optimized can be improved.

microgrid；mode-switch；smooth transition；anti-slip control strategy；power optimization

TM727

A

1003-8930（2013）01-0148-07

周曉燕（1988—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化、分布式發(fā)電。Email：zhouxiaoyan.kyo@foxmail.com劉天琪（1962—），女，教授，博士生導(dǎo)師，IEEE會(huì)員，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析計(jì)算與穩(wěn)定控制、高壓直流輸電、調(diào)度自動(dòng)化；Email：tqliu@sohu.com

2011-09-13；

2011-10-28

李 媛（1980—），女，講師，研究方向?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電技術(shù)，分布式電源接入，電力系統(tǒng)電力電子技術(shù)。Email：13438126306@139.com