微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行的二級(jí)控制策略研究

黎金英，艾　欣

（1.綏和工業(yè)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，越南　綏和　56000；2.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　102206）

試驗(yàn)研究

微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行的二級(jí)控制策略研究

黎金英1，艾欣2

（1.綏和工業(yè)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，越南綏和56000；
2.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206）

由于低壓微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行受線路阻抗比值較大等因素的影響，采用傳統(tǒng)下垂控制的方法，將不能滿足低壓微電網(wǎng)控制的需求，且孤島微電網(wǎng)的頻率和電壓與主電網(wǎng)不同，并網(wǎng)前需進(jìn)行同步控制。在分析逆變器功率分配的基礎(chǔ)上，提出了分層控制方法；同時(shí)，根據(jù)微電網(wǎng)可以并網(wǎng)和孤島運(yùn)行的特性，分層控制包含2個(gè)層次。其中，二級(jí)控制（Secondary control）通過(guò)重新控制逆變器的輸出電壓幅值和頻率，使得微電網(wǎng)公共連接點(diǎn)處電壓和頻率的偏差在一定范圍內(nèi)。為了驗(yàn)證二級(jí)控制策略能使微電網(wǎng)可靠運(yùn)行，通過(guò)Matlab/Simulink仿真，對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行中各分布式電源的功率、電壓和頻率的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明微電源的二級(jí)控制策略的性能優(yōu)良。

分布式電源；微電網(wǎng)；下垂控制；二級(jí)控制；控制策略

0　引言

近年來(lái)，含有分布式電源（Distributed Generation，DG）的微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)配電網(wǎng)影響領(lǐng)域的研究被學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。從定義上說(shuō)，微電網(wǎng)包含了多種電氣設(shè)備，諸如儲(chǔ)能裝置、保護(hù)裝置、負(fù)荷以及新能源發(fā)電電源等［1］。這些電力設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行將對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的威脅［2］。這種影響與電力電子裝置的應(yīng)用、獨(dú)特的負(fù)荷特性和控制方式密切相關(guān)。另外，微電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題與主電網(wǎng)不同，有著自身的特點(diǎn)，因此對(duì)微電網(wǎng)電能質(zhì)量的評(píng)估、分析與主電網(wǎng)有所不同。微電網(wǎng)有兩種運(yùn)行方式：并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行。不管是并網(wǎng)運(yùn)行或者是孤島運(yùn)行，都需要對(duì)各自子單元進(jìn)行有效的電能質(zhì)量控制，其輸出電壓和頻率和幅值應(yīng)在一定范圍內(nèi)，電能質(zhì)量要到達(dá)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)［3-4］。文獻(xiàn)［5-8］提出了Microgrid中逆變器的下垂控制方法，通過(guò)分布式電源的電壓和頻率與所輸出的有功功率和無(wú)功功率之間的下垂特性來(lái)控制逆變器，該方法不需要建立實(shí)時(shí)的通信連接就能夠協(xié)調(diào)微電網(wǎng)中的多個(gè)DG，具有較好的應(yīng)用前景。

針對(duì)以上問(wèn)題，提出一種微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行的二級(jí)控制策略，采用改進(jìn)下垂控制的方法。利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真，結(jié)果表明微電源的二級(jí)控制（Secondary control）策略性能優(yōu)良。

1　基于初級(jí)控制的微電網(wǎng)控制策略

初級(jí)控制（Primary control）由改進(jìn)下垂控制、功率控制、電壓控制和電流控制與控制系統(tǒng)組成［9］，如圖1所示。

圖1　微電網(wǎng)的初級(jí)控制策略

1.1改進(jìn)下垂控制的方法

當(dāng)輸電線路為高壓線路時(shí)，線路為感性，傳統(tǒng)下垂控制器可以取得較好的效果，但是當(dāng)微電網(wǎng)為低壓微電網(wǎng)時(shí)，傳統(tǒng)下垂控制器的性能會(huì)受到很多的影響［10］。

在低壓微電網(wǎng)（Microgrid）中，線路電阻R不能忽略，P和Q對(duì)電壓（V）和頻率（f）的控制存在耦合關(guān)系。

在微電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行模式下，線路阻抗和微電網(wǎng)輸出阻抗Z不平衡，從而會(huì)影響無(wú)功功率控制的準(zhǔn)確性；在微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行模式下，由于電壓不平衡的存在會(huì)影響無(wú)功功率的分配。

針對(duì)上述問(wèn)題，如果用傳統(tǒng)下垂控制（Drop control）的方法，將不能滿足低壓微電網(wǎng)控制的需求，對(duì)此提出一種改進(jìn)下垂控制策略。改進(jìn)下垂控制可以表示為［11］：

式中：f為逆變器輸出的設(shè)定頻率；fo為逆變器輸出的額定角頻率；mp為頻率/有功功率特性系數(shù)；r為線路阻感比，r＝R/X；P、Q分別為逆變器實(shí)際輸出的有功、無(wú)功功率；Po、Qo分別為逆變器額定輸出的有功、無(wú)功功率；V為逆變器輸出的設(shè)定電壓；Vo為逆變器輸出的額定電壓；nq為電壓/無(wú)功功率特性系數(shù)。

1.2電壓電流環(huán)控制器

電壓電流環(huán)控制的數(shù)學(xué)模型可以表示為［12］：

電壓環(huán)控制器

式中：i*Ld和i*Lq分別為電感電流參考值的d軸和q軸分量；Cf為濾波電容；kpv和kiv分別為比例參數(shù)、積分參數(shù)。

電流環(huán)控制器

式中：kpc和kic分別為電流環(huán)PI控制中的比例增益系數(shù)和積分增益系數(shù)；v*id和v*iq分別為經(jīng)過(guò)調(diào)制后逆變器輸出電壓的d、q軸分量；Lf為濾波電感；iLd和iLq分別為iLdq的d、q軸分量。

2　微電網(wǎng)孤島和并網(wǎng)運(yùn)行的二級(jí)控制策略

Ritwik Majumder等人提出了采用相角下垂修改為頻率下垂的控制策略，以使均流效果更好，然后驗(yàn)證了常用相角下垂比頻率下垂的頻率偏差Δf明顯降低，但是該方法需要采集交流母線的相角信息（包括母線電壓相角和功率角），需要通信成本，在一般情況下只適合含有通信設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)［13］。

根據(jù)以上分析，微電網(wǎng)的二級(jí)控制要求有兩方面：微電網(wǎng)電壓和頻率的偏差補(bǔ)償控制可以得到電壓和頻率的穩(wěn)定；基于二級(jí)控制能夠確保主電網(wǎng)和微電源之間的同步，最大限度地減少影響微電網(wǎng)中分布式電源的系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素。

2.1微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的二級(jí)控制策略

根據(jù)改進(jìn)下垂控制的原理可知，頻率和有功功率相關(guān)，電壓和無(wú)功功率相關(guān)，頻率以及電壓的控制分別通過(guò)有功功率和無(wú)功功率的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。微電網(wǎng)中分布式電源初級(jí)控制通過(guò)對(duì)電壓幅值和頻率幅值進(jìn)行控制，但是這將會(huì)引發(fā)頻率偏差Δf和電壓偏差ΔV。為了補(bǔ)償微電網(wǎng)中分布式電源電壓和頻率的偏差造成的影響，引入了二級(jí)控制方法［14］。

式（1）和式（2）可以寫成式（5）和式（6）：

在二級(jí)控制中，將微電網(wǎng)中的分布式電源（微電源）輸出fMG和VMG，與其參考值f*MG和V*MG進(jìn)行比較，得到頻率偏差和電壓偏差分別為Δf、ΔV［15］。

1）頻率偏差Δf可以表示為

式中：kp_Δf和ki_Δf分別為二級(jí)控制補(bǔ)償器的控制參數(shù)。

2）電壓偏差ΔV可以表示為

式中：kp_Δv和ki_ΔV分別為二級(jí)控制補(bǔ)償器的控制參數(shù)。

由式（7）、式（8）可以得出，Δf和ΔV是頻率和電壓的最大允許偏差值。在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行系統(tǒng)中，取0.5 Hz為頻率的正常偏差。則K的取值應(yīng)滿足：

假設(shè)此時(shí)微電網(wǎng)電壓和主電網(wǎng)電壓相角相差π/2，則有：

由式（9）、式（10）可得，只要K取2，即可保證整個(gè)過(guò)程的系統(tǒng)頻率的偏差范圍在0.5 Hz以內(nèi)。

由式（7）和式（8）可得如圖2所示，二級(jí)控制的微電網(wǎng)中的分布式電源孤島運(yùn)行控制策略。

2.2微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的二級(jí)控制策略

圖3表示微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的二級(jí)控制策略?？梢钥闯?，由于存在正交的關(guān)系，當(dāng)微電網(wǎng)中的分布式電源電壓和主電網(wǎng)電壓一致時(shí)，vgdvod-vgdvoq＝0。通過(guò)PI控制器可以達(dá)到消除電壓偏差和頻率偏差。因此，微電網(wǎng)中分布式電源與主電網(wǎng)的同步頻率fsync可以表示為［17］：

圖2　二級(jí)控制的微電網(wǎng)孤島運(yùn)行控制策略

圖3　微電網(wǎng)并網(wǎng)的同步控制

式中：fsync為微電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的同步頻率。為了使同步頻率fsync補(bǔ)償來(lái)控制微電網(wǎng)中分布式電源頻率的偏差，頻率偏差Δf可以表示為

3　仿真分析

為了分析和研究分層控制算法的實(shí)際控制效果，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上搭建如圖4所示的分布式電源發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。系統(tǒng)的主電路參數(shù)：參考頻率f*MG＝fg＝50Hz，參考電壓V*MG＝Vg＝380 V；線路阻抗Z1＝0.18+j0.51 Ω，Z2＝0.12+j0.34 Ω；濾波電感Lf＝1.35mH，濾波電容Cf＝50μF，開關(guān)頻率為3kHz；負(fù)荷①的功率為P1＝14.5 kW，Q1＝8.7 kvar；負(fù)荷②的功率為P1＝10.5kW，Q1＝6.3kvar?？刂破鲄?shù)：電流內(nèi)環(huán)為kpc＝11.5，kic＝12×103；電壓外環(huán)為kpv＝0.5，kiv＝450；二級(jí)控制補(bǔ)償器的控制參數(shù)分別是kp_Δv＝0.6、kp_Δv＝25、kp_Δ f＝0.7、ki_Δ f＝13；PLL（鎖相環(huán)）分別為 kpsync＝110，kisync＝2 700。

圖4　系統(tǒng)仿真模型

3.1微電網(wǎng)孤島運(yùn)行二級(jí)控制策略

當(dāng)初級(jí)控制在微電網(wǎng)中運(yùn)行時(shí)（0.02～0.10 s），微電網(wǎng)輸出的有功功率和無(wú)功功率如圖5（a）和圖5 （b）所示。

圖5　微電網(wǎng)輸出的功率

由圖5可知，在t＝0.02 s之后，DG1輸出的功率分別為 14 kW、7.5 kvar，DG2輸出的功率分別為8 kW、4.7 kvar。0.02～0.10 s頻率和電壓的偏差造成的影響，如圖6（a）和圖6（b）所示。

圖6　微電網(wǎng)輸出的頻率和電壓

3.2微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的二級(jí)控制策略

微電網(wǎng)中的分布式電源和主電網(wǎng)的頻率和電壓波形如圖7（a）和圖7（b）所示。

由圖7可知，0.02～0.10 s微電網(wǎng)中分布式電源輸出的Δf、ΔV，如圖7（a）和圖7（b）所示。根據(jù)IEEE 1547—2008標(biāo)準(zhǔn)［18］，對(duì)于容量為0～500 kVA的DG進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)，允許Δf為±0.3Hz，允許ΔV為±10%。由圖7（a）和圖7（b）中的仿真結(jié)果可以看出，微電網(wǎng)中分布式電源f和V的偏差不超過(guò)IEEE 1547—2008標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的允許極限。在t＝0.10 s時(shí)刻后，微電網(wǎng)電壓控制方法可以在較短的調(diào)整時(shí)間內(nèi)迅速穩(wěn)定電壓，所提出的頻率穩(wěn)定控制方法可以使得電網(wǎng)頻率在并網(wǎng)后迅速恢復(fù)。

圖7　微電網(wǎng)輸出的頻率和電壓

4　結(jié)語(yǔ)

分析了DG接入后的微電網(wǎng)（Microgrid）對(duì)電壓和頻率的波動(dòng)影響?？紤]低壓微電源中線路呈阻感特性的情況，以解決微電網(wǎng)中的分布式電源電壓和頻率的偏差問(wèn)題。微電網(wǎng)中分布式電源的電能質(zhì)量控制是通過(guò)P和Q控制實(shí)現(xiàn)的。另外，控制系統(tǒng)也可以通過(guò)跟蹤系統(tǒng)功率指令參考值，自動(dòng)控制電壓與頻率位于額定值，以保證電壓源逆變器輸出的電壓與頻率穩(wěn)定?？紤]到分布式電源的輸出功率波動(dòng)問(wèn)題，在控制系統(tǒng)中加入二級(jí)補(bǔ)償控制。仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的有效性，使得系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。

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LE Kim Anh（黎金英）（1979），男，博士，主要研究方為分布式電源，電能質(zhì)量；

艾欣（1964），男，教授，主要研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)及微電網(wǎng)。

Research on Secondary Control Strategy of Grid-Connected Microgrids and Islanding Operation

LE Kim Anh1，AI Xin2

（1.Electrical and Electronic Engineering，Tuy Hoa Industrial College，Tuy Hoa 56000，Viet Nam；
2.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Due to the low voltage microgrid connection and island operation by line impedance ratio is larger，the influence of such factors as the traditional droop control method，will not be able to meet requirements of low voltage microgrid control.Furthermore，the voltage magnitude and frequency of islanded microgrid should be synchronized before grid-connection.Analysis of the inverter based on power allocation，moreover，according to the capability of the islanding and parallel operation of the microgrid，the hierarchical control is organized into two levels.Among them，the secondary control uses the output voltage magnitude and frequency fed back to the primary control to control the inverter，deviation at the point of common coupling（PCC）within a certain range.In order to verify the secondary control strategy in making the operation reliable，the simulation model of the microgrid is built in Matlab/Simulink，analyzed the power modes of the distributed generations，as well as the frequency and voltage changing rules.Simulation results show that the microgrid secondary control strategy of distributed power is in good performance.

distributed generation；microgrid；droop control；secondary control；control strategy

TM727

A

1007-9904（2016）01-0001-05

2015-09-20