基于下垂策略的微電網雙模式運行控制

朱桃蘭，王倩，黃付順

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

基于下垂策略的微電網雙模式運行控制

朱桃蘭，王倩，黃付順

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

微電網孤島和并網模式切換時，為了減小對大電網和微電網造成的沖擊，提出同步并網控制方法。在采用P-f和Q-V下垂控制策略的基礎上，設計了同步并網控制流程。根據電網和微電網輸出的電壓進行同步調節，使得兩者的電壓幅值差、頻率差和相角差滿足并網要求，以實現微電網在孤島和并網兩者模式之間的平滑切換。最后，在Matlab/Simulink仿真軟件中建立微電網運行控制模型。仿真結果表明，所提出的方法實現了微電網在兩種模式之間的平滑切換和在雙模式下的穩態運行。

微電網；下垂控制；同步并網控制；模式切換

1 引言

微電網是一個由負荷、微電源及儲能裝置在電網用戶終端互聯組成、能夠實現自我控制、保護和管理的局部發配電系統[1-2]，通過一個公共連接點(point of common coupling，PCC)與大電網相連。微網的控制策略決定其在并網和孤島兩種模式下的運行情況，并影響模式切換[3-4]。下垂控制法(Droop)是無聯絡信號線獨立控制技術，只需要采集各逆變器的輸出、依賴其內部控制策略，即可實現并聯多逆變器的同步、均流運行。

當微網處于孤島運行時，采用下垂控制保證了微網系統電壓和頻率的穩定，實現有功和無功功率的合理分配[5]。微電網采用下垂控制也能夠實現輸出電壓與大電網同步，從而實現微網由孤島向并網的無縫切換[6-10]。文獻[7-8]同時考慮了電壓幅值差和相角差的影響，利用PI控制實現了微電網電壓幅值和相角同步。其中文獻[7]只分析了單個DG采用下垂控制，而另一臺DG采用PQ控制，無法驗證下垂控制在多臺DG間均分功率的特性。文獻[9]提出先進行頻率同步，在實現頻率同步的基礎上再進行相角同步，同步并網后微電網需要將DG的控制策略由下垂控制切換成電流控制模式。微電網工作在不同模式，DG內部控制策略也隨之改變，會對微電網內部產生沖擊。文獻[10]只分析了由孤島向并網切換時的系統穩定，沒有分析由并網切換至孤島時的系統穩定性以及下垂控制的有效性。

本文在上述工作基礎上,提出微電網同步并網控制方法。為了避免電網和微電網的電壓不同步引起沖擊電流，采用同步并網控制器，設計同步的順序流程，實現電壓幅值、頻率和相角與大電網同步。微電網模式切換時，不需要改變DG內部的控制策略，更易實現平滑并網。

2 微網結構

本文分析的微電網結構包含兩臺可控型微電源DG1和DG2，如圖1所示。

圖1 微電網結構

DG1和DG2分別通過線路阻抗Zline1、Zline2并聯運行，負荷1和負荷2分別為DG1和DG2的本地負荷，負載3為連接在公共母線上的負荷；微電網通過公共連接點PCC處的開關與公共電網并網，當并網開關閉合或斷開時微電網分別工作在并網或孤島模式下。當配電網出現故障或短時停電時，CB3斷開，微電網孤島運行并負責為公共母線上的負荷3供電。

3 DG結構和控制設計

假設直流側電壓基本恒定，微電源的等效電路結構如圖2所示。其中Vdc表示等效的直流源。

圖2 DG控制電路

3.1 下垂控制原理分析

下垂控制通過模擬傳統電網中的有功、頻率特性曲線和無功、電壓曲線，實現電壓、頻率的自動調節，并且無須借助于通信[11]。

逆變器的下垂控制式為：

(1)

式中：f和V分別為下垂特性計算后的頻率和電壓；P和Q為輸出有功功率和無功功率；f0、V0分別為頻率和電壓的額定值；P0、Q0分別為額定有功功率和無功功率；m和n分別為有功功率和無功功率的下垂系數。

假設額定無功功率設置為0，根據式(1)可以得到圖3所示下垂控制特性曲線。

圖3 P-f和Q-V下垂特性曲線

根據圖3所示的下垂特性圖，有功功率和無功功率的下垂系數m和n可以設置為[7]：

(2)

式中：Pman為DG允許輸出的最大有功功率，fmax、fmin分別為系統允許最大和最小頻率，Qmax為DG允許發出或吸收的最大無功功率，Vmax、Vmin分別為系統允許的最大和最小電壓。

采用下垂控制，每臺DG通過檢測自身的輸出有功功率和無功功率，自動調節自身輸出電壓的幅值、頻率和相位，最終實現系統中各個模塊單元間負載功率的分配，以達到功率的均分。

3.2 下垂控制器設計

水稻立枯病是水稻育苗期間發生普遍、危害嚴重的病害，輕者點片發生，重者毀床。由于病原菌種類，為害時期和發病環境不同，立枯病有芽腐、針腐、黃枯和青枯四種類型。最常見的是黃枯型和青枯型。黃枯多發生于二葉期前后，癥狀是早晨觀察葉尖不吐水，以后萎蔫枯黃，心葉卷曲。初期莖基變褐，根毛稀少暗白，以后逐漸發銹變褐，莖基軟化，拔取心葉時易與莖基部脫離。青枯屬于生理性病害，多發生于三葉期前后。在低溫、陰雨之后，天氣驟睛、升溫之時特別容易發病。主要病癥是，病苗葉尖不吐水，心葉及上部葉片“打綹”呈針狀，顏色青灰，最后整株枯萎致死。防治立枯病，必須預防為主，綜合防治，打總體戰。

圖4 下垂控制器結構框圖

下垂控制器包括功率測量模塊、下垂特性方程模塊和電壓電流雙閉環控制模塊[12-13]。本文設計的下垂控制器如圖4所示。采集三相電壓和三相電流信號，經過下垂控制器后形成SPWM調制信號，驅動IGBT的開斷，從而實現對逆變器的控制。

根據式(1)可以得到下垂控制環，圖5為下垂特性方程模塊的模型。

圖5 下垂特性控制模塊

4 并網同步模塊

由下垂特性可知，當DG帶負載工作在孤島模式時，其輸出電壓的幅值和頻率可能會偏離額定值，微電網輸出的電壓和電網輸出的電壓也會存在差異。當并網點兩端的電壓不同步，微電網與電網并網的瞬間將對電網造成沖擊。所以，并網前必須使得并網點兩端的電壓幅值、頻率和相角盡可能接近，以減小并網過程對電網造成的電流沖擊以及微電網內部存在的暫態過程。只有當電壓、頻率和相角三者都滿足并網時的同步參數限制時，微電網才能與大電網并網[14]。

微電網由孤島模式向并網模式切換時，相角差對并網造成的影響最大，頻率差其次，電壓幅值差頻率差其次，電壓幅值差的影響最小。此外，相角差的影響要遠遠大于電壓差和頻率差對其造成的影響[15-16]。

4.1 同步并網控制流程設計

啟動同步控制器后，電網和微電網輸出的三相電壓經過鎖相器PLL，計算出兩者的電壓幅值、頻率和相角。

圖6 同步并網控制流程圖

本文根據上述電壓差、頻率差和相角差對并網的影響度，設計同步并網控制的順序，實現微電網平滑并網。同步并網就是對微電網和大電網的電壓幅值、頻率和相角進行檢測，并將壓差、頻差和角差控制在規定的范圍內。只有當三個同步條件都滿足并網條件的時刻，才能閉合并網開關。根據IEEE 1547標準[17]和本文分析的微電網容量情況，設計圖6所示同步并網控制流程圖。

4.2 電壓、頻率和相角同步

同步并網控制中，DG的電壓和頻率的PI同步控制式為：

(3)

(4)

式中：Ug、fg表示大電網的電壓幅值、頻率；Upcc、fpcc表示微電網的公共連接點PCC端的電壓幅值、頻率。同步控制時，將Δfsyn、ΔUsyn分別疊加下垂控制式(1)中的頻率和電壓參考值f0、V0上。

當頻率不同步時，會導致相角差不停地變化。為了穩定相角差，必須先按照式(4)實現頻率的同步。當頻率穩定后，相角差就會固定。為了避免通過調節頻率來消除相位差影響頻率同步的結果，當頻率同步完成后，斷開頻率同步的PI控制環，頻率的補償值變為：

(5)

(6)

5 仿真分析

為了驗證上述理論的正確性，本文利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建了包含兩臺DG的微電網模型。本節的仿真中，DG1和DG2的本地負荷均為6000W，電網側負荷包含有功負荷8000W和無功負荷2000Var。

5.1 微網由孤島切換至并網運行

微電網運行于孤島模式，啟動并網同步控制器后，同步控制器根據電網和微電網公共連接處輸出的電壓進行同步控制調節。當電壓幅值、頻率和相角滿足并網條件后，才閉合并網開關。圖7為微電網由孤島切換至并網運行的仿真情況。

圖7 微網由孤島切換至并網過程的仿真波形

仿真波形可以看出，同步并網過程中微網電壓和電網電壓之間的相位差不斷縮小，兩者在0.47s左右實現完全同步，PCC處并網開關閉合信號置1，微網逆變器由孤島模式轉入并網模式運行。

DG1和DG2在孤島時分別擔負各自的本地負荷的供電，均輸出6000W功率。微電網并網后，DG1和DG2按照各自的額定功率，輸出8000W有功功率，其余缺額負荷功率均由大電網承擔。運行模式切換瞬間，微網逆變器輸出電壓沒有發生突變，也沒有產生大的并網電流沖擊，系統實現了由孤島模式到并網模式的平滑切換。

5.2 微網由并網切換至孤島運行

微電網在并網模式穩態運行后，當大電網發生故障短時停電時，微電網和大電網斷開連接，形成孤島運行。仿真設置在1s時，微電網與大電網斷開。微電網進入非計劃孤島后，除了給本地負荷供電，還需要給公共端的負荷供電[18]。圖8為微電網由并網切換至孤島運行的仿真情況。

圖8 微網由并網切換至孤島過程的仿真波形

由圖8的仿真波形可以看出，電網的側的輸出電流在1s之后變為0，表示微電網與大電網斷開，進入孤島運行模式。微網由并網模式切換到孤島模式運行以后，失去了大電網的支撐，基于下垂控制的微網逆變器輸出呈現電壓源特性，繼續支撐微網的運行。

微網進入孤島模式運行后，DG1和DG2除了負擔各自6000W的負荷外，還要均分公共母線上的負荷，每臺DG平均分擔4000W的有功負荷和1000Var的無功負荷。這驗證了下垂控制功率均分的特性。此外，在并網運行時，微電網的頻率和大電網的頻率(50Hz)一致。進入孤島運行，每臺DG的輸出功率大于其額定功率，由于下垂特性的作用，微網的頻率降低為49.95 Hz。

6 結論

本文采用下垂控制策略，實現含多臺DG的微網穩定運行。為了消除微網和電網的電壓幅值差、頻率差和相角差，本文根據三者對并網的影響度設計同步控制順序，采用并網同步控制，實現了微電網由孤島向并網的平滑切換。同樣，本文的控制方法也適用于實現微網由并網向孤島的平滑切換。通過仿真實驗，結果表明該控制方法能夠有效實現微電網在雙模式下的運行，并且能夠實現微電網在并網和孤島兩種模式之間的平滑切換，具有良好的動態和穩態特性。

[1] Lasseter.Microgrids[A].In:IEEE Power Engineering Society Winter Meeting,New York[C]. USA,2001,l:146-149.

[2] Sanchez M.Overview of microgrid research and development activities in the EU[A].In:Montrealsym Posiumon Microgrids[C].2006,l:355-361.

[3] 歐陽翚,牛銘.基于不同控制策略的微網仿真[J].電網與清潔能源,2011,27(3):19-24.

[4] 劉龍舞,張捍東,董克龍.微網控制技術研究綜述[J].電工電氣,2012,(2):1-6.

[5] 張明銳,杜志超,黎娜,等.高壓微網孤島運行時頻率穩定控制策略研究[J].中國電機工程學報,2012,32(25):20-26.

[6] 李培強,劉志勇,李欣然,等.應用綜合控制策略的微電網建模與仿真[J].高電壓技術,2011,37(10):2356-2362.

[7] 張純.微網雙模式運行的控制策略研究[D].重慶:重慶大學,2011.

[8] 王成山,高菲,李鵬,等.低壓微網控制策略研究[J].中國電機工程學報,2012,32(25):2-8.

[9] Jin Cheng,Gao Mingzhi,Lv Xiaofeng,et al. A Seamless Transfer Strategy of Islanded and Grid-connected Mode Switching for Microgrid based on Droop Control[A].In:IEEE Energy Conversion Congress and Exposition[C].2012:969-973.

[10] Tine L. Vandoorn,Bart Meersman,Jeroen D. M. De Kooning,et al. Transition From Islanded to Grid-Connected Mode of Microgrids With Voltage-Based Droop Control[J].IEEE Transactions on Power Systems,2013,28(3):2545-2553.

[11] 牟曉春,畢大強,任先文.低壓微網綜合控制策略設計[J].電力系統自動化,2010,19(34):91-96.

[12] 黃小榮,陳鳴,陳方林.微網運行模式及控制策略研究[J].華東電力,2012,40(5):798-801.

[13] 王成山,肖朝霞,王守相.微網綜合控制與分析[J].電力系統自動化,2008,32(7):98-103.

[14] 楊志淳,樂健,劉開培,等.微電網并網標準研究[J].電力系統保護與控制,2012,40(2):66-71.

[15] 王先為,卓放,楊美娟.交直流微網PCC無縫切換控制策略研究[J].電力電子技術,2012,46(8):1-3.

[16] 李興旺,鄭競宏,劉鵬飛,等.微電網帶負荷并網的平滑切換條件及控制策略[J].黑龍江電力,2012,34(1):62-65.

[17] Standard Coordinate Committee 21.IEEE 1547 IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems[R].New York:Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc,2003.

[18] 張中鋒.微網逆變器的下垂控制策略研究[D].南京:南京航天航空大學,2013.

Micro-grid Dual Mode Operating Control Based on Drooped Strategy

ZHUTao-lan,WANGQian,HUANGFu-shun

(College of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610000,China)

In order to reduce the impact on grid and micro-grid when the micro-grid changes operating mode,a synchronization control strategy is proposed.The droop control based on P-f and Q-v characteristics is applied,and a synchronization control process is designed.To enable a smooth transition between the island and grid-connected mode of micro-grid,this paper makes the voltage magnitude difference,frequency difference and phase angle difference between grid and micro-grid to meet the grid-connecting requirements by adjusting their output voltage.Finally,an operation and control mode is established in Matlab/Simulink simulation software.Simulation results show that a smooth switching between two modes and a steady operation in dual-mode are realized by the proposed method.

micro-grid;drooped control;grid-connecting synchronization control;mode transition

1004-289X(2015)02-0031-05

TM72

B

2014-03-14

朱桃蘭(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：微電網運行與控制； 王倩(1962-)，女，教授，碩士生導師，研究方向：電力系統調度自動化； 黃付順(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：分布式電源運行優化。