微電網并網和孤島運行的二級控制策略研究

黎金英，艾　欣

（1.綏和工業學院電氣與電子工程學院，越南　綏和　56000；2.華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，北京　102206）

試驗研究

微電網并網和孤島運行的二級控制策略研究

黎金英1，艾欣2

（1.綏和工業學院電氣與電子工程學院，越南綏和56000；
2.華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，北京102206）

由于低壓微電網并網和孤島運行受線路阻抗比值較大等因素的影響，采用傳統下垂控制的方法，將不能滿足低壓微電網控制的需求，且孤島微電網的頻率和電壓與主電網不同，并網前需進行同步控制。在分析逆變器功率分配的基礎上，提出了分層控制方法；同時，根據微電網可以并網和孤島運行的特性，分層控制包含2個層次。其中，二級控制（Secondary control）通過重新控制逆變器的輸出電壓幅值和頻率，使得微電網公共連接點處電壓和頻率的偏差在一定范圍內。為了驗證二級控制策略能使微電網可靠運行，通過Matlab/Simulink仿真，對微電網運行中各分布式電源的功率、電壓和頻率的變化規律進行了分析。仿真結果表明微電源的二級控制策略的性能優良。

分布式電源；微電網；下垂控制；二級控制；控制策略

0　引言

近年來，含有分布式電源（Distributed Generation，DG）的微電網并網運行對配電網影響領域的研究被學術界廣泛關注。從定義上說，微電網包含了多種電氣設備，諸如儲能裝置、保護裝置、負荷以及新能源發電電源等［1］。這些電力設備的協同運行將對電網的電能質量產生一定的威脅［2］。這種影響與電力電子裝置的應用、獨特的負荷特性和控制方式密切相關。另外，微電網電能質量問題與主電網不同，有著自身的特點，因此對微電網電能質量的評估、分析與主電網有所不同。微電網有兩種運行方式：并網運行和孤島運行。不管是并網運行或者是孤島運行，都需要對各自子單元進行有效的電能質量控制，其輸出電壓和頻率和幅值應在一定范圍內，電能質量要到達相應的標準［3-4］。文獻［5-8］提出了Microgrid中逆變器的下垂控制方法，通過分布式電源的電壓和頻率與所輸出的有功功率和無功功率之間的下垂特性來控制逆變器，該方法不需要建立實時的通信連接就能夠協調微電網中的多個DG，具有較好的應用前景。

針對以上問題，提出一種微電網并網和孤島運行的二級控制策略，采用改進下垂控制的方法。利用Matlab/Simulink進行仿真，結果表明微電源的二級控制（Secondary control）策略性能優良。

1　基于初級控制的微電網控制策略

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

圖1　微電網的初級控制策略

1.1改進下垂控制的方法

當輸電線路為高壓線路時，線路為感性，傳統下垂控制器可以取得較好的效果，但是當微電網為低壓微電網時，傳統下垂控制器的性能會受到很多的影響［10］。

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

在微電網的并網運行模式下，線路阻抗和微電網輸出阻抗Z不平衡，從而會影響無功功率控制的準確性；在微電網的孤島運行模式下，由于電壓不平衡的存在會影響無功功率的分配。

針對上述問題，如果用傳統下垂控制（Drop control）的方法，將不能滿足低壓微電網控制的需求，對此提出一種改進下垂控制策略。改進下垂控制可以表示為［11］：

式中：f為逆變器輸出的設定頻率；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；r為線路阻感比，r＝R/X；P、Q分別為逆變器實際輸出的有功、無功功率；Po、Qo分別為逆變器額定輸出的有功、無功功率；V為逆變器輸出的設定電壓；Vo為逆變器輸出的額定電壓；nq為電壓/無功功率特性系數。

1.2電壓電流環控制器

電壓電流環控制的數學模型可以表示為［12］：

電壓環控制器

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、積分參數。

電流環控制器

式中：kpc和kic分別為電流環PI控制中的比例增益系數和積分增益系數；v*id和v*iq分別為經過調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　微電網孤島和并網運行的二級控制策略

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備的網絡［13］。

根據以上分析，微電網的二級控制要求有兩方面：微電網電壓和頻率的偏差補償控制可以得到電壓和頻率的穩定；基于二級控制能夠確保主電網和微電源之間的同步，最大限度地減少影響微電網中分布式電源的系統穩定性的因素。

2.1微電網孤島運行的二級控制策略

根據改進下垂控制的原理可知，頻率和有功功率相關，電壓和無功功率相關，頻率以及電壓的控制分別通過有功功率和無功功率的調節實現。微電網中分布式電源初級控制通過對電壓幅值和頻率幅值進行控制，但是這將會引發頻率偏差Δf和電壓偏差ΔV。為了補償微電網中分布式電源電壓和頻率的偏差造成的影響，引入了二級控制方法［14］。

式（1）和式（2）可以寫成式（5）和式（6）：

在二級控制中，將微電網中的分布式電源（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分別為二級控制補償器的控制參數。

2）電壓偏差ΔV可以表示為

式中：kp_Δv和ki_ΔV分別為二級控制補償器的控制參數。

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。在微電網孤島運行系統中，取0.5 Hz為頻率的正常偏差。則K的取值應滿足：

假設此時微電網電壓和主電網電壓相角相差π/2，則有：

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

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

2.2微電網并網運行的二級控制策略

圖3表示微電網并網運行的二級控制策略。可以看出，由于存在正交的關系，當微電網中的分布式電源電壓和主電網電壓一致時，vgdvod-vgdvoq＝0。通過PI控制器可以達到消除電壓偏差和頻率偏差。因此，微電網中分布式電源與主電網的同步頻率fsync可以表示為［17］：

圖2　二級控制的微電網孤島運行控制策略

圖3　微電網并網的同步控制

式中：fsync為微電網與主電網之間的同步頻率。為了使同步頻率fsync補償來控制微電網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際控制效果，在Matlab/Simulink仿真平臺上搭建如圖4所示的分布式電源發電系統的仿真模型。系統的主電路參數：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，開關頻率為3kHz；負荷①的功率為P1＝14.5 kW，Q1＝8.7 kvar；負荷②的功率為P1＝10.5kW，Q1＝6.3kvar。控制器參數：電流內環為kpc＝11.5，kic＝12×103；電壓外環為kpv＝0.5，kiv＝450；二級控制補償器的控制參數分別是kp_Δv＝0.6、kp_Δv＝25、kp_Δ f＝0.7、ki_Δ f＝13；PLL（鎖相環）分別為 kpsync＝110，kisync＝2 700。

圖4　系統仿真模型

3.1微電網孤島運行二級控制策略

當初級控制在微電網中運行時（0.02～0.10 s），微電網輸出的有功功率和無功功率如圖5（a）和圖5 （b）所示。

圖5　微電網輸出的功率

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　微電網輸出的頻率和電壓

3.2微電網并網運行的二級控制策略

微電網中的分布式電源和主電網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微電網中分布式電源輸出的Δf、ΔV，如圖7（a）和圖7（b）所示。根據IEEE 1547—2008標準［18］，對于容量為0～500 kVA的DG進行并網時，允許Δf為±0.3Hz，允許ΔV為±10%。由圖7（a）和圖7（b）中的仿真結果可以看出，微電網中分布式電源f和V的偏差不超過IEEE 1547—2008標準所規定的允許極限。在t＝0.10 s時刻后，微電網電壓控制方法可以在較短的調整時間內迅速穩定電壓，所提出的頻率穩定控制方法可以使得電網頻率在并網后迅速恢復。

圖7　微電網輸出的頻率和電壓

4　結語

分析了DG接入后的微電網（Microgrid）對電壓和頻率的波動影響。考慮低壓微電源中線路呈阻感特性的情況，以解決微電網中的分布式電源電壓和頻率的偏差問題。微電網中分布式電源的電能質量控制是通過P和Q控制實現的。另外，控制系統也可以通過跟蹤系統功率指令參考值，自動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定。考慮到分布式電源的輸出功率波動問題，在控制系統中加入二級補償控制。仿真結果驗證了控制策略的有效性，使得系統電壓和頻率穩定在合理范圍內。

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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，電能質量；

艾欣（1964），男，教授，主要研究方向為新能源電力系統及微電網。

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