適應負荷特性變化的微電網孤島運行控制策略研究

周志鋼，鐘 顯，朱立銘，肖 瑛

(1.國網潛江供電公司，湖北 潛江 433100；2.國網常德供電公司，湖南 常德 415000；3.國網上海市區供電公司，上海 200434)

微電網中DG的逆變器作為保證電能高效、穩定輸出的關鍵環節，DG輸出必須通過并網逆變器將電能輸送到電網，因此對逆變器的控制策略的研究具有重要理論和現實意義[1-5]。

微電網含有多種類型的DG，不同DG單元在微電網運行時所發揮的作用不同，進而使得DG逆變器控制策略也有所區別[6-9]。微電網存在孤島和并網兩種運行模式，并網運行時微電網只需平衡必要的負荷功率需求，對此本文只針對微電網在孤島運行模式下基于DG逆變器主從控制的系統穩定和帶負載能力展開討論。

1 微電網系統結構分析

本文以風力發電機組、光伏電池和儲能蓄電池組成的微電網系統作為研究對象，其中：儲能蓄電池作為微電網的主電源，在其孤島運行時通過主逆變器采用V/f控制維持微電網的電壓和頻率穩定于額定值，并網運行時切換到PQ控制維持微電網和配電網的負荷功率需求；風力發電機組和光伏電池由于其隨機性，采用PQ控制實現最大功率跟蹤維持微電網關鍵負荷功率的需求，孤島模式下微電網的系統結構框圖如圖1所示。

圖1 微電網系統結構控制框圖

2 逆變器主從控制策略分析

DG逆變器控制策略一般采用恒定功率(PQ)控制、對等控制、下垂(droop)控制、恒壓頻比(V/f)控制，但是在實際應用中普遍采用PQ控制和V/f控制策略，兩種控制策略依據DG逆變器的應用場合以及在微電網系統中的作用進行選擇，在此基礎上對PQ控制和V/f控制策略進行詳細分析。

2.1 PQ控制

基于PQ控制的DG逆變器輸出的功率P和Q依據主控系統發出功率指令值進行動態跟蹤輸出，保證微電網系統負荷的功率需求。DG逆變器的主電路包括整流、逆變和濾波三個環節，PQ控制器包含功率測量模塊、PQ控制模塊、鎖相環和PWM脈寬調制模塊。功率測量模塊通過電壓電流傳感器并經濾波后獲得輸出電壓電流信號計算出輸出功率，結合坐標變換法和前饋補償實現功率的獨立解耦控制。解耦所得的實際輸出功率與系統功率指令值作差比較后經電壓電流雙閉環控制獲得調制電壓，再經PWM調制解調環節產生三相逆變橋IGBT驅動信號?；赑Q控制的DG逆變器控制框圖如圖2所示。

圖2中udc為直流電源，Lf和Cf表示濾波器電感和電容，usabc是逆變器輸出電壓，isabc是逆變器輸出電流，Pref和Qref為PQ控制器的系統有功功率和無功功率指令值。

DG逆變器輸出電壓us和輸出電流is經坐標變換得到usd、usq和isd、isq，其輸出的P和Q為

(1)

由于基于風電和光伏的DG逆變器的輸出端與微電網公共交流母線相連，輸出電壓受母線電壓鉗制，因此其輸出電壓us定向于同步旋轉坐標系下的d軸，使得us=usd，usq=0,式(1)可以化簡為

(2)

2.2 V/f控制

基于V/f控制的DG逆變器一般作為微電網的主逆變器，建立微電網的系統電壓和頻率，適當補充關鍵負荷的功率缺額。V/f控制器包含功率控制和電壓電流雙閉環控制兩個模塊，功率控制模塊通過瞬時輸出功率與系統功率指令值作差比較后乘以相應的系數獲得電壓和頻率偏差，再與系統電壓和頻率參考值疊加，經PI調節器得到電壓外環的輸入電壓參考值。電壓電流雙閉環控制模塊：實際輸出電壓與參考電壓作差比較后，經PI調節器得到電流內環的參考值，再與實際電流值比較之后經PI調節器形成控制信號，最后經過PWM調制后產生逆變器的脈沖觸發信號?；赩/f控制的DG逆變器控制框圖如圖3所示。

圖3 基于V/f控制的DG逆變器控制框圖

在低壓輸電系統中R遠大于X，若X忽略不計，則DG逆變器輸出阻抗近似表示為Z≈R，其輸出的有功功率和無功功率表達式為

(3)

3 算例分析

首先，在Matlab/Simulink環境下建立基于風/光/儲DG的微電網仿真模型如圖4所示，DG逆變器采用V/f和PQ主從控制策略，驗證孤島模式下微電網的運行特性。其中DG1和DG3代表環境依賴程度高的風電和光伏電源，其逆變器采用PQ控制實現最大功率輸出；DG2代表以儲能蓄電池為主的電源，孤島模式下其逆變器采用V/f控制建立系統電壓和頻率。

圖4 微電網仿真拓撲結構

在微電網的本地負荷功率波動時負荷電流、微電網公共交流母線電壓和頻率的仿真波形結果如圖5所示，設定本地負荷功率在0～1.5 s為11 kW，在1.0～3.6 s時段變化為15 kW，在3.6～5.0 s時段變化為10 kW。

(a)本地負荷功率波形

(b)負荷電流波形

(c)微電網系統頻率

(d)微電網公共母線電壓(PCC點電壓)圖5 微電網負荷波動時仿真波形

仿真結果表明：圖5(a)表明微電網負荷功率在0～1.5 s負荷功率為11 kW，1.5～3.6 s負荷功率為15 kW，3.6～5.0 s負荷功率為10 kW；圖5(b)表明微電網輸出的負荷電流在1.5 s和3.6 s時刻跟隨功率變化而波動；圖5(c)表明微電網系統頻率穩定在50 Hz，在1.5 s時下降到49.83 Hz，在3.6 s時增加到50.18 Hz，隨后很快穩定與50 Hz；圖5(d)表明微電網公共交流母線電壓穩定于額定值附近，不受其負荷功率波動的影響，為穩定系統電壓和頻率提供了保證。基于上述仿真結果的分析，DG逆變器采用主從控制，在微電網負荷功率波動時維持了系統電壓和頻率的穩定，跟蹤補償了關鍵負荷的功率缺額。

其次對所建立的基于風/光/儲DG的微電網試驗平臺在孤島模式下運行特性進行測試，試驗平臺如圖6所示。由于微電網孤島模式下接入阻感性負載時能穩定運行，則在接入阻性或者感性負載也能穩定運行，微電網空載運行和阻感性負載時輸出的負荷電壓和電流的示波器測試波形如圖7所示。

測試波形結果可以看出：空載運行時，圖7(a)中的微電網PCC點處的相電壓輸出波形正常且幅值保持311 V，空載電壓無振蕩表明微電網系統穩定，同時空載時無負載電流輸出為零。微電網帶阻感性負載時，圖7(b)中輸出相電壓和圖7(c)中輸出負載電流的波形出現了一定的振蕩及波動現象，電壓和電流存在一定的相位差，但是這種波動都在合理范圍內，不影響微電網孤島模式下帶負載穩定運行。

圖6 風/光/儲微電網試驗平臺

(a)空載時PCC點電壓波形

(b)帶阻感性負載時PCC點電壓波形

(c)帶阻感性負載時負載電流波形圖7 微電網試驗平臺測試波形

4 結論

本文針對微電網孤島運行模式下負荷特性變化對系統穩定運行的影響，提出了基于V/f和PQ控制的DG逆變器主從控制策略。

a. 負荷大小波動時，采用V/f控制的DG逆變器使得微電網PCC點電壓和頻率穩定于額定值附近，采用PQ控制的DG逆變器跟蹤補償負荷功率需求。

b. 負荷類型變化時，微電網接入阻感性負荷時微電網PCC點頻率穩定，電壓和輸出負載電流雖有振蕩但在穩定運行允許范圍內。通過仿真和試驗驗證了所提出控制策略的正確性、有效性。

[1] 陳 新，姬秋華，劉 飛.基于微網主從結構的平滑切換控制策略[J].電工技術學報，2014.29 (2):164-167.

[2] Liu Zeng, Liu Jinjun.A Unified Control Strategy for Three-Phase Inverter in Distributed Generation [J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2014.29 (3): 1 176-1 188.

[3] 李振坤，周偉杰，紀 卉，等.主從控制模式下有源配電網供電恢復研究[J].電網技術，2014.38(9):2 576-2 580.

[4] Sarina Adhikari, Li Fangxing.Coordinated V-f and P-Q Control of Solar Photovoltaic Generators With MPPT and Battery Storage in Micro-grids [J].IEEE Transactions on Smart Grid, 2014.5 (3): 1 270-1 278.

[5] Xian ZHONG, Yanfang FAN, et al.Study on LVRT Coordinate Control Strategy of DFIG when Considering Non-rotor Side Crowbar Protection [J].Journal of Computational Information Systems, 2015, 11(18): 6 747-6 757.

[6] Sunjae Yoon and Junbum Kwon.Indirect Current Control for Seamless Transfer of Three-Phase Utility Interactive Inverters [J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2011.35 (4): 625-631.

[7] 魯宗相，王彩霞，閡 勇，等.微電網研究綜述[J].電力系統自動化，2007, 31(19):100-107.

[8] 李 軍，許嘉寧，孫志強，等．微電網主從控制建模與仿真[J].南京工程學院學報(自然科學版)，2012，10 (3):16-22.

[9] Sarina Adhikari, Fangxing Li.Coordinated V-f and P-Q Control of Solar Photovoltaic Generators With MPPT and Battery Storage in Microgrids[J]．IEEE Transactions on Smart Grid，2014，5 (3)：1 270-1 281．