孤島模式下混合微電網改進下垂控制

王樹東 ，邱進亮 ，丁 汀 ，黃 濤 ，酒 康

（1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，蘭州 730050；2.甘肅省工業過程先進控制重點實驗室，蘭州730050；3.蘭州理工大學 電氣與控制工程國家級實驗教學示范中心，蘭州 730050；4.中國市政工程西北設計研究院，蘭州 730050；5.78156部隊，蘭州 730050）

在現代微電網中，電力電子接口的部署可以集成不同類型的分布式發電裝置DG（distributed generation）為所連接的負載供電，使電網獲得了更好的可控性和電能質量的提高[1]。交流微電網AC-MG具有利用現有交流電網基礎設施的優勢，但需要復雜的控制策略以保證系統的穩定性。直流微電網DC-MG相比與AC-MG，一方面提高了效率、可靠性、安全性、冗余度，并降低了成本[2]，另一方面無功功率以及頻率控制的消除使直流微電網控制簡單。針對分布式電源、儲能裝置和負載的各自特點，具備交/直流微電網各自優點的交直流混合微電網具有良好的發展前景[3-4]。

目前，已經對混合微電網的規劃、潮流、穩定性和電能質量進行了大量的研究，然而對互聯變流器IC的控制方法研究較少。IC的控制策略主要有集中式和分散式2種。集中式控制策略所需數據通過寬帶通信鏈路傳送到控制中心。但是基于通信基礎設施的控制方法會導致成本的提高和系統可靠性的降低，從而阻礙了集中式方法的實際運行。相反，在AC-MG和DC-MG中以分散的方式單獨控制變量具有成本低，易于擴展等優勢，最典型的分散式控制策略是下垂控制[5]。

文獻[6-8]中AC-MG均采用P-f下垂特性，而該控制策略只有在假設負載和電源之間的互連阻抗是純感性時才有效。對此，文中提出一種混合AC/DC微電網的電壓和頻率控制的改進方法。

1 微電網的控制

混合微電網的典型結構如圖1所示。IC將2個微電網連接在一起并調節著子網間的雙向功率流動。當交流微電網的功率過剩，有功功率可以從交流子網流向直流子網，反之亦然。IC不僅可以控制AC-MG和DC-MG之間的有功功率傳輸，還可以為AC-MG提供無功功率。

圖1 混合微電網的典型結構Fig.1 Typical structure of hybrid microgrid

1.1 AC-MG的控制

文獻[9]建立了基于傳統下垂特性的控制策略控制MG中的每個電源。如圖2所示，以交流電源形式表示電壓源逆變器 VSI（voltage source inverter），連接互連阻抗，終端電壓為V∠0，有功功率、無功功率流為

式中：Pac，i和 Qac，i分別為第 i個交流電源產生的有功功率、無功功率。E∠δ為由VSI產生的電壓幅值和相位角；Z∠θ為線路阻抗的大小和相位角。

圖2 連接到VSI的線路功率流Fig.2 Line power flow connected to VSI

考慮到線路阻抗相位角的不同，可以采用不同的下垂控制。在架空線路的情況下，線路阻抗幾乎為一個純感性負載，θ＝90°，因此采用P-f和Q-V下垂控制，有功功率影響系統頻率，無功功率影響電壓幅值。而在低壓電纜中，相角θ接近于零，該線路幾乎為電阻性線路[10]，宜采用P-V和Q-f下垂控制。故文中提出 P-Uac，P和 Q-Uac，Q下垂控制策略。 Uac，P和Uac，Q分別定義為交流微電網單位化有功、無功功率控制指數。電壓和頻率信號的單位化可根據下列公式得到：

式中：fac，pu，Vac，pu分別為AC-MG單位化頻率標幺值、電壓；Umax為允許電壓最大值； fac，max為頻率允許最大值；fac和Vac分別為交流側頻率、電壓；Δ f為頻率允許變化范圍；ΔU為電壓允許變化范圍；Vdc，pu為DC-MG單位化電壓標幺值；Vdc為直流側電壓。

根據AC-MG中的電源，提出現有電源的最大發電功率比來確定有功和無功功率調度。傳統下垂控制公式為

改變下垂系數 KP，i和 KQ，i， 使得頻率和電壓的偏差限制在允許的范圍內。根據下列公式可獲得下垂系數：

式中：Pac，max，i，Qac，max，i分別為交流電源的最大有功 、無功功率發電能力。

1.2 DC-MG的控制

因為DC-MG沒有無功功率，頻率和相位的考慮，DC-MG的控制過程較為簡單，所以建立的下垂策略僅控制電源之間的有功功率分配。下垂特性為

式中：Udc，P為直流微電網單位化有功功率控制指數；Pdc，j為第 j個直流電源產生的有功功率；Pdc，max，j為直流電源最大有功功率發電能力。

2 IC功率控制系統設計

2.1 IC有功功率控制

根據所提出的P-Uac，P和Q-Uac，Q下垂特性控制交流電源。AC-MG內電源采用的式（1）（2）被改寫為

控制指數可通過下列方程計算：

式中：Pac，max，t，Qac，max，t分別為第t個交流電源的最大有功、無功發電容量。它適用于AC-MG中的任何類型的接口阻抗，可以確定通過IC的有功功率傳輸量。對于純感性線路 Uac，P和 Uac，Q被確定為頻率和電壓信號。 相反，在電阻線中 Uac，P與Uac，Q被確定為電壓和頻率信號。從方程（11）可以看出，Uac，P取決于線路阻抗的相位角，AC-MG中總無功功率與總有功功率之比，以及單位化的電壓和頻率值。

對于提出的策略，測量IC端子的電壓和頻率足以控制交流和直流子網。對IC交流側測量的參數進行單位化處理，然后代入方程（11），便可計算出有功功率控制指數Uac，P。類似地，在DC-MG中，通過測量的電壓信號并進行單位化處理求得相應的有功功率控制指數Udc，P。期望的有功功率控制指數為

如果 Uac，P=Udc，P=Udes，P，IC 不進行功率傳輸。 在Uac，P>Udc，P的情況下， 功率從 AC-MG 向 DC-MG 傳輸。 相反，在 Uac，P

2.2 IC的無功功率控制

無功功率僅涉及IC的交流側，可傳輸的無功功率被限制在IC的剩余容量內，IC的最大無功功率為

式中：SIC，n為 IC 的額定視在功率；PIC，ac為 IC 的有功功率。

IC在交流側的無功功率支持會引起交流子網的電壓和頻率的變化。IC無功功率的支持會提高電壓幅度，同時降低系統頻率，如圖3所示。

圖3 IC無功功率變化對交流子網電壓和頻率的影響Fig.3 Influence of reactive power variation of IC on voltage and frequency of AC subnet

所提出的無功功率控制指數為

所提出的主要控制方法如圖4所示。基于IC端子處的電壓和頻率信號的標幺值及所提出的下垂特性，計算AC-MG和DC-MG兩者的有功功率控制指數；根據式（14）確定通過IC傳輸的有功功率，將操作點引向相互連接的子網間的期望協調。同樣，根據式（16）確定無功功率控制指數來提供無功功率支持。在確定ΔPIC和ΔQIC之后，有功功率和無功功率的變化輸入在圖4所示的控制回路中，通過調節轉換器輸出電壓并限制通過IC的傳輸電流。

圖4 IC主控制框圖Fig.4 IC master control block diagram

3 系統仿真

根據圖1所示交直流混合微電網結構，搭建了仿真模型，進行時域仿真，以評估所提出的控制策略的性能。其中

交流微電網額定頻率f=50 Hz；

最大允許頻率fmax=52 Hz；

最小允許頻率fmin=48 Hz；

直流側額定電壓Vdc=360 V；

交流側額定電壓Vac=220 V；

直流側最大允許電壓Vdc，max=396 V，最小允許電壓 Vdc，min=324 V；

交流側最大允許電壓Vac，max=240 V，最小允許電壓 Vac，min=200 V。

3.1 提出的下垂策略與傳統方法的性能比較

為了評估所提出策略的性能，在t=2 s時，ACMG的有功功率需求從40 kW增加到80 kW；ACMG的無功功率需求假設為20 kVar。此外，在t=4 s時，DC-MG的功率需求從20 kW增加到50 kW。圖5顯示了AC-MG和DC-MG中微電源的發電曲線。

由圖可見，在2種控制方法中，MG中的任何負載變化都影響2個MG中的發電情況，隨著AC-MG的有功功率需求的變化，DC-MG適當地參與響應以滿足增加的負荷，由圖5（b）可見所提出的控制策略使相互連接的MG之間進行了更高效的功率共享。

圖6顯示了隨著負載的變化，AC-MG和DCMG中電壓的標幺值以及AC-MG的頻率標幺值。而圖7顯示了AC-MG和DC-MG兩者的有功功率控制指數。由圖7可見，當負載發生波動時，經過一定時間后AC-MG和DC-MG獲得了相等的有功功率指數。由此驗證所提出的策略可以準確進行有功功率分配。

圖5 有功功率曲線Fig.5 Active power curve

圖6 單位化的電壓和頻率Fig.6 Unit voltage and frequenc

圖7 有功功率控制指數Fig.7 Active power control index

如前所述，下垂控制的主要目的是根據其額定容量分配AC-MG和DC-MG在供電任務中的總負載。可以通過每個MG電源的發電功率與額定功率的比值評估該問題。圖8驗證了所提出的下垂控制策略，使AC-MG和DC-MG按各自的額定功率分擔負載。

圖8 發電功率與額定功率的比值Fig.8 Ratio of generating power to rated power

3.2 所提出的無功功率控制的性能

通過采用IC的無功功率支持可以進一步提高混合微電網的性能。假設AC-MG的基本負載為50 kW。在t=2 s時，AC-MG的有功功率需求增加到80 kW，隨后在t=4 s時降至20 kW。在這2種情況下，DC-MG中的負載保持30 kW恒定。因此，除了有功功率控制指數外，無功功率控制指數也應用于測試系統中。如圖9所示，反映了IC無功功率的參與；如圖10所示，IC無功功率的參與引起AC-MG的單位化電壓和頻率信號的標幺值相等。證明IC無功功率的參與提高了MG的電壓質量。

圖9 IC的無功功率參與Fig.9 Reactive power participation of IC

圖10 AC-MG和DC-MG中的電壓和頻率標幺值Fig.10 Voltage and frequency scales in AC-MG and DC-MG

4 結語

文中為混合微電網中的有功和無功功率控制提出了一種改進的下垂控制策略；提出了有功和無功功率控制指數，實現了針對交流子網中所有線路阻抗都適用的方法；提出了無功功率控制指數，利用IC的剩余容量對AC-MG提供無功功率支持。結果表明，通過IC對AC-MG和DC-MG的單位化功率控制指數進行均衡可以較好地完成功率分配任務，并提高了電能質量。