基于VSC 控制的微電網對等控制策略

朱鵬鵬，張欽臻

（上海電力大學 電子與信息工程學院，上海200090）

引言

在當今的能源結構與電力傳輸背景下，分布式發電技術因其靈活性、經濟性與高效率等特點，已經在國內外得到了相當廣泛的應用。毫無疑問，以分布式發電技術為支撐的微電網將成為大型電網的有效補充，共同推動智能電網的實現進程。

其實分布式發電并不是一個全新的概念，如今廣泛互聯的大型電網也都是由早期各自分散的電力系統逐漸并網構成。但隨著世界范圍內幾次大規模的停電事故后，集中供電的可靠性已經不再能滿足人們的用電需求[1-2]。二十世紀九十年代，對于分布式發電的研究成果大量涌現。分布式電源一般是容量較小（50MW 以下）、分散布置在用戶附近的發電裝置。它的安裝位置相對靈活，能夠更好地適應不同的用戶需求以及一次能源環境，此外還能提高供電的可靠性。但同時，分布式電源單機的接入成本也相對更高，控制上相較于傳統的發電機也更為困難。IEEE P1547 對于分布式電源并網的標準有相關的規定：分布式電源需要在電力系統出現故障時迅速退出運行。這與引入分布式電源的初衷又背道而馳，因此，微電網的概念就應運而生[3-4]。

微電網是由電源、儲能裝置、負荷、檢測保護與控制裝置等匯集構成。對于大電網來說，微電網是一個可控可調度的負荷；對于用戶來說，微電網是能實現特殊要求的定制電源。它既可以與電力系統聯網運行，也可以在電網出現故障或者必要時與主網斷開轉為孤島模式。在接入時，不再對各個具體的微電源做要求，而是對于與大電網的公共連接點（Point of Common Coupling，PCC）提出準入標準。

目前，國內外對于微電網技術的研究主要在于以下方面[5-6]：微電網的并網控制與多分布式電源協調控制；微電網的孤島檢測與孤島狀態下控制；微電源的優化配置；微電網及含微電網配電系統的電能質量優化；微電網經濟運行的相關調度；安全與保護技術等。

本文主要研究微電網的微電源控制技術，并在基于對等控制的基礎上闡述PQ 與Droop 控制的原理，最后通過仿真驗證在由兩種控制方法的逆變器接口微電網中負荷接入與并離網切換時電能質量的參數優化。

1 微電網組成與控制技術

1.1 微電網結構

圖1 是當下歐洲主要研究采取的微電網結構[7]。包括低壓網絡與不同種類的負荷、微電源，以及分層管理控制系統。微電網通過微電網中央處理器（MGCC）實現經濟性管理與控制功能，屬于頂層控制；通過負荷控制器（LC）與微電源控制器（MC）來實現各個負荷與微電源的本地控制。微電源一般是包括電力電子元件的小型機組，包括微型燃氣輪機、燃料電池、光伏發電設備與飛輪、蓄電池等儲能設備。

圖1 微電網典型結構

從結構上看，微電網是電源、負荷、儲能與控制系統集合而成的單一可控單元。不同于簡單的分布式發電系統，微電網一般存在兩種常態化的運行方式，即并網運行模式與孤網運行模式。

1.2 微電網控制技術

根據獨立運行模式的不同，目前研究上提出的微電網控制方法主要是集中控制、分散控制與混合控制策略三種。

集中控制將微電網劃分為元件層、控制層與配網層，通過通信網絡將微電網中不同元件的信息都采集到中央處理器，通過控制層解決運行與控制問題；分散控制是指各微電源之間采用本地信息實現控制目標而不需要借助于通信網絡，對等控制就屬于分散控制；混合控制目前學術上主要是通過多代理技術來實現，目前尚待研究。

微電網中的分布式電源雖然多種多樣，但大部分的微電源都需要通過電力電子接口并入網絡。目前對于并網逆變器的控制策略主要是恒功率控制（PQ）與下垂（Droop）控制。

下面將基于微網層面的對等控制策略對并網逆變器的兩種控制方法進行詳細論述。

2 主電路模型與控制策略分析

電壓源型逆變器（VSC）在微電網中應用十分廣泛。微電網中VSC 接口的微電源所使用的主電路一般如圖2所示。包括通過直流源表示的分布式電源，使用正弦脈寬調制（sinusoidal PWM，SPWM）的逆變器，RLC 濾波器，線路的阻抗以及與交流母線相連接的PCC。

圖中，Udc為分布式電源的等效直流源，U˙I為逆變器輸出的交流電壓，I˙f為逆變器輸出電流，Rf、Rg是濾波器與線路的等效電阻，Lf、Lg是濾波器與線路的等效電感，Cf是濾波器的等效電容，U˙F是負荷側電壓、為PCC 處電壓電流。

圖2 逆變器接口微電網主電路

2.1 PQ 控制

逆變器的PQ 控制是指VSC 根據給定的參考功率輸出有功和無功功率。其輸出電流值的改變是由VSC 控制其交流側電壓來控制，從而控制輸出功率，同時通過鎖相環（Phase Locked Loop，PLL）技術來獲得微電網的頻率支撐。

PQ 控制型VSC 的電路與控制框圖如圖3 所示，采用功率外環和電流內環雙閉環控制結構。根據圖3 可得到ABC 坐標系下VSC 輸出電壓方程：

圖3 PQ 控制電路與控制框圖

輸出電流以逆變器輸出方向為參考正方向，通過派克變換將式（1）轉換到dq 軸同步旋轉坐標系下為

其中，ω 是工頻下電角速度。轉換過程中出現了dq交叉耦合項，后續控制中可通過前饋補償消除。

通過將旋轉坐標系的d 軸與電網電壓軸線固定重合，進行恒功率派克變換，VSC 的輸出功率方程可表示為

其中，u=ud，是電網電壓d 軸分量。若忽略線路上電壓降，將（3）式代入（2）式可得到

根據式（4）可進行控制器的設計，通常采用PI 控制器。

2.2 Droop 控制

下垂控制是模擬發電系統功頻靜特性的一種控制方法。當系統頻率改變時，控制系統調節VSC 輸出的有功功率按其功頻特性變化，同時，負荷功率也隨之改變。最終在控制系統Droop 特性和負荷本身調節效應的共同作用下達到新的功率平衡。其主電路與控制框圖如圖4。

圖4 Droop 控制電路與控制框圖

Droop 控制通過微調VSC 輸出的電壓和頻率來應對負荷的功率需求，同時維持系統的穩定。其核心思想是功率在多個并聯VSC 之間根據設定的下垂曲線分配。功率下垂系數與電壓下垂系數表示為式（5）。

其中，Pmax為VSC 在最大下降頻率時允許輸出的最大有功功率，Pn為VSC 在額定頻率下輸出的有功功率，fmin為系統允許的最低頻率，fn為微電網額定頻率，un為VSC 輸出無功為0 時的電壓值，umin為微電網最低允許電壓。

3 仿真驗證

文中在MATLAB Simulink 環境下基于對等控制搭建微電網的負荷切換與并離網模型，驗證上述理論的可行性。

仿真所使用的微電網結構如圖5，其中VSC1 使用PQ 控制，VSC2 使用Droop 控制。實驗所使用的主電路參數如表1，控制系統使用的詳細參數見表2。

圖5 仿真微電網結構

圖6 PQ 控制框圖

表1 主電路參數

表2 控制系統參數

3.1 并網恒功率控制

圖7

對于采用PQ 控制的VSC1，在初始時刻打開S2、S4、S5、S6，設定參考有功和無功功率分別為10kW 與0kvar。在2s 時，關合開關S4，即接入10kW 的負載2。在5s 時，更改設定參考功率為50kW/0kvar。

控制框圖如圖6，仿真結果見圖7（a）、（b）。

3.2 負荷切換與離網控制

對于Droop 控制的VSC2，在初始時刻打開開關S1、S3、S4、S6，也就是處于并網狀態并接有25kW/0kvar 的負載3。在4s 時打開PCC 點開關，轉入孤網狀態，在6s 時關合開關S6，接入負載4。

仿真結果如圖7 所示。

3.3 結果分析

從圖7（a）可以看出，由VSC 的功率控制調節算法可以很好地保證逆變器在短時間內根據設定的功率調節輸出電流的大小。同時，圖（b）說明PQ 控制算法能保證逆變器在并網模式下對指定功率的追蹤，并且在逆變器指令功率階躍的過程中有良好的動態響應，逆變器輸出的功率紋波小，能很好地滿足設計要求。

可以看到在圖（c）中，4s 前處于并網狀態時，VSC2 除了向負載3 輸出有功功率，還向母線輸出功率。在進入孤網狀態后，VSC2 按負載3 功率需求輸出功率；在6s 并入負載4 后，按負載總需求輸出功率。頻率偏移范圍始終在0.5Hz 以內，滿足低壓配電網安全要求。在4s 離網后不再向母線輸送功率，因此頻率上升，在6s 負荷增加后，下垂特性與負荷的功頻特性共同調節，使得頻率穩定在50Hz。

4 結束語

目前，微電網的實際應用與理論研究已經步入了一個新的階段。本文主要是對現在的不太詳述的微電網控制模型做了較細致的理論推導。

后續計劃的研究內容是使用神經網絡與一些智能控制策略對現有的一些問題進行推進解決，如電能質量的進一步優化，在應對不平衡負荷與非線性負荷時微電源輸出電壓的諧波問題，以及通過強化學習神經網絡來實現微電網的無監督控制的可行性等。