微電網孤島運行電壓/頻率控制策略的研究

朱昊，黃琪萍，劉新斌，吳偉強，陸生兵，聞俊義，江海洋

（1.國網浙江長興縣供電有限公司，浙江 湖州313100；2.浙江省長興縣住房和城鄉建設局，浙江 湖州313100）

作為可再生能源與分布式發電的有效利用形式，微電網技術正在成為當前的研究熱點。微電網是由微電源、儲能裝置、電力電子器件、負荷和控制系統組成的整體，即可并網運行又可孤島運行[1-2]。

由微電源和儲能裝置等組成的小容量低壓微電網既滿足用戶對高質量電能的需求，又能在電網發生故障時獨立運行為微電網提供電壓和頻率支撐。同時，微電網系統的容量和慣性相對較小，易受到來自分布式電源和負荷波動的影響，因此存在電能輸出間歇性和波動性大、網絡潮流復雜、繼電保護和穩定控制困難等問題。

微電網中恒壓恒頻控制策略主要是在微電網孤島運行時，維持微電網電壓和頻率的穩定，同時能夠有效地跟隨負荷功率的變化。

基于傳統V/f控制策略的微電網孤島運行時，易受負荷波動的影響而導致電壓和頻率的偏移，對微電網的穩定運行產生影響[3-5]。文獻[6]設計基于下垂特性的控制器，在孤島運行模式下進行控制，但由于電壓和頻率的偏移造成DG不能工作在額定運行狀態，降低能源利用率。文獻[7-8]在頻率控制中加入積分控制器，實現逆變器的無差調頻，維持了微電網的電壓和頻率穩定運行，但是控制器參數調節復雜。文獻[9]考慮低壓微電網線路阻抗特性，對虛擬頻率和電壓進行解耦控制，但是其控制算法復雜，且其頻率和電壓評價標準與實際不符。文獻[10]提出一種自適應調節下垂系數控制器，實現了微電網運行孤島頻率無靜差，電壓幅值偏移量小以及并網恒功率輸出等控制目標，但控制參數整定較復雜，且受負荷擾動影響較大。

本文考慮傳統V/f控制策略的局限性，對傳統V/f控制策略進行改進，將自抗擾控制技術應用于微電網V/f控制策略中，實現了微電網在孤島主從模式下的頻率和電壓幅值的無差調節，以及微電網中功率的平衡控制，維持了微電網的穩定運行。

1 微電網V/f控制器設計

1.1 典型V/f控制器設計

V/f控制策略的目的是控制微電源的輸出電壓幅值和頻率，為微電網系統提供電壓和頻率參考，同時也能很好響應負荷功率的變化[14-17]。

V/f控制策略常采用電壓電流雙環控制方案。電壓外環保證輸出電壓的穩定；電流內環能夠及時跟蹤電流信號，加快逆變器的動態響應過程，保證電能質量的要求。由于電容電流對負荷擾動具有較好的抑制作用，故采用電容電流內環電壓外環控制。

電壓電流雙環控制結構如圖1所示。

圖1 電壓電流雙環控制結構

由圖3，Un-ref為電壓給定信號；Un為輸出電壓信號；icn-ref為電流給定信號；icn為電容電流信號；icn-ref與icn比較經電流P調節器后形成控制量U*；KPWM為SPWM逆變器傳遞函數。

1.2 基于自抗擾技術的V/f控制器設計

本文將自抗擾控制技術引入電壓電流雙環控制部分中?；谧钥箶_技術的微電網V/f控制器的系統結構，如圖2所示。

圖2 基于自抗擾技術的V/f控制器的系統控制結構

Udc表示直流電壓源，經空間矢量脈寬調制（SVPWM）轉換成三相交流電；采用LC濾波器濾除高次諧波，Lf為濾波電感；Cf為濾波電容；Rf為濾波電阻；Zin為線路阻抗；Z為負載；Ui、Ii分別為逆變器輸出電壓和濾波電感上的電流；Uldi為濾波電容電壓；Ici為濾波電容電流；I1di為負載和網電流之和；U1ni為負載電壓；U1i、U2i分別為開關點兩側的電壓；下標i為a、b、c三相。Udref、Uqref分別為計算得到的電壓參考信號；icdref、icqref分別為電流環的參考輸入信號。u*為可控正弦調制信號。

電流電壓雙環控制中電壓外環采用自抗擾控制技術；電流內環采用電容電流瞬時值比例控制，控制結構如圖3所示。

通過自抗擾技術的控制，在較短的時間內，逆變器輸出電流能很快穩定。與傳統PI控制比較，自抗擾控制下的逆變器輸出電流能夠平穩實現并網目的。

當系統存在來自外部或內部擾動時，可能會引起并網沖擊電流。自抗擾控制技術較強的抗干擾能力，可為系統的安全運行提供保障。同時加入電壓前饋環節，以抑制逆變器輸出電壓對微電網的影響。

1.3 中間微分反饋控制

考慮V/f控制策略維持微電網運行電壓和頻率穩定、無靜差的要求，引入中間微分反饋環節，用來抑制微電網運行暫態過程較大的超調量。

采用PI的中間微分反饋控制[18]，相對于傳統PID控制，系統傳函少了一個零點。即采用PI的微分先行控制可以較好地抑制系統的超調量，縮短調節時間。中間微分反饋控制結構，如圖4所示。

圖4 中間微分反饋控制

Gc(s)表示控制器；G(s)表示受控對象；TD S表示中間微分反饋時間常數。

在中間微分反饋控制中，微分環節的輸出信號包括被控制參數以及其變化速度值。將其作為控制量的一部分，使系統克服超調作用加強，從而補償過程滯后，改善系統控制品質。

對DG輸出電壓進行中間微分反饋控制，可以有效地抑制輸出電壓幅值的超調量。其控制結構如圖5所示。

圖5 含中間微分反饋的線性自抗擾雙環控制

2 微電網控制器參數整定

基于主從控制模式，首先確定典型V/f控制器控制參數計算方法；然后，加入中間微分反饋控制環節，確定中間微分參數，并在其基礎上對典型V/f控制器進行改進，引入自抗擾控制環節，最后恒功率控制策略采用經典算法，確定控制參數。

2.1 V/f控制器參數整定

根據圖3，在典型雙環控制中引入中間微分反饋控制環節，結構框圖如圖6所示。

圖6 含中間微分反饋的雙環控制

電流內環比例控制的作用主要是為了提升內環響應的快速性?；贛ATLAB/rltool仿真平臺，確定電流內環比例參數，不同系數k下，電流比例增益傳函伯德圖，如圖7所示。

圖7 電流比例增益傳函伯德圖

伯德圖中頻段特性反映的是閉環系統的動態特性，中頻段的斜率與寬度反映的是系統動態響應的平穩度。不同系數k下，電流內環階躍響應如圖8所示。

圖8 電流內環階躍響應

當k=0.034218時，電流內環階躍響應曲線最合理，符合電流內環動態響應特性以及快速性的要求，故k=0.034218。

電壓電流雙環控制系統伯德圖和單位響應曲線，如圖9、10所示。

圖9 雙環控制系統伯德圖

圖10 雙環控制系統單位階躍響應

2.2 恒功率控制器參數整定

恒功率控制策略中電流環PI控制器參數整定方法與V/f控制策略類似，直流電壓源、濾波器等參數與V/f控制策略一致。

3 算例仿真

基于MATLAB/simulink仿真平臺，對所提出的微電網控制策略進行動態仿真驗證。微電網仿真模型如圖11所示。

圖11 微電網仿真模型

分布式電源DG1和DG2并聯組成微電網模型，并通過升壓變壓器與配電網相連。DG1采用V/f控制策略；DG2采用PQ控制策略。

微電網與大電網解列，處于孤島運行狀態，微電網中DG1采用基于自抗擾技術的V/f控制策略，DG1額定輸出功率為SDG1=(8+j5)kVA；DG2采用PQ控制策略，維持自身輸出功率的恒定,DG2額定輸出功率SDG2=(2+j1)kVA。初始狀態下S1oad1=SDG2=(8+j5)kVA；S1oad2=SDG2=(2+j1)kVA

3.1 微網有功和無功功率輸出

當t=0.5 s,微網切除可中斷負荷Sint1=(0.5+j0.5)kVA；當t=1s,微網切除可中斷負荷Sint2=(1.5+j1)kVA；當t=1.5 s,投入可中斷負荷Sint2=(1.5+j1)kVA；當t=2 s,投入可中斷負荷Sint1=(0.5+j0.5)kVA。孤島模式下DG1和DG2輸出有功和無功功率曲線，如圖12所示。

圖12 孤島模式下DG有功和無功功率輸出

由圖12可知，微網孤島主從控制仿真中，DG1為主微源，維持微網頻率和電壓幅值的穩定輸出。DG2為從微源，采用PQ控制策略，維持自身輸出功率的恒定。

當t∈[ ]0.5,1.5 s時，微電網系統切除可中斷負荷；當t∈[ ]1.5,2.5 s時，微電網系統投入可中斷負荷，由于DG1為微網系統的主微源，所以主要承擔微電網輸出功率的調節，維持微網的功率平衡，滿足微網負荷的變化需求；DG2主要維持功率輸出的恒定，同時，DG2的有功功率輸出，在負荷發生變化時也略有變化，說明DG2在一定程度上參與了微電網有功功率的調節。

3.2 微網頻率響應對比分析

在仿真模型的基礎上，分別采用基于自抗擾技術和傳統PI控制的微電網V/f控制策略。在負荷波動的情況下，比較微電網頻率響應結果，如圖13所示。

圖13 微網頻率響應

由圖15可知，在V/f控制策略中加入自抗擾技術，相對于傳統PI控制，其優勢體現在較好的抗干擾能力。當負荷發生變化時，自抗擾控制結構中，微網頻率的穩態值為50 Hz，無靜差；暫態過程較短，且頻率波動均維持在(50±0.2)Hz范圍內。

3.3 微網電壓幅值對比分析

在仿真模型的基礎上，分別采用基于自抗擾技術和傳統PI控制的微電網V/f控制策略。在負荷波動的情況下，比較微電網電壓幅值響應結果，如圖14所示。

圖14 微網電壓幅值受負荷波動的影響

由圖14，當t∈[ 0.5,1.5 ]s，可中斷負荷切除，PI控制結構下的微電網電壓幅值上升；當t∈[ 1.5,2.5 ]s，投入可中斷負荷，微電網電壓幅值下降。自抗擾控制結構下的微電網電壓幅值基本不發生偏移，具有理想的動態控制特性。

4 結束語

將線性化自抗擾控制技術應用于微電網的控制策略中，相對于傳統PI控制，參數整定過程簡單，控制效果理想，具有較強抑制不確定性干擾的能力。

該控制策略能夠使微電網在孤島模式下穩定運行，維持微電網頻率和電壓幅值的恒定以及微電網的功率平衡。

V/f控制策略中的自抗擾結構具有較強的抗干擾能力，有利于抑制微網運行過程中負荷波動等不確定性干擾，為微電網系統的穩定運行提供保障。