分布式發電并聯接入微網的控制技術研究綜述

劉觀起，曹揚

（華北電力大學，河北保定071003）

世界能源危機和美國、加拿大等國接連發生的大面積停電事故，暴露了傳統的供能模式和電力網絡的種種弊端。經濟社會持續健康發展，迫切需要加快電網建設，提升電網運行效率。但是，由于長期“重發輕供”，我國電網和電源發展一直不協調，電網發展明顯滯后，網架結構薄弱，城市和農村供電水平不高，優化配置和抵御自然災害的能力不強，我國2008年南方發生雪災導致大面積停電事故，造成了嚴重的經濟損失。為滿足社會經濟快速增長的電力消費需求，必須加快各級電網建設，構筑更為先進的智能電網系統，促進電力事業的協調可持續發展。

智能電網（smart grid）最早是由美國提出的，目前仍處于開始研究和開發階段，根據目前的研究水平，可以把智能電網歸納為將先進的傳感測量技術、信息技術、通信技術、計算機技術、自動控制技術和原有的輸、配電基礎設施高度集成而形成的新型電網，應具有提高能源效率、環境友好、提高供電安全性和可靠性、減少電網損耗、實現與用戶間的互動和為用戶提供增值服務等多個優點。如圖1所示，智能電網是在傳統電力系統的基礎上覆蓋一套信息系統，而該信息系統將通過傳感器為各種電氣設備建立聯系，從而構建出客戶服務平臺。通過對需求的動態分析，運行管理將更加智能化。智能電網與傳統電網的比較見圖2。智能電網主要具有堅強、自愈、兼容、經濟、集成、優化等特征[1-4]。其兼容特性指的是支持可再生能源的正確合理的接入。作為發展智能電網的主要技術方向之一，可再生能源的接入和并網技術正成為世界各國研究的熱點[5-7]。

1 微網的提出

分布式發電不但能夠降低成本，提供更可靠的服務并保證電能質量，而且還極大地提高了能源利用效率，這些優點對于消費者具有很大的吸引力。可再生能源分布式發電系統和“綠色能源”的使用能夠產生顯著的環境效益[8-9]。預計到2020年我國風電將達到100 ～150 GW、光伏發電達到20 GW規模，其中風力發電將集中開發若干千萬千瓦級基地，太陽能光伏發電則呈現分散接入和規模開發并舉的特點[4]。

圖1 智能電網概念圖

圖2 目前電網與智能電網比較

然而，分布式發電并不是為并網運行而設計，分布式發電的并網接入會帶來一系列問題。IEEE P1547對分布式能源的入網標準做了規定：當電力系統發生故障時，分布式電源必須馬上退出運行。這極大地限制了分布式能源效能的充分發揮[10]。可見，能量轉換技術的發展對智能電網的構建具有重要意義。一個比較好的解決辦法就是構造“微網”（MG），這項技術可以提高分布式發電的效率，并把有關的負載聯系起來。

一個典型的微網結合了分布式電源（主要包括微型燃氣輪機、燃料電池、光伏發電設備和風力發電設備等）、負載、儲能裝置（主要包括蓄電池儲能、飛輪儲能等）和控制裝置，是一個獨立可控制的系統，可以同時提供電能和熱能，見圖3[11-12]。微網可以提高供電可靠性、減少饋線損失，維持局部電壓，以熱電聯產（CHP）的形式提高能源利用率，并具備不間斷電源的特點。

圖3 微網基本結構

微網主要運行在3種狀態：正常并網模式和孤島模式，以及過渡狀態。由于微電網中微源輸出電能的特性，它們并不適合直接與電網相連，而是需要電力電子接口（直流/交流或交/直/交）的介入，見圖4。

圖4 逆變器接口系統

作為電網側必要的部件，逆變器需要將直流電轉換成可供電網使用的交流電，另外它還是能量轉換系統、當地負荷與電網之間的接口。由此可見，逆變器控制在微網控制中占有重要地位。

在微網中，逆變器經常是并聯模式，這是為了提高性能同時也方便系統擴容。與單一的集中式電源相比較，并聯逆變器能提供更高的可靠性，因為如果一個逆變器故障，剩余（N-1）個逆變模塊仍然可以向負荷提供所需的電能。當前，風力發電和光伏發電裝機容量的不斷增加也使得并聯接入模式更具發展潛力。

2 并聯接入技術

分布式發電并聯接入后，系統的穩定運行要求各并聯模塊輸出電壓的頻率、相位、幅值和波形等要素必須完全一致，而且各模塊應能夠合理分配負載電流，這就需要進行同步和均流控制。各并聯模塊輸出電壓頻率和相位的一致依賴同步控制環節，而各模塊合理承擔負載的問題則由均流控制來解決。PLL數字鎖相技術常用來解決系統的同步問題，與傳統的模擬鎖相相比，數字鎖相不僅可以簡化硬件電路降低成本，還解決了模擬電路中器件老化和溫漂等問題，提高了鎖相的精度，見圖5[13]。針對不同的并聯控制策略，均流方式不同。

圖5 模擬鎖相和數字鎖相

逆變器并聯控制技術主要分為以下幾類：主從控制，電流/功率均分控制，頻率與電壓下垂控制。

2.1 主從控制

主從控制技術采用一個電壓控制逆變器作為主模塊，N個電流控制逆變器作為從模塊。主模塊維持系統輸出穩定的正弦電壓，從模塊負責電流調節，呈電流源性質。

文獻[14-15]介紹了一種常見的主從控制結構如圖6所示。在一個單相不間斷供電系統（UPS）中，主模塊采用電壓控制PWM逆變器（VCPI）持續產生穩定正弦電壓，從模塊采用電流控制PWM逆變器（CCPI）跟隨控制中心分配的電流。在下垂控制中，需要從電網交流總線側檢測頻率信號，而這也是下垂控制中各并聯電源之間唯一的聯系路徑，這種情況下需要使用PLL鎖相環。這里所介紹的主從控制逆變器之間是有聯系的，它們通過功率分配中心PDC進行通信，這使得逆變器無需專門的PLL模塊進行同步控制，而且這也保證了良好的功率均分效果。

文獻[16]中的系統利用邏輯電路（觸發器）來確定主機，當主機斷開，會自動確定一臺從機作為主模塊。即使主模塊發生故障退出了系統,使用這種方法，系統仍能正常運行。文獻[17]中介紹的自動主從控制是將輸出有功功率最大的單元作為主模塊，控制輸出有功并產生參考頻率，其余的作為從模塊。對于無功的調節原理類似，輸出無功最大的單元作為主模塊，控制輸出無功功率并負責調節參考電壓幅值。這類控制方式通過消除系統對單一模塊的依賴，提高了系統的穩定性和冗余性，但其對邏輯電路（主從仲裁模塊）的依賴仍存在。

圖6 主從控制框圖

文獻[18]側重于孤島狀態的微網在不同情況下的運行和性能，其中采用了兩種主要的控制策略。當微網與配網斷開時，一種方案是采用一個電壓源逆變器（VSI）作為主模塊提供參考電壓，其他所有的逆變器采用PQ控制。另一種方案是采用多個主逆變模塊同步運行，表現出單一VSI的性質，從模塊仍采用PQ控制。

在最近的文獻[19-21]中，又對主從控制進行了改進，用一個中央控制塊替換了之前的主逆變器，該模塊控制輸出電壓并影響各從模塊的輸出電流，這種方法有時也被稱為中央模式控制或分布式控制。這就意味著電壓的大小、頻率和功率分配是由中央模塊控制完成的（指令通過低帶寬通信信道分別輸送到各逆變模塊），而其他的問題諸如諧波抑制是由分散的各部自行解決的。

主從控制具有很多良好特性，其中的逆變器不需要配置PLL鎖相環進行同步控制，而且負載均分的效果很好。連接線的線路阻抗不影響負載均分，系統擴容方便。然而，主從控制也有其缺點，其中最重要的一項就是由于設定了主逆變模塊，一旦主模塊或主從仲裁模塊發生故障將影響整個系統運行，所以大部分系統并沒有實現真正的冗余。而且，所有這些主從控制技術都需要進行通信互聯，系統的可靠性在一定程度上依賴于通信的可靠性，通信設備也增加了系統的成本和復雜性。

主從控制策略適用于孤島運行時的微電網，在孤島狀態時，微網與配電網斷開連接，而微網內部要保證額定的電壓和頻率值，就需要其中一個或多個逆變電源來供額定電壓和頻率，即主模塊；微網內部的功率平衡則是通過從模塊控制輸出的功率和電壓來維持。當微網并網運行，其電壓水平和額定頻率由配電網來支持調節[22]。

2.2 電流/功率均分控制技術

這種控制技術首先是測量總的負載電流，然后根據系統中模塊數量n得到平均電流。再通過計算各模塊實際輸出電流與平均電流之間的差值，為均分負載產生控制信號。

在文獻[23-25]介紹的方案(見圖7)中，控制各變流器使得它的平均輸出電流直接與其開關頻率相關。這樣一來，總的輸出脈動電壓的頻譜就包含了各電源輸出電流的信息。各電源檢測輸出的脈動電壓，并利用這一信息與其他電源之間實現電流平衡。

圖7 電流均分控制框圖

文獻[26]還介紹了一種3C控制策略（見圖8），所有的模塊具有相同的電路結構，每塊都含有一個電流內環和一個電壓外環。3C控制中的模塊在信號流動上構成一個環形結構，是將第一個逆變模塊的輸出反饋信號送到第二個逆變模塊的控制側，第二塊的反饋送至第三塊，依此類推，每個模塊的電流內環控制跟蹤它前一個模塊的電感電流，最后一塊的反饋量則作為第一塊的控制參數，通過這種方式各模塊在輸出功率方面形成并聯關系，并實現輸出電流相同。這種控制策略主要用于UPS系統和自動調壓器（AVR）。該方案將其他單元的反饋信號引入控制回路，穩定性問題難以用常規控制方案解決，魯棒控制器僅限于理論分析，難以實現，而且鏈式結構系統的擴容難度較大。

圖8 3C控制結構框圖

文獻[27]提出了一種逆變器電流前饋補償，這使得輸出阻抗呈阻性從而實現了較為精確的負載均分。前饋補償不改變反饋控制系統的特性，減輕了反饋控制的負擔，因而反饋控制的增益可以變小，有利于系統穩定性。由于諧波環流影響負載均分的精確性，文獻[28]在[27]的基礎上提出了針對這一問題的解決辦法。在文獻[29]中對并聯的三相逆變器采用了數字控制算法。其中的數字電壓控制器即使在非線性負載情況下仍能保證只有很小的電壓畸變。每個UPS模塊的輸出電流均分總的負載電流，每個逆變器的電壓基準指令與負載電流平衡。

電流/功率均分控制技術在負載均分和暫態響應方面表現優良，而且使用這種控制方法能有效抑制逆變器之間的環流。這種控制方法的缺點是由于需要測量總的負載電流并要求知道系統中逆變器的數量以求出平均值，所以系統擴容較復雜。而且，模塊間的互聯降低了系統的可靠性，使系統未能實現冗余。

2.1與2.2兩節所介紹的方法可歸類為有聯絡線的并聯模式，在逆變電源技術發展早期得到了普遍認同，因為這種并聯理論相對簡單，容易實現。但是有聯絡線并聯模式也存在著非常明顯的缺點，包括并聯單元的地理位置受到限制、電磁干擾嚴重、冗余性不佳等，這些都不利于分布式發電的接入，尤其在微源布局較分散的時候，互連線路將增加成本并且對系統穩定性造成影響，考慮到有聯絡線控制技術這些先天性缺點，逆變電源的無聯絡線并聯控制技術應運而生。

2.3 頻率與電壓下垂控制技術

在無聯絡線并聯模式中，各并聯逆變模塊通過輸出端的交流母線相連，常用的是頻率電壓下垂控制技術。這種控制方式可以省略模塊間的互聯通信線路，各模塊只需檢測自身輸出的電氣量，根據外特性下垂法就可以調節各自輸出的電壓相位和幅值，實現負載功率合理分配，消除環流。

2.3.1 傳統下垂控制

當逆變器輸出阻抗主要呈感性時，基本的下垂控制方程為

式中，ω和ω0分別為逆變器輸出角頻率和初始角頻率；V和V0分別為逆變器輸出電壓幅值和初始幅值；m和n分別為有功和無功功率的下垂系數。實際中，由于頻率信號便于測量，可采用頻率控制代替相角控制[30]。下垂控制常與電壓電流雙環控制結合使用，是將普通雙環控制中的正弦參考電壓替換為下垂控制部分合成的Vref（見圖9），再加入同步控制模塊就可以實現無互聯線并聯。

圖9 參考電壓和功率計算

文獻[31]將下垂系數m和n用與有功和無功相關的一次函數替代，當功率變化時，能夠根據實際輸出功率動態調節下垂系數，增加了逆變器并聯系統的穩定性和可靠性，如式（2）。

為增強系統的動態性能，文獻[32-33]對下垂算法加入了微分環節，相比傳統算法，它描述了更為精確有效的輸出頻率和電壓調節模型，如式（3）。

2.3.2 頻率電壓反下垂控制

在文獻[34-35]中提出了一種方法，在穩態情況下使用常規下垂方程，如式（4）。

式中，ps與qs分別表示有功和無功功率基準值；ωref=ωn，vref=vn。

式中，ωref=ω*，vref=v*。當輸出阻抗主要呈阻性時，這種控制方法的負載均分效果是可以接受的。但是當線路電感與變流器輸出濾波電感在同一個數量級時，電能質量會大幅下降，主要表現在電壓擾動方面。電能質量受到的影響主要來自LC濾波電路，其中LC濾波器是由線路電感和變流器交流側電容組成的。而且，與較高的電壓等級相連時，這種方法并不適用，通常是使用傳統下垂方程。

圖10 常規下垂與暫態下垂

2.3.3 下垂控制與其他控制方法結合

文獻[36]設計了數字濾波器和“直流環流消除器”，即在參考電壓中加入了直流分量來控制輸出電壓的直流分量，使穩態輸出的直流分量為0，實驗結果良好。

下垂控制利用本地測量的電網狀態變量作為控制參數，實現了冗余，系統的可靠運行不依賴于通信。這種控制策略具有很多理想的特性，如可擴展性、模塊化、冗余性及靈活性。

利用下垂控制策略，當某個微源因故障退出運行時，其余的電源仍能夠不受影響的繼續運行，系統可靠性高；實現了“即插即用”，當系統需要進行擴容時，只需對新加入的微源設置同樣的控制策略，即可接入系統，無需對其余發電模塊進行調整，且不受地理位置的約束，安裝維修更加方便，并聯運行更加可靠。

然而，這種方法的不足之處是存在頻率和幅值的偏差，暫態響應慢，由于各逆變器輸出側與負載總線之間線路阻抗不匹配或是由于電壓/電流感應器測量值存在誤差，導致逆變器之間容易產生環流；低壓配電網中R>>X，與輸電網不同，此時必須考慮線路阻抗的影響；當三相微網系統運行狀態改變（如主動孤島運行），控制模式也要作出相應調整，尤其是線性和非線性負載同時存在時，用下垂控制策略不能解決這些問題。所以，目前下垂控制即無互聯線并聯方式在實際中很少應用，應用較廣的仍是有互聯線控制的并機產品。基于目前的硬件發展水平及控制技術，在均流響應速度、穩定性等方面，有互聯線控制相比無線控制具有明顯優勢。

3 結論與展望

根據前面的論述可以看出，要制定出對所有系統通用的控制策略是困難的，每一種控制方法都有其優點和局限性。

主從配置方案的缺點之一是系統的穩定性取決于其中從模塊的數量，并聯模塊的數量與系統穩定性以及動態響應之間的關系十分復雜，針對不同的并聯控制方式這種關系亦有區別，理清這一關系是今后研究工作的重要方向之一。

主從控制和電流/功率均分控制雖然未能實現冗余，但比較容易應用到實際系統當中。與之形成對比的是下垂控制技術，采用下垂控制的并聯系統實現了冗余，但該系統的電壓和頻率會隨著負載的變化而變化，無法保證電能質量，目前所采用的動態補償的方法效果亦不理想，因此，分布式電源輸出電能質量控制問題還有待深入研究。

另外，三相逆變電源的并網與并聯控制比單相系統復雜得多，尤其是三相負載不平衡的情況，這也是需要進一步研究的內容。

綜上所述，需要根據實際應用場合，如分布式電源的種類、地理位置與互聯距離，構造微網的主要用途以及負載的種類等多方面的因素考慮，選取或綜合運用較為合適的控制策略，即復合控制。隨著理論研究的深入與硬件開發水平的提升，分布式發電接入技術會不斷進步，將對未來智能電網的發展產生重要的影響，從而保障我國電網的長遠發展。

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