微電網平滑過渡的功率優化控制

周曉燕，劉天琪，李 媛，湯 凡，袁 園

（1.四川大學電氣信息學院，成都 610065；2.四川電力科學研究院，成都 610072）

微電網平滑過渡的功率優化控制

周曉燕1，劉天琪1，李 媛1，湯 凡2，袁 園1

（1.四川大學電氣信息學院，成都 610065；2.四川電力科學研究院，成都 610072）

微電源的接入會對傳統電網電壓和頻率造成較大影響，針對由4個不同類型微源組成微電網接入配電網后存在的并網、孤網和兩種運行模式之間的切換，建立了參數更為接近實際的微電網控制模型以研究并網孤網互換、孤網下投切負荷或微源等3種運行模式的平滑過渡。對所建模型進行了仿真分析，對比了每種運行模式下采用功率優化前后的各微源出力以及微電網交流母線電壓頻率的變化情況。仿真結果驗證了所提功率優化控制策略的可行性及有效性，實現平滑過渡的同時，可提高被優化微源的利用率。

微電網；模式切換；平滑過渡；反調差率控制；功率優化

許多微源采用電力電子裝置與常規配電網并網，因此可實現靈活控制，如目前已提出的基于功率管理系統的控制、電壓有功下垂/頻率無功提升VPD/FQB（voltage-power droop/frequency-reactive power boost）協調控制、主從控制、對等控制以及基于多代理技術的控制等等[1-6]。而為實現微電網在不同運行模式下電壓、頻率的穩定和模式之間的平滑過渡，需要對微電網中的各微源采用合理的控制策略和優化方法。

文獻[7]指出，應根據不同類型分布式電源各自的特點而采用不同的控制方式。文獻[8]和文獻[9]均建立了微電網的仿真模型，前者針對并網運行和孤網運行的模式切換等情況進行了控制策略的設計和仿真研究；后者比較了PQ和V/f控制策略，并側重兩種控制策略的組合應用。兩篇文獻所設計的模型及所考慮的運行情況對實際微網的運行控制研究均有重要參考價值。文獻[10]通過分析孤網運行模式下并聯逆變器的有功功率和無功功率環流模型，提出了一種瞬時調節逆變器自身輸出阻抗從而減小線損的方法，并基于傳統下垂控制提出了一種改進的自調節下垂控制法，可有效減小逆變器由于負荷突變等所引起的交流母線電壓及頻率的波動，提高微電網系統的穩定性和可靠性。文獻[11-14]研究了獨立和并網模式的切換過程，減小了切換過程的沖擊。

本文針對較少微網控制模型，從各微源的具體特性出發考慮適宜的控制策略，并同時考慮微電網運行模式切換時為減小沖擊、平滑過渡，各微源應重新設置功率指令，對含風電、光伏、微型燃氣輪機、燃料電池等不同微源的微電網，基于功率優化思想研究了并網孤網相互轉換、孤網下投切負荷或微源等3種運行模式的平滑過渡。不再以濾波器的設置或同步并網控制器等的設計為重點，而將重點放在切換時如何配合下垂特性調節功率指令，從而確保內部功率平衡，減小沖擊實現平滑過渡，并且可以提高被優化微源的利用率。最后以電力系統計算機輔助設計軟件PSCAD（power systems computer aided design）為仿真平臺建立了微電網及其控制模型，對不同運行模式的切換進行了仿真，仿真結果驗證了所提控制策略的有效性。同時，模型中考慮了負荷重要性等級，線路參數和負荷也更接近實際，對建立微電網運行控制仿真平臺有實際參考價值。

1 微電網結構

為研究控制策略及功率優化，所采用微電網結構如圖1所示。

圖1 低壓微電網系統結構Fig.1 Structure of the low voltage microgrid

微型燃氣輪機、光伏電池、燃料電池和風機4個微源，分別通過線路接到400 V低壓交流母線上，再與10 kV、50 Hz的配電網相連。在仿真過程中考慮了負荷的特征，饋線1中接入典型恒阻抗負荷46+j12 kVA；饋線2中接入恒功率負荷42.05+j11 kVA；饋線3中接入一般負荷20+j5 kVA，對供電可靠性要求不高，必要時可以切除。

并網運行時，4個微源均采用PQ控制策略；孤網運行時，考慮到實際風光出力不穩定性，仍采用PQ控制策略，微型燃氣輪機和燃料電池等可控微電源改用V/f控制策略。

2 功率優化策略

若在低壓配網中使用P-f、Q-V則會引入明顯的功率耦合現象[15]，使得功率不能有效受控并傳遞，因此本文采用P-V、Q-f。

圖2 采用下垂特性控制時的功率分擔Fig.2 Power sharing under frequency droop control

式中：fn和Vn為電網的額定頻率和電壓；Kf和KV為頻率下垂系數和電壓下垂系數；Pn和Qn為額定有功功率和無功功率。

并網時，配電網與微網之間存在交換功率，而當切換到孤網時，配網有功、無功出力均降為零。則此時，采用V/f控制的微源之間共同承擔功率缺額，并且KV越大所分擔的有功功率出力越少；Kf越大分擔的無功功率出力出少。當負荷功率發生變化時，采用V/f控制的微源按照下垂特性式（1）和式（2）進行協調出力；而采用PQ控制的微源則按照式（3）和式（4）進行協調出力。

雖然理論上，采用V/f控制的逆變器和采用PQ控制的逆變器，經各VSC自行調整電壓和頻率，最終穩定在一個新的工作點，從而實現負荷功率的分配。但實際上離網、投切負荷或微源時，若不進行合理功率優化，單純依靠V/f控制微源之間的下垂特性進行協調分擔負荷，雖在其調控范圍內雖然可以完成過渡，但頻率和電壓跳變較大，并且可能會造成孤網后有功和無功功率的出力不穩。而若在計劃內離網前、切除負荷前以及切除微源前，以減小V/f控制的微源的功率變化量為目標，而使PQ控制的微源按照其容量約束及分擔負荷情況優化出力后，最終使得各微源出力穩定在另一個新的工作點上，可保證所有微源出力平穩，同時也可提高風電和光電等微源的利用率。

3 并網逆變器的控制策略

3.1 PQ控制器的設計

PQ控制策略通常用于微源并網運行狀態。在該狀態下，微電網內負荷波動、頻率和電壓擾動由大電網承擔，其結構如圖3所示。

圖3 PQ控制策略結構Fig.3 Schematic diagram of PQ control strategy

控制器主要由上層功率控制器和電流控制器構成。Pref和Qref分別為有功無功功率參考值，可根據實際負荷所需而靈活設置。通過選擇合理的同步旋轉軸（使得q軸電壓分量為0）實現逆變器輸出電壓的Park變換。Δid和Δiq為功率解耦所得的參考id，ref、iq，ref與電網實際量測值id、iq之差，在PI調節器的作用下，為逆變器輸出電壓提供參考，同時據濾波電感參數設置用于控制逆變器的d-q軸電壓分量Vd和Vq。Vd′和Vq′分別為電流環控制所得的d軸、q軸調制電壓信號。鎖相環確保PQ控制的微源獲得頻率支撐。

3.2 V/f控制器的設計

孤網運行的時候，控制策略主要解決的問題就是如何實現較高質量的電壓和頻率支撐，維持內部功率平衡。

采用V/f控制策略的VSC提供微電網孤網運行時的系統頻率和電壓支撐，所接入節點的電壓和頻率恒定，輸出的有功功率和無功功率由下垂特性、微源容量和負荷共同決定，其結構如圖4所示。

圖4 V/f控制器結構Fig.4 Schematic diagram of the V/f controller

利用PI調節器可實現電壓和頻率的無差控制，限幅器限制輸入輸出功率大小在合理范圍內，若超過上限但頻率仍小于參考值時，則增大其他微源所發出的功率或者切去次要負荷以使頻率恢復參考值，反之同理。

4 仿真分析

4.1 計劃內離網再并網

圖5 并網轉孤網再重新并網的運行結果Fig.5 Operation results of microgrid when it is connected，disconnected and connected again with the distributed grid

微電網系統0～3.0 s并網運行，3.0～5.6 s孤網運行，5.6～8.0 s并網運行，運行結果見圖5。圖中各微源分別為：風力發電機（wind turbines，WT）、光伏電池（photo-voltaic cells，PV）、微型燃氣輪機（micro gas turbine，MT）、燃料電池（fuel cell，FC）。

并網時主網容量相對微源大得多，此期間微電網中分布式電源的頻率和電壓幅值則由大電網決定。

當3.0 s時，隔離斷路器斷開，微電網由并網狀態切換為孤網運行。微型燃氣輪機和燃料電池切換為V/f控制策略，為系統提供電壓和頻率支撐，此處不再贅述。光伏和風機仍采用PQ控制，并進行功率指令優化。圖5（a）～（d）為優化前風光出力的運行結果，功率和頻率波動較大，圖5（e）～（h）為按風光容量及分擔負荷優化出力的運行結果，優化后所有微源平穩出力，過渡相對平滑，頻率波動明顯降低，并且提高了被優化微源的利用率。

當5.6 s時重新并網，同理，再次優化風光功率指令。分析過程同理。

縱觀全過程，由圖5（g）和（h）可知，功率優化后系統的電壓幅值和頻率在孤網以及并網時由于瞬時功率供需不平衡均發生小幅波動，而后快速恢復，并保持穩定；有功、無功功率經短時自動調節后恢復平穩。整個過程中電壓幅值和頻率的變化始終在允許范圍內。網損與并網時持平。

4.2 孤網模式下投切負荷

當3.0 s時切掉20 kW的一般負荷，5.6 s再重帶負荷。頻率和電壓的變化均在允許范圍內。優化后相對優化前過渡平滑，運行結果如圖6所示。

圖6 孤網模式下投切負荷的運行結果Fig.6 Operation results when load changes during islanded mode

4.3 孤網模式下投切微源

在孤網運行的模式下，3.0 s時切去光伏，原孤網運行時其有功出力為20 kW，不發出無功。5.6 s時再重新并入孤網系統。優化后亦相對優化前過渡平滑，其運行結果如圖7所示。

圖7 孤網模式下投切光伏發電的運行結果Fig.7 Operation results when PV is connected，disconnected and connected during islanded mode

5 結語

所建控制模型實現了不同模式下微電網內負荷和微源間供需平衡，并考慮了采用PQ控制的微源出力優化，實現了平滑過渡并提高了其利用率。孤網運行時本系統采用燃氣輪機和燃料電池作為主控單元，由于其容量以及調節能力的限制，微電網處于孤網運行模式的時間不會太長，但這也與實際情況相符。在以提高微源利用率為目標而出力優化方面有待進一步研究。

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Microgrid Smooth Transition Based on the Power Optimization Control

ZHOU Xiao-yan1，LIU Tian-qi1，LI Yuan1，TANG Fan2，YUAN Yuan1
（1.School of Electrical and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；
2.Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China）

The voltage and frequency of distribution network will be affected as the access of distributed resources. Aiming at a microgrid composed of four different types of distributed sources，when it is connected with the distribution network，there are three operation modes：grid-connected mode，islanded mode and the mode-switch between the two modes.A microgrid control model with more realistic parameters is established.The simulation analysis of smooth transition of three cases is studied：switching microgrid operation modes，changing load during islanded mode，cutting and reconnecting one distributed source during islanded mode.The change of the power output of each distributed source，voltage and frequency of the AC bus in each case before and after the optimization are compared with each other.Simulation results show that the proposed power optimization control strategy is feasible and effective，and at the same time of achieving smooth transition，the rate of utilization of the distributed sources which are optimized can be improved.

microgrid；mode-switch；smooth transition；anti-slip control strategy；power optimization

TM727

A

1003-8930（2013）01-0148-07

周曉燕（1988—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統調度自動化、分布式發電。Email：zhouxiaoyan.kyo@foxmail.com劉天琪（1962—），女，教授，博士生導師，IEEE會員，研究方向為電力系統分析計算與穩定控制、高壓直流輸電、調度自動化；Email：tqliu@sohu.com

2011-09-13；

2011-10-28

李 媛（1980—），女，講師，研究方向為可再生能源發電技術，分布式電源接入，電力系統電力電子技術。Email：13438126306@139.com