含多微源的混合微電網控制策略與仿真

楊勇，張國新

（中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原 030006）

含多微源的混合微電網控制策略與仿真

楊勇，張國新

（中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原 030006）

針對微電網內部分布式電源和負荷的多樣性、分散性，在分析P/Q控制以及基于下垂特性的V/f控制策略的基礎上，采用了一種P/Q-V/f對等控制策略。該策略可有效實現負荷功率共享，保證微電網頻率和電壓的穩定。在PSCAD/EMTDC仿真平臺上對所建微電網模型進行運行模式轉換以及孤島下切/增負荷的仿真分析，證明所提出的控制策略的有效性與正確性。

微電網；分布式電源；P/Q控制；V/f控制；運行仿真

0 引言

近年來，基于新能源的分布式發電技術得到了快速的發展。伴隨著分布式電源（Distributed Generation，DG）越來越多的接入大電網系統，其不可避免的會對電網的電能質量造成影響［1～3］。為了減小影響且充分利用DG為主電網帶來的價值和利益，微電網的概念被提出并得到了充分的關注。微電網有并網運行與孤島運行兩種模式，而這些功能模式的實現，主要依賴于微電網的控制策略［4］。

微電網的控制技術又依賴于以電力電子為接口的DG的逆變器的控制策略。逆變器控制策略分為P/Q控制、V/f控制以及下垂控制等［5～7］。大量文獻對逆變器的控制策略進行了深入研究。文獻［8］在研究下垂控制理論的基礎上，得到了一種改進的P/V下垂控制（NPV）。文獻［9］在分析低壓配電線路的基礎上，提出了下垂與倒下垂控制器，但其調節時間過長，會造成系統不穩定。文獻［10］首先提出了下垂控制策略，并研究了逆變器控制參數和網絡參數對不平衡負荷功率分配的影響。文獻［11］通過采用坐標旋轉的虛擬功率控制策略，實現了低壓微電網的有功、無功解耦控制。

針對含多微源的微電網系統，本文提出P/Q-V/f對等控制策略，在PSCAD/EMTDC中搭建了含多種DG的微電網系統，通過仿真分析各微源在各種情況下的功率輸出、電壓以及頻率的變化，證明了微電網在運行模式轉換及負荷變化等情況下均可保持穩定運行。驗證了所提控制策略的有效、可行性。

1 混合微電網模型

本文的微電網模型系統包括燃氣輪機單元（DG1）、光伏發電單元（DG2）、蓄電池儲能單元（DG3）以及異步風力發電單元（DG4）如圖1所示。其中，針對出力隨機性較大的光伏發電單元和風力發電單元，常采用最大功率跟蹤控制實現功率恒定輸出，因此，此種微電源采用恒功率（P/Q）控制；而對于燃氣輪機、蓄電池儲能等單元，在并網運行時采用P/Q控制，保證其功率按給定值輸出，孤島運行時采用恒壓頻（V/f）控制，使得此類微電源按電壓和頻率的參考值運行，從而共同保證微電網電壓和頻率的穩定性。

圖1　混合微電網模型Fig.1 Model of hybrid microgrid

2 逆變器控制模型

2.1P/Q控制

P/Q控制的主要目的是要使DG的輸出有功和無功功率可以等于參考功率或維持在其附近。適合并網運行，主網為其提供運行時的電壓和頻率。dq坐標系下，令q軸電壓分量為零，逆變器輸出功率和輸出電壓的數學模型為：

以上式中，id、iq和ud、uq—逆變器并網側輸出電流和電壓的dq軸分量；uld、ulq為電網電壓的dq軸分量；ω為工頻角頻率；kp、ki為PI控制器的比例積分系數；Pref、Qref為有功和無功功率的參考值。由此可得到P/Q控制結構如圖2所示。

圖2　P/Q控制結構圖Fig.2 P/Q control structure

2.2V/f及鎖相環控制

文中的V/f控制是基于下垂特性的。下垂控制策略以逆變器輸出電壓的幅值與頻率為控制變量，來調整逆變器的輸出功率，使其保持在正常范圍內（即f/P和V/Q控制）。輸出功率參考值的下垂控制方程為：

式中P（t）、Q（t）—逆變器輸出的有功和無功功率；k1、k2—頻率、電壓下垂系數；f*、V*—輸出電壓和頻率的參考值。

基于下垂特性的V/f控制框圖如圖3所示。外環包括下垂控制環節和功率控制環節，對電網電壓進行dq變換，并作為鎖相環的輸入得到電壓、頻率、相位的參考值V*、f*、θ*，V*、f*分別與逆變器額定輸出電壓的幅值與頻率V0、f0做差，通過下垂特性并引入逆變器額定輸出功率P0、Q0，從而得到逆變器輸出有功和無功功率的參考值。逆變器網側實際輸出功率與參考值的差值經PI環節得到內環控制電流的參考值idref、iqref，內環電流控制與P/Q控制方式的相同。

圖3中的鎖相環可使得逆變器的輸出電壓與電網電壓保持同步，鎖相環的控制原理如圖4所示。圖中φ為電網相位角，vd、vq為電網電壓在dq坐標系下的分量。PI控制器的輸出可以得到逆變器的輸出頻率，進而可以得到逆變器的相位角θ。電網的額定角頻率ω0有時要作為前饋項引入到PI控制器的輸出，以加強動態響應。

圖3　基于下垂特性的V/f控制結構Fig.3 V/f control structure based on droop

圖4　鎖相環控制原理Fig.4 Control principle of phase-locked loop

3 P/Q-V/f對等控制的仿真

由以上分析，提出了P/Q-V/f對等控制策略，在PSCAD/EMTDC中搭建圖1所示的混合微電網結構。仿真分析微電網模型在孤島運行下負荷改變時的運行仿真分析，觀察各微電源的功率輸出情況以及微電網母線電壓和頻率，從而驗證所提的控制策略的可行性和正確性。

圖1中所示的光伏發電單元通常采用最大功率跟蹤控制，其逆變器的控制方式在并網和孤島運行狀態時都采用P/Q控制，保證其輸出功率恒定。燃氣輪機發電單元以及蓄電池儲能單元均采用文中提出的P/Q-V/f控制策略。各微電源輸出功率參考值如表1所示。

圖5　微電網孤島運行下負荷變化的仿真Fig.5 Simulation of microgrid load changein islanding mode

表1　各微電源的輸出功率參考值Tab.1 The output reference power of micro source

微電網在t=4s處進入孤島運行，t=10s處微電網內部負荷減少10kW，t=16s處負荷恢復，仿真時間20s。在此過程中，頻率的波動范圍在50±0.1Hz內，母線電壓也有波動，但基本保持穩定。

4 結論

針對含多微源的微電網系統，提出了P/Q-V/f對等控制策略。通過分析微電網在運行模式切換和負荷變化的過程中微網功率、電壓、頻率的動態響應，證明了微電網模型可實現運行模式之間的平滑切換，并具有一定的抗擾動能力，驗證了所提控制策略的可行性和有效性。但實際中微電網可能要面對頻繁切換的復雜工況，如何保證控制策略實現微電網在任何工況下完成無縫切換并抵抗沖擊將是今后重要的研究方向。

［1］李鵬，張玲，等.微網技術應用與分析［J］.電力系統自動化，2009，20.

［2］Standards Coordinating Committee 21.IEEE standard 1547 For interconnecting distributed resources with electric power systems［S］，2003.

［3］黃偉，孫昶輝，吳子平，等.含分布式發電系統的微網技術研究綜述［J］.電網技術，2009，9.

［4］HE Jin-wei，LI Yun-wei.An accurate reactive power sharing control strategy for DG units in a microgrid［C］//Power Electronics and ECCE Aisa（ICPE&ECCE）2011 IEEE 8th International Conference.

［5］鄭競宏，王燕廷，李興旺，等.微電網平滑切換控制方法及策略［J］.電力系統自動化，2011，18.

［6］畢大強，牟曉春，任先文，等.含多微源的微電網控制策略設計［J］.高電壓技術，2011，3.

［7］郜登科，姜建國，張宇華.使用電壓-相角下的微電網控制策略設計［J］.電力系統自動化，2012，2.

［8］孫孝峰，呂慶秋.低壓微電網逆變器頻率電壓協調控制［J］.電工技術學報，2012，8.

［9］紀明偉，張興，楊淑英.基于電壓源逆變器的微電網控制策略［J］.合肥工業大學學報，2009，11.

［10］楊俊虎，韓肖清，等.基于逆變器下垂控制的微電網動態性能分析［J］.南方電網技術，2012，4.

［11］周賢正，榮飛，等.低壓微電網采用坐標旋轉的虛擬功率V/f下垂控制策略［J］.電力系統自動化，2012，2.

Control Strategies and Simulation of Hybrid Microgrid with Multiple Micro Sources

YANG Yong，ZHANG Guo-Xin
（Taiyuan Intinute，China Coal Technology and Engineering Group，Taiyuan Shanxi 030006，China）

Aiming at the diversity and dispersibility of distributed generations and their loads in microgrid，on based of analyzing the P/Q control strategy and the V/f control strategy with droop control strategy，this paper proposed the P/Q-V/f control strategy.This strategy can realize power sharing to maintain the stability of microgrid voltage and frequency.With the PSCAD/EMTDC similation plotform，the simulation results of switching operating modes and cutting or increasing load in islanding mode can prove the effectiveness and correctness of the proposed control strategy.

microgrid；distributed generation；P/Q control；V/f control；operation simulation

TM743

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.042

1002-6673（2015）02-110-03

2015-02-05

楊勇（1987-），男，碩士，助理工程師；張國新（1975-），男，工程碩士，副研究員。