基于Matlab/Simulink的分布式電源控制方法

陳奇方，朱小蘭，張文青，舒海蓮，甄少嶼

（1.浙江省紹興新昌縣供電局，浙江 新昌 312500；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 210000）

基于Matlab/Simulink的分布式電源控制方法

陳奇方1，朱小蘭1，張文青1，舒海蓮2，甄少嶼1

（1.浙江省紹興新昌縣供電局，浙江 新昌 312500；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 210000）

微電網是一個由各種分布式電源及各類負荷組成的微型電力系統，它將分布式電源納入了各級配電網，是解決未來能源問題及利用可再生能源、綠色能源的重要途徑。然而微電網的形成以及能否順利在各運行模式和相應過渡模式下可靠運行，必須建立在良好的控制性能基礎上。對于微電網的控制，首先要解決的又是分布式電源（DG）的控制。保證各分布式電源單體的良好控制，實現可靠穩定供電，是實現微電網可靠運行的前提。

當前對于不同類型的分布式電源（DG）和控制要求，主要控制方法有：恒功率控制（PQ control）、恒壓恒頻控制（V/f control）和下垂控制（Droop control）。為驗證這3種控制方法的實用性，創新性的設計并建立了獨自的仿真模型，并利用Matlab/Simulink仿真環境，通過仿真分析對應算例，驗證了所設計模型的實效性。

1 恒定功率（PQ）控制原理及建模仿真

1.1 控制原理及建模

PQ控制的原理是將P和Q解耦，對電流進行控制，采用PI控制器使得穩態偏差為零。其目的是利用逆變器的控制來確保各分布式電源輸出的P和Q保持恒定。總體框圖如圖1所示。

圖1 PQ控制總圖Fig.1 PQ control graph

Project Supported by the National Natural Science Fund（50807035）.

恒功率控制采用SPWM調制解調方法，主要是利用軟件鎖相環的電流（I）跟蹤控制，控制模塊放置在dq旋轉坐標系下。恒功率控制模型主要包含3個模塊：dq變換與鎖相環、電流控制和功率控制。

以圖1虛線框圖模塊為基礎，建立恒功率控制模型，見圖2。

圖2 恒定功率（PQ）控制模型Fig.2 The PQ control model

依據圖1，在Matlab/Simulink中設計一個PQ控制的模型，用于檢驗PQ控制的實效性，建立的仿真模型如圖3所示。模型中分布式電源為恒功率控制，仿真過程利用直流電源等值。Load為恒定功率負荷。在設計仿真總時長為1 s、0.5 s時，恒定功率控制的參照P、Q產生突變。設置相關參數如表1所示。

圖3 PQ控制系統仿真Fig.3 Simulation of the PQ control system

表1 恒定功率控制模型相關參數Tab.1 Relative parameters of the constant power control model

1.2 仿真結果分析

PQ控制相關的仿真結果輸出如圖4所示。

圖4 PQ控制法仿真結果Fig.4 Simulation results of the PQ control strategy

由仿真結果圖4（a）、圖4（b）可以得知，分布式電源發出的P、Q在0.5 s時，同時由25 000 W和0 var增加到30 000 W和10 000 var，與PQ控制器設定的參照值對應，由此說明PQ控制模型比較好地控制了電源輸出的P、Q。由仿真結果圖4（a）、圖4（b）知，當電網P、Q產生突變時，母線電壓U仍然保持基本恒定，頻率f起始有小幅波動，波動最大0.004 3 Hz，滿足f變化小于等于0.01 Hz的條件，隨之趨向于穩定50 Hz。仿真結果顯示，本文所設計建立恒定功率控制模型具有較好的實效性。

2 恒壓恒頻（V/f）控制原理及建模仿真

2.1 控制原理及建模

恒壓恒頻控制的目的是，盡可能的使主要控制的微電源輸出的頻率（f）和電壓（V）保持穩定，以保證孤島系統內其余附屬微電源與負荷安全穩定運行。該控制策略是使用逆變器反饋V來調節交流側V以確保電壓V的基本穩定，通常使用外環電壓V與內環電流I雙環控制方法。外環電壓V控制能確保輸出電壓的穩定，內環電流I控制使得電流隨著系統電壓波動而及時變化，提高抗干擾的能力。

如圖5所示，于dq坐標系里，利用內環電流I外環電壓V控制策略，從而實現對微電源輸出電壓V的跟蹤控制在dq變化過程中，頻率f保持恒定，以確保電網頻率的穩定。

圖5 V/f控制結構框圖Fig.5 The structure diagram of V/f control

圖5中，Rn、Cn、Ln分別為濾波電阻、濾波電容和濾波電感；Zn為負載阻抗；Vn為逆變器橋輸出電壓；iLn為輸出電流；un為負載電壓；iCn為濾波電容電流；iZn為負載電流；ion為流向饋線的電流為可控正弦調制信號。以圖5虛線框圖模塊為基礎，建立恒壓恒頻控制模型，見圖6。

圖6 恒壓恒頻（V/f）控制模型Fig.6 The V/f control model

恒壓恒頻控制模型分2個模塊，即u、i雙環控制模塊與dq變換模塊。該模型的輸入量包含：d、q軸的參照電壓、負載電壓Un和電容電流iCn，若設置d、q軸的參照電壓，即可獲得峰值為的三相對稱電壓。同時得到輸出的6路PWM控制脈沖。

依據框圖6，在Matlab/Simulink中設計一個V/F控制的模型，用于檢驗V/F控制的實效性，建立的仿真模型如圖7所示。模型中分布式電源為恒功率控制，仿真過程利用直流電源等值。Load為恒定功率負荷。設計仿真總時長為2 s、0.5 s時，恒壓恒頻控制模型的電壓參照值發生突變，頻率保持不變。設置相關參數如表2所示。

圖7 V/f控制系統仿真Fig.7 Simulation of the V/f control system

表2 恒定電壓頻率控制模型相關參數Tab.2 Relative parameters of the V/f control model

2.2 仿真結果

恒壓恒頻控制相關的仿真結果輸出如圖8、圖9所示。

由圖8可以得出，仿真0～1 s時，母線電壓幅值由537.2 V下跌至440.1 V，這跟V/f控制器設定的參照值相符。由此可以得出所設計V/f控制模型對DG輸出電壓的控制效果是明顯的。由圖9可以得出，在母線電壓下跌的過程中，頻率f也出現了波動，但波動值小于允許范圍，由此看出，微電源若采取恒壓恒頻控制可以給微電網的孤島運行時提供較為穩定的頻率支持。仿真結果表明了所設計建立恒定功率控制模型具有較好的實效性。

圖8 恒壓恒頻控制線電壓Fig.8 The line voltage of the V/f control

圖9 恒壓恒頻控制電網頻率Fig.9 The frequency of the V/f control

3 下垂（Droop）控制原理及建模仿真

3.1 控制原理及建模

Droop控制方法的原理是各逆變器檢測輸出功率的大小，根據自身容量，通過頻率與電壓幅值來調節輸出的有功無功。各逆變器通過下垂控制得到輸出電壓頻率和幅值的指令值，然后微調其輸出電壓幅值和頻率達到系統有功和無功合理分配。這種自我調節過程一直持續到微電網系統達到穩定的工作點。Droop控制結構包含功率控制和電壓電流雙環控制，見圖10。

由圖11，建立模型：結合原理圖，建立基于Droop控制的小系統，來驗證Droop控制的有效性。設計仿真算例如圖12所示。算例中DG為Droop控制，仿真中用直流源代替。負荷load1和load2都采用恒功率負荷。仿真總時間為1.5 s。在1.0 s時刻，切除load2。參數設置見表3。

圖10 Droop控制結構圖Fig.10 The structure diagram of Droop control

圖11 Droop控制仿真模型Fig.11 Simulation model of the Droop control

圖12 Droop控制仿真模型Fig.12 Simulation model of the Droop control

表3 Droop控制算例參數設置Tab.3 Relative parameters of the Droop control case

3.2 仿真結果分析

仿真結果如圖13所示。

圖13 Droop控制仿真結果Fig.13 Simulation results of the Droop control

從圖13（a）、圖13（b）看出，在1 s時刻切除load2，DG發出的有功和無功功率，分別從50 kW和10 kvar減少到40 kW和0；從圖13（c）、圖13（d）可以看出，母線的電壓略有下降，A相電壓幅值由310 V增加到312 V，頻率由50.21 Hz增加到50.32 Hz，最大波動為0.004 Hz。由此可見，Droop控制模型滿足P-f和Q-V控制原理，并能保證電壓變化不大于5%，頻率變化不大于1%。仿真表明，所建立的Droop控制模型有較好的正確性和有效性。

4 結語

本文利用Matlab/Simulink仿真環境，根據PQ、V/f和Droop 3種典型微電源控制方法的基本原理，建立了仿真模型。在分析原理的基礎上，通過仿真算例，驗證了各模型的正確性和有效性。仿真結果表明：PQ控制可實現微電源有功和無功功率的指定控制；V/f控制實現了負荷功率變化時不同微電源間變化功率的共享，且在微電網孤島運行時能為微電網系統提供電壓和頻率支撐；Droop控制模型能夠實現功率共享并保證頻率和電壓的穩定。所建立的模型可以用于分布式電源并網或接入微電網運行控制問題的研究，具有一定的通用性和拓展性。

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（編輯 董小兵）

Control Strategy of DG Based on Matlab/Simulink

CHEN Qifang1，ZHU Xiaolan1，ZHANG Wenqing1，SHU Hailian2，ZHEN Shaoyu1
（1.Shaoxing Xinchang Power Supply Bureau，Xinchang 312500，Zhejiang，China；2.Nanjing Nari Relays Electric Co.，Ltd.，Nanjing 210000，Jiangsu，China）

分布式電源控制是實現微電網控制及可靠運行的前提。利用Matlab/Simulink仿真環境，根據PQ、V/f、Droop3種典型微電源控制方法的基本原理，建立了仿真模型。在分析原理的基礎上，通過仿真算例，驗證了各模型的正確性和有效性。仿真結果表明：PQ控制可實現微電源有功和無功功率的指定控制；V/f控制實現了負荷功率變化時不同微電源間變化功率的共享，且在微電網孤島運行時能為微電網系統提供電壓和頻率支撐；Droop控制模型能夠實現功率共享并保證頻率和電壓的穩定。所建立的模型可以用于分布式電源并網或接入微電網運行控制問題的研究，具有一定的通用性和拓展性。

微電網；分布式電源；Matlab/Simulink；控制方法

The control strategy of DG has dominating effects on reliable operation of the microgrid.In this paper，three typical micro grid control strategies，namely PQ，V/f and Droop，are established in Matlab/Simulink respectively based on the principle of control strategies and conclusions are made accordingly.Effectiveness and correctness of the model established is verified through the simulation example.

microgrid；DG；Matlab/Simulink；control strategy

1674-3814（2015）04-0036-06

TM74

A

國家自然科學基金（50807035）。

2014-10-16。

朱小蘭（1964—），女，工程師，從事電力調度運行方式管理工作。