基于分布式發電的微電網黑啟動設計與實現

摘 要： 針對電網故障的不可預測性，基于逆變器控制的基本原理，對鎖相環技術以及SPWM技術的數學建模分析，提出多種控制模式下微電網的黑啟動控制策略。對分布式電源的控制方法進行了研究，分析比較了微電網控制模式，并將逆變器的控制方法應用到微電網控制中去，在此基礎上提出一種新型的恢復速度更快的并行恢復黑啟動方案，基于Matlab對其進行了仿真，驗證了微電網串行恢復和并行恢復的有效性和可行性。

關鍵詞： 微電網； 逆變器控制； 黑啟動； 并行恢復

中圖分類號： TN915.03?34； TQ028.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）13?0140?05

Abstract： For the unpredictability of the power grid fault， the mathematical modeling of SPWM technology and phase?locked loop technology are analyzed based on the basic principle of inverter control. The microgrid black start control strategy under multiple control modes is put forward. In this paper， the control methods for distributed power are studied， and the microgrid control modes are analyzed and compared. The control method of the inverter is applied to the microgrid control. A new parallel black start scheme with fast recovery rate is proposed， and simulated with Matlab. The validity and feasibility of microgrid serial recovery and parallel recovery were verified.

Keywords： microgrid； inverter control； black start； parallel recovery

隨著全球工業化進程不斷加速，各個國家對電力資源的需求飛速增長，人們把越來越多的目光投向了既可以提高化石燃料的利用效率又能充分利用各種清潔能源的分布式發電技術[1]。進而，以分布式電源為基礎的微電網成為了電網發展的主要趨勢。但是，由于電網故障具有不可預測性，當微電網運行出現故障，未能正確處理時，可能導致整個微電網全黑[2]。為了保證微電網的穩定供電，就要求微電網具有黑啟動能力應對不確定的事故。

本文針對各種微電源的特性，首先，對分布式電源控制技術進行了研究，并對三種控制方式進行仿真驗證；其次，對比分析了微電網主從控制和對等控制方式的優點，并對其性能進行分析驗證；最后，設計了一套含有串行恢復的分模塊并行恢復方案，并利用Matlab對其進行仿真驗證。

1 分布式電源控制方法研究

分布式電源是微電網運行的基礎，而分布式電源是通過各種電力電子逆變器接口接入微電網的，所以對這種電源的控制可以轉化成對逆變器的控制。目前對逆變器的控制主要有三種方式：恒功率控制（PQ control）、恒壓恒頻控制（V/f control）以及下垂控制（Droop control）。

1.1 恒功率控制

恒功率控制是將無功電流和有功電流進行解耦控制，利用PI調節來實現控制，通過SPWM調節控制逆變器保證分布式電源輸出的有功功率和無功功率保持在一個固定值[3]。設計一個電流閉環系統，實現對參考電流的實時跟蹤。控制器主要包括鎖相環、變換器、電流環控制以及SPWM控制。

1.2 恒壓恒頻控制

V/f控制使用電壓電流雙閉環控制方式，電壓外環使逆變器能夠穩定輸出電壓，為其他分布式電源提供支持；電流環為內環，提高系統動態響應，減少諧波含量，提高微電網中各個微電源的可控性[4]。V/f控制主要應用于主從控制模式中，主要作用是使微電網中的主控制器輸出的電壓和頻率在可調范圍之內，使從控制單元不用承擔支撐微電網電壓頻率的任務，從而能夠正常穩定輸出。

1.3 下垂控制

下垂控制器利用傳感器對逆變器輸出電壓電流進行采樣，計算得到逆變器輸出的有功和無功功率，然后經過下垂控制模塊得到電壓和頻率的參考值輸入給電壓電流雙閉環系統，經過PI調節對參考值進行跟隨，得到無靜差的正弦信號，最后經過SPWM調制，控制逆變器的開關管通斷。

2 微電網控制模式建模

2.1 主從控制模式

主從控制模式是指根據各個分布式電源的自身情況不同，運用不同的控制策略，實現其不同的作用。微電網中，一個分布式電源作為主控制單元測量網側的各種電氣量，根據電網的運行狀況進行相應的調節，而其他從控制單元通過通信線路與主控制單元相連接，按照給定進行輸出，使整個電網的負載和輸出達到功率平衡[5]。主從控制中的主控制單元采用恒壓恒頻控制，輸出穩定的電壓頻率，而其他從控制單元依然采用恒功率控制其輸出功率來維持系統與本地負荷的功率平衡。

2.2 對等控制模式

對等控制模式是指在整個微電網系統中，各個分布式電源在控制上都有著相等的地位，不存在從屬關系，每一個分布式電源都根據接入系統的電壓和頻率信息進行控制。目前普遍使用的分布式電源的控制方法是Droop控制，各個微電源獨立運行[6?7]。在微電網并網運行時，微電網的電壓幅值和頻率由配電網支撐，各個微電源按照額定功率輸出電能；當系統運行在孤島模式時，電網中的每一個采用下垂控制的分布式電源都參與到微電網的電壓和頻率的調節中。當負載發生變化時，各個分布式電源自動根據下垂系數分擔負載的變化量。

3 微電網黑啟動

3.1 微電網恢復步驟

黑啟動電源在輸出端為0的情況下，能夠自行進行啟動，建立微電網的電壓，并且帶動其他非黑啟動的電源啟動，逐漸擴大微電網系統的容量，最終實現微電網在離網狀態下的正常帶載運行，具體操作步驟如下：

斷開微電網中的本地負荷以及微電源；選擇黑啟動電源；啟動黑啟動電源；模式切換與同期并列；啟動非黑啟動微電源，并入微電網中；增加微電網的本地負載。

3.2 傳統微電網串行恢復方案

串行恢復，啟動順序為由一個黑啟動電源啟動，建立電網電壓頻率后，其余電源逐個啟動，隨后組網[8]。微電網進行串行恢復，首先柴油發電機在不連接外部電網的情況下進行帶載自啟動，建立起微電網的電壓和頻率，在運行穩定后，其余的兩個分布式電源采用恒功率控制進行啟動，直接并入主參考源中，電壓頻率跟隨柴油發電機，自身按照恒定的功率輸出。穩定運行后接入負載，微電源對輸出功率自行調整，保證輸出功率與負載平衡。

3.3 微電網并行恢復方案

按照圖1設計黑啟動方案，建立混合控制的微電網。在微電網黑啟動初期，將微電網分成三個子模塊，其中一個模塊采用串行恢復，一個分布式電源采用恒壓恒頻控制，作為主參考源對電網中的重要負載供電，其余兩個模塊中的分布式電源采用下垂控制，保證能夠在黑啟動的第一時間啟動，保證負載的供電。由于采用下垂控制的逆變器抗擾動能力較差，所以在分布式電源均啟動并穩定運行后，采用下垂控制的逆變器需要轉換控制模式，轉為恒功率控制，并入到主參考源中，這時整個微電網為主從控制模式，整個微電網的抗擾動能力增強，能夠向負載提供穩定的電能。

4 仿真分析

4.1 基于分布式電源控制方法的仿真分析

4.1.1 基于Matlab/Simulink的PQ控制仿真

搭建基于PQ控制的三相逆變器運行仿真模型，仿真分為主電路模塊和控制模塊。系統電壓為380 V，頻率為50 Hz。逆變器負載端帶有兩個負載，均為10 kW，初始狀態時load2是斷開的，0.5 s之后load2接入，觀察負載變化時逆變器和電網側輸出功率的變化，如圖2所示。

從圖2可知，逆變器輸出的有功功率和無功功率始終跟蹤給定值，不隨負載的變化而變化，符合恒功率控制原理，同時也驗證了仿真模型的正確性。

4.1.2 基于Matlab/Simulink的V/f控制仿真

在恒壓恒頻控制中微電源離網運行，參考線電壓為380 V，頻率為50 Hz。帶有負載load1和load2，load1為5 kW，load2為10 kW，初始運行時只接入load1，0.55 s后接入load2，觀察負載變化對V/f控制逆變器的影響，如圖3所示。

由圖3可得，無論負載如何變化，微電源輸出的電壓和頻率總是跟隨給定值，符合恒壓恒頻控制基本原理。而逆變器的輸出功率時刻跟隨負荷變化，說明采用恒壓恒頻控制的逆變器需要有較大功率容量，輸出可調，隨時補充網內功率缺額，可在微電網主從控制中作為主控制器使用。

4.2 基于微電網控制模式的仿真分析

4.2.1 主從控制仿真分析

搭建離網運行下的主從控制仿真模型，模型中的參數如表1所示。根據搭建好的主從控制仿真模型，設計一系列開關動作，初始運行時，微電網離網運行，接有本地負載load1，load2，0.1 s時將load2切出，0.2 s接入load3觀察負載變化對微電網的影響，0.3 s時將PQ控制的逆變器切出，如圖4所示。

由圖4可得，負載變化產生的功率變化均由采用恒壓恒頻控制的主控制器跟蹤。而且主控制器的暫態過程良好，對功率變化的響應速度很快。由0.3 s時的仿真結果可以看出，主控制單元不僅僅承擔了負載的變化，還承擔了分布式電源的波動。

4.2.2 對等控制仿真分析

利用Simulink搭建含有兩個分布式電源的微電網，兩個微電網均采用Droop控制，獨自采集本地電壓、電流和頻率信息，對逆變器進行控制；兩個分布式電源都分別帶有本地負荷，微電網中還有一個公共可以切入切出的負荷，所有的逆變器和負荷通過母線與配電網相連，仿真中的配電網用大容量的三相交流電源代替。

設計對等控制仿真步驟：初始時，系統處于離網運行狀態，0.3 s后系統與電網側斷開連接，進入并網運行狀態，查看微電網并/離網狀態切換是否穩定，以及系統并網運行性能；0.8 s后系統重新離網運行，1 s后將其中一個負載切出，1.2 s后接入另一個負載，通過開關模擬負載變化，驗證其下垂特性以及功率跟蹤能力，如圖5所示。

從圖5（a）仿真結果可以得出，兩個逆變器快速進行了響應，重新分配功率輸出保證負載的供電，同時，驗證了對等控制微電網在離網模式運行時采用下垂控制策略的有效性。在圖5（b）的對等控制中，系統對單個微電源的依賴性不強，負載的變化由網內的微電源共同承擔。

4.3 基于微電網黑啟動仿真分析

4.3.1 基于串行恢復方案的仿真分析

柴油發電機作為主控制器，采用V/f控制運行，額定線電壓的幅值為380 V，頻率為50 Hz，輸出功率可調，其余逆變器采用PQ控制，微電網參數設計見表2。

按照表3進行黑啟動操作，串行恢復負載功率仿真結果如圖6（a）所示。由實驗結果可知，PQ控制逆變器能夠經過自身的調解平定沖擊，將輸出恢復到設定值。在本地負載依次接入時，由于柴油發電機設計的容量大，并且容量可調，保證了負載的穩定供電。但是，由于使用柴油發電機作為黑啟動電源，響應速度較慢，建立網側電壓時間較長，面對網側突變導致的頻率變化調整時間較長，具體如圖6（b）所示。雖然順利完成黑啟動，但是速度較慢。

4.3.2 基于并行恢復方案的仿真分析

建立由三個逆變器組成的微電網。采用V/f控制的微電源作為主參考電源，將微電網分成三個模塊，主模塊主參考源采用V/f控制進行黑啟動，其余模塊中微電源采用droop控制進行啟動，如表4所示。

按照表5進行黑啟動操作，并行恢復負載功率仿真結果如圖7（a）所示。由實驗結果可得，利用這種方式進行黑啟動，所有負載第一時間恢復供電，其余時間只是逆變器的控制變換。

5 結 論

本文針對各種微電源的特性以及控制方式，充分利用各個微電源的黑啟動能力制定黑啟動方案。主要對分布式電源的控制技術以及微電網的控制方式進行了研究，確立了微電網黑啟動的步驟，基于此結合并行恢復以及串行恢復的優點，設計了一套含有串行恢復的分模塊并行恢復方案，并且通過仿真實驗驗證了該方案的有效性和可行性。在以后的研究中，可從微電網的控制方式和控制器結構等方向入手，研究如何減小功率沖擊。

參考文獻

[1] 牟龍華，夏明棟，劉仲.微電網的黑啟動研究[J].電力系統保護與控制，2014，42（22）：32?37.

[2] 蔣震東，李向新.分布式電源并網逆變器控制策略與仿真研究[J].現代電子技術，2013，36（3）：142?144.

[3] 龐富寬.電力系統黑啟動方案研究及應用[D].北京：華北電力大學，2013.

[4] 孟強，牟龍華，許旭鋒，等.孤立微電網的黑啟動策略[J].電力自動化設備，2014，34（3）：59?64.

[5] BOUZID A M， GUERRERO J M， CHERITI A， et al. A survey on control of electric power distributed generation systems for microgrid applications [J]. Renewable sustainable energy reviews， 2015， 44： 751?766.

[6] XU Y， LI Z. Distributed optimal resource management based on the consensus algorithm in a microgrid [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2015， 62（4）： 2584?2592.

[7] 劉仲，牟龍華，楊智豪.大停電后含分布式電源的電網分區及負荷恢復方案[J].電力系統保護與控制，2015，43（22）：55?61.

[8] 李玲，王歡歡，謝利理.基于集散控制的分布式電源并網監控系統研究[J].計算機測量與控制，2010（3）：580?582.