基于模糊控制器的孤島微網低頻減載策略研究

葛宜然，葛 愿，黃 超

(安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000)

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基于模糊控制器的孤島微網低頻減載策略研究

葛宜然，葛 愿*，黃 超

(安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000)

在微網孤島模式下，由于分布式電源發電量和負載之間的不平衡，導致系統頻率的變化過大，從而無法滿足電能質量要求．提出一種基于模糊邏輯控制器的孤島模式下微網低頻減載策略，該控制策略包含模糊邏輯控制器和負載控制器，以頻率f和頻率變化率df/dt作為輸入，通過模糊控制器來預算需要切斷的負荷量△P，再由負載控制器完成對負載的切斷．基于Matlab/Simulink建立了光伏微網仿真模型，仿真實驗驗證了所提低頻減載策略的有效性．

微網；孤島模式；模糊邏輯控制器；頻率控制；低頻減載

隨著地球上石油、煤炭等不可再生能源的日漸減少，由各種形式的分布式電源(Distributed Generation，DG)、負荷和保護控制裝置組成的微網系統成為各個國家專家學者的研究熱點之一[1-2]．

在微網的并網和孤島運行時，頻率的穩定一直都是電能質量的重要標志[3]．當微網運行于并網模式下，系統內部頻率由大電網支持，DG一般按照m給定的值輸出有功功率和無功功率，即控制方式為P/Q控制．當微網運行于孤島模式下時，頻率則需要靠系統自我調節．當微網采用對等控制時，一般對各DG采用下垂控制方式；當微網采用主從控制時，在系統中配置儲能單元，代替大電網來維持微電網的頻率穩定．儲能單元由蓄電池和超級電容組成，采用V/f控制，其他DG則繼續用P/Q控制．微網處于孤島模式下出現發電量和負荷量不平衡的情況時，儲能單元是無法完全平息頻率波動的，因此，需要給出一種控制策略來解決此時的頻率波動問題．

低頻減載(Underfrequency Load Shedding，UFLS)是電力系統中用于抑制頻率下降和維持頻率穩定的方法[4]．目前對微網中采用低頻減載策略的研究較少，因此，對于孤島模式下微網的低頻減載技術的研究很有意義．文獻[5]提出的計及負荷頻率特性的低頻減載方法，研究對象是大電網，不適于微電網系統．文獻[4]提出的基于PID算法，在微網孤島運行時采用粗調輪、細調輪和緊急啟動輪等控制策略．該策略需細化負荷量，且文中沒有給出具體計算方法．文獻[6]在多代理結構下，提出了通過各代理信息交互來產生負載切除動作，但此方法負載切除量不準確．文獻[7-8]提出的用頻率和微電網的等效轉動慣量來得到功率缺額的方法，然而微電網的轉動慣量較小，等效的轉動慣量不準確，得到的功率缺額偏差較大．

圖1 微網結構圖

為了解決上述問題，提出一種基于模糊邏輯控制器的孤島模式下微網低頻減載策略．利用頻率和頻率的變化率，并設置模糊規則，可以較為準確地計算功率缺額，最后通過負載控制器快速完成減載動作．

1 微網仿真模型

建立微網系統的結構如圖1所示．由圖1可知，微網仿真模型主要由微電源、儲能裝置、整流逆變裝置和負載等構成．大電網上10 kV電壓經變壓器得到380 V電壓光伏陣列，蓄電池和超級電容經整流逆變裝置連接到微網交流母線上．負載分為可控負載和不可控負載,其中負載1、負載2、負載3為可控負載，通過可控開關連接到微網交流母線;負載4為不可控負載，直接連到微網交流母線．微網交流母線和380 V外網之間通過公共連接點(PCC)連接．

光伏陣列功率為50 kW，采用最大功率點追蹤控制(MPPT)，可以讓光伏陣列在光照強度變化的同時保持最大功率發電[9]．30 kW的蓄電池和20 kW的超級電容組成混合儲能裝置，可以減少微電網中電壓波動，提高頻率穩定性[10]，同時能減緩并網離網模式切換瞬間的波動．

2 基于模糊邏輯控制器的低頻減載策略

圖2 低頻減載控制器框圖

圖3 低頻減載控制流程圖

當微網處于孤島模式下，負載量突然增加或微電源供能下降時，導致系統頻率下降．當混合儲能裝置也無法改善頻率下降時，則需要切除多余的負載來保證頻率在合適范圍內．為了保證孤島模式下的頻率穩定，提出一種基于模糊邏輯控制器的低頻減載策略．策略中所用的低頻減載控制器包含模糊邏輯控制器和負載控制器，實時監測負載饋線上的頻率f和頻率變化率df/dt，將f和df/dt作為模糊邏輯控制器的輸入，模糊邏輯控制器輸出為預計切負載量△P．再將△P作為負載控制器的輸入值，由負載控制器控制斷路器，按序按量實施減載動作．低頻減載控制器框圖如圖2所示．當微網中各微電源都以最大功率輸出且頻率f仍然低于設定值49.8 Hz時，即實施低頻減載策略．微電網孤島模式下低頻減載控制流程如圖3所示．

3 模糊邏輯控制器的設計

模糊邏輯控制系統的原理框圖如圖4所示．由圖4可知，模糊邏輯控制器的輸入量為f和df/dt，輸出量為功率缺額△P．對輸入量f、df/dt和輸出量△P進行模糊分割并確定其隸屬函數．其中頻率的模糊子集F(f)={NL(負大)，NM(負中)，NS(負小)}；頻率變化率的模糊子集F(df/dt)={NL(負大)，NS(負小)，PS(正小)，PL(正大)}；切負載量的模糊子集F(△P)={S(小)，M(中)，L(大)}．隸屬函數均采用三角形法表達．模糊邏輯控制器輸入量和輸出量的隸屬函數分布圖如圖5、圖6、圖7所示．由圖7可知，輸出量△P為小，表示切除占總負載量0～20%的負載；△P為中，表示切除占總負載量20%～50%的負載；△P為大，表示切除占總負載量50%～80%的負載．

圖4 模糊邏輯控制系統框圖

對實時數據進行模糊化處理后，則需要設計模糊控制規則庫．根據之前設計的模糊集合，列出模糊邏輯控制規則如表1所示.

圖5 頻率的隸屬函數 圖6 頻率變化率的隸屬函數

圖7 切負載量的隸屬函數

表1 模糊邏輯控制規則表

4 仿真結果與分析

為了驗證所提低頻減載方案的有效性，按上述微網系統結構，在Matlab/Simulink中建立微網仿真模型 ．微網處于孤島運行模式，光伏陣列容量為50kW，鉛酸蓄電池容量為30 kW，超級電容容量為20 kW．負載按百分比分為負載1、負載2、負載3．其中負載1占總負載的20%，負載2占總負載的30%，負載3占總負載的30%，剩下的20%為不可切除負載．仿真實驗時考慮了兩種情況下的低頻，一種為當供能充足時，系統突增負載導致的低頻；另一種為系統供能不足時導致的低頻.分別對這兩種情況造成的低頻進行仿真分析．

系統過載時導致的低頻，將未采用和采用控制策略的系統頻率曲線進行對比如圖8所示．由圖8可知，系統提供的額定功率為100 kW，在0～0.5 s時，系統供能充足，頻率穩定；0.5 s時，突加50 kW且不采用低頻減載控制策略時，頻率從50 Hz下降到49.4 Hz左右，即當前頻率不滿足負荷需求；當采用低頻減載控制策略時，切除負載1和負載2，頻率穩定在49.9 Hz左右，即滿足負荷需求，也達到了所提低頻減載策略的預期效果．

在0.5 s突加負載的情況下，負載控制器切除的負載量如圖9所示．由圖9可知，P1、P2、P3分別代表負載1、負載2和負載3的負載功率．P1和P2在0.5 s后功率為0，說明負載1和負載2被切除；P3為30 kW，即負載3未被切除；負載3的30 kW和不可切除負載的20 kW，再加上突增的50 kW負載，剛好等于系統提供的額定功率100 kW．因此也證明了負載3不需要切除．

圖8 突曾負載未采用和采用控制策略的系統頻率 圖9 負載功率

系統供能不足導致的低頻，將未采用和采用控制策略的系統頻率曲線進行對比如圖10所示.由圖10可知，由于分布式電源的供電間斷性，系統可能會出現供能不足的情況．當系統出現供能不足，仿真時假設此時系統只能提供50 kW功率，而負載量則為100 kW．不采用低頻減載控制策略時，頻率從50 Hz下降到49.5 Hz左右；當采用低頻減載控制策略時，經0.1 s的調整，最終頻率大致穩定在49.85 Hz左右．在供能不足情況下，負載控制器切除的負載量如圖11所示．由圖11可知，P1和P2為0，說明此時負載1和負載2已經被切除；P3是負載3的負載功率，為30 kW，未被切除；負載3的30 kW和不可切除負載的20 kW，也剛好等于供能不足時系統提供的50 kW功率，也證明了負載3不需要切除．

從仿真結果可以看出，對于這兩種不同情況造成的低頻，所提出的低頻減載策略都可以較為有效快速地切除負載，并使頻率在期望范圍內．

圖10 供能不足時未采用和采用控制策略的系統頻率 圖11 負載功率

5 結論

在Matlab/Simulink中建立了包含光伏陣列、蓄電池和超級電容以及控制器等的微電網孤島仿真模型．通過仿真實驗驗證了在不同低頻情況下，所提出的基于模糊控制的低頻減載策略的有效性和可靠性．微電網的頻率穩定是整個系統可靠性的標志之一，研究考慮了在低頻情況下的切負載控制．當微電網的微電源發電多余或造成高頻情況時，則需要提出一種高頻切機策略，來維持系統頻率的穩定．低頻減載和高頻切機結合使用，才能有效地維持微電網在孤島模式下的頻率穩定，這也是下一步的研究目標．

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[4] 林湘寧，李正天，薄志謙，等.適用于微網孤島運行的低頻減載方法[J].電網技術，2010，34(3)：16-20.

[5] 熊小伏，周永忠，周家啟.計及負荷頻率特性的低頻減載方案研究[J].中國電機工程學報，2005，25(19)：48-51.

[6] 吳志，顧偉.孤島方式下基于多代理系統的微電網有功頻率控制[J].電力自動化設備，2009，29(11)：57-61.

[7] 沈臣，顧偉，吳志.孤島模式下的微電網低頻減載策略分析[J].電力系統自動化，2011，35(9)：47-52.

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Study on Underfrequency Load Shedding Strategy for Islanded Microgrid Based on Fuzzy Controller

GE Yi-ran，GE Yuan*，HUANG Chao

(College of Electrical Engineering,Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

In islanded mode of microgrid,due to the imbalance between distributed generators and loads,the change of system frequency is too large,to meet the requirements of power quality.This paper presents an underfrequency load shedding(UFLS) strategy in islanded mode of microgrid based on fuzzy logic controller. The control strategy includes a load controller and a fuzzy logic controller. With the input of frequency f and rate of change of frequency df/dt,the fuzzy logic controller budgets the load capacity △P to be cut off.Then,the load will be cut off by the load controller.A photovoltaic microgrid model is set up with Matlab/simulink,and the result of simulation experiment verifies the effectiveness of the proposed under-frequency load shedding strategy.

microgrid;islanded mode;fuzzy logic controller;frequency control;underfrequency load shedding

1672-2477(2016)05-0080-05

蕪湖市科技計劃重點基金資助項目(2014CXY05)

葛宜然(1991-)，男，安徽合肥人，碩士研究生.

葛 愿(1979-)，男，安徽蕪湖人，教授，碩導.

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