下垂控制下的微電源并入和退出運行策略

張 帥，劉文紅，李 鋒，潘三博，闕春蘭

（1.上海電機學院電氣學院，上海 200240；2.上海致遠綠色能源股份有限公司，上海 201611）

下垂控制下的微電源并入和退出運行策略

張 帥1，劉文紅1，李 鋒2，潘三博1，闕春蘭1

（1.上海電機學院電氣學院，上海 200240；2.上海致遠綠色能源股份有限公司，上海 201611）

為實現微電源在基于下垂控制下微電網中的“即插即用”和功率均分的目的，對微電源并入和退出微電網的過程進行了研究。詳細地分析了微電源并入微電網時產生環流的原因，并采用引入二次調頻技術的方法，消除了并入過程中出現的環流功率，縮短了系統恢復穩態所需的時間。同時，對微電源退出運行的情況做出了分類討論，對于負荷過重的情況，提出了利用一、二次調頻配合的控制方式，保證了微電網系統頻率穩定，實現了負載的分級管理。利用MATLAB/Simulink仿真工具對設計的策略進行了對比研究，結果驗證了策略的合理性和可行性。

即插即用；下垂控制；二次調頻；環流；MATLAB/Simulink

分布式發電DG（distributed generation）技術通常指功率為1 kW至50 MW小型分散式、靠近負荷的發電單元[1]。DG接入了大量的清潔能源，且具有電源分散靈活就近供電、減少線損和輸配電建設維護、保障供電可靠性等優勢。但由于風電、光伏、微型燃氣輪機、蓄電池等分布式電源不易調節控制，且會對大電網頻率和電壓產生沖擊，故只能采取隔離、切機等簡單操作來控制[2-3]。這種控制方式極大地限制了DG利用率。為解決上述問題，電力系統領域引入了微電網（micro grid）這一概念。

微電網可以高效地將DG單元以并聯的形式接入現有的傳統電力系統中，并且通過功率電力電子變流器，微電網可以靈活地運行在并網和離網狀態[4]。根據微電網中各個微電源之間通信方式的不同，微電網系統可分為有通信線并聯和無通信線并聯兩種形式[5]。有通信線并聯結構主要有集中控制、主從控制和分散邏輯控制等，該種結構能夠更好地控制微電網的電壓、電流以及功率的輸出和分配，但該結構對通信系統具有較高的依賴性，而且主控單元的故障將可能導致整個系統的崩潰，這都極大地降低了微電網的可靠性[6-7]。為了避免上述問題，以無通信線并聯結構為基礎的下垂控制策略得到了廣泛地應用。傳統的下垂控制是通過模擬大電網中發電機的P/f（有功/頻率）特性曲線和Q/U（無功/電壓）特性曲線所得到的控制方式。該結構控制下的微電網，各個并聯的微電源之間沒有通信線連接，通過自身的下垂曲線來調整輸出電壓的幅值和頻率，達到穩定輸出功率的目的。由于下垂控制情況下微電源互相沒有影響，所以可以達到“即插即用”的效果，方便了系統的擴容及微電源的切除，提高了系統的可靠性[8]。

關于微電網的下垂控制，主要研究方向集中在離網狀態下并聯的微電源對負載功率的均分，以及各微電源之間的環流抑制[9-10]，但是關于下垂控制模式下微電源的并入、退出過程還未有相關文獻加以研究。本文針對處于離網狀態下微電網，設計了應用于單相電壓源逆變器的下垂控制策略，并對微電源的并入、退出的暫態過程進行研究，通過對不同策略的對比，制定出合理的方案，可以很好地實現微電源平滑地并入或退出，以及“即插即用”功能。

1 系統結構及控制策略

1.1 微電網基本結構

本文研究系統如圖1所示，由3個微電源并聯構成，每個微電源均為單相DC-AC結構。本微電網結構基于下垂控制，各微電源之間無通信互聯，各自按照設定的下垂曲線來對自身輸出的電壓和頻率進行控制，實現負載均分。DG3將作為并入、退出策略的研究對象，通過對DG3進行并入、退出動作，觀察系統電壓、電流以及輸出功率的變化情況，并分析研究，提出合理的微電源并入和退出運行的控制方法[11]。

圖1 微電網基本結構Fig.1 Structure of micro grid

1.2 下垂控制策略

微電網通常由不同的微電源構成，在向負荷供電同時，能夠實現功率均分，即輸出功率高的微電源承擔更多負載，輸出功率低的微電源承擔較少負載，以實現能量的最大利用[12]。在下垂控制策略的控制下，各個微電源會根據產生的有功功率和無功功率，來對其輸出電壓的幅值和頻率進行控制，從而使系統在負荷或是輸出功率波動時，均能找到平衡點來維持正常運行。等效電路圖如圖2所示，假設系統由兩臺單相逆變器并聯構成，DG等效為電壓源，且輸出電壓為E1和E2，公共點電壓為E，輸出阻抗為Z1和Z2，δ為微電源輸出端電壓與公共點電壓之間的夾角，θ為線路功率因數角。

圖2 下垂控制下的微電網等效電路Fig.2 Equivalent circuit of micro grid under droop control

由圖1可得DG1輸出的有功和無功功率為

設R=Z1cos θ，X=Z1sin θ，則進一步得到

式（3）、（4）聯立可得

忽略線路電阻，即X?R時，忽略R值。同時，功角δ很小，有sin δ≈δ，cos δ≈1，將式（5）、（6）進一步簡化為

由式（7）與式（8）容易看出，系統的電壓差和無功功率近似呈線性關系，而相位差與有功功率呈線性關系。電壓差的大小可以直接由輸出電壓幅值來調控，相位差則通常通過頻率調節來實現，頻率與功角δ的關系如下：

控制特性曲線如圖3所示。

圖3 下垂控制特性曲線Fig.3 Characteristic curve of droop control

下垂控制曲線可表示為

式中：f0、E0、P0、Q0為系統中頻率、電壓、有功功率以及無功功率的額定值；f、E、P、Q為系統實際工作點的參數；m和n為下垂系數。據此設計出下垂控制器如圖4所示。

圖4 下垂控制器Fig.4 Droop controller

該種設計對微電源的輸出端電壓和電流進行采樣，計算獲得有功功率和無功功率，再通過下垂控制獲得電壓、頻率的差值，與系統給定的額定值進行運算，從而獲得雙環控制所需要的參考電壓。

1.3 雙環控制策略

雙環控制器通常由電壓外環和電流內環構成。電壓外環作為雙環控制器的主環路，通過采樣逆變器交流輸出側的電容電壓，并與目標電壓進行比較，再將比較結果作為電流內環的基準值。電流內環通過采樣逆變器輸出側的電感電流，并與電壓外環得到的基準值進行比較，并將結果作為正弦脈沖寬度調制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）控制的調制波，最終生成絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）的驅動信號。外環采用PI控制實現對輸出電壓的精確控制，內環只采用比例控制來提高系統動態響應速度[13-14]。下垂控制器獲得的電壓幅值和頻率參數，作為雙環控制的參考值。雙環控制器如圖5所示，KP、KI為PI控制器參數，K為電流環增益，KPWM為PWM結構等效增益，L和C分別為濾波電感和電容，Z為負載阻抗。

圖5 雙環控制器Fig.5 Double loop controller

2 微電源并入、退出微電網過程分析及方法

在微電網中，微電源的并入、退出運行等過程都不可避免地會產生暫態過程，這些暫態過程會產生電流、電壓沖擊，以及環流等各種對系統穩定不利的影響[15]。研究如何實現微電源并入和退出過程的平滑過渡對提高微電網系統的可靠性具有重要意義。

2.1 微電源并入微電網過程分析

對于主從控制的微電網系統，微電網電壓幅值、相位由主電源維持，其他微電源以電流源的形式并入微電網中，并入過程沖擊較小。但是對基于下垂控制模式下的微電網來講，各微電源都等同于電壓源，微電源在并入正在運行的微電網時，由于電壓幅值和相位的不同步會引起整個微電網的失穩，在并聯微電源之間產生有功環流和無功環流，造成微電網振蕩[6，16]。下面以兩個微電源并聯運行為例，結構如圖2所示，對下垂控制下并入微電網過程進行分析。

E為公共點電壓，角度φ設為0；E1和E2分別為DG1和DG2的輸出電壓，與公共點電壓夾角為φ1和φ2；Z為公共負載阻抗，阻抗角為δ；Z1和Z2分別為DG1與DG2的輸出阻抗，阻抗角為δ1和δ2；負載電流記為I，兩臺微電源的輸出電流記為I1和I2。根據基爾霍夫電壓、電流定律可得

設流經DG1和DG2的環流分別為ΔI1和ΔI2，假設微電源輸出電流由負載電流和環流電流共同組成[17]，且Z1=Z2=Z=R+jX，即δ1=δ2=δ，故有如下電流方程：

由式（12）、（13）聯立可得

由式（14）可以看出，微電源輸出電壓之間是否存在矢量差決定了系統中是否會產生環流，同時，輸出阻抗大小也影響著環流大小，即輸出阻抗越大，環流越小。進一步計算可得環流對系統輸出功率的影響。分別考慮電壓幅值與頻率對功率環流的影響，即DG1與DG2僅存在幅值差和僅存在相位差的兩種情況。

2.1.1 DG1與DG2輸出電壓僅存在幅值差

當DG1與DG2的輸出電壓只存在幅值差時，即φ1=φ2=φ=0，輸出環流功率記為，ΔP為有功功率變化量，ΔQ為無功功率變化量，即

由式（16）、（17）可以看出，在微電源并入正在運行的微電網過程中，若并入的微電源不能夠快速跟隨微電網的電壓變化，就會與微電網之間產生電壓差，導致功率環流出現，嚴重時會引起整個系統的失衡。由于δ接近0，故此時的環流功率基本上為有功功率。因此，參考逆變器并入大電網的經驗，可以通過檢測微電網電壓，在電壓過零點的時候并入微電源，使并入的微電源輸出電壓能夠較快地跟隨微電網系統電壓變化，減少由于電壓幅值差所引發的功率環流。

2.1.2 DG1與DG2輸出電壓僅存在相位差

當DG1與DG2的輸出電壓之間僅存在相位差時，即E1=E2=EDG，且φ1與φ2相差較小，故φ1-φ2≈0。環流電流表示為

該條件下輸出環流功率表示為

小額信貸對于弱勢群體有著重要的現實意義。它不僅能夠使其地位有所提高，還能改善生活狀況。但是，現階段小額信貸自身的特殊性，使得我國從事小額信貸業務的貸款公司、機構、銀行等面臨著稅收制度、身份定位等多種問題。所以，應該為小額貸款的發展提供良好的制度環境,使其利率能夠覆蓋風險,并適當定位小額貸款機構的性質,讓其擁有貸款呆壞賬核銷自主權,在保證其不非法集資、限制其外部性的前提下進行制度創新,以滿足社會上普遍存在的大量需求。

由式（20）、（21）可以得出結論，在微電源并入正在運行的微電網時，由于相位存在差值，導致了環流的產生。由于δ接近0，此時環流功率基本上為無功功率。因此，在微電源并入微電網之前采用鎖相環進行預同步[18]，使微電源能夠跟隨微電網的相位變化，從而保證并入微電網時不會產生較大的相位差，減少環流的產生。

綜合以上分析，當微電源并入正在運行的微電網時，可以通過在微電網輸出電壓過零時并入來減少電壓差引起的功率環流，同時還需要在并入之前進行預同步，以減少由于相位差所帶來的功率環流。但由于輸出阻抗Z值較小，且微電網不具有傳統電網的穩定性，所以微電源之間較小的電壓差和相位差仍會產生較大的功率環流，系統恢復穩定運行的所需時間較長。

為解決以上問題，在預同步和過零點并入的基礎上，本文將電力系統二次調頻引入微電源的并入過程，即在并入微電網的過程中，在檢測微電網電壓幅值、相位信息的同時，調整待并入微電源的下垂曲線，使并入瞬間注入微電網的電流為零，之后逐步調整下垂曲線，直至穩定運行。二次調頻過程如圖6所示，l0為穩定運行時待并入微電源的額定下垂曲線，P0和 f0為待并入微電源的額定功率和額定頻率。由于微電源在并入微電網的過程中，輸出功率短時間內迅速增大，在下垂曲線l0的一次調頻作用下，頻率、相位會發生較大波動，造成功率環流的產生。本文通過二次調頻的方式，使待并入微電源的輸出功率為零，頻率為額定頻率，即為下垂曲線l1，一段時間后調整至下垂曲線l2，以此類推直至達到額定輸出功率，即下垂曲線l0。該策略既可以實現并入瞬間的零電流注入，又保證了并入過程中微電源之間不會產生相位差，從而大幅度地減少系統中的環流功率，使系統能夠快速平穩地達到穩定運行。

圖6 微電網的二次調頻Fig.6 Secondary frequency modulation of micro grid

2.2 微電源退出微電網過程分析

對比微電源并入微電網過程，微電源退出運行過程的主要問題集中在某些微電源退出運行后，微電網是否能夠繼續維持原有負載。在微電源退出運行后，微電網有功、無功功率會隨之變化，系統的電壓和幅值就會按照下垂曲線進行調整，若輸出功率缺額過大，則系統必須切除部分負載，來維持重要負載的正常運行[19]。

通常，微電源并入過程都是計劃性的，即有計劃投入運行，過程可控性較高。微電源退出運行過程則有所不同，主要可分為計劃退出運行和非計劃退出運行兩種。計劃退出運行是指系統主動將選定的微電源切除，易于控制；非計劃退出運行則是指某些微電源由于故障或是保護動作所引起的突然退出，這種情況具有很大的偶然性和不可預知性，需要系統具有較快的響應時間和準確的判斷能力，過程不易控制。在微電源退出運行后，微電網存在兩種不同的運行狀態，即負載正常和負載過重。負載正常是指某些微電源退出后，余下的微電源通過下垂控制能夠維持微電網系統的電壓幅值和頻率穩定；相反，負載過重是指負載已經超出了微電網下垂控制的可控范圍，若不及時切除部分負荷，微電網將會面臨嚴重的失衡。

對于微電源計劃退出運行，控制過程較為簡單，通過計劃可知微電網退出運行后的負載狀態，可以提前對負載進行管理。若為負載正常狀態，則可以直接將微電源切除；若為負載過重狀態，則可以通過計算，先將次要負荷切除至滿足穩定運行條件后，再將微電源退出運行。

圖7 微電源退出情況下微電網一、二次調頻Fig.7 Primary and secondary frequency modulations when micro gererations are disconnected

系統由l0過渡到l1時，需要增發功率(P3-P1)，這部分功率可由與微電源并聯的蓄電池來提供，或由微電源自身的備用容量來提供。待微電源完全退出運行后，系統將采用計劃退出運行策略，按照負載的重要等級，由低到高依次進行切除，同時改變下垂曲線，直至系統恢復穩定運行。采用此策略可保證在某些微電源突然退出運行的情況下，系統能夠在保證頻率穩定的前提下，更加合理地對負載進行管理，盡可能保證為重要負荷供電。同時，由于該策略為系統提供了更長的響應時間，可避免由于某些微電源的瞬時故障，而將負載誤切除[20]。

3 仿真分析

控制參數 m=2×10-5Hz/W，Q/U下垂控制參數n=1×10-4V/var，濾波電感為10 mH，濾波電容為

仿真以圖1為例，DG1、DG2并聯，觀察DG3在并入和退出運行時微電網的運行狀態。DG1和DG2的額定有功功率為3 kW，無功功率為0 kvar，額定電壓峰值為311 V，額定頻率為50 Hz，P/f下垂200 μF，負載額定功率為12 kW，仿真時間設置為4 s，分別對微電源并入和退出微電網的情況進行分析。

首先研究并入過程，開關K初始狀態為斷開，0.5 s時開關閉合，DG3并入微電網。圖8為不采用二次調頻時，并入過程中微電源輸出電壓和有功功率的輸出情況。

圖8（a）中虛線表示DG3輸出電壓，重合的實線為DG1、DG2輸出電壓。選取0.5～0.6 s時段的電壓波形，可以看到DG1與DG2電壓基本重合，體現了雙環控制良好的穩定性。并入微電網瞬間，DG3輸出電壓幅值高于其他微電源，且存在相位差，系統產生環流功率。圖8（b）中實線表示DG1、DG2輸出功率，兩者基本重合均為5.5 kW，驗證了下垂控制對負載具有良好的均分作用。虛線表示DG3輸出功率，并入過程由0 kW迅速增至9 kW，出現較大振蕩，且系統需要較長時間達到新的穩定運行點。

圖9為采用二次調頻后，微電源輸出電壓和有功功率的輸出情況。圖9是在圖8運行情況的基礎上，為系統增加了二次調頻。對比圖8（a）與圖9（a）不難發現，二次調頻可以消除DG3并入瞬間產生的電壓幅值差和相位差，DG3輸出電壓能夠快速跟蹤DG1和DG2的輸出電壓。對比圖8（b）與圖9（b），由于二次調頻的作用，DG3在并入過程中不斷地調整下垂曲線，使輸出功率不會發生較大范圍的振蕩，峰值僅為5.5 kW，且能夠更加快速地使系統恢復到新的穩定運行點，重新實現負載的均分。

關于微電源退出微電網的過程，本文主要對非計劃退出且退出后負載狀態為負載過重的情況進行討論。假設初始狀態為DG1、DG2、DG3并聯運行，共同為22.5 kW的負載供電，其他參數與并入微電網時情況相同。0.4 s時DG3退出運行，系統采用二次調頻，不斷調整下垂曲線，使DG1和DG2改變輸出功率，以保證系統頻率維持在正常水平。0.5 s時切除2.5 kW次要負載，之后按照負載重要等級，在0.6 s和0.7 s時分別切除2.5 kW負載。每次切除過程均需要重新調整下垂曲線，使頻率維持在正常范圍。直到系統輸出功率和負載功率達到新的穩定運行點后，停止負載切除和二次調頻，系統將依靠一次調頻使系統穩定運行。圖10為采用一、二次調頻時微電源退出微電網的狀態分析。

圖8 不采用二次調頻時微電源并入微電網狀態分析Fig.8 Analysis of the connecting process of micro generation to the micro grid without secondary frequency modulation

圖9 采用二次調頻時微電源并入微電網狀態分析Fig.9 Analysis of the connecting process of micro generation to the micro grid with secondary frequency modulation

圖10 采用一、二次調頻時微電源退出微電網狀態分析Fig.10 Analysis of the disconnecting process of micro generations from the micro grid with both primary and secondary frequency modulations

圖10（a）為退出過程中微電源輸出有功功率的變化情況，可以看出DG3退出運行后，DG1和DG2在二次調頻的作用下改變輸出的有功功率。圖10（b）為微電源輸出電壓頻率波形，在微電源DG3退出運行和切除負載的過程中，微電源輸出電壓頻率始終維持在微電網的允許范圍之內。

4 結語

在下垂控制下微電網能夠實現負載的均分，但在微電源并入正在運行的微電網時由于電壓幅值和相位之間的差值會引起較大的功率環流。通過詳細分析，本文將二次調頻技術引入到微電源的并入過程，顯著降低了并入暫態過程中的環流，使系統能夠快速地恢復到新的穩定運行點，通過仿真對引入二次調頻技術前后的情況進行了對比論證，驗證了方法的合理性。同時，本文對微電源退出運行的過程和退出運行后系統的狀態進行了分類討論，將退出過程分為計劃和非計劃退出，將負載狀態分為負載正常和負載過重。對于非計劃退出運行且負載過重情況設計了一、二次調頻配合使用下的控制策略，在保證系統頻率穩定的情況下，實現了負載的分級管理，提高了系統的可靠性。

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關于外文字符的字體

1 正體外文字母的常用場合

（1）計量單位和SI詞頭符號。

（2）數學式中的運算符號和縮寫號，如：微分號d，有限增量符號Δ，變分號δ，極限lim，行列式det，最大值max等。

（3）其值不變的數學常數符號：圓周率π，自然對數的底e，虛數單位i（電工中常用j）。

（4）量符號中為區別其他量而加的具有特定含義的非量符號和非變動性數字符號角標，如勢能EP，宏觀總截面Σtot；轉置矩陣AT等。

（5）儀器、元件、樣品等的型號、代號。

2 斜體外文字母的常用場合

（1）用字母代表的數、一般函數及統計學符號等，如：x，y；ΔABC；f（x）；概率P，均數x。

（2）量符號和量符號中代表量或變動性數字或坐標符號的角標字母，如：體積V，雷諾數Re，能譜角截面砌σΩ，E，能量Ei（i=1，2，3），力的x方向分量Fx。

（3）矢量和張量符號用黑斜體。

3 化學元素符號均為正體，且首字母大寫

摘編于《中國高等學校自然科學學報編排規范》（修訂版）

Connecting and Disconnecting Strategies for Micro Generation Based on Droop Control

ZHANG Shuai1，LIU Wenhong1，LI Feng2，PAN Sanbo1，QUE Chunlan1
（1.School of Electrical Engineering，Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Ghrepower Green Energy Co.，Ltd，Shanghai 201611，China）

To achieve the function of“plug and play”and power-sharing in micro grid，the connecting and disconnecting processes of micro generations to the micro grid are studied.The theory of circulation current which is caused by micro generations is analyzed in detail.By using secondary frequency modulation，the circulation power is eliminated effectively，and the recovery time to steady state is also reduced.At the same time，different situations when the micro generations are disconnected to the micro grid are discussed.In the case of overload，the strategy of using both primary and secondary frequency modulations is proposed to cut off the loads according to their levels to avoid overloading，which can keep the frequency of micro grid stable.At last，the rationality and feasibility of these strategies are proved by simulation using MATALAB/Simulink.

plug and play；droop control；secondary frequency modulation；circulation；MATLAB/Simulink

TM464

A

1003-8930（2016）12-0049-08

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.12.009

張 帥（1987—），男，碩士研究生，研究方向為微電網能量管理。Email：524362335@qq.com

劉文紅（1967—），女，博士，教授，研究方向為非高斯信號處理、時延估計技術。Email：liuwenhong@sdju.edu.cn

李 鋒（1966—），男，碩士、高級工程師，研究方向為風力發電技術、電力電子、高電壓技術。Email：13701846633@139.com

2014-11-06；

2016-04-06

國家科技支撐計劃資助項目（2012BAH32F06）；上海市教育委員會科研創新資助項目（12YZ187）