微電網并網運行模式下的控制方法研究

李令儀

摘? 要：文章針對于微電網并網運行下的情況，結合微電源不同控制方法的特征，選取PQ控制法對微電網進行控制。在MATLAB/Simulink環境中搭建仿真模型進行模擬實驗，并分析該方法的性能。所得仿真結果驗證了PQ控制法運用在微電網并網情況下的有效性和正確性。

關鍵詞：微電網;新能源;并網運行;PQ控制法

中圖分類號：TM727? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）14-0132-02

Abstract： In this paper， according to the situation of microgrid operation， combined with the characteristics of different control methods of micropower supply， PQ control method is selected to control the microgrid. The simulation model is built in MATLAB/Simulink environment， and the performance of the method is analyzed. The simulation results verify the effectiveness and correctness of PQ control method in the case of microgrid connection.

Keywords： microgrid; new energy; grid-connected operation; PQ control method

引言

近年來，隨著國家對低碳環保要求的不斷提高，電網的發展規模逐漸擴大，越來越多的微電源加入到了電網中。傳統集中式大電網存在以下弊端：化石能源容易對環境造成污染，加快了全球氣候變暖的進程，不符合當今可持續發展的要求，而對于供電難度大、地理位置偏遠的地區，用于輸電線路架設和維護的成本都很高。

分布式發電技術的產生可以適當解決上述問題，提高電力系統供電的可靠性，以更好滿足用戶對較高電能質量的需求。但是在微電網中同樣存在著一些問題，部分基于新能源發電的微電源無法提供恒定的功率，這將嚴重影響微電網運行的安全性與可靠性。因此，為了電網的穩定運行，對微電源的控制方法進行選取與研究是十分有必要的。

針對于各種微電源控制方法的研究，已取得許多成果。文獻[2]介紹了不同類型的微電源，描述了微網中微電源控制方法的研究現狀;文獻[3]提出了一種戶用型微電網恒功率控制方法，通過設計一種P-I控制器對母線功率進行控制;文獻[7]針對微電網中含有感應電動機負荷的情況，將PQ控制與自適應暫態下垂控制方法相結合進行控制，該方法有效性較高。可見，不同情形下使用的微電源控制方法存在著一定差別。

微網中微電源的種類很多，如輸出功率不穩定的光伏發電及風力發電等新能源類微電源，它們容易受到外部因素的影響，無法提供穩定的輸出功率。為保證微電網并網運行時的安全性與穩定性，必須對這類微電源采取適當的控制方法。針對此種情況，希望微電網在運行時達到輸出功率恒定的效果，因此采取恒功率控制方法較為合適[1]。

本文重點研究了微電網并網情況下恒功率控制法的性能。在MATLAB/Simulink仿真環境中搭建微電網并網模型，采用PQ控制法進行控制，檢測系統中的各參數，如頻率、電壓等，根據仿真結果，分析該方法的可行性及有效性。

1 微電源控制方法

為使微電網的運行狀態達到最優，需對其中微電源的控制方法進行分析研究。微電源的控制方式主要有三種：恒功率控制、恒壓恒頻控制及下垂控制[4]。基于微電源性質的不同，對于不同種類的微電源所選取的控制方法也不同[5]。對于無法提供恒定功率的新能源微電源，常采用PQ控制改善輸出功率及輸出電壓的不穩定性;對于輸出較為穩定的微電源，既可以采用PQ控制，也可以采用V/f、Droop控制來保證運行的穩定性。

微電源在孤網、并網以及兩種狀態之間相互切換的模式下，也存在著不同的控制方式[6]。當微電網接入大電網后，因微電網的容量太小，主要由大電網來承擔調壓調頻的任務，只需控制微電源輸出功率的大小使之與微電網功率相協調，該情況多采用PQ控制法對微電源進行控制。而當微電網處于孤網狀態時，通常采用V/f控制或Droop控制方法。

2 恒功率（PQ）控制原理

恒功率控制也稱為PQ控制，一般用于微電網并網模式[6]。其控制目標是使分布式電源輸出的有功、無功功率值向其功率參考值方向進行改變，并最終根據設定值的大小進行輸出。

在此控制策略中，首先給系統設置一個參考有功功率和無功功率值，將測得的微電源輸出電壓進行dq變換：通常首先通過同步鎖相環技術，使微電源的旋轉角頻率與大電網相同，后經過dq變換將逆變器輸出電壓從三相靜止坐標系轉變到兩相同步旋轉坐標系，完成有功分量與無功分量的解耦。再將解耦后的有功、無功功率分別與給定值相比較，通過微電源輸送相應的有功、無功功率差值。

3 并網模式下的PQ控制

在MATLAB/Simulink仿真環境中，搭建如圖2所示的微電網并網模型。大電網用380V三相交流電源代替，頻率為工頻50Hz，三相交流電源用以維持微電網的頻率和電壓。分布式電源由受控源模擬，受控源發出的直流電經IGBT Inverter逆變為交流電，流經LCL濾波器濾過諧波，后通過變壓器升壓后接入電網。系統所接負荷的有功功率為10kW，無功為0Var。整個仿真分析過程的時間設置為5s。

為模擬在微電網并網情況下微電源受環境影響輸出功率發生改變以及用戶端負荷量變化時的情況，本文擬對PQ控制模型下的電源輸出電壓突變以及所接負載功率突變兩方面進行研究。

3.1 電源輸出電壓突變

針對電源輸出電壓突變情況考慮到分布式電源多具有輸出隨機性的特點，選取階躍信號作為受控源的輸入。階躍信號的初始值為90，在0.3s時，將其從90突降到70并保持到仿真結束。故受控源的起始電壓幅值為90V，0.3s后降至70V，以此模擬電源輸出電壓的突變情況。運行過程中，檢測并記錄系統中的各項參數，其中頻率f的變化情況如圖3。

由實驗結果可知，在系統運行穩定后，當微電源電壓發生突變時，系統電壓及頻率幾乎可維持不變，且不產生波動，此時系統的電壓幅值和頻率均保持在規定范圍。系統電流有輕微下降，因電壓保持不變，所以系統有功功率也隨之下降。總體而言，該方法在微電網并網運行的情況下可以有效保證在負載功率突變的情況下系統運行的穩定性，具有一定的有效性。

3.2 負載功率突變

針對負載功率突變情況，整個系統共接有兩個負載R和R1，負荷R通過斷路器breaker2接入系統中，通過timer模塊控制斷路器，設定在0.3秒時負載R退出系統，0.4s時又將負載R接入系統。運行過程中，檢測并記錄系統內的各項參數，其中頻率f的變化情況如圖4。

由上述實驗結果可知，在系統運行穩定后，當系統接入的負荷發生突變時，系統輸出的電壓和電流幾乎不發生變化，此時系統頻率發生微小波動，但仍滿足±2%的誤差以內，不會對系統的正常運行造成影響。因此該方法可以有效保證在負載功率突變的情況下系統運行的穩定性。

4 結束語

本文重點討論了恒功率控制法，在MATLAB/Simulink仿真環境中對微電源的PQ控制法進行了仿真模擬，驗證了該方法在微電網并網情況下的可行性。PQ控制能有效保證系統的電壓值與頻率不受外界影響，系統內的電壓、頻率的變化量主要由電網來承擔，且PQ控制響應速度快，波動時間短，能較快使系統達到穩定狀態，可以有效保證系統內部的電能質量。該仿真結果為微電網中微電源控制方法的選取提供了一定的參考依據。

參考文獻：

[1]譚遠鋒.微電網并網的控制策略研究與應用[D].燕山大學，2016.

[2]婁寶磊，周楨鈞.交流微電網中微電源控制研究綜述[J].中國電力，2016，49（S1）：138-143.

[3]康家玉，劉甲琛，王素娥.戶用型微電網恒功率控制方法的研究[J].現代電子技術，2017，40（24）：151-153+159.

[4]呂婷婷.微電源控制方法與微電網暫態特性研究[D].山東大學，2010.

[5]陳汝昌，陳飛，張帆，等.新能源電網中微電源并網控制策略研究[J].電力系統保護與控制，2015，43（12）：55-60.

[6]郭文明，劉仲，牟龍華.微電源控制策略及微電網分層管理體系[J].電器與能效管理技術，2015（24）：64-70.

[7]唐昆明，王俊杰，張太勤.基于自適應下垂控制的微電網控制策略研究[J].電力系統保護與控制，2016，44（18）：68-74.