新型主從控制微電網運行控制策略研究

周凌志，任永峰，陳麒同，武欣宇，賈東衛，祝 榮

（內蒙古工業大學 能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特010080）

摘 要：文章結合傳統主從控制與對等控制的優點，提出了一種新型主從控制微電網協調控制策略，即把多個采用改進型下垂控制的分布式電源作為主控單元，其余分布式電源采用PQ控制作為從屬單元。在對微電網結構以及微電源變流器控制策略進行理論分析的基礎上，建立了新型主從控制微電網系統模型。設計并離網切換、負荷突增以及主控微電源發生故障工況時，對微電網系統的主要參數和運行特性進行深入分析。仿真結果表明，新型主從控制微電網協調控制策略可以滿足不同工況下的系統運行需要，實現功率自動調節和系統頻率電壓恢復，具有較好的適應性和穩定性。

關鍵詞：微電網；新型主從控制；改進型下垂控制；混合協調控制

中圖分類號：TK51 文獻標志碼：A 文章編號：1671-5292（2021）08-1100-07

0 引言

通過電力電子技術將微電網中不同類型的分布式電源（Distributed Generation，DG）整合，在一定程度上克服了分布式電源出力隨機性和波動性缺陷，提高了可再生能源利用率[1]～[3]。但是，微電網要實現持續穩定運行，須要對內部DG進行合理的協調控制。

目前，單個微電源的控制方法主要有并網時PQ控制、孤島時V/f控制和下垂控制（Droop控制）。結合不同控制要求，根據微電源類型的差異性，又可以將不同的控制方法相結合，設計出微電網的3種綜合控制策略：主從控制、對等控制和分層協調控制，從而實現微電網的綜合控制[4]～[6]。傳統主從控制常與微電源逆變器PQ控制、V/f控制相結合，文獻[7]～[9]在微電網離網運行時，主控單元由PQ控制切換到V/f控制，從屬單元仍維持PQ控制以實現最大功率輸出。該種方法能成功切換微電網運行狀態，但主控單元在控制策略切換過程中會對微電網系統的穩定性造成一定的影響。文獻[10]針對中壓等級的主從控制孤島微電網中，主控單元無法正常消納無功電流的問題，提出協調主控單元和從屬單元的優化故障控制策略，但并未考慮到微電網并離網模式的平滑切換。微電網的對等控制一般基于微電源逆變器的下垂控制，文獻[11]在計算下垂系數時考慮到了線路阻抗產生的影響，使得頻率控制精度得到提高。文獻[12]～[14]提出了無需切換控制方法的改進型下垂控制策略。該策略可以穩定地為微電網提供頻率與電壓支撐，但卻存在動態響應差、難以實現功率快速分配的缺點。微電網分層控制策略則是依靠最上層的配網管理系統，結合經濟性與安全性的要求去協調控制微電網的運行，對通信帶寬有很高的要求[15]～[18]。

本文提出了一種新型的微電網主從控制策略。該控制策略結合了傳統主從控制和對等控制的特點[19]，將改進型下垂控制運用到多個主控單元中，使其可以根據系統運行的需要合理分配出力，并維持微電網頻率與電壓的穩定。從屬單元運用PQ控制，實現最大功率恒定輸出。仿真結果顯示，本文所提的新型微電網主從控制策略可以在微電網并網轉孤島、微電源發生故障等各類工況下，自動調節微電源輸出功率，并恢復系統頻率和電壓，保證系統安全平穩運行。

1 新型主從控制微電網的結構與特點

本文研究的新型主從控制微電網系統結構如圖1所示。系統主要由3個微電源DG1，DG2，DG3以及公共負荷組成。

圖1 新型主從控制微電網系統結構示意圖Fig.1 Structure diagram of new master-slave control for microgrid system

圖1中，微電源DG通過相應的變換器連接到交流母線上，同時微電源和公共負荷都可以根據微電網系統運行需要,通過各自的斷路器實現與電網的連接或切斷，而LC濾波器則用于過濾高次諧波。在此微電網系統中，DG1與DG2采用了改進型下垂控制策略來充當微電網孤島運行時的主控單元，并且兩者參數完全相同。這是為了體現下垂控制所具有的功能冗余性，即單個下垂控制單元發生故障并不會影響整體系統的穩定運行。DG3采用PQ控制策略來充當微電網孤島運行時的從屬單元，以保證其能夠穩定輸出恒定功率[20]。

本文研究的新型主從控制微電網，在其并/離網運行狀態切換過程中，主控單元不須要改變控制策略，并且多個主控單元微電源可迅速協調完成系統負荷變化時的功率分配。當某個主控單元發生故障時，其余主控單元可承擔其職能，以保證系統穩定運行，省去了通信環節，又使系統操作更加方便，運行更為可靠。本文研究的新型主從控制微電網，在延續“即插即用”特點的同時，加入了PQ控制策略，使出力具有間歇性的微電源實現最大功率恒定輸出，保證系統經濟運行性。

2 微電源變流器控制策略分析

2.1 改進型下垂控制策略

由微電網中分布式電源的功率傳輸特性可知，微電源逆變器輸出的有功功率與電壓相位角、無功功率與輸出電壓存在線性關系，下垂控制便是基于這一理論通過模擬傳統同步發電機的下垂特性，對逆變器輸出的有功功率和無功功率進行解耦控制，從而調節系統頻率和電壓，其控制結構如圖2所示。

圖2 下垂控制結構框圖Fig.2 Structure block diagram of droop control

圖2中，Lf和Cf分別為濾波電感和濾波電容，該控制系統主要由功率計算、下垂控制和電壓電流雙閉環控制3部分構成。逆變器輸出的三相電壓和電流通過功率計算以及低通濾波環節，得到平均有功功率和無功功率；再經過下垂控制環節得到輸出頻率和電壓幅值的指令值，將其作為電壓電流雙閉環控制的給定，從而產生逆變器的SVPWM輸入信號，實現系統有功和無功功率的合理分配。

依照P-f和Q-U的線性關系，其相對應的下垂控制關系式為

式中：fn為電網額定頻率；U0為逆變器額定電壓幅值；Pn，Qn分別為微電源逆變器的額定有功、無功功率；P，Q分別為逆變器輸出的平均有功、無功功率；a，b分別為有功、無功的下垂系數；Pmax為頻率下降至最小值fmin時，微電源逆變器允許輸出的最大有功功率；Qmax為電壓幅值下降至最小值Umin時，微電源逆變器允許輸出的最大無功功率；f，U為下垂控制后，微電源逆變器輸出頻率和電壓幅值的指令值。

傳統下垂控制中，有功、無功下垂特性是位置固定的曲線。當逆變器輸出的有功、無功功率發生變化時，其相應的頻率和電壓幅值也會隨之改變，不利于系統的穩定。本文提出改進型下垂控制的原理如圖3所示。

圖3 改進型下垂控制原理框圖Fig.3 Principle block diagram of improved droop control

改進型下垂控制是在原有傳統下垂控制基礎上，引入了反饋環節，通過調整逆變器額定輸出功率實現頻率、電壓無差調控，并且其調整量會隨著系統運行狀態自適應改變，從而保證微電網系統穩定運行。此控制原理具體表達式為

式中：a*，b*為修正后的下垂系數；kp，ki分別為PI控制的比例、積分系數；s為拉普拉斯算子。

對比式（1），（4）后可知，本文所提的控制方法將頻率差和電壓差作為反饋信號，其經過PI控制環節再乘以修正后的下垂系數后可對系統預設的逆變器額定有功、無功功率進行調整，最終實現頻率、電壓的無差調控。

改進型下垂控制的P-f和Q-U下垂特性滿足圖4所示的曲線。P-f下垂控制具體過程：根據設定系統初始運行在A點，此時逆變器額定有功功率為Pn，頻率為fn；當微電網運行狀態變化時，逆變器輸出的有功功率增加，系統由A點向B點移動，頻率降低；改進后的下垂控制將自適應調整額定有功功率使頻率恢復，此時系統經過調整后重新運行在C點，微電網穩定運行。Q-U下垂控制同理。

圖4 改進型下垂控制特性圖Fig.4 Droop characteristic diagram of improved droop control

2.2 PQ控制策略

PQ控制策略主要包含功率控制與電流控制兩個環節，在將有功功率和無功功率解耦后對電流進行PI控制，從而控制逆變器來保證微電源按照給定值輸出恒定的有功、無功功率。為了使可再生能源得到充分利用，通常在并網時對間歇性分布式電源采取PQ控制，其控制結構框圖如圖5所示[21]。

圖5 PQ控制結構框圖Fig.5 Structure block diagramof PQcontrol

圖5中，逆變器輸出的三相電壓經過電壓矢量定向的Park變換后，得到旋轉dq坐標系下的ud為常數，uq為0；再根據設定的功率參考值可以得到逆變器輸出的參考電流為

式中：iLdref和iLqref為逆變器輸出參考電流的d，q軸分量；Pref和Qref為設定的有功、無功功率參考值。

由式（5）可知，通過功率控制環節后，原本對逆變器輸出功率的控制就轉變為對電流的控制，并且控制d軸電流即控制有功功率，控制q軸電流即控制無功功率。

電流控制環節將實際電感電流與參考電感電流相比較，其差值經過PI調節，再加上dq解耦和電壓前饋補償后得到SPWM調制信號，具體表達式為

根據式（6）可得PQ控制原理如圖6所示。

圖6 PQ控制原理框圖Fig.6 Principle block diagram of PQ control

3 仿真分析

為了驗證本文提出的新型微電網主從控制策略的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了圖1所示的主從控制微電網系統模型，并設置了4種典型工況，對其在不同工況下的運行狀態進行分析。仿真參數選取：微電源中直流側電壓Udc=1 200 V，濾波參數Lf=0.5 mH，Cf=2 500μF；DG1和DG2采用改進型下垂控制，設定初始額定功率Pn=250 kW，Qn=0 kVar，fn=50 Hz，U0=511 V，下垂系數a=5×10-7，b=1×10-4，修正的下垂系數a*=2×103，b*=1×103，頻率和電壓的PI控制中Kp1=10，Ki1=200，電壓、電流雙環結構中電壓環Kp=1.5，Ki=0.5，電流環Kp2=0.5，Ki2=20；DG3采用PQ控制，設定功率預設值Pref=1 000 kW，Qref=0 kvar，電流環中Kp3=1，Ki3=100；負荷采用恒定功率負荷，P=1 500 kW，Q=0 kvar；系統仿真時間為2 s。0～0.3 s，微電網并網運行，此時各DG按系統需求輸出功率。0.3 s，斷路器S1斷開，微電網進行并網/孤島模式切換；0.3～0.9 s微電網孤島運行；0.9 s，斷路器S5閉合投入公共負荷；0.9～1.5 s微電網在負荷突變工況下運行；1.5 s，斷路器S3斷開，切除主控微電源DG2；1.5～2 s微電網在DG2發生故障時運行。

圖7為本文提出的新型主從控制微電網的仿真曲線，其中包含了DG1，DG2，DG3、負荷以及電網在不同工況下有功和無功功率的變化，同時母線處電壓、頻率的波動情況也得以體現。

圖7 新型主從控制微電網的仿真曲線Fig.7 Simulation curves of new master-slave control for microgrid

由圖7可知，系統并網運行時母線電壓和頻率由配電網提供，DG3采用PQ控制策略，按照預設值恒定輸出1 000 kW有功功率，而配電網則輸出500 kW有功功率以滿足系統負荷需求，此時DG1，DG2無須輸出功率，但須要為系統壓頻穩定發揮輔助調節作用。0.3 s后，系統進入孤島運行工況，此時DG1，DG2作為主控單元為微電網提供電壓與頻率支撐，并各自輸出約250 kW有功功率，配合DG3滿足系統負荷需求。由圖7（a），（g）可以發現，0.3 s微電網并/離網運行模式切換時，系統母線電壓和頻率分別下降了約4%，0.02%后又自行恢復。圖7（d）顯示DG3在0.3 s時，輸出功率下降至945 kW，且0.36 s時又恢復至1 000 kW左右，證明此控制策略可以有效實現微電網運行模式切換，且降低了主控單元對其余從屬單元的影響。

0.9 s時，微電網中負荷突變，負荷新增700 kW有功功率、400 kvar無功功率。由于從屬單元DG3依舊按照設定值輸出功率，所以負荷功率變化由多個主控單元共同承擔并自動調整輸出功率分配，此時DG1，DG2各自輸出有功功率600 kW，無功功率200 kvar。1.5 s時，微電網主控單元中的DG2發生故障斷開，系統在出現短暫的頻率和電壓波動后仍保持正常運行，并且頻率在1.65 s時又恢復至50 Hz，因為剩余的主控單元DG1可以承擔其職能，自動調整輸出至有功功率1 200 kW，無功功率400 kvar左右，在此期間從屬單元DG3幾乎不受主控單元故障影響，依舊恒定輸出1 000 kW有功功率來共同維持系統穩定運行。結合圖7（g）可以看出，每次微電網運行工況發生變化時系統頻率都會出現一定程度的波動，但由于改進型下垂控制的作用，約0.1 s后系統頻率又自行恢復至50 Hz。

圖8和圖9為本文所述微電網系統分別運用傳統下垂控制和改進型下垂控制時的系統頻率和母線電壓波形對比。

圖8 運用傳統和改進型下垂控制時的系統頻率波形對比Fig.8 Comparison of system frequency waveform with traditional and improved droop control

圖9 運用傳統和改進型下垂控制時的母線電壓波形對比Fig.9 Comparison of system voltage waveforms with traditional and improved droop control

由圖8，9可知，運用傳統下垂控制時，在微電網運行工況發生變化時頻率和電壓產生跌落。此變化符合下垂特性即輸出功率增加，系統頻率和電壓減小，但是其產生的系統頻率和電壓偏差更大且后續無法自動恢復。經過對比后則可以發現，運用改進型下垂控制時的系統頻率和母線電壓能夠在產生偏差后迅速恢復。本文提出的改進型下垂控制性能優于傳統下垂控制，且更有助于實現微電網系統的穩定運行。

4 結論

本文提出了一種新型的微電網主從控制策略，通過仿真研究得出以下結論：①將多個主控單元運用改進型下垂控制，從屬單元運用PQ控制，可以使微電網在運行模式切換時微電源無須改變控制策略，同時還降低了微電網對單臺主控單元的依賴性，提高了微電網工作適應性；②通過改進型下垂控制策略，微電源根據不同工況自動恢復功率調節和系統頻率電壓，增強了微電網運行穩定性。