楊勇，張國新

（中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原 030006）

含多微源的混合微電網(wǎng)控制策略與仿真

楊勇，張國新

（中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原 030006）

針對微電網(wǎng)內(nèi)部分布式電源和負荷的多樣性、分散性，在分析P/Q控制以及基于下垂特性的V/f控制策略的基礎上，采用了一種P/Q-V/f對等控制策略。該策略可有效實現(xiàn)負荷功率共享，保證微電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定。在PSCAD/EMTDC仿真平臺上對所建微電網(wǎng)模型進行運行模式轉(zhuǎn)換以及孤島下切/增負荷的仿真分析，證明所提出的控制策略的有效性與正確性。

微電網(wǎng)；分布式電源；P/Q控制；V/f控制；運行仿真

0 引言

近年來，基于新能源的分布式發(fā)電技術得到了快速的發(fā)展。伴隨著分布式電源（Distributed Generation，DG）越來越多的接入大電網(wǎng)系統(tǒng)，其不可避免的會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成影響［1～3］。為了減小影響且充分利用DG為主電網(wǎng)帶來的價值和利益，微電網(wǎng)的概念被提出并得到了充分的關注。微電網(wǎng)有并網(wǎng)運行與孤島運行兩種模式，而這些功能模式的實現(xiàn)，主要依賴于微電網(wǎng)的控制策略［4］。

微電網(wǎng)的控制技術又依賴于以電力電子為接口的DG的逆變器的控制策略。逆變器控制策略分為P/Q控制、V/f控制以及下垂控制等［5～7］。大量文獻對逆變器的控制策略進行了深入研究。文獻［8］在研究下垂控制理論的基礎上，得到了一種改進的P/V下垂控制（NPV）。文獻［9］在分析低壓配電線路的基礎上，提出了下垂與倒下垂控制器，但其調(diào)節(jié)時間過長，會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。文獻［10］首先提出了下垂控制策略，并研究了逆變器控制參數(shù)和網(wǎng)絡參數(shù)對不平衡負荷功率分配的影響。文獻［11］通過采用坐標旋轉(zhuǎn)的虛擬功率控制策略，實現(xiàn)了低壓微電網(wǎng)的有功、無功解耦控制。

針對含多微源的微電網(wǎng)系統(tǒng)，本文提出P/Q-V/f對等控制策略，在PSCAD/EMTDC中搭建了含多種DG的微電網(wǎng)系統(tǒng)，通過仿真分析各微源在各種情況下的功率輸出、電壓以及頻率的變化，證明了微電網(wǎng)在運行模式轉(zhuǎn)換及負荷變化等情況下均可保持穩(wěn)定運行。驗證了所提控制策略的有效、可行性。

1 混合微電網(wǎng)模型

本文的微電網(wǎng)模型系統(tǒng)包括燃氣輪機單元（DG1）、光伏發(fā)電單元（DG2）、蓄電池儲能單元（DG3）以及異步風力發(fā)電單元（DG4）如圖1所示。其中，針對出力隨機性較大的光伏發(fā)電單元和風力發(fā)電單元，常采用最大功率跟蹤控制實現(xiàn)功率恒定輸出，因此，此種微電源采用恒功率（P/Q）控制；而對于燃氣輪機、蓄電池儲能等單元，在并網(wǎng)運行時采用P/Q控制，保證其功率按給定值輸出，孤島運行時采用恒壓頻（V/f）控制，使得此類微電源按電壓和頻率的參考值運行，從而共同保證微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定性。

圖1　混合微電網(wǎng)模型Fig.1 Model of hybrid microgrid

2 逆變器控制模型

2.1P/Q控制

P/Q控制的主要目的是要使DG的輸出有功和無功功率可以等于參考功率或維持在其附近。適合并網(wǎng)運行，主網(wǎng)為其提供運行時的電壓和頻率。dq坐標系下，令q軸電壓分量為零，逆變器輸出功率和輸出電壓的數(shù)學模型為：

以上式中，id、iq和ud、uq—逆變器并網(wǎng)側(cè)輸出電流和電壓的dq軸分量；uld、ulq為電網(wǎng)電壓的dq軸分量；ω為工頻角頻率；kp、ki為PI控制器的比例積分系數(shù)；Pref、Qref為有功和無功功率的參考值。由此可得到P/Q控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　P/Q控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 P/Q control structure

2.2V/f及鎖相環(huán)控制

文中的V/f控制是基于下垂特性的。下垂控制策略以逆變器輸出電壓的幅值與頻率為控制變量，來調(diào)整逆變器的輸出功率，使其保持在正常范圍內(nèi)（即f/P和V/Q控制）。輸出功率參考值的下垂控制方程為：

式中P（t）、Q（t）—逆變器輸出的有功和無功功率；k1、k2—頻率、電壓下垂系數(shù)；f*、V*—輸出電壓和頻率的參考值。

基于下垂特性的V/f控制框圖如圖3所示。外環(huán)包括下垂控制環(huán)節(jié)和功率控制環(huán)節(jié)，對電網(wǎng)電壓進行dq變換，并作為鎖相環(huán)的輸入得到電壓、頻率、相位的參考值V*、f*、θ*，V*、f*分別與逆變器額定輸出電壓的幅值與頻率V0、f0做差，通過下垂特性并引入逆變器額定輸出功率P0、Q0，從而得到逆變器輸出有功和無功功率的參考值。逆變器網(wǎng)側(cè)實際輸出功率與參考值的差值經(jīng)PI環(huán)節(jié)得到內(nèi)環(huán)控制電流的參考值idref、iqref，內(nèi)環(huán)電流控制與P/Q控制方式的相同。

圖3中的鎖相環(huán)可使得逆變器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓保持同步，鎖相環(huán)的控制原理如圖4所示。圖中φ為電網(wǎng)相位角，vd、vq為電網(wǎng)電壓在dq坐標系下的分量。PI控制器的輸出可以得到逆變器的輸出頻率，進而可以得到逆變器的相位角θ。電網(wǎng)的額定角頻率ω0有時要作為前饋項引入到PI控制器的輸出，以加強動態(tài)響應。

圖3　基于下垂特性的V/f控制結(jié)構(gòu)Fig.3 V/f control structure based on droop

圖4　鎖相環(huán)控制原理Fig.4 Control principle of phase-locked loop

3 P/Q-V/f對等控制的仿真

由以上分析，提出了P/Q-V/f對等控制策略，在PSCAD/EMTDC中搭建圖1所示的混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。仿真分析微電網(wǎng)模型在孤島運行下負荷改變時的運行仿真分析，觀察各微電源的功率輸出情況以及微電網(wǎng)母線電壓和頻率，從而驗證所提的控制策略的可行性和正確性。

圖1中所示的光伏發(fā)電單元通常采用最大功率跟蹤控制，其逆變器的控制方式在并網(wǎng)和孤島運行狀態(tài)時都采用P/Q控制，保證其輸出功率恒定。燃氣輪機發(fā)電單元以及蓄電池儲能單元均采用文中提出的P/Q-V/f控制策略。各微電源輸出功率參考值如表1所示。

圖5　微電網(wǎng)孤島運行下負荷變化的仿真Fig.5 Simulation of microgrid load changein islanding mode

表1　各微電源的輸出功率參考值Tab.1 The output reference power of micro source

微電網(wǎng)在t=4s處進入孤島運行，t=10s處微電網(wǎng)內(nèi)部負荷減少10kW，t=16s處負荷恢復，仿真時間20s。在此過程中，頻率的波動范圍在50±0.1Hz內(nèi)，母線電壓也有波動，但基本保持穩(wěn)定。

4 結(jié)論

針對含多微源的微電網(wǎng)系統(tǒng)，提出了P/Q-V/f對等控制策略。通過分析微電網(wǎng)在運行模式切換和負荷變化的過程中微網(wǎng)功率、電壓、頻率的動態(tài)響應，證明了微電網(wǎng)模型可實現(xiàn)運行模式之間的平滑切換，并具有一定的抗擾動能力，驗證了所提控制策略的可行性和有效性。但實際中微電網(wǎng)可能要面對頻繁切換的復雜工況，如何保證控制策略實現(xiàn)微電網(wǎng)在任何工況下完成無縫切換并抵抗沖擊將是今后重要的研究方向。

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Control Strategies and Simulation of Hybrid Microgrid with Multiple Micro Sources

YANG Yong，ZHANG Guo-Xin
（Taiyuan Intinute，China Coal Technology and Engineering Group，Taiyuan Shanxi 030006，China）

Aiming at the diversity and dispersibility of distributed generations and their loads in microgrid，on based of analyzing the P/Q control strategy and the V/f control strategy with droop control strategy，this paper proposed the P/Q-V/f control strategy.This strategy can realize power sharing to maintain the stability of microgrid voltage and frequency.With the PSCAD/EMTDC similation plotform，the simulation results of switching operating modes and cutting or increasing load in islanding mode can prove the effectiveness and correctness of the proposed control strategy.

microgrid；distributed generation；P/Q control；V/f control；operation simulation

TM743

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.042

1002-6673（2015）02-110-03

2015-02-05

楊勇（1987-），男，碩士，助理工程師；張國新（1975-），男，工程碩士，副研究員。