王　敏，李　想，張程飛

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京　211100；2.江蘇省電力公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇南京　210008)

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基于多重逆變器復雜控制策略的微電網(wǎng)運行控制

王敏1，李想1，張程飛2

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京211100；2.江蘇省電力公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇南京210008)

0　引　言

近年來，能源短缺危機和環(huán)境污染日益凸顯，因此開發(fā)利用清潔高效的可再生能源引起人們的高度重視，并成為推進節(jié)能減排和實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展目標的重要手段之一。根據(jù)資源條件，合理選擇開發(fā)利用多種可再生能源組成可再生能源分布式供能體系，構(gòu)成微電網(wǎng)，實現(xiàn)獨立或并網(wǎng)運行，是今后可再生能源高效利用的重要方向[1-2]。

微電網(wǎng)是由分布式電源、儲能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控和保護裝置、負荷等匯集而成的小型發(fā)、配、用電系統(tǒng)[3]，是一個具備自我控制和自我能量管理的自治系統(tǒng)。因其靈活的運行方式、低污染性、高可靠性和安全性等特點而得到人們的廣泛關(guān)注[4]。要充分發(fā)揮微電網(wǎng)靈活運行特點的前提是完善的控制系統(tǒng)。由于微電網(wǎng)中的微電源多包含可再生能源(如光伏、風機等)，它們的出力具有很強隨機性和間歇性[5-6]，使得微電網(wǎng)在孤島運行時系統(tǒng)的電壓和頻率難以控制。故此，必須采取有效地控制策略以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

目前，微電網(wǎng)的控制方式主要有對等控制和主從控制。微電網(wǎng)采用對等控制時，其分布式電源逆變器一般采用下垂控制，采用傳統(tǒng)下垂控制的微電網(wǎng)雖然可以實現(xiàn)負荷的功率共享，但對于大幅度、長周期的負荷變化將會導致電壓和頻率的偏移，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[7]；而基于單個主控電源的主從控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)對主控電源的容量有很高的要求，且對其具有很強的依賴性，一旦系統(tǒng)內(nèi)的功率需求超出其可調(diào)容量或者該主控電源故障，就會導致系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行甚至崩潰[8]。

文獻[8-9]針對傳統(tǒng)的基于單個V/f的主從控制策略的缺陷，提出了一種多重主從控制策略，但在并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島的同時，相應的分布式電源運行模式也需立即切換，增大了切換失敗的可能性。文獻[10]中主控電源在并網(wǎng)時采用Droop控制，轉(zhuǎn)換為孤島運行時其控制方式保持不變，直到電壓和頻率偏差超出允許范圍，才切換為V/f控制，從而減少了其切換次數(shù)，降低切換失敗的可能性。但單一的主控電源若發(fā)生故障或系統(tǒng)內(nèi)的功率需求超出其功率可調(diào)范圍，系統(tǒng)將無法穩(wěn)定運行甚至崩潰。

綜上，在微電網(wǎng)中，單純的采用以上任何一種控制方式，很難保證微電網(wǎng)的可靠穩(wěn)定運行。本文在以上研究工作的基礎(chǔ)上，借鑒傳統(tǒng)電網(wǎng)的一次調(diào)頻和二次調(diào)頻的思想，提出了一種具有混合輸出特性的逆變器控制方法，基于該逆變器控制方法提出了一種具有多個主控電源的微電網(wǎng)孤島運行控制策略，充分利用各類分布式電源的工作特性，完善孤島運行方式下多個主控電源的協(xié)調(diào)配合，減少微電網(wǎng)離并網(wǎng)切換時分布式電源控制方式的轉(zhuǎn)換，提高了系統(tǒng)運行的可靠性，并通過仿真進行了驗證。

1　逆變器Droop-V/f-P/Q復雜控制

1.1逆變器典型控制

微電網(wǎng)中多類分布式電源的輸出為直流電或非工頻交流電，需經(jīng)并網(wǎng)逆變器接入到電網(wǎng)[11]，因此，針對分布式電源的控制可以轉(zhuǎn)化為對逆變器的控制。典型的分布式電源接口逆變器控制方法有：Droop控制、V/f控制和P/Q控制[12-13]。

Droop方法源于電力系統(tǒng)中的同步發(fā)電機并網(wǎng)理論[14]。傳統(tǒng)的下垂控制屬于有差控制。在微電網(wǎng)孤島運行時，若系統(tǒng)電壓和頻率由采用下垂控制的分布式電源支撐，負荷需求發(fā)生變化時，系統(tǒng)的電壓和頻率會偏離額定值，在負荷變化較大時，電壓和頻率有可能超出系統(tǒng)允許偏差范圍，不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

V/f控制由下垂控制發(fā)展而來，其作用是穩(wěn)定逆變器輸出電壓和頻率，確保微電網(wǎng)在孤島運行狀態(tài)下快速平衡系統(tǒng)中的功率缺額[15]。但是，當基于單個V/f主控電源的微電網(wǎng)孤島運行時，一旦系統(tǒng)內(nèi)功率需求超過其功率可調(diào)范圍或該主控電源發(fā)生故障，將會導致整個系統(tǒng)的崩潰。

P/Q控制的控制目的是使分布式電源輸出的有功功率和無功功率等于其參考功率，即當并網(wǎng)逆變器所連接交流網(wǎng)絡系統(tǒng)的頻率和電壓在允許范圍內(nèi)變化時，分布式電源輸出的有功功率和無功功率保持不變[16]。當采用P/Q控制時，需要系統(tǒng)中有一個或多個具有支撐電壓和頻率的分布式電源[17]。該控制方式適應于諸如風力發(fā)電或光伏這樣具有間歇性和波動性的分布式電源，使得該類分布式電源利用率得到最大化。

1.2逆變器Droop-V/f-P/Q復雜控制

文獻[18]指出在微電網(wǎng)并網(wǎng)時逆變器采用下垂控制時系統(tǒng)是可以穩(wěn)定的。文獻[19]指出主控電源在并網(wǎng)和孤島時均采用Droop控制，可避免離并網(wǎng)切換時其控制模式的切換，從而降低切換失敗的可能性，提高了微電網(wǎng)運行的可靠性。為了實現(xiàn)基于多個主控電源間的協(xié)調(diào)配合，本文提出了一種具有混合輸出特性的逆變器控制方法(Droop-V/f-P/Q復雜控制)，其有功-頻率輸出特性曲線如圖1所示。

圖1　混合輸出特性

由圖1可見，當系統(tǒng)頻率在f-1～f1之間時，逆變器采用Droop控制，充分利用電源的頻率特性和負荷的頻率特性共同實現(xiàn)對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行控制(BC段)；因Droop控制屬于有差控制，當負荷增加(減小)，系統(tǒng)頻率下降(上升)到參考頻率f-1(f1)時，逆變器切換為V/f控制以維持系統(tǒng)頻率為其參考頻率f-1(f1)，即CD段(AB段)，此時逆變器輸出的有功在PC～Pmax(Pmin～PB)之間；當系統(tǒng)內(nèi)負荷需求超出其功率可調(diào)范圍，則轉(zhuǎn)換為P/Q控制方式，以其最大或最小功率輸出(D點和A點)。

綜上可知，Droop-V/f-P/Q控制充分體現(xiàn)了幾種單一控制方式混合運行所帶來的靈活運行特點，同時為多個主控電源間的協(xié)調(diào)配合奠定了基礎(chǔ)。實際應用時各主控電源的控制特性可以根據(jù)電源的特性或者微電網(wǎng)運行需要選擇全部或部分控制特性進行整定。

2　微電網(wǎng)控制策略

2.1微電網(wǎng)電源的多重逆變器復雜控制策略

微電網(wǎng)中分布式電源具有多樣性的特點，當微電網(wǎng)孤島運行或進行離并網(wǎng)切換時，微電網(wǎng)中的分布式電源根據(jù)其控制方式的不同表現(xiàn)出不同的輸出特性，微電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性需要有效的控制策略來實現(xiàn)。

對于像風力發(fā)電和光伏這樣的分布式電源，其輸出功率具有明顯的間歇性和波動性，一般采用P/Q控制方式。對于像微型燃氣輪機、燃料電池等分布式電源，控制比較容易實現(xiàn)，既可以采用P/Q控制方式，也可以采用V/f控制或下垂控制[20]，因此本文中該類分布式電源均采用前面提出的Droop-V/f-P/Q復雜控制。基于此設計了多個主控電源在孤島運行時的控制策略，實現(xiàn)多個主控電源之間的協(xié)調(diào)配合以維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

假設微電網(wǎng)中有3個主控電源DG1、DG2和DG3具備功率調(diào)節(jié)能力，且都采用Droop-V/f-P/Q復雜控制方案。本文設計的多電源綜合控制策略如圖2所示，其中f0代表額定頻率，f±1和f±2為設定的參考頻率。

圖2　多個主控電源控制原理

并網(wǎng)運行時，由于外部電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，維持系統(tǒng)運行在額定頻率f0。此時DG2表現(xiàn)為下垂輸出特性，該電源可選用調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)能力強的發(fā)電單元，如超級電容器等；而DG1以其最大功率輸出，此類電源可選用消耗可再生能源的包含儲能的風儲或光儲發(fā)電單元；DG3以其最小功率輸出，可選用消耗不可再生能源的柴油發(fā)電機等發(fā)電單元作為此類電源。

孤島運行時，當系統(tǒng)頻率在f-1～f0之間，DG1采用P/Q控制并維持恒定的功率輸出，DG2和DG3運行在下垂特性區(qū)間，共同分配系統(tǒng)負荷；因Droop控制為有差控制，當負荷需求不斷增加，系統(tǒng)頻率會持續(xù)下降。

當頻率下降到參考頻率f-1時，DG2切換為V/f控制以穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。只要負荷變化小于DG2的調(diào)節(jié)能力，主控電源DG2就能夠維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。當負荷需求超過DG2調(diào)節(jié)能力，DG2輸出功率達到其最大值P2max之后就切換為P/Q控制并維持恒定的功率輸出不變，DG3會作為新的主控電源。

當頻率下降到參考頻率f-2時，DG3切換為V/f控制，用于維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。因此，只要負荷需求的增量在DG3的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，DG3就可以維持系統(tǒng)的運行頻率不變。

當負荷變化超出DG3的調(diào)節(jié)能力，其輸出達到最大值P3max而切換為P/Q控制，此時DG1 、DG2、 DG3都已達到其最大輸出能力，微電網(wǎng)已經(jīng)無法增加出力，只能通過合理有效地消減負荷的策略來維持穩(wěn)定運行。但是如果微電網(wǎng)中還有可用的微電源，可按照上面的設計繼續(xù)投入以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。從而實現(xiàn)了各個主控電源之間的協(xié)調(diào)配合，保證了系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行。負荷減小時各分布式電源之間的協(xié)調(diào)配合與負荷增加時的過程同理。

分析圖2可以發(fā)現(xiàn)，在整個微電網(wǎng)微電源出力的可調(diào)范圍內(nèi)，充分考慮了微電源的一次能源特性，也可根據(jù)需要調(diào)整微電源的調(diào)節(jié)特性，提高可再生能源的利用率以及微電網(wǎng)的經(jīng)濟性。另外負荷的調(diào)頻特性也獲得了充分的利用，尤其是當頻率在f1和f-1范圍內(nèi)。微電網(wǎng)中的頻率調(diào)節(jié)特性類似于常規(guī)電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻特性。

2.2微電網(wǎng)負荷頻率特性及控制策略

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行取決于系統(tǒng)中發(fā)電機組的輸出功率與電力負荷連續(xù)匹配的穩(wěn)定性[21]。因此，負荷特性對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有重要的影響。當系統(tǒng)的頻率發(fā)生變化時，系統(tǒng)中的有功負荷也隨之發(fā)生變化，這種特性稱之為負荷的頻率特性。不考慮系統(tǒng)電壓波動影響時，任意瞬時的負荷特性是該時刻系統(tǒng)頻率的代數(shù)函數(shù)，標幺值表示為

(1)

式中：PL*、f*分別為系統(tǒng)負荷功率標幺值和頻率標幺值；ai(i=0,1,…k)為與系統(tǒng)額定頻率的i次方成正比的負荷占額定負荷的比例系數(shù)。通常與頻率三次方以上成正比的負荷很少，如忽略其影響，并將式(1)對頻率微分，得到負荷的頻率調(diào)節(jié)效應系數(shù)KL*：

(2)

文獻[22]指出負荷頻率特性對系統(tǒng)最低頻率及穩(wěn)態(tài)頻率有重要的影響，對電網(wǎng)低頻減載負荷方案的配置也具有重要影響。在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，當所有微電源不足以平衡系統(tǒng)負荷時，因負荷頻率調(diào)節(jié)效應系數(shù)大的負荷調(diào)節(jié)有功功率更快，有利于系統(tǒng)功率平衡和頻率的恢復，故優(yōu)先切除KL*較小的負荷，有利于系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。

因此，負荷的頻率特性對微電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)的影響主要有：①在微電源采用有差調(diào)節(jié)特性時參與微電網(wǎng)調(diào)頻，相當于傳統(tǒng)電網(wǎng)的一次調(diào)頻；②根據(jù)KL*制定投切負荷的次序，可使系統(tǒng)的頻率更快地恢復穩(wěn)定。

綜上可見，本文所提出的基于多個主控電源的協(xié)調(diào)控制借鑒常規(guī)電力系統(tǒng)的一、二次調(diào)頻思想，充分利用了負荷的頻率特性和電源的頻率特性，可有效解決微電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性問題。

3　算例模型與仿真分析

3.1算例模型

為驗證本文所提出的微電網(wǎng)和逆變器控制策略的正確性與可行性，在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了如圖3所示的微電網(wǎng)系統(tǒng)模型。假定DG1、DG2和DG3為具有功率調(diào)節(jié)能力的分布式電源，并采用本文所提出的Droop-V/f-P/Q控制方式，Load1為恒功率負荷，Load2為電動機負荷。系統(tǒng)基本參數(shù)為：交流母線電壓為0.4kV，額定頻率為50Hz。

圖3　微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.2仿真分析

針對圖3所示的微電網(wǎng)系統(tǒng)模型，由于本文重點研究微電網(wǎng)和逆變器的控制策略，為了便于分析，將分布式電源均等效為直流電壓源，其仿真參數(shù)如表1所示。

表1　各分布式電源逆變器參數(shù)

表1中，Pimin表示DGi可調(diào)容量的最小有功功率，Pi0為系統(tǒng)頻率為50Hz時DGi的功率輸出，m和n為下垂系數(shù)。

仿真開始時，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行，系統(tǒng)負荷為(1.8+j0.2)MVA。t=0.2s時，微電網(wǎng)切換為孤島運行，t=0.5s時，負荷增加0.22MW，t=1s時，負荷增加0.1MW，t=1.5s時，負荷增加0.1MW；t=2s時，負荷增加(0.16+j0.1)MVA，t=3s時，負荷增加(0.22+j0.1)MVA，t=3.5s時，負荷增加(0.1+j0.1)MVA，仿真時間為4s，相應的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　多個主控電源間協(xié)調(diào)控制仿真結(jié)果

由圖4可見，0～0.2s時，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行，t=0.2s時與電網(wǎng)斷開，負荷電壓和電流基本未發(fā)生波動，實現(xiàn)了微電網(wǎng)的平滑切換。0.2～0.5s時，DG1采用P/Q控制并以其最大功率輸出，DG2和DG3均采用Droop控制，共同為系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐；因Droop控制為有差控制，t=0.5s時負荷增加，系統(tǒng)頻率下降到DG2參考頻率49.9Hz，DG2轉(zhuǎn)換為V/f控制以維持系統(tǒng)頻率在DG2參考值不變；t=1s和1.5s時，負荷需求增加，作為主控電源的DG2增加出力來彌補系統(tǒng)功率缺額，因負荷需求量在DG2功率調(diào)節(jié)能力范圍內(nèi)，DG2保持V/f控制方式不變，系統(tǒng)頻率也維持在參考值49.9Hz不變，此時DG3采用Droop控制，跟隨系統(tǒng)頻率輸出相應功率；t=2s時，負荷繼續(xù)增加并超出了DG2功率調(diào)節(jié)范圍，DG2切換為P/Q控制，維持其輸出功率為最大值1.0MW不變，DG3保持Droop控制不變，根據(jù)系統(tǒng)頻率和電壓偏差來調(diào)節(jié)其出力。由采用Droop控制的DG3來支撐系統(tǒng)的運行時，系統(tǒng)的頻率會低于額定值，如圖4(d)t=2s～3s區(qū)間，系統(tǒng)頻率在49.85Hz左右；t=3s時，負荷增加(0.22+j0.1)MVA，系統(tǒng)頻率下降到DG3參考頻率f-2，DG3轉(zhuǎn)換為V/f控制以維持系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定；t=3.5s時，負荷增加(0.1+j0.1)MVA，在DG3調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，DG3保持V/f控制方式不變，增加的負荷需求由DG3來平衡，此時DG3作為主控電源來維持系統(tǒng)頻率在其參考值f-2不變，如圖4(d)所示，t=3s～4s時間段內(nèi)，系統(tǒng)的頻率為49.8Hz。圖4(h)為頻率變化過程中系統(tǒng)負荷吸收功率的變化，由于負荷的頻率特性，其實際吸收的功率小于理論值，即負荷參與了系統(tǒng)的頻率調(diào)整。

由以上仿真結(jié)果可以看出，基于多個主控電源的微電網(wǎng)孤島運行時，有效地協(xié)調(diào)配合可以很好地解決基于單個主控電源存在的缺陷。且DG1、DG2或DG3中任何一臺發(fā)生故障時不會導致系統(tǒng)的崩潰，明顯提高了系統(tǒng)的運行可靠性。

本文算例模型中僅包含3個DG，在實際的微電網(wǎng)中，可以根據(jù)其擁有的可調(diào)分布式電源采用類似控制策略充分利用電源的可調(diào)能力來維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。同時，當負荷增加超出系統(tǒng)中所有DG可調(diào)能力時，可按負荷的頻率調(diào)節(jié)效應系數(shù)制定切負荷策略。反之，當負荷很小，分布式電源出力較大時，則根據(jù)需要采取風電“棄風”和光伏“棄光”或其它分布式電源停機的措施，以達到系統(tǒng)功率平衡。

4　結(jié)　論

本文針對目前幾種典型的分布式電源逆變器控制方式存在的缺陷，結(jié)合其各自控制方法的優(yōu)點以及微電網(wǎng)運行的實際情況，提出了一種具有混合輸出特性的逆變器控制方法，在PSCAD/EMTDC仿真平臺上建立了算例仿真模型，通過仿真分析驗證了所提出的微電網(wǎng)控制策略和逆變器控制方法的有效性和可行性。解決了基于單個主控電源的微電網(wǎng)對主控電源具有很強依賴性缺點，充分利用了負荷的頻率特性，同時也實現(xiàn)了微電網(wǎng)離并網(wǎng)切換的平滑過渡，提高了系統(tǒng)的運行可靠性。由于多個主控電源間存在模式切換，系統(tǒng)的頻率短時會有較大的波動，有待進一步研究。

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(責任編輯：林海文)

The Operation and Control of Microgrid Based on the Complex Control Strategy of Multiple Inverters

WANG Min1，LI Xiang1，ZHANG Chengfei2

(1. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China；2. Jiangsu Electric Power Company Economic Research Institute, Nanjing 210008, China)

針對傳統(tǒng)的基于單個主控電源的主從控制和下垂控制存在的缺陷，本文借鑒傳統(tǒng)電網(wǎng)的調(diào)頻特性，提出了一種多重逆變器Droop-V/f-P/Q復雜控制策略用于微電網(wǎng)的運行控制，可充分利用負荷的頻率特性，最大程度的避免微電網(wǎng)離并網(wǎng)轉(zhuǎn)換時電源控制模式的切換，較好地實現(xiàn)離并網(wǎng)的平滑切換，有效地提高了微電網(wǎng)孤島運行的可靠性。利用PSCAD/EMTDC軟件搭建的微電網(wǎng)仿真模型驗證了所提出的控制策略的正確性和可行性，為微電網(wǎng)的平滑切換和可靠運行提供了新的解決思路。

微電網(wǎng)；平滑切換；多重逆變器復雜控制；負荷頻率特性；PSCAD/EMTDC

According to the shortcomings of the master-slave control of microgrid based on single master power and droop control, the characteristic of frequency modulation of traditional power grid is referenced in this paper, and the operation and control of microgrid is proposed based on the Droop-V/f-P/Q complex control strategy of multiple inverters. This method can take advantage of the frequency characteristic of load, avoid the sources control mode switching between grid-connected mode and islanded mode in most degree, and better achieve the smooth transiting of microgrid between grid-connected mode and islanded mode, which improve the operation reliability of microgrid in islanded mode. Finally, a simulation model for microgrid is developed on the PSCAD/EMTDC software, the correctness and feasibility of control method for the inverters is verified, which provide an effective way for the smooth transition and reliable operation of microgrid.

microgird; smooth transition; complex control strategy of multiple inverters; frequency characteristic of load; PSCAD/EMTDC

1007-2322(2016)05-0024-06

A

TM762；TM464

中央高?；究蒲袠I(yè)務項目(2012B05914)；教育部海外名師項目 (MS2012HHDX021)

2015-09-24

王敏(1974-)，女，博士，副教授，碩士研究生導師，研究方向為可再生能源發(fā)電技術(shù)，E-mail：wangmin@hhu.edu.cn；

李想(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為可再生能源發(fā)電技術(shù)，E-mail：liguxiang89@163.com；

張程飛(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為可再生能源發(fā)電技術(shù)，E-mail：zcfhhu@163.com。