周志鋼，鐘 顯，朱立銘，肖 瑛

(1.國(guó)網(wǎng)潛江供電公司，湖北 潛江 433100；2.國(guó)網(wǎng)常德供電公司，湖南 常德 415000；3.國(guó)網(wǎng)上海市區(qū)供電公司，上海 200434)

微電網(wǎng)中DG的逆變器作為保證電能高效、穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，DG輸出必須通過(guò)并網(wǎng)逆變器將電能輸送到電網(wǎng)，因此對(duì)逆變器的控制策略的研究具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義[1-5]。

微電網(wǎng)含有多種類(lèi)型的DG，不同DG單元在微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)所發(fā)揮的作用不同，進(jìn)而使得DG逆變器控制策略也有所區(qū)別[6-9]。微電網(wǎng)存在孤島和并網(wǎng)兩種運(yùn)行模式，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)微電網(wǎng)只需平衡必要的負(fù)荷功率需求，對(duì)此本文只針對(duì)微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行模式下基于DG逆變器主從控制的系統(tǒng)穩(wěn)定和帶負(fù)載能力展開(kāi)討論。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

本文以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池和儲(chǔ)能蓄電池組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，其中：儲(chǔ)能蓄電池作為微電網(wǎng)的主電源，在其孤島運(yùn)行時(shí)通過(guò)主逆變器采用V/f控制維持微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定于額定值，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)切換到PQ控制維持微電網(wǎng)和配電網(wǎng)的負(fù)荷功率需求；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏電池由于其隨機(jī)性，采用PQ控制實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤維持微電網(wǎng)關(guān)鍵負(fù)荷功率的需求，孤島模式下微電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制框圖

2 逆變器主從控制策略分析

DG逆變器控制策略一般采用恒定功率(PQ)控制、對(duì)等控制、下垂(droop)控制、恒壓頻比(V/f)控制，但是在實(shí)際應(yīng)用中普遍采用PQ控制和V/f控制策略，兩種控制策略依據(jù)DG逆變器的應(yīng)用場(chǎng)合以及在微電網(wǎng)系統(tǒng)中的作用進(jìn)行選擇，在此基礎(chǔ)上對(duì)PQ控制和V/f控制策略進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 PQ控制

基于PQ控制的DG逆變器輸出的功率P和Q依據(jù)主控系統(tǒng)發(fā)出功率指令值進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤輸出，保證微電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷的功率需求。DG逆變器的主電路包括整流、逆變和濾波三個(gè)環(huán)節(jié)，PQ控制器包含功率測(cè)量模塊、PQ控制模塊、鎖相環(huán)和PWM脈寬調(diào)制模塊。功率測(cè)量模塊通過(guò)電壓電流傳感器并經(jīng)濾波后獲得輸出電壓電流信號(hào)計(jì)算出輸出功率，結(jié)合坐標(biāo)變換法和前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)功率的獨(dú)立解耦控制。解耦所得的實(shí)際輸出功率與系統(tǒng)功率指令值作差比較后經(jīng)電壓電流雙閉環(huán)控制獲得調(diào)制電壓，再經(jīng)PWM調(diào)制解調(diào)環(huán)節(jié)產(chǎn)生三相逆變橋IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)?；赑Q控制的DG逆變器控制框圖如圖2所示。

圖2中udc為直流電源，Lf和Cf表示濾波器電感和電容，usabc是逆變器輸出電壓，isabc是逆變器輸出電流，Pref和Qref為PQ控制器的系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率指令值。

DG逆變器輸出電壓us和輸出電流is經(jīng)坐標(biāo)變換得到usd、usq和isd、isq，其輸出的P和Q為

(1)

由于基于風(fēng)電和光伏的DG逆變器的輸出端與微電網(wǎng)公共交流母線相連，輸出電壓受母線電壓鉗制，因此其輸出電壓us定向于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸，使得us=usd，usq=0,式(1)可以化簡(jiǎn)為

(2)

2.2 V/f控制

基于V/f控制的DG逆變器一般作為微電網(wǎng)的主逆變器，建立微電網(wǎng)的系統(tǒng)電壓和頻率，適當(dāng)補(bǔ)充關(guān)鍵負(fù)荷的功率缺額。V/f控制器包含功率控制和電壓電流雙閉環(huán)控制兩個(gè)模塊，功率控制模塊通過(guò)瞬時(shí)輸出功率與系統(tǒng)功率指令值作差比較后乘以相應(yīng)的系數(shù)獲得電壓和頻率偏差，再與系統(tǒng)電壓和頻率參考值疊加，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到電壓外環(huán)的輸入電壓參考值。電壓電流雙閉環(huán)控制模塊：實(shí)際輸出電壓與參考電壓作差比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到電流內(nèi)環(huán)的參考值，再與實(shí)際電流值比較之后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器形成控制信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)PWM調(diào)制后產(chǎn)生逆變器的脈沖觸發(fā)信號(hào)?；赩/f控制的DG逆變器控制框圖如圖3所示。

圖3 基于V/f控制的DG逆變器控制框圖

在低壓輸電系統(tǒng)中R遠(yuǎn)大于X，若X忽略不計(jì)，則DG逆變器輸出阻抗近似表示為Z≈R，其輸出的有功功率和無(wú)功功率表達(dá)式為

(3)

3 算例分析

首先，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立基于風(fēng)/光/儲(chǔ)DG的微電網(wǎng)仿真模型如圖4所示，DG逆變器采用V/f和PQ主從控制策略，驗(yàn)證孤島模式下微電網(wǎng)的運(yùn)行特性。其中DG1和DG3代表環(huán)境依賴(lài)程度高的風(fēng)電和光伏電源，其逆變器采用PQ控制實(shí)現(xiàn)最大功率輸出；DG2代表以儲(chǔ)能蓄電池為主的電源，孤島模式下其逆變器采用V/f控制建立系統(tǒng)電壓和頻率。

圖4 微電網(wǎng)仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在微電網(wǎng)的本地負(fù)荷功率波動(dòng)時(shí)負(fù)荷電流、微電網(wǎng)公共交流母線電壓和頻率的仿真波形結(jié)果如圖5所示，設(shè)定本地負(fù)荷功率在0～1.5 s為11 kW，在1.0～3.6 s時(shí)段變化為15 kW，在3.6～5.0 s時(shí)段變化為10 kW。

(a)本地負(fù)荷功率波形

(b)負(fù)荷電流波形

(c)微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率

(d)微電網(wǎng)公共母線電壓(PCC點(diǎn)電壓)圖5 微電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)仿真波形

仿真結(jié)果表明：圖5(a)表明微電網(wǎng)負(fù)荷功率在0～1.5 s負(fù)荷功率為11 kW，1.5～3.6 s負(fù)荷功率為15 kW，3.6～5.0 s負(fù)荷功率為10 kW；圖5(b)表明微電網(wǎng)輸出的負(fù)荷電流在1.5 s和3.6 s時(shí)刻跟隨功率變化而波動(dòng)；圖5(c)表明微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在50 Hz，在1.5 s時(shí)下降到49.83 Hz，在3.6 s時(shí)增加到50.18 Hz，隨后很快穩(wěn)定與50 Hz；圖5(d)表明微電網(wǎng)公共交流母線電壓穩(wěn)定于額定值附近，不受其負(fù)荷功率波動(dòng)的影響，為穩(wěn)定系統(tǒng)電壓和頻率提供了保證?；谏鲜龇抡娼Y(jié)果的分析，DG逆變器采用主從控制，在微電網(wǎng)負(fù)荷功率波動(dòng)時(shí)維持了系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定，跟蹤補(bǔ)償了關(guān)鍵負(fù)荷的功率缺額。

其次對(duì)所建立的基于風(fēng)/光/儲(chǔ)DG的微電網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)在孤島模式下運(yùn)行特性進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。由于微電網(wǎng)孤島模式下接入阻感性負(fù)載時(shí)能穩(wěn)定運(yùn)行，則在接入阻性或者感性負(fù)載也能穩(wěn)定運(yùn)行，微電網(wǎng)空載運(yùn)行和阻感性負(fù)載時(shí)輸出的負(fù)荷電壓和電流的示波器測(cè)試波形如圖7所示。

測(cè)試波形結(jié)果可以看出：空載運(yùn)行時(shí)，圖7(a)中的微電網(wǎng)PCC點(diǎn)處的相電壓輸出波形正常且幅值保持311 V，空載電壓無(wú)振蕩表明微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)空載時(shí)無(wú)負(fù)載電流輸出為零。微電網(wǎng)帶阻感性負(fù)載時(shí)，圖7(b)中輸出相電壓和圖7(c)中輸出負(fù)載電流的波形出現(xiàn)了一定的振蕩及波動(dòng)現(xiàn)象，電壓和電流存在一定的相位差，但是這種波動(dòng)都在合理范圍內(nèi)，不影響微電網(wǎng)孤島模式下帶負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 風(fēng)/光/儲(chǔ)微電網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)

(a)空載時(shí)PCC點(diǎn)電壓波形

(b)帶阻感性負(fù)載時(shí)PCC點(diǎn)電壓波形

(c)帶阻感性負(fù)載時(shí)負(fù)載電流波形圖7 微電網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試波形

4 結(jié)論

本文針對(duì)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下負(fù)荷特性變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，提出了基于V/f和PQ控制的DG逆變器主從控制策略。

a. 負(fù)荷大小波動(dòng)時(shí)，采用V/f控制的DG逆變器使得微電網(wǎng)PCC點(diǎn)電壓和頻率穩(wěn)定于額定值附近，采用PQ控制的DG逆變器跟蹤補(bǔ)償負(fù)荷功率需求。

b. 負(fù)荷類(lèi)型變化時(shí)，微電網(wǎng)接入阻感性負(fù)荷時(shí)微電網(wǎng)PCC點(diǎn)頻率穩(wěn)定，電壓和輸出負(fù)載電流雖有振蕩但在穩(wěn)定運(yùn)行允許范圍內(nèi)。通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出控制策略的正確性、有效性。

[1] 陳 新，姬秋華，劉 飛.基于微網(wǎng)主從結(jié)構(gòu)的平滑切換控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014.29 (2):164-167.

[2] Liu Zeng, Liu Jinjun.A Unified Control Strategy for Three-Phase Inverter in Distributed Generation [J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2014.29 (3): 1 176-1 188.

[3] 李振坤，周偉杰，紀(jì) 卉，等.主從控制模式下有源配電網(wǎng)供電恢復(fù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014.38(9):2 576-2 580.

[4] Sarina Adhikari, Li Fangxing.Coordinated V-f and P-Q Control of Solar Photovoltaic Generators With MPPT and Battery Storage in Micro-grids [J].IEEE Transactions on Smart Grid, 2014.5 (3): 1 270-1 278.

[5] Xian ZHONG, Yanfang FAN, et al.Study on LVRT Coordinate Control Strategy of DFIG when Considering Non-rotor Side Crowbar Protection [J].Journal of Computational Information Systems, 2015, 11(18): 6 747-6 757.

[6] Sunjae Yoon and Junbum Kwon.Indirect Current Control for Seamless Transfer of Three-Phase Utility Interactive Inverters [J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2011.35 (4): 625-631.

[7] 魯宗相，王彩霞，閡 勇，等.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007, 31(19):100-107.

[8] 李 軍，許嘉寧，孫志強(qiáng)，等．微電網(wǎng)主從控制建模與仿真[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，10 (3):16-22.

[9] Sarina Adhikari, Fangxing Li.Coordinated V-f and P-Q Control of Solar Photovoltaic Generators With MPPT and Battery Storage in Microgrids[J]．IEEE Transactions on Smart Grid，2014，5 (3)：1 270-1 281．