張 寧，逄 鵬，張明鈺，回潤亮

(黑龍江工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程系，黑龍江 雞西 158100)

分布式電源并網(wǎng)與孤島切換控制策略研究

張 寧，逄 鵬，張明鈺，回潤亮

(黑龍江工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程系，黑龍江 雞西 158100)

隨著低碳環(huán)保意識的普及，以分布式發(fā)電為代表的清潔型能源越來越受到各國的關(guān)注。在分析了各類分布式發(fā)電的運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上，分析了DG的并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行的控制策略。在此基礎(chǔ)上，提出了V 的控制原理，分布式電源孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種模式的模型及控制方法，并將上述控制原理應(yīng)用到分布式電源并網(wǎng)與孤島運(yùn)行方式切換的控制環(huán)節(jié)中。最后在MATLAB/Simulink軟件中建立分布式電源仿真模型，得到了系統(tǒng)在不同控制環(huán)節(jié)下的負(fù)荷電壓質(zhì)量以及DG輸出功率等的仿真波形圖，從而驗(yàn)證了上述切換控制策略的正確性和有效性。

分布式電源；孤島；并網(wǎng)；切換控制

1 分布式電源基本運(yùn)行方式

分布式電源DG(Distributed Generation)存在兩種運(yùn)行模式，即并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行。[1]因此，DG存在三種運(yùn)行狀態(tài)：首先為并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，其次為孤島運(yùn)行狀態(tài)，一般來說，針對DG的控制策略主要集中于以上兩種運(yùn)行狀態(tài)。最后一種是介于兩種運(yùn)行狀態(tài)之間切換的暫態(tài)。

在孤島運(yùn)行狀態(tài)下，DG與配電網(wǎng)連接，因此需要滿足配電網(wǎng)的諸多限制條件，同時(shí)，與輸電網(wǎng)有相應(yīng)的隔離，防止影響輸電網(wǎng)的正常運(yùn)行。此時(shí)，DG的目標(biāo)是提高配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，提高電能供應(yīng)。在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，DG與輸電網(wǎng)連接，因此，此時(shí)DG的目標(biāo)是輔助調(diào)節(jié)電網(wǎng)的頻率和電壓，從而改善電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力，提高抵御事故的能力。

另外，在孤島運(yùn)行狀態(tài)下，DG也要具有保證電壓和頻率在正常運(yùn)行范圍內(nèi)的能力。[2-3]在大電網(wǎng)中，雖然負(fù)荷不斷變化，但由于眾多大慣量發(fā)電機(jī)的存在，系統(tǒng)的頻率總是可以維持穩(wěn)定(正常狀態(tài)下)；但是在微網(wǎng)中，電網(wǎng)已經(jīng)電力電子化，系統(tǒng)的等效慣量小，同時(shí)由于新能源的間歇性和波動性，電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)不斷發(fā)生變化，兩者共同作用下，微網(wǎng)的頻率和電壓控制難度相比大電網(wǎng)有了質(zhì)的變化。而且在配電網(wǎng)中，線路的電感不再遠(yuǎn)大于電阻，因此，電壓和有功功率和無功功率都有比較強(qiáng)的聯(lián)系，控制電壓的難度進(jìn)一步上升。

當(dāng)DG運(yùn)行在介于兩種運(yùn)行狀態(tài)之間的暫態(tài)時(shí)，首先要保證的目標(biāo)就是電壓穩(wěn)定。當(dāng)DG從并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)切換到孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于其在并網(wǎng)狀態(tài)下和電網(wǎng)有功率交換，孤島運(yùn)行后電網(wǎng)產(chǎn)生的發(fā)電、負(fù)荷不平衡可能造成電網(wǎng)頻率不符合要求，此時(shí)采用恰當(dāng)?shù)目刂品椒ㄊ欠浅Ｖ匾模涣硪环矫?，?dāng)DG從孤島運(yùn)行狀態(tài)切換到并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，首先面臨的問題就是與電網(wǎng)的同步問題。[4-5]由于篇幅所限，本文不討論DG運(yùn)行在介于兩種運(yùn)行狀態(tài)之間的暫態(tài)時(shí)的控制策略。

2 分布式電源常用控制策略

分布式電源常用控制策略包括恒功率控制(P-Q控制)、恒壓恒頻(V-f)控制，[6]如圖1所示。在DG并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，DG的頻率和電網(wǎng)保持一致，因此不需要進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)；在DG孤島運(yùn)行時(shí)，DG的頻率和電網(wǎng)頻率無關(guān)，因此需要本身的系統(tǒng)維持其頻率和電壓穩(wěn)定。

圖1 常見控制策略圖

2.1 并網(wǎng)運(yùn)行恒功率控制

一般而言，對于波動性較大的新能源，以及效率-功率靈敏度高的DG(例如微型燃?xì)廨啓C(jī))，采用恒功率控制較為普遍。在這種控制方式下，DG并網(wǎng)時(shí)的功率平衡、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定由主網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，其本身不承擔(dān)由于負(fù)荷或者電壓波動所帶來的不平衡功率。相反地，在孤島運(yùn)行時(shí)，DG的電壓、頻率穩(wěn)定由其內(nèi)部的電源支撐。目前針對恒功率控制方法的建模，主要在逆變器的控制回路中進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)，其控制原理圖如圖2所示。在dq0坐標(biāo)系下對功率進(jìn)行解耦，得到有功功率和無功功率，并和設(shè)定的功率進(jìn)行對比，此過程可通過比例控制器實(shí)現(xiàn)無差控制。

圖2 逆變器恒功率控制圖

2.2 孤島運(yùn)行電壓頻率控制

圖3 電壓頻率控制的原理圖

孤島運(yùn)行時(shí)，DG的電壓頻率控制原理如圖3所示，其目標(biāo)是維持微網(wǎng)的電壓幅值和頻率，而不管其外部輸出功率特性曲線。以圖3為例，當(dāng)DG輸出的有功功率從P1變化到P2，相應(yīng)地，其輸出的無功功率從Q1變化到Q2，其頻率一直保持為50HZ，電壓始終等于額定值。從Q1變化到Q3也一樣。3 分布式電源并網(wǎng)與孤島切換的“Vθ”控制策略

“Vθ”控制策略即“電壓-功角”控制策略。本文運(yùn)用“Vθ”控制策略分別進(jìn)行并網(wǎng)和孤島狀態(tài)下的分布式電源控制。

3.1 DG并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的控制原理及模型

當(dāng)DG并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，濾波支路容量不大，此時(shí)，線路的阻抗表現(xiàn)為感性。逆變器輸出視在功率為：

(1)

(2)

因此，逆變器輸出有功功率和功角有關(guān)，輸出的無功功率和電壓幅值E1有關(guān)。進(jìn)一步地，逆變器輸出的電壓幅值和相角和P、Q近似滿足線性關(guān)系。由于DG并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，電壓和頻率由配電網(wǎng)穩(wěn)定控制，所以只需著重控制其輸出功率。因此，DG聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的控制主要是針對功角θ。

3.2 DG孤島運(yùn)行時(shí)的控制原理及模型

DG在孤島運(yùn)行時(shí)，重點(diǎn)是對電壓幅值的控制。此處對于V的控制，本文選擇最基礎(chǔ)的閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，通過對逆變器調(diào)制比m的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對電壓幅值的控制。

PI控制器普遍存在于當(dāng)前的自控系統(tǒng)中。其原理簡單、參數(shù)設(shè)計(jì)容易、不容易發(fā)生錯(cuò)誤、價(jià)格便宜、使用廣泛。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，本文也使用PI控制器作為DG孤島運(yùn)行時(shí)的控制器。

比例控制是一種最簡單的控制方式。其輸入誤差越大，輸出也越大。當(dāng)系統(tǒng)的輸出出現(xiàn)偏差時(shí)，比例調(diào)節(jié)瞬間自動調(diào)節(jié)以縮小誤差。當(dāng)誤差存在時(shí)，PI調(diào)節(jié)會一直進(jìn)行下去，直到誤差處于一個(gè)接受的范圍內(nèi)(人工設(shè)定)，此時(shí)，PI調(diào)節(jié)才會停止作用。PI調(diào)節(jié)的強(qiáng)弱與積分時(shí)間常數(shù)密切相關(guān)，積分時(shí)間常數(shù)越大，積分作用越弱，同時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越弱，但是收斂速度快，因此，積分時(shí)間常數(shù)不能太大，也不能太小。

4 算例分析

4.1 DG并網(wǎng)控制有效性的仿真驗(yàn)證

如圖4，模型參數(shù)：VDC=600V，L=0.15mH，C=333μF，三相變壓器變比為190:380，電阻性負(fù)荷有功功率為40kW；通過開關(guān)(一直閉合)與380V配電網(wǎng)相連，即一直處于并網(wǎng)運(yùn)行模式。仿真運(yùn)行時(shí)間為1s。

圖4 DG并網(wǎng)控制仿真圖

運(yùn)行后得波形結(jié)果如下：

圖5 負(fù)荷線電壓波形及有效值

圖6 DG輸出的有功功率和無功功率

若將圖4中的控制子系統(tǒng)去掉，只由逆變器內(nèi)部參數(shù)提供開環(huán)控制，其他電路器件和參數(shù)不變，則得圖7：

圖7 DG并網(wǎng)模式時(shí)僅有開環(huán)控制仿真圖

運(yùn)行后得波形結(jié)果如下：

圖8 負(fù)荷線電壓波形及有效值

圖9 DG輸出的有功功率和無功功率

由以上兩組對比波形圖可知，DG并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，無論系統(tǒng)控制方式是開環(huán)還是閉環(huán)，有無跟蹤θ角度控制，其所帶的負(fù)荷線電壓有效值均與配電網(wǎng)基準(zhǔn)值380V保持一致。但θ角度的控制對于DG輸出功率的影響卻很明顯。在簡單的開環(huán)系統(tǒng)中，可由圖9看出DG輸出功率越來越多，且最高有功功率約達(dá)60kW。即直接采用PWM發(fā)生裝置時(shí)，DG和電網(wǎng)電壓的相位是不一致的，不能并網(wǎng)；而在有θ角度控制的系統(tǒng)中，由圖6看出DG輸出功率的趨勢逐漸趨于穩(wěn)定，且最終穩(wěn)定于負(fù)荷所需的40kW的功率水平值上。

這一現(xiàn)象充分說明了DG在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，負(fù)荷電壓由于配電網(wǎng)的關(guān)系保持穩(wěn)定，無需多加控制；而通過對θ角的閉環(huán)反饋控制可以有效對DG輸出的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.2 DG孤島控制有效性的驗(yàn)證仿真

如圖10，模型參數(shù)：VDC=600V，L=0.15mH，C=333μF，三相變壓器變比為190:380，電阻性負(fù)荷功率為40kW；通過開關(guān)控制，于0.5s閉合，即突增10kW電阻性負(fù)荷，總運(yùn)行時(shí)間為1s。

圖10 DG孤島V控制仿真圖

運(yùn)行后得波形結(jié)果如下：

圖11 負(fù)荷線電壓波形及有效值

若將圖10中的閉環(huán)PI控制反饋環(huán)節(jié)去掉，只由逆變器內(nèi)部參數(shù)提供開環(huán)控制，其他電路器件和參數(shù)不變，則得圖12：

圖12 負(fù)荷線電壓波形及有效值

DG孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其輸出的功率取決于所帶負(fù)荷的多少。而由以上兩組對比波形圖可知，本文第三節(jié)提出的閉環(huán)PI控制方法有效地控制了負(fù)荷電壓的波動：圖11中負(fù)荷線電壓有效值的波形相比圖12中負(fù)荷線電壓有效值的波形顯然更為穩(wěn)定、平滑，且在負(fù)荷突變瞬間的跳變幅度也相對較少。而且由兩個(gè)波形的趨勢可以預(yù)測，在沒有相應(yīng)的控制環(huán)節(jié)時(shí)，過多的負(fù)荷容易降低電壓的有效值，影響負(fù)荷電能質(zhì)量。

這一現(xiàn)象充分說明了DG在孤島運(yùn)行模式下，為保證負(fù)荷電壓的電能質(zhì)量，對DG輸出電壓幅值的控制是十分必要的。

5 結(jié)論

本文首先介紹了分布式電源基本運(yùn)行方式，

以及分布式電源在孤島和并網(wǎng)運(yùn)行方式下的常用控制策略。在以上基礎(chǔ)上提出了分布式電源并網(wǎng)與孤島切換的“Vθ”控制策略，并在Simulink平臺分別搭建DG在兩種模式下的電路模型，仿真并分析了所提的控制策略。最終得到結(jié)論：DG在并網(wǎng)與孤島運(yùn)行方式相互切換時(shí)，相應(yīng)的控制方式也應(yīng)隨之轉(zhuǎn)變。DG在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，應(yīng)重點(diǎn)通過對θ角進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，從而對DG輸出的功率進(jìn)行有效調(diào)節(jié)；而當(dāng)DG在孤島運(yùn)行模式下，為保證負(fù)荷電壓的電能質(zhì)量，對輸出電壓幅值V的控制又是十分必要的。

[1]CHEN J F，CHU C．Combination Voltage -Controlled and Current-Controlled PWM Inverters for UPS Parallel Operation[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，1995，10(5)：547-558．

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Class No.:TM727 Document Mark：A

(責(zé)任編輯：宋瑞斌)

Strategy for Grid-connected Operating Modes of Distributed Generation and Islanding Control

Zhang Ning, Pang Peng, Zhang Mingyu, Hui Runliang

(Department of Electrical and Information Engineering,Heilongjiang University of Technology, Jixi, Heilongjiang 158100，China)

With the popularization of low carbon environmental protection consciousness, distributed generation was considered to be the representative of the clean energy. And it has gained much attention among different countries. Based on the analysis of characteristics of various kinds of DG, the controlling strategy in both islanding and grid-connected operating modes was stressed. And the control principle of V- and the circuit models of DG operating modes was presented. The principle was used to improve the electrical energy quality of the load voltage when switching running modes. At last, DG simulation model was built in Matlab/Simulink platform, with different control links due to the principle above. So the switching control strategy is proved to be correct and effective.

DG; islanding; grid-connected; control of switching

張寧，碩士，助教，黑龍江工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程系。

黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“分布式電源并網(wǎng)與孤島切換控制策略研究”(編號：201511445004)。

1672-6758(2017)05-0050-4

TM727

A