朱鵬鵬，張欽臻

（上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海200090）

引言

在當(dāng)今的能源結(jié)構(gòu)與電力傳輸背景下，分布式發(fā)電技術(shù)因其靈活性、經(jīng)濟(jì)性與高效率等特點(diǎn)，已經(jīng)在國內(nèi)外得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。毫無疑問，以分布式發(fā)電技術(shù)為支撐的微電網(wǎng)將成為大型電網(wǎng)的有效補(bǔ)充，共同推動(dòng)智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。

其實(shí)分布式發(fā)電并不是一個(gè)全新的概念，如今廣泛互聯(lián)的大型電網(wǎng)也都是由早期各自分散的電力系統(tǒng)逐漸并網(wǎng)構(gòu)成。但隨著世界范圍內(nèi)幾次大規(guī)模的停電事故后，集中供電的可靠性已經(jīng)不再能滿足人們的用電需求[1-2]。二十世紀(jì)九十年代，對(duì)于分布式發(fā)電的研究成果大量涌現(xiàn)。分布式電源一般是容量較小（50MW 以下）、分散布置在用戶附近的發(fā)電裝置。它的安裝位置相對(duì)靈活，能夠更好地適應(yīng)不同的用戶需求以及一次能源環(huán)境，此外還能提高供電的可靠性。但同時(shí)，分布式電源單機(jī)的接入成本也相對(duì)更高，控制上相較于傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)也更為困難。IEEE P1547 對(duì)于分布式電源并網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)有相關(guān)的規(guī)定：分布式電源需要在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)迅速退出運(yùn)行。這與引入分布式電源的初衷又背道而馳，因此，微電網(wǎng)的概念就應(yīng)運(yùn)而生[3-4]。

微電網(wǎng)是由電源、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷、檢測保護(hù)與控制裝置等匯集構(gòu)成。對(duì)于大電網(wǎng)來說，微電網(wǎng)是一個(gè)可控可調(diào)度的負(fù)荷；對(duì)于用戶來說，微電網(wǎng)是能實(shí)現(xiàn)特殊要求的定制電源。它既可以與電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，也可以在電網(wǎng)出現(xiàn)故障或者必要時(shí)與主網(wǎng)斷開轉(zhuǎn)為孤島模式。在接入時(shí)，不再對(duì)各個(gè)具體的微電源做要求，而是對(duì)于與大電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)（Point of Common Coupling，PCC）提出準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。

目前，國內(nèi)外對(duì)于微電網(wǎng)技術(shù)的研究主要在于以下方面[5-6]：微電網(wǎng)的并網(wǎng)控制與多分布式電源協(xié)調(diào)控制；微電網(wǎng)的孤島檢測與孤島狀態(tài)下控制；微電源的優(yōu)化配置；微電網(wǎng)及含微電網(wǎng)配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量優(yōu)化；微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的相關(guān)調(diào)度；安全與保護(hù)技術(shù)等。

本文主要研究微電網(wǎng)的微電源控制技術(shù)，并在基于對(duì)等控制的基礎(chǔ)上闡述PQ 與Droop 控制的原理，最后通過仿真驗(yàn)證在由兩種控制方法的逆變器接口微電網(wǎng)中負(fù)荷接入與并離網(wǎng)切換時(shí)電能質(zhì)量的參數(shù)優(yōu)化。

1 微電網(wǎng)組成與控制技術(shù)

1.1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖1 是當(dāng)下歐洲主要研究采取的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)[7]。包括低壓網(wǎng)絡(luò)與不同種類的負(fù)荷、微電源，以及分層管理控制系統(tǒng)。微電網(wǎng)通過微電網(wǎng)中央處理器（MGCC）實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性管理與控制功能，屬于頂層控制；通過負(fù)荷控制器（LC）與微電源控制器（MC）來實(shí)現(xiàn)各個(gè)負(fù)荷與微電源的本地控制。微電源一般是包括電力電子元件的小型機(jī)組，包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏發(fā)電設(shè)備與飛輪、蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備。

圖1 微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)上看，微電網(wǎng)是電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能與控制系統(tǒng)集合而成的單一可控單元。不同于簡單的分布式發(fā)電系統(tǒng)，微電網(wǎng)一般存在兩種常態(tài)化的運(yùn)行方式，即并網(wǎng)運(yùn)行模式與孤網(wǎng)運(yùn)行模式。

1.2 微電網(wǎng)控制技術(shù)

根據(jù)獨(dú)立運(yùn)行模式的不同，目前研究上提出的微電網(wǎng)控制方法主要是集中控制、分散控制與混合控制策略三種。

集中控制將微電網(wǎng)劃分為元件層、控制層與配網(wǎng)層，通過通信網(wǎng)絡(luò)將微電網(wǎng)中不同元件的信息都采集到中央處理器，通過控制層解決運(yùn)行與控制問題；分散控制是指各微電源之間采用本地信息實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)而不需要借助于通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)等控制就屬于分散控制；混合控制目前學(xué)術(shù)上主要是通過多代理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，目前尚待研究。

微電網(wǎng)中的分布式電源雖然多種多樣，但大部分的微電源都需要通過電力電子接口并入網(wǎng)絡(luò)。目前對(duì)于并網(wǎng)逆變器的控制策略主要是恒功率控制（PQ）與下垂（Droop）控制。

下面將基于微網(wǎng)層面的對(duì)等控制策略對(duì)并網(wǎng)逆變器的兩種控制方法進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 主電路模型與控制策略分析

電壓源型逆變器（VSC）在微電網(wǎng)中應(yīng)用十分廣泛。微電網(wǎng)中VSC 接口的微電源所使用的主電路一般如圖2所示。包括通過直流源表示的分布式電源，使用正弦脈寬調(diào)制（sinusoidal PWM，SPWM）的逆變器，RLC 濾波器，線路的阻抗以及與交流母線相連接的PCC。

圖中，Udc為分布式電源的等效直流源，U˙I為逆變器輸出的交流電壓，I˙f為逆變器輸出電流，Rf、Rg是濾波器與線路的等效電阻，Lf、Lg是濾波器與線路的等效電感，Cf是濾波器的等效電容，U˙F是負(fù)荷側(cè)電壓、為PCC 處電壓電流。

圖2 逆變器接口微電網(wǎng)主電路

2.1 PQ 控制

逆變器的PQ 控制是指VSC 根據(jù)給定的參考功率輸出有功和無功功率。其輸出電流值的改變是由VSC 控制其交流側(cè)電壓來控制，從而控制輸出功率，同時(shí)通過鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）技術(shù)來獲得微電網(wǎng)的頻率支撐。

PQ 控制型VSC 的電路與控制框圖如圖3 所示，采用功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。根據(jù)圖3 可得到ABC 坐標(biāo)系下VSC 輸出電壓方程：

圖3 PQ 控制電路與控制框圖

輸出電流以逆變器輸出方向?yàn)閰⒖颊较颍ㄟ^派克變換將式（1）轉(zhuǎn)換到dq 軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下為

其中，ω 是工頻下電角速度。轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)了dq交叉耦合項(xiàng)，后續(xù)控制中可通過前饋補(bǔ)償消除。

通過將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d 軸與電網(wǎng)電壓軸線固定重合，進(jìn)行恒功率派克變換，VSC 的輸出功率方程可表示為

其中，u=ud，是電網(wǎng)電壓d 軸分量。若忽略線路上電壓降，將（3）式代入（2）式可得到

根據(jù)式（4）可進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，通常采用PI 控制器。

2.2 Droop 控制

下垂控制是模擬發(fā)電系統(tǒng)功頻靜特性的一種控制方法。當(dāng)系統(tǒng)頻率改變時(shí)，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)VSC 輸出的有功功率按其功頻特性變化，同時(shí)，負(fù)荷功率也隨之改變。最終在控制系統(tǒng)Droop 特性和負(fù)荷本身調(diào)節(jié)效應(yīng)的共同作用下達(dá)到新的功率平衡。其主電路與控制框圖如圖4。

圖4 Droop 控制電路與控制框圖

Droop 控制通過微調(diào)VSC 輸出的電壓和頻率來應(yīng)對(duì)負(fù)荷的功率需求，同時(shí)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。其核心思想是功率在多個(gè)并聯(lián)VSC 之間根據(jù)設(shè)定的下垂曲線分配。功率下垂系數(shù)與電壓下垂系數(shù)表示為式（5）。

其中，Pmax為VSC 在最大下降頻率時(shí)允許輸出的最大有功功率，Pn為VSC 在額定頻率下輸出的有功功率，fmin為系統(tǒng)允許的最低頻率，fn為微電網(wǎng)額定頻率，un為VSC 輸出無功為0 時(shí)的電壓值，umin為微電網(wǎng)最低允許電壓。

3 仿真驗(yàn)證

文中在MATLAB Simulink 環(huán)境下基于對(duì)等控制搭建微電網(wǎng)的負(fù)荷切換與并離網(wǎng)模型，驗(yàn)證上述理論的可行性。

仿真所使用的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖5，其中VSC1 使用PQ 控制，VSC2 使用Droop 控制。實(shí)驗(yàn)所使用的主電路參數(shù)如表1，控制系統(tǒng)使用的詳細(xì)參數(shù)見表2。

圖5 仿真微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖6 PQ 控制框圖

表1 主電路參數(shù)

表2 控制系統(tǒng)參數(shù)

3.1 并網(wǎng)恒功率控制

圖7

對(duì)于采用PQ 控制的VSC1，在初始時(shí)刻打開S2、S4、S5、S6，設(shè)定參考有功和無功功率分別為10kW 與0kvar。在2s 時(shí)，關(guān)合開關(guān)S4，即接入10kW 的負(fù)載2。在5s 時(shí)，更改設(shè)定參考功率為50kW/0kvar。

控制框圖如圖6，仿真結(jié)果見圖7（a）、（b）。

3.2 負(fù)荷切換與離網(wǎng)控制

對(duì)于Droop 控制的VSC2，在初始時(shí)刻打開開關(guān)S1、S3、S4、S6，也就是處于并網(wǎng)狀態(tài)并接有25kW/0kvar 的負(fù)載3。在4s 時(shí)打開PCC 點(diǎn)開關(guān)，轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)狀態(tài)，在6s 時(shí)關(guān)合開關(guān)S6，接入負(fù)載4。

仿真結(jié)果如圖7 所示。

3.3 結(jié)果分析

從圖7（a）可以看出，由VSC 的功率控制調(diào)節(jié)算法可以很好地保證逆變器在短時(shí)間內(nèi)根據(jù)設(shè)定的功率調(diào)節(jié)輸出電流的大小。同時(shí)，圖（b）說明PQ 控制算法能保證逆變器在并網(wǎng)模式下對(duì)指定功率的追蹤，并且在逆變器指令功率階躍的過程中有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，逆變器輸出的功率紋波小，能很好地滿足設(shè)計(jì)要求。

可以看到在圖（c）中，4s 前處于并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，VSC2 除了向負(fù)載3 輸出有功功率，還向母線輸出功率。在進(jìn)入孤網(wǎng)狀態(tài)后，VSC2 按負(fù)載3 功率需求輸出功率；在6s 并入負(fù)載4 后，按負(fù)載總需求輸出功率。頻率偏移范圍始終在0.5Hz 以內(nèi)，滿足低壓配電網(wǎng)安全要求。在4s 離網(wǎng)后不再向母線輸送功率，因此頻率上升，在6s 負(fù)荷增加后，下垂特性與負(fù)荷的功頻特性共同調(diào)節(jié)，使得頻率穩(wěn)定在50Hz。

4 結(jié)束語

目前，微電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用與理論研究已經(jīng)步入了一個(gè)新的階段。本文主要是對(duì)現(xiàn)在的不太詳述的微電網(wǎng)控制模型做了較細(xì)致的理論推導(dǎo)。

后續(xù)計(jì)劃的研究內(nèi)容是使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與一些智能控制策略對(duì)現(xiàn)有的一些問題進(jìn)行推進(jìn)解決，如電能質(zhì)量的進(jìn)一步優(yōu)化，在應(yīng)對(duì)不平衡負(fù)荷與非線性負(fù)荷時(shí)微電源輸出電壓的諧波問題，以及通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的無監(jiān)督控制的可行性等。