摘 要：針對微電網(wǎng)并、離網(wǎng)模式切換、微電源突變以及負荷擾動導(dǎo)致的系統(tǒng)頻率和電壓波動問題，提出頻率、電壓自恢復(fù)型下垂控制策略。首先，基于傳統(tǒng)下垂控制引入頻率差和電壓差作為反饋環(huán)節(jié)，建立儲能單元自恢復(fù)型下垂控制模型。其次，通過伯德圖對自恢復(fù)型和傳統(tǒng)型下垂控制系數(shù)在不同頻段范圍內(nèi)的性能進行對比分析。自恢復(fù)型下垂控制因采用PI控制和引入修正下垂系數(shù)因子使系統(tǒng)具備較好的頻率和電壓自恢復(fù)效果，提升動態(tài)調(diào)整能力，表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性。最后，基于Matlab/Simulink平臺建立35 kV風(fēng)光儲微電網(wǎng)模型，通過時域仿真實驗驗證自恢復(fù)型下垂控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；并、離網(wǎng)；自恢復(fù)型下垂控制；伯德圖；風(fēng)光儲

中圖分類號：TM464" " " " " " " " " "文獻標志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0317

文章編號：0254-0096（2024）08-0071-07

1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，呼和浩特 010080；

2. 華潤電力投資有限公司山西分公司，太原 030006

0 引 言

近年來，中國持續(xù)推動低碳經(jīng)濟發(fā)展，以風(fēng)電和光伏為代表的新能源技術(shù)發(fā)展迅速，裝機容量和發(fā)電量都在穩(wěn)步提升［1-3］。通過先進的電力電子技術(shù)將風(fēng)電系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)聯(lián)合組成微電網(wǎng)，在一定程度上克服了分布式電源（distributed generation， DG）出力的隨機性與間歇性，提高了能源利用率［4-7］。研究風(fēng)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)在不同工況下的穩(wěn)定運行，不僅可提高供電的連續(xù)性和可靠性，而且還能促使新能源發(fā)電技術(shù)的進一步發(fā)展［8-10］。

微電網(wǎng)主要有并網(wǎng)時P-Q控制，離網(wǎng)時V-f控制和下垂控制等基本控制方法。目前，在并、離網(wǎng)切換過程中普遍采用的是P-Q控制與V-f控制相結(jié)合的雙模式控制策略［11-12］，即在微電網(wǎng)并網(wǎng)時采用P-Q控制模式，離網(wǎng)時采用V-f控制模式。該方法實現(xiàn)簡單，但在兩種控制模式的切換過程中，對切換時間要求較高，易切換失敗，對微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成一定影響。

下垂控制策略由于具有無需通信聯(lián)系實現(xiàn)功率自動分配、“即插即用”等優(yōu)點，成為當前微電網(wǎng)多工況運行過程中普遍的控制方法［13-15］。基于該策略的多個微電源構(gòu)成的對等控制結(jié)構(gòu)，可在并網(wǎng)和離網(wǎng)運行工況下可靠運行。同時，在并、離網(wǎng)運行時均使用下垂控制，能避免運行控制策略的切換，提高微電網(wǎng)運行質(zhì)量。但由于下垂控制自身特性，在微電網(wǎng)運行工況發(fā)生變化時，缺乏指定頻率和電壓的調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致頻率和電壓易受到擾動，降低微電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

文獻［16］基于傳統(tǒng)的下垂控制結(jié)構(gòu)，引入電壓外環(huán)和頻率外環(huán)，使得電壓-無功和頻率-有功呈現(xiàn)類下垂特性，提高了微電網(wǎng)并、離網(wǎng)切換的穩(wěn)定性；文獻［17］針對線路阻抗差異引起的功率分配不均及頻率偏移問題，提出改進下垂控制，通過構(gòu)造自適應(yīng)虛擬阻抗并添加電壓補償和頻率補償，提高了功率的分配精度和頻率的自恢復(fù)能力，但僅考慮孤島微電網(wǎng)的運行工況；文獻［18］通過建立相位和幅值同步控制模型，提出電壓、頻率自恢復(fù)的微電網(wǎng)主動同步控制方法，解決了逆變器輸出電壓動態(tài)響應(yīng)振蕩問題，但僅研究單臺分布式電源的應(yīng)用；文獻［19］考慮多變流器的并聯(lián)運行，在并、離網(wǎng)運行時均采用下垂控制，針對離網(wǎng)時微電網(wǎng)的頻率和電壓偏離問題，提出二次調(diào)頻方法，在變流器中注入小電流，消除了頻率和電壓偏差問題，但系統(tǒng)較為復(fù)雜；文獻［20］提出基于自適應(yīng)下垂特性的功率精確分配策略，該策略可提供頻率與電壓支撐，但無法實現(xiàn)頻率和電壓的自恢復(fù)，適應(yīng)性較弱。

綜上，本文提出在儲能單元采用自恢復(fù)型下垂控制策略。該控制策略采用PI控制和引入修正下垂系數(shù)因子以實現(xiàn)系統(tǒng)頻率和電壓的自恢復(fù)，提升在不同頻段范圍的動態(tài)調(diào)整能力，增強系統(tǒng)的適應(yīng)性。最后，基于Matlab/Simulink平臺建立風(fēng)光儲微電網(wǎng)模型，通過時域仿真實驗驗證所提控制策略的有效性。

1 風(fēng)光儲微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

風(fēng)光儲微電網(wǎng)的核心功能在于通過對風(fēng)能、光能和儲能資源的統(tǒng)一協(xié)調(diào)分配，實現(xiàn)風(fēng)電、光伏、儲能和電網(wǎng)之間的良好合作與智能調(diào)度。本文研究的風(fēng)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，[Upcc]為電壓公共連接點。

微電網(wǎng)系統(tǒng)主要由直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力機組成的風(fēng)電系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和用電負荷幾部分組成，并通過變壓器接到35 kV交流母線上。K1、K2、K3、K4、K5、K6分別為各個支路的斷路器，當K4斷開時，微電網(wǎng)離網(wǎng)運行；當K4閉合時，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行。其中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)額定輸出功率為2 MW，光伏發(fā)電系統(tǒng)額定輸出功率為1.5 MW，磷酸鐵鋰電池組的額定容量為0.3 MWh。圖1中[nvs]為磷酸鐵鋰電池組串聯(lián)單體電池數(shù)量，[nvp]為并聯(lián)組數(shù)量。

2 控制策略分析

2.1 傳統(tǒng)下垂控制

下垂控制是變流器用來模擬同步發(fā)電機下垂特性對并聯(lián)變流器實現(xiàn)功率控制的方法，其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2中，[Lf]、[Cf]為濾波電感、濾波電容；[Zline]為輸電線路阻抗；[Uabc]、[Iabc]為逆變器輸出的三相電壓和三相電流；[IL]為參考電流；[Pn]為儲能系統(tǒng)輸出的有功額定值；[Un]為儲能變流器輸出無功功率為0（[Qn=0]）時的電壓幅值；[fn]為電網(wǎng)額定頻率。

下垂控制的系統(tǒng)環(huán)路主要由功率環(huán)控制和電壓、電流雙閉環(huán)控制兩部分組成。功率環(huán)通過對變流器輸出的三相電壓和電流進行計算，濾波后得到平均有功和無功功率，將其作為P-f和Q-U下垂控制的輸入，得到電壓幅值和頻率的參考值，最后再經(jīng)過電壓、電流雙閉環(huán)控制生成PWM輸入信號，驅(qū)動變流器調(diào)整輸出功率。

變流器輸出的等效電路模型如圖3所示。圖3中，[U∠?]、[I]為變流器輸出的橋臂電勢、電流；[E∠0]為微電網(wǎng)交流母線電壓；[Z∠θ=R+jX]為線路阻抗。

由圖3可知，變流器輸出橋臂電流為：

[I=U∠?-E∠0Z∠θ] （1）

對于交流母線端，變流器輸出的復(fù)功率為：

[S=EI?=P+jQ=EU∠?-E∠0Z∠θ?=ER2+X2Ucos?-ER+XUsin?+jER2+X2Ucos?-EX-RUsin?] （2）

由式（2）可知，變流器輸出的有功和無功功率為：

[P=ER2+X2Ucos?-ER+XUsin?Q=ER2+X2Ucos?-EX-RUsin?] （3）

由于變流器輸出的橋臂電勢[U∠?]和電網(wǎng)電壓[E∠0]相角差較小，所以有[sin?=?]，[cos?=1]。則式（3）可化簡為：

[P=ER2+X2U-ER+XU?Q=ER2+X2U-EX-RU?] （4）

由式（4）可知，變流器輸出的有功和無功功率之間存在耦合現(xiàn)象。但當輸電線路為高壓環(huán)境時，系統(tǒng)總體阻抗呈現(xiàn)感性，有Xgt;gt;R，則變流器輸出的有功和無功功率為：

[P=EUX?Q=EU-EX] （5）

由式（5）可看出，在感性系統(tǒng)中，有功功率[P]主要取決于線路兩端的相角差，在實際應(yīng)用中常用頻率[f]替代相角[?]；無功功率[Q]主要取決于線路兩端的電壓差，且有功與頻率、無功與電壓之間均存在線性關(guān)系。因此，通過調(diào)節(jié)發(fā)電單元變流器的頻率和電壓幅值，就能夠?qū)τ泄蜔o功進行控制。由此可得到下垂控制方程為：

[f=fn+Kα（Pn-P）U=Un-KβQ] （6）

下垂系數(shù)表達式為：

[Kα=-fmin-fnPmax-PnKβ=-Umin-UnQmax] （7）

式中：[Kα]、[Kβ]——[P-f]下垂系數(shù)、[Q-U]下垂系數(shù)； [fmin]——微電源輸出有功上升至最大[Pmax]時輸出的最小頻率；[Umin]——微電源輸出無功上升至最大[Qmax]時輸出的最小電壓。

2.2 自恢復(fù)型下垂控制

傳統(tǒng)下垂控制策略中[P-f]和[Q-U]下垂特性是一條位置固定的曲線，對環(huán)境的適用性較差，當系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生功率波動時，變流器輸出的電壓幅值和頻率就會隨曲線發(fā)生變化，導(dǎo)致頻率、電壓偏離額定值且無法恢復(fù)，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，本文提出頻率、電壓自恢復(fù)型下垂控制，如圖4所示。

自恢復(fù)型下垂控制是在傳統(tǒng)下垂控制基礎(chǔ)上，引入頻率差和電壓差作為反饋環(huán)節(jié)，經(jīng)過PI控制器作用，再利用修正下垂系數(shù)因子對反饋環(huán)節(jié)進行調(diào)整，將反饋環(huán)節(jié)的補償效果放大，從而實現(xiàn)頻率、電壓幅值的動態(tài)補償。最后，通過調(diào)整變流器輸出功率實現(xiàn)頻率、電壓的自恢復(fù)調(diào)控，保證微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率和電壓穩(wěn)定。

此控制原理具體表達式為：

[f=fn+KαK?αKps+Kis（f-fn）+（Pn-P）U=Un+KβK?βKps+Kis（U-Un）-Q] （8）

式中：[K?α]、[K?β]——[P-f]修正下垂系數(shù)因子、[Q-U]修正下垂系數(shù)因子；[Kp]、[Ki]——PI控制的比例控制系數(shù)、積分控制系數(shù)；[f]、[U]——經(jīng)自恢復(fù)型下垂控制后微電源變流器輸出的頻率和電壓指令值；[s]——拉普拉斯算子。

對式（8）化簡得到：

[f-fn=Kα1-KαK?αKps+Kis（Pn-P）U-Un=Kβ1-KβK?βKps+Kis（-Q）] （9）

由式（6）和式（9）對比可知，傳統(tǒng)下垂控制特性主要由下垂系數(shù)決定，其幅頻和相頻特性是一條直線；自恢復(fù)型下垂控制功率特性主要由下垂系數(shù)、PI控制參數(shù)和修正下垂系數(shù)因子共同決定。通過伯德圖對自恢復(fù)型和傳統(tǒng)型下垂控制系數(shù)在不同頻段范圍內(nèi)的性能進行對比分析。自恢復(fù)型和傳統(tǒng)型下垂控制系數(shù)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

[P-f]和[Q-U]的下垂控制系數(shù)改進前后的伯德圖如圖5所示。由圖5可知，在傳統(tǒng)下垂控制基礎(chǔ)上采用PI環(huán)節(jié)，能夠使下垂系數(shù)的幅頻和相頻特性具備隨頻率變化而調(diào)整的特征，將恒定的下垂特性動態(tài)化。然而該調(diào)節(jié)范圍過小，不利于應(yīng)用在實際工程中。因此，文中在PI環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上引入修正下垂系數(shù)因子，將下垂系數(shù)的頻率變化上限提升至100 Hz。其中，在1～20 Hz的低頻范圍內(nèi)動態(tài)調(diào)整幅度較大；當頻率大于100 Hz時，自恢復(fù)型與傳統(tǒng)型下垂控制具有相同的幅頻和相頻特性曲線，表現(xiàn)出較好的自適應(yīng)能力。雖然引入PI環(huán)節(jié)和修正下垂系數(shù)因子會對系統(tǒng)控制產(chǎn)生一定的滯后效果，但仍滿足系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性要求，可以更好地適應(yīng)微電網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜多變的運行環(huán)境。

圖6為采用不同修正下垂系數(shù)因子的[P-f]和[Q-U]下垂控制系數(shù)的伯德圖。由圖6可看出，當修正下垂系數(shù)因子過小時，無法保障在低頻范圍內(nèi)下垂系數(shù)有足夠的動態(tài)調(diào)整空間。而修正下垂系數(shù)因子過大時，系統(tǒng)控制帶寬增大，控制調(diào)節(jié)精度受噪聲影響增強。為保證系統(tǒng)在100 Hz低頻范圍內(nèi)下垂系數(shù)有足夠的動態(tài)調(diào)整空間以及控制精度，下垂系數(shù)因子的選取需要折中考慮。綜上，[P-f]的修正下垂系數(shù)因子[K*α]=1.25×106，[Q-U]的修正下垂系數(shù)因子[K*β]=4×103。

3 時域仿真驗證

3.1 時域仿真工況設(shè)定

在Matlab/Simulink中建立如圖1所示的風(fēng)光儲微電網(wǎng)模型，主要仿真參數(shù)如表2所示。設(shè)置微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真時間為3 s，對風(fēng)光儲微電網(wǎng)運行于不同工況下各子系統(tǒng)的功率特性進行仿真分析。

為直觀分析風(fēng)光儲微電網(wǎng)在應(yīng)對并、離網(wǎng)模式切換、微電源突變以及負荷擾動工況下的系統(tǒng)頻率和電壓波動問題，設(shè)置仿真模型如下：風(fēng)電輸出1 MW有功功率；光伏輸出1 MW有功功率；微電網(wǎng)負荷初始值為1.5 MW有功負載。

微電網(wǎng)穩(wěn)定運行，斷路器K1、K2、K3、K4、K6閉合，K5斷開，各發(fā)電系統(tǒng)按需求輸出功率。0.6 s時，斷路器K4斷開，微電網(wǎng)進行并、離網(wǎng)切換，進入孤島狀態(tài)；1.2 s時，由于風(fēng)速和光照條件增加，風(fēng)電系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)輸出有功功率均突增至1.5 MW；1.8 s時，斷路器K5閉合，接入公共負荷；2.4 s時，斷路器K4閉合，微電網(wǎng)進行離、并網(wǎng)切換，重新進入并網(wǎng)狀態(tài)。

3.2 時域仿真結(jié)果分析

并、離網(wǎng)運行工況下，風(fēng)電系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、負荷、儲能系統(tǒng)以及電網(wǎng)的功率變化情況的時域仿真結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)圖7可看出，風(fēng)電、光伏系統(tǒng)不輸出無功功率，所以負荷需求的無功功率均由電網(wǎng)或儲能系統(tǒng)提供。起始階段，配電網(wǎng)吸收0.5 MW有功功率以滿足系統(tǒng)功率平衡；此時，儲能系統(tǒng)不需要輸出功率，但仍需為系統(tǒng)的頻率和電壓穩(wěn)定起輔助調(diào)節(jié)作用。0.6 s時，微電網(wǎng)系統(tǒng)由并網(wǎng)進入離網(wǎng)狀態(tài)，此時儲能為微電網(wǎng)提供頻率和電壓支撐，并吸收0.5 MW有功功率以維持功率平衡；1.2 s時，微電源輸出功率突變，風(fēng)電和光伏系統(tǒng)輸出有功功率均突增至1.5 MW，所以儲能系統(tǒng)為滿足系統(tǒng)功率平衡需吸收1.5 MW有功功率；1.8 s時，由于接入公共負荷，微電網(wǎng)系統(tǒng)中的負荷發(fā)生突變，負荷需求突增至2.3 MW有功功率，0.5 Mvar無功功率，此時儲能系統(tǒng)吸收0.7 MW有功功率并輸出0.5 Mvar無功功率；2.4 s時，微電網(wǎng)進行離、并網(wǎng)切換，重新進入并網(wǎng)狀態(tài)，此時配電網(wǎng)吸收0.7 MW有功功率并輸出0.5 Mvar無功功率以滿足系統(tǒng)功率平衡需求。

3.3 頻率恢復(fù)對比分析

圖8為采用自恢復(fù)型和傳統(tǒng)型下垂控制時儲能系統(tǒng)的頻率波形對比。由圖8可看出，采用傳統(tǒng)下垂控制，在0.6 s微電網(wǎng)由并網(wǎng)進入離網(wǎng)狀態(tài)時，頻率上升至50.1 Hz；在1.2 s微電源輸出有功功率突變時，頻率上升至50.3 Hz；在1.8 s有功負荷擾動時，頻率下降至50.18 Hz；在2.4 s微電網(wǎng)由離網(wǎng)重新進入并網(wǎng)狀態(tài)時，頻率又恢復(fù)為50 Hz。運用傳統(tǒng)下垂控制時系統(tǒng)頻率產(chǎn)生波動較大，且無法實現(xiàn)自動恢復(fù)，符合傳統(tǒng)下垂控制特性。而采用自恢復(fù)型下垂控制時，系統(tǒng)頻率上下波動不超過0.03 Hz，且頻率在產(chǎn)生偏差后可以快速恢復(fù)至額定狀態(tài)。該控制方法下系統(tǒng)輸出頻率近似為一條直線，僅在功率突變的瞬間產(chǎn)生短暫的波動，起到二次調(diào)頻效果。

3.4 電壓恢復(fù)對比分析

圖9為采用自恢復(fù)型和傳統(tǒng)型下垂控制時儲能系統(tǒng)的電壓波形對比。由圖9可看出，使用傳統(tǒng)下垂控制，在0.6 s微電網(wǎng)并、離網(wǎng)切換時，電壓幅值瞬時上升至597 V，并逐漸下降至568 V；在1.2 s微電源輸出功率突變工況下，電壓幅值瞬時上升至580 V，逐漸下降至565 V；在1.8 s無功負荷擾動的工況下，電壓幅值瞬時下降至520 V，并逐漸上升至540 V；在2.4 s離、并網(wǎng)切換時，電壓幅值恢復(fù)至563 V。而采用自恢復(fù)型下垂控制時，電壓幅值波動同樣存在瞬時變化，但是由于引入了PI控制和修正下垂系數(shù)因子，電壓幅值可在短時間內(nèi)恢復(fù)至563 V，有利于系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。

基于自恢復(fù)型下垂控制可有效解決風(fēng)光儲微電網(wǎng)并、離網(wǎng)模式切換、微電源突變以及負荷擾動工況下導(dǎo)致的系統(tǒng)頻率和電壓波動問題，有利于提升風(fēng)光儲微電網(wǎng)在不同工況下穩(wěn)定運行能力。

4 結(jié) 論

本文搭建35 kV風(fēng)光儲微電網(wǎng)仿真模型，對所提自恢復(fù)型下垂控制進行不同工況條件下的時域仿真，主要得到以下結(jié)論：

1）基于傳統(tǒng)下垂控制，將頻率差和電壓差作為反饋環(huán)節(jié)，并利用修正下垂系數(shù)因子對反饋環(huán)節(jié)進行調(diào)整，建立自恢復(fù)型下垂控制模型。

2）通過伯德圖對自恢復(fù)型和傳統(tǒng)型下垂系數(shù)性能進行對比分析。自恢復(fù)型下垂控制因引入PI控制和修正下垂系數(shù)因子，使系統(tǒng)具備頻率和電壓自恢復(fù)能力。

3）實驗結(jié)果表明自恢復(fù)下垂控制條件下，下垂系數(shù)幅頻和相頻特性具備隨頻率變化而調(diào)整的特征，使系統(tǒng)具有更好的動態(tài)調(diào)整能力，有利于適應(yīng)微電網(wǎng)復(fù)雜多變的運行工況。

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RESEARCH ON MICROGRID OPERATION CONTROL

STRATEGY BASED ON SELF-RECOVERY DROOP CONTROL

Tian Chunsheng1 ，Ren Yongfeng1 ，Hu Zhishuai1 ，Meng Qingtian1 ，Chen Jian1 ，Zhang Yanfeng2

（1. College of Energy and Power Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010080， China；

2. China Resources Power Investment Co.， Ltd.， Taiyuan 030006， China）

Abstract：For the problem of system frequency and voltage fluctuations caused by the switching of grid-connected and off-grid modes， the mutation of micro-source and the disturbance of load conditions， the self-recovery droop control strategy of frequency and voltage is proposed. Firstly， the self-recovery droop control model of energy storage unit is established based on the traditional droop control by introducing frequency difference and voltage difference as feedback links. Secondly， the performance of self-recovery and traditional droop control coefficients are compared and analyzed in different frequency bands by Bode diagram. The self-recovery droop control has better effect of system frequency and voltage self-recovery due to the adopting of PI control and the introduction of correction droop coefficient factors， which improves the dynamic adjustment capability and shows better adaptability. Finally， a 35 kV wind-solar-storage microgrid model is established based on Matlab/Simulink， and the effectiveness of the self-recovery droop control strategy is verified by time-domain simulation experiments.

Keywords：microgrid； grid-connected and off-grid； self-recovery droop control； Bode diagram； wind-solar-storage