含多微源的混合微电网控制策略与仿真

杨勇，张国新

（中国煤炭科工集团太原研究院，山西 太原 030006）

含多微源的混合微电网控制策略与仿真

杨勇，张国新

（中国煤炭科工集团太原研究院，山西 太原 030006）

针对微电网内部分布式电源和负荷的多样性、分散性，在分析P/Q控制以及基于下垂特性的V/f控制策略的基础上，采用了一种P/Q-V/f对等控制策略。该策略可有效实现负荷功率共享，保证微电网频率和电压的稳定。在PSCAD/EMTDC仿真平台上对所建微电网模型进行运行模式转换以及孤岛下切/增负荷的仿真分析，证明所提出的控制策略的有效性与正确性。

微电网；分布式电源；P/Q控制；V/f控制；运行仿真

0 引言

近年来，基于新能源的分布式发电技术得到了快速的发展。伴随着分布式电源（Distributed Generation，DG）越来越多的接入大电网系统，其不可避免的会对电网的电能质量造成影响［1～3］。为了减小影响且充分利用DG为主电网带来的价值和利益，微电网的概念被提出并得到了充分的关注。微电网有并网运行与孤岛运行两种模式，而这些功能模式的实现，主要依赖于微电网的控制策略［4］。

微电网的控制技术又依赖于以电力电子为接口的DG的逆变器的控制策略。逆变器控制策略分为P/Q控制、V/f控制以及下垂控制等［5～7］。大量文献对逆变器的控制策略进行了深入研究。文献［8］在研究下垂控制理论的基础上，得到了一种改进的P/V下垂控制（NPV）。文献［9］在分析低压配电线路的基础上，提出了下垂与倒下垂控制器，但其调节时间过长，会造成系统不稳定。文献［10］首先提出了下垂控制策略，并研究了逆变器控制参数和网络参数对不平衡负荷功率分配的影响。文献［11］通过采用坐标旋转的虚拟功率控制策略，实现了低压微电网的有功、无功解耦控制。

针对含多微源的微电网系统，本文提出P/Q-V/f对等控制策略，在PSCAD/EMTDC中搭建了含多种DG的微电网系统，通过仿真分析各微源在各种情况下的功率输出、电压以及频率的变化，证明了微电网在运行模式转换及负荷变化等情况下均可保持稳定运行。验证了所提控制策略的有效、可行性。

1 混合微电网模型

本文的微电网模型系统包括燃气轮机单元（DG1）、光伏发电单元（DG2）、蓄电池储能单元（DG3）以及异步风力发电单元（DG4）如图1所示。其中，针对出力随机性较大的光伏发电单元和风力发电单元，常采用最大功率跟踪控制实现功率恒定输出，因此，此种微电源采用恒功率（P/Q）控制；而对于燃气轮机、蓄电池储能等单元，在并网运行时采用P/Q控制，保证其功率按给定值输出，孤岛运行时采用恒压频（V/f）控制，使得此类微电源按电压和频率的参考值运行，从而共同保证微电网电压和频率的稳定性。

图1　混合微电网模型Fig.1 Model of hybrid microgrid

2 逆变器控制模型

2.1P/Q控制

P/Q控制的主要目的是要使DG的输出有功和无功功率可以等于参考功率或维持在其附近。适合并网运行，主网为其提供运行时的电压和频率。dq坐标系下，令q轴电压分量为零，逆变器输出功率和输出电压的数学模型为：

以上式中，id、iq和ud、uq—逆变器并网侧输出电流和电压的dq轴分量；uld、ulq为电网电压的dq轴分量；ω为工频角频率；kp、ki为PI控制器的比例积分系数；Pref、Qref为有功和无功功率的参考值。由此可得到P/Q控制结构如图2所示。

图2　P/Q控制结构图Fig.2 P/Q control structure

2.2V/f及锁相环控制

文中的V/f控制是基于下垂特性的。下垂控制策略以逆变器输出电压的幅值与频率为控制变量，来调整逆变器的输出功率，使其保持在正常范围内（即f/P和V/Q控制）。输出功率参考值的下垂控制方程为：

式中P（t）、Q（t）—逆变器输出的有功和无功功率；k1、k2—频率、电压下垂系数；f*、V*—输出电压和频率的参考值。

基于下垂特性的V/f控制框图如图3所示。外环包括下垂控制环节和功率控制环节，对电网电压进行dq变换，并作为锁相环的输入得到电压、频率、相位的参考值V*、f*、θ*，V*、f*分别与逆变器额定输出电压的幅值与频率V0、f0做差，通过下垂特性并引入逆变器额定输出功率P0、Q0，从而得到逆变器输出有功和无功功率的参考值。逆变器网侧实际输出功率与参考值的差值经PI环节得到内环控制电流的参考值idref、iqref，内环电流控制与P/Q控制方式的相同。

图3中的锁相环可使得逆变器的输出电压与电网电压保持同步，锁相环的控制原理如图4所示。图中φ为电网相位角，vd、vq为电网电压在dq坐标系下的分量。PI控制器的输出可以得到逆变器的输出频率，进而可以得到逆变器的相位角θ。电网的额定角频率ω0有时要作为前馈项引入到PI控制器的输出，以加强动态响应。

图3　基于下垂特性的V/f控制结构Fig.3 V/f control structure based on droop

图4　锁相环控制原理Fig.4 Control principle of phase-locked loop

3 P/Q-V/f对等控制的仿真

由以上分析，提出了P/Q-V/f对等控制策略，在PSCAD/EMTDC中搭建图1所示的混合微电网结构。仿真分析微电网模型在孤岛运行下负荷改变时的运行仿真分析，观察各微电源的功率输出情况以及微电网母线电压和频率，从而验证所提的控制策略的可行性和正确性。

图1中所示的光伏发电单元通常采用最大功率跟踪控制，其逆变器的控制方式在并网和孤岛运行状态时都采用P/Q控制，保证其输出功率恒定。燃气轮机发电单元以及蓄电池储能单元均采用文中提出的P/Q-V/f控制策略。各微电源输出功率参考值如表1所示。

图5　微电网孤岛运行下负荷变化的仿真Fig.5 Simulation of microgrid load changein islanding mode

表1　各微电源的输出功率参考值Tab.1 The output reference power of micro source

微电网在t=4s处进入孤岛运行，t=10s处微电网内部负荷减少10kW，t=16s处负荷恢复，仿真时间20s。在此过程中，频率的波动范围在50±0.1Hz内，母线电压也有波动，但基本保持稳定。

4 结论

针对含多微源的微电网系统，提出了P/Q-V/f对等控制策略。通过分析微电网在运行模式切换和负荷变化的过程中微网功率、电压、频率的动态响应，证明了微电网模型可实现运行模式之间的平滑切换，并具有一定的抗扰动能力，验证了所提控制策略的可行性和有效性。但实际中微电网可能要面对频繁切换的复杂工况，如何保证控制策略实现微电网在任何工况下完成无缝切换并抵抗冲击将是今后重要的研究方向。

［1］李鹏，张玲，等.微网技术应用与分析［J］.电力系统自动化，2009，20.

［2］Standards Coordinating Committee 21.IEEE standard 1547 For interconnecting distributed resources with electric power systems［S］，2003.

［3］黄伟，孙昶辉，吴子平，等.含分布式发电系统的微网技术研究综述［J］.电网技术，2009，9.

［4］HE Jin-wei，LI Yun-wei.An accurate reactive power sharing control strategy for DG units in a microgrid［C］//Power Electronics and ECCE Aisa（ICPE&ECCE）2011 IEEE 8th International Conference.

［5］郑竞宏，王燕廷，李兴旺，等.微电网平滑切换控制方法及策略［J］.电力系统自动化，2011，18.

［6］毕大强，牟晓春，任先文，等.含多微源的微电网控制策略设计［J］.高电压技术，2011，3.

［7］郜登科，姜建国，张宇华.使用电压-相角下的微电网控制策略设计［J］.电力系统自动化，2012，2.

［8］孙孝峰，吕庆秋.低压微电网逆变器频率电压协调控制［J］.电工技术学报，2012，8.

［9］纪明伟，张兴，杨淑英.基于电压源逆变器的微电网控制策略［J］.合肥工业大学学报，2009，11.

［10］杨俊虎，韩肖清，等.基于逆变器下垂控制的微电网动态性能分析［J］.南方电网技术，2012，4.

［11］周贤正，荣飞，等.低压微电网采用坐标旋转的虚拟功率V/f下垂控制策略［J］.电力系统自动化，2012，2.

Control Strategies and Simulation of Hybrid Microgrid with Multiple Micro Sources

YANG Yong，ZHANG Guo-Xin
（Taiyuan Intinute，China Coal Technology and Engineering Group，Taiyuan Shanxi 030006，China）

Aiming at the diversity and dispersibility of distributed generations and their loads in microgrid，on based of analyzing the P/Q control strategy and the V/f control strategy with droop control strategy，this paper proposed the P/Q-V/f control strategy.This strategy can realize power sharing to maintain the stability of microgrid voltage and frequency.With the PSCAD/EMTDC similation plotform，the simulation results of switching operating modes and cutting or increasing load in islanding mode can prove the effectiveness and correctness of the proposed control strategy.

microgrid；distributed generation；P/Q control；V/f control；operation simulation

TM743

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.042

1002-6673（2015）02-110-03

2015-02-05

杨勇（1987-），男，硕士，助理工程师；张国新（1975-），男，工程硕士，副研究员。