基于Matlab/Simulink的分布式电源控制方法

陈奇方，朱小兰，张文青，舒海莲，甄少屿

（1.浙江省绍兴新昌县供电局，浙江 新昌 312500；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 210000）

基于Matlab/Simulink的分布式电源控制方法

陈奇方1，朱小兰1，张文青1，舒海莲2，甄少屿1

（1.浙江省绍兴新昌县供电局，浙江 新昌 312500；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 210000）

微电网是一个由各种分布式电源及各类负荷组成的微型电力系统，它将分布式电源纳入了各级配电网，是解决未来能源问题及利用可再生能源、绿色能源的重要途径。然而微电网的形成以及能否顺利在各运行模式和相应过渡模式下可靠运行，必须建立在良好的控制性能基础上。对于微电网的控制，首先要解决的又是分布式电源（DG）的控制。保证各分布式电源单体的良好控制，实现可靠稳定供电，是实现微电网可靠运行的前提。

当前对于不同类型的分布式电源（DG）和控制要求，主要控制方法有：恒功率控制（PQ control）、恒压恒频控制（V/f control）和下垂控制（Droop control）。为验证这3种控制方法的实用性，创新性的设计并建立了独自的仿真模型，并利用Matlab/Simulink仿真环境，通过仿真分析对应算例，验证了所设计模型的实效性。

1 恒定功率（PQ）控制原理及建模仿真

1.1 控制原理及建模

PQ控制的原理是将P和Q解耦，对电流进行控制，采用PI控制器使得稳态偏差为零。其目的是利用逆变器的控制来确保各分布式电源输出的P和Q保持恒定。总体框图如图1所示。

图1 PQ控制总图Fig.1 PQ control graph

Project Supported by the National Natural Science Fund（50807035）.

恒功率控制采用SPWM调制解调方法，主要是利用软件锁相环的电流（I）跟踪控制，控制模块放置在dq旋转坐标系下。恒功率控制模型主要包含3个模块：dq变换与锁相环、电流控制和功率控制。

以图1虚线框图模块为基础，建立恒功率控制模型，见图2。

图2 恒定功率（PQ）控制模型Fig.2 The PQ control model

依据图1，在Matlab/Simulink中设计一个PQ控制的模型，用于检验PQ控制的实效性，建立的仿真模型如图3所示。模型中分布式电源为恒功率控制，仿真过程利用直流电源等值。Load为恒定功率负荷。在设计仿真总时长为1 s、0.5 s时，恒定功率控制的参照P、Q产生突变。设置相关参数如表1所示。

图3 PQ控制系统仿真Fig.3 Simulation of the PQ control system

表1 恒定功率控制模型相关参数Tab.1 Relative parameters of the constant power control model

1.2 仿真结果分析

PQ控制相关的仿真结果输出如图4所示。

图4 PQ控制法仿真结果Fig.4 Simulation results of the PQ control strategy

由仿真结果图4（a）、图4（b）可以得知，分布式电源发出的P、Q在0.5 s时，同时由25 000 W和0 var增加到30 000 W和10 000 var，与PQ控制器设定的参照值对应，由此说明PQ控制模型比较好地控制了电源输出的P、Q。由仿真结果图4（a）、图4（b）知，当电网P、Q产生突变时，母线电压U仍然保持基本恒定，频率f起始有小幅波动，波动最大0.004 3 Hz，满足f变化小于等于0.01 Hz的条件，随之趋向于稳定50 Hz。仿真结果显示，本文所设计建立恒定功率控制模型具有较好的实效性。

2 恒压恒频（V/f）控制原理及建模仿真

2.1 控制原理及建模

恒压恒频控制的目的是，尽可能的使主要控制的微电源输出的频率（f）和电压（V）保持稳定，以保证孤岛系统内其余附属微电源与负荷安全稳定运行。该控制策略是使用逆变器反馈V来调节交流侧V以确保电压V的基本稳定，通常使用外环电压V与内环电流I双环控制方法。外环电压V控制能确保输出电压的稳定，内环电流I控制使得电流随着系统电压波动而及时变化，提高抗干扰的能力。

如图5所示，于dq坐标系里，利用内环电流I外环电压V控制策略，从而实现对微电源输出电压V的跟踪控制在dq变化过程中，频率f保持恒定，以确保电网频率的稳定。

图5 V/f控制结构框图Fig.5 The structure diagram of V/f control

图5中，Rn、Cn、Ln分别为滤波电阻、滤波电容和滤波电感；Zn为负载阻抗；Vn为逆变器桥输出电压；iLn为输出电流；un为负载电压；iCn为滤波电容电流；iZn为负载电流；ion为流向馈线的电流为可控正弦调制信号。以图5虚线框图模块为基础，建立恒压恒频控制模型，见图6。

图6 恒压恒频（V/f）控制模型Fig.6 The V/f control model

恒压恒频控制模型分2个模块，即u、i双环控制模块与dq变换模块。该模型的输入量包含：d、q轴的参照电压、负载电压Un和电容电流iCn，若设置d、q轴的参照电压，即可获得峰值为的三相对称电压。同时得到输出的6路PWM控制脉冲。

依据框图6，在Matlab/Simulink中设计一个V/F控制的模型，用于检验V/F控制的实效性，建立的仿真模型如图7所示。模型中分布式电源为恒功率控制，仿真过程利用直流电源等值。Load为恒定功率负荷。设计仿真总时长为2 s、0.5 s时，恒压恒频控制模型的电压参照值发生突变，频率保持不变。设置相关参数如表2所示。

图7 V/f控制系统仿真Fig.7 Simulation of the V/f control system

表2 恒定电压频率控制模型相关参数Tab.2 Relative parameters of the V/f control model

2.2 仿真结果

恒压恒频控制相关的仿真结果输出如图8、图9所示。

由图8可以得出，仿真0～1 s时，母线电压幅值由537.2 V下跌至440.1 V，这跟V/f控制器设定的参照值相符。由此可以得出所设计V/f控制模型对DG输出电压的控制效果是明显的。由图9可以得出，在母线电压下跌的过程中，频率f也出现了波动，但波动值小于允许范围，由此看出，微电源若采取恒压恒频控制可以给微电网的孤岛运行时提供较为稳定的频率支持。仿真结果表明了所设计建立恒定功率控制模型具有较好的实效性。

图8 恒压恒频控制线电压Fig.8 The line voltage of the V/f control

图9 恒压恒频控制电网频率Fig.9 The frequency of the V/f control

3 下垂（Droop）控制原理及建模仿真

3.1 控制原理及建模

Droop控制方法的原理是各逆变器检测输出功率的大小，根据自身容量，通过频率与电压幅值来调节输出的有功无功。各逆变器通过下垂控制得到输出电压频率和幅值的指令值，然后微调其输出电压幅值和频率达到系统有功和无功合理分配。这种自我调节过程一直持续到微电网系统达到稳定的工作点。Droop控制结构包含功率控制和电压电流双环控制，见图10。

由图11，建立模型：结合原理图，建立基于Droop控制的小系统，来验证Droop控制的有效性。设计仿真算例如图12所示。算例中DG为Droop控制，仿真中用直流源代替。负荷load1和load2都采用恒功率负荷。仿真总时间为1.5 s。在1.0 s时刻，切除load2。参数设置见表3。

图10 Droop控制结构图Fig.10 The structure diagram of Droop control

图11 Droop控制仿真模型Fig.11 Simulation model of the Droop control

图12 Droop控制仿真模型Fig.12 Simulation model of the Droop control

表3 Droop控制算例参数设置Tab.3 Relative parameters of the Droop control case

3.2 仿真结果分析

仿真结果如图13所示。

图13 Droop控制仿真结果Fig.13 Simulation results of the Droop control

从图13（a）、图13（b）看出，在1 s时刻切除load2，DG发出的有功和无功功率，分别从50 kW和10 kvar减少到40 kW和0；从图13（c）、图13（d）可以看出，母线的电压略有下降，A相电压幅值由310 V增加到312 V，频率由50.21 Hz增加到50.32 Hz，最大波动为0.004 Hz。由此可见，Droop控制模型满足P-f和Q-V控制原理，并能保证电压变化不大于5%，频率变化不大于1%。仿真表明，所建立的Droop控制模型有较好的正确性和有效性。

4 结语

本文利用Matlab/Simulink仿真环境，根据PQ、V/f和Droop 3种典型微电源控制方法的基本原理，建立了仿真模型。在分析原理的基础上，通过仿真算例，验证了各模型的正确性和有效性。仿真结果表明：PQ控制可实现微电源有功和无功功率的指定控制；V/f控制实现了负荷功率变化时不同微电源间变化功率的共享，且在微电网孤岛运行时能为微电网系统提供电压和频率支撑；Droop控制模型能够实现功率共享并保证频率和电压的稳定。所建立的模型可以用于分布式电源并网或接入微电网运行控制问题的研究，具有一定的通用性和拓展性。

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（编辑 董小兵）

Control Strategy of DG Based on Matlab/Simulink

CHEN Qifang1，ZHU Xiaolan1，ZHANG Wenqing1，SHU Hailian2，ZHEN Shaoyu1
（1.Shaoxing Xinchang Power Supply Bureau，Xinchang 312500，Zhejiang，China；2.Nanjing Nari Relays Electric Co.，Ltd.，Nanjing 210000，Jiangsu，China）

分布式电源控制是实现微电网控制及可靠运行的前提。利用Matlab/Simulink仿真环境，根据PQ、V/f、Droop3种典型微电源控制方法的基本原理，建立了仿真模型。在分析原理的基础上，通过仿真算例，验证了各模型的正确性和有效性。仿真结果表明：PQ控制可实现微电源有功和无功功率的指定控制；V/f控制实现了负荷功率变化时不同微电源间变化功率的共享，且在微电网孤岛运行时能为微电网系统提供电压和频率支撑；Droop控制模型能够实现功率共享并保证频率和电压的稳定。所建立的模型可以用于分布式电源并网或接入微电网运行控制问题的研究，具有一定的通用性和拓展性。

微电网；分布式电源；Matlab/Simulink；控制方法

The control strategy of DG has dominating effects on reliable operation of the microgrid.In this paper，three typical micro grid control strategies，namely PQ，V/f and Droop，are established in Matlab/Simulink respectively based on the principle of control strategies and conclusions are made accordingly.Effectiveness and correctness of the model established is verified through the simulation example.

microgrid；DG；Matlab/Simulink；control strategy

1674-3814（2015）04-0036-06

TM74

A

国家自然科学基金（50807035）。

2014-10-16。

朱小兰（1964—），女，工程师，从事电力调度运行方式管理工作。