摘要：微 电网可以整合各类分布式电源并为当地负荷提供绿色能源，因而成为世界各国研究的热点。由于微电网运行惯性小、模式多、内部电源特性差异大，而增加了网内公 共点电压频率的稳定难度，其控制问题异常复杂。文章提出了基于分布式电源层的改进下垂控制策略，在传统下垂控制的基础上增加前馈调节与比例积分控制机制， 从而改变了下垂系数，增大了功率调节范围，加快了公共点频率电压的稳定速度，使微电网并网时实现功率输出的指定控制、孤岛时按负荷的需求分配功率。文章还 采用电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC V4.4验证了所提方案的可行性。
关键词：分布式电源，微电网，数学模型，下垂控制，仿真
基金项目：内蒙古自治区教育厅科技计划项目(NJZY14170)。
0 引言
分布式发电(Distributed Generation，DG)是指直接布置在配电网或负荷附近的发电设施，能够提供可靠、绿色、高效电能[1]。分布式发电的实施是解决我国化石能源短缺、治理环境污染、减少雾霾天气的有效手段。分布式发电技术可充分利用可再生能源，几乎不会对环境造成任何污染，因而得到了世界各国学者的广泛关注[2]，[3]。分布式发电具有随机性、间歇性等不可预测的特点，在很大程度上增加了控制难度。微电网通过先进的电力电子技术将分散电源、负荷与储能装置结合形成一个可控单元，它既可以与配电系统并网运行，也可以离网孤岛运行[4]，[5]。微电网的接入可充分挖掘分布式能源的利用效率，为供电部门和用户带来显著的价值和效益。
微电网逆变器控制策略主要有主从控制和对等控制2种。 主从控制的微电网中，设置一个或多个主电源用于检测电网的电压及频率信息，借助通信方式来控制其它从属电源的功率输出；依据微电网典型运行模式采取相应的 调节手段达到微电网的功率平衡。对等控制的微电网中各电源不存在主次关系，均按预先设计模式共同参与功率调节，无须通信即可实现即插即用功能。微电网逆变 器控制策略中，对等控制策略优势更明显，其中研究最多的一种为下垂控制。
1 控制策略分析
1.1 微电网基本结构
图1所示的结构中，微电源风机(WT)直接连于交流母线，光伏(PV)与电池储能(BS)连于直流母线，然后再逆变并与交流母线相连，STS为静态开关，T为隔离变压器。当大电网故障时，STS断开，微电网孤岛运行，为本地负荷供电，保证敏感负荷供电连续；相反，STS闭合，微电网并网运行。
图1 混合微电网模型
Fig.1 Model of hybrid microgrid
1.2 微电网的运行模式
(1)联网运行
微电网通过静态开关STS连接主网。分布式电源采用PQ控制策略，微电网输出指定功率。
(2)孤岛运行
多个分布式电源均为负荷供电，采用改进下垂控制策略，保证母线压频稳定。
(3)孤岛向联网的切换
微电网工作在孤岛模式，STS检测到主电网稳定运行无故障，此时可以进行并网操作。为减小并网时的电流冲击，当检测到微电网与主网满足并网条件时闭合STS，实现并网运行。
(4)联网向孤岛的切换
当主网发生故障时，STS断开，微电网孤岛运行。由于微电网内负荷所需功率不会与分布式电源所供功率一致，因此网内的电压频率和幅值将会偏离额定值。为了加快调整压频偏差，启动前馈控制与比例积分调节机制，来满足孤岛运行时电压、频率稳定的要求。
2 模式切换及孤岛时压频稳定控制模型
2.1 下垂控制策略
微 电网中多数分布式电源采用电力电子装置作为控制设备，且就近安装于负荷周围，不需要远距离传输电能。因此，传统高压线路的下垂控制策略或电力系统分析方法 不能直接应用到微电网控制中，并且缺乏充足理论依据支撑。本文以典型电力电子技术并网原理为例进行分析验算，证明该控制策略的可行性。图2、图3分别为逆变器并网原理图与相量图。
图2 逆变器并网原理
Fig.2 Principle of invertor connected to grid
图3 逆变器并网相量
Fig.3 Phases of invertor connected to grid
逆变器可以简化为一个电压源，经阻抗R+jX连接到电网上。逆变器输出复功率可如式(1)所示：
对于低压微电网而言，系统电抗可以忽略。同时，功率角δ很小，则sinδ=δ，cosδ=1。式(1)可简化为式(2)：
所以
从式(3)、(4)可以看出，在阻性线路(R＞＞X)和功角很小的前提下，有功功率P主要取决于电压降U1-U2，而无功功率主要取决于功率角及频率f。由此得到的有功电压、无功频率的下垂控制策略如式(5)，(6)所示。
f=f0-m(Q-Q0) (5)
U=U0-n(P-P0) (6)
式中：m，n分别为下垂系数。
图4 频率下垂特性
Fig.4 Droop characteristic of frequency
图5 电压下垂特性
Fig.5 Droop characteristic of voltage
由图4，5可以看出，该控制策略符合下垂调节特性。
显 然，该模型是一种有差调节过程。在功率受到扰动或变化时，系统电压和频率很难稳定在额定状态。为了改善压频动态响应速度，实现无静差调节，本文设计了基于 前馈调节与比例积分相结合的控制机制，也就是在发生功率波动时，系统能够快速自动改变下垂系数，保证系统响应速度，提高控制精度。调节方法如式(7)，(8)所示。改进后的下垂控制策略可以根据负荷特性动态地修改下垂系数，从而实现系统母线压频的精准控制。
f=f0-m[(Q-Q0)+mk(f0-f)] (7)
U=U0-n[(P-P0)+nk(U0-U)] (8)
对应逆变器控制结构如图6所示。
图6 下垂控制的功率环
Fig.6 Power ring of droop control
图6中，增加了功率给定P*，Q*两个参量。并网运行时，可根据需要设定功率输出；加入的电压、频率前馈调节可对其进行二次调节，进一步减少调节偏差；微分项则减少功率计算环节引起的滞后。控制环中的功率为微电源输出的瞬时功率，以提高整个系统的实时性。功率控制器的输出将作为实际电压和角频率的参考值。
2.2 P/Q控制策略
为了保证可再生能源的最大化利用，通常在并网时对间歇式电源采取P/Q控制，其模型如图7所示。
图7 P/Q控制结构图
Fig.7 Control structure
无论负荷、电压、频率是否变化，微电源都能保证按指定功率输出。微电网三相电压经Park变换得到dq坐标时，Ud为常数，Uq为零。当取微电网公共电压作为控制量，要求分布式电源输出功率为指定功率时，逆变器d轴与q轴电流分量参考值分别表示为
idref=Pref/Ud (9)
iqref=-Qref/Ud (10)
在dq轴坐标下，逆变器输出功率与电压、电流的关系：
P=Udid+Uqiq (11)
Q=Uqid-Udiq (12)
通过检测逆变器输出电压及电流，即可得到其输出的瞬时功率值，从而实现间歇式电源功率的指定控制。
3 仿真分析
3.1 仿真参数
在本例中，风机功率PWT为10kW，QWT为2kvar；光伏电池功率PPV为15kW；储能电池容量WBS为15kWh；母线电压为380V；线路参数：R=0.58Ω/km，X=0.12Ω/km；负荷参数：Z1=8+j1Ω，Z2=3+j1Ω；滤波电阻R0为0.02Ω；滤波电感L0为0.6mH；滤波电容C0为1 500μF；P/Q控制器参数：Kp=0.6，Ki=25；V/f控制器参数：K1=K2=5。
3.2 仿真结果
仿真波形如图8～11所示。
当t＜0.4 s时，微电网联网运行；t=0.4 s时，系统由联网至孤岛切换；t=0.4～1.2 s时，系统孤岛运行；t=1.2 s时，系统由孤岛向联网切换；t＞1.2 s时，系统联网运行。联网时，风机、光伏均采用P/Q控制策略，各自输出的有功功率与外界环境有关，实现最大功率跟踪，母线电压与频率由大电网决定。
图8 风速与功率
Fig.8 Wind speed and power
图9 光照与功率
Fig.9 Illumination and power
图8、图9表示风机、光伏的有功功率随环境变化曲线。风速减小、光照度降低时，两电源输出功率明显减少。
图10 储能功率与电压
Fig.10 Energy storage power and voltage
图11 储能功率与频率
Fig.11 Energy storage power and frequency
图10、图11表示采用V/F控 制策略的储能电池功率及电压的变化特征。系统联网时，储能电池输出功率几乎为零；当系统切换到孤岛运行时，负荷不足的功率将由储能单元供给，储能电池发挥 支撑电压频率功能，补足风机、光伏发电功率的缺额，并实现动态补偿。经过短暂的过渡过程，系统电压和频率能快速地恢复到额定值。
4 结论
采用含前馈控制与比例积分调节机制的下垂控制策略，可以改变下垂系数，加快了功率调节响应速度，稳定了公共点电压与频率。仿真中，微电网内部的不同DG单元采用了协调控制机制，针对受外部环境影响较大的光伏、风机类电源，采用P/Q控制更易于实现最大功率跟踪。针对输出功率稳定的储能设备而采用V/F控制策略，这种控制方式不仅保证了微电网孤岛运行时的负荷功率平衡需求，同时为微电网稳定运行提供了电压与频率支撑；在并网运行时，可为大电网压频稳定发挥辅助调节功能。
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