微电网孤岛运行的主从控制策略研究

刘文

（广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006）

微电网孤岛运行的主从控制策略研究

刘文

（广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006）

为实现微电网孤岛运行时多个分布式电源的协调控制，提出主从控制策略，即主分布式电源采用V-f控制，为微电网提供稳定的电压和频率；从分布式电源采用P-Q控制，使可再生能源得到充分应用，从而使微电网孤岛运行具有良好的稳态和动态性能.MATLAB仿真结果表明，主从控制策略能使各分布式电源之间较好地协调，满足了系统电压和频率的要求.

微电网；孤岛运行；主从控制策略；V-f控制；P-Q控制

2003年北美大停电、2008年1月我国南方多省因雪灾而大范围停电等大面积停电事故，充分暴露了大电网的脆弱性.[1-2]微电网作为自洽系统，具有脱网独立运行的能力，能提高供电的可靠性.为了满足负荷对微电网系统电压和频率的要求，跟踪微电网中负荷的变化需要采取相应的协调控制策略，目前采用的协调控制策略主要有：主从站控制[3]、负荷—频率二次控制[4]、连络线(tie line)控制[5]、基于多代理技术的微电网控制和多微电网分层分布式控制[6].这些控制策略都能保证微电网孤岛电压和频率的稳定，但负荷—频率二次控制需要大容量的存储单元，连路线控制、多代理控制以及分层分布式控制需要安装通信装置.本文考虑经济性和实用性，采用主从控制的孤岛稳定运行策略，即将微型燃气轮机这种功率可调的机组作为主电源，应用恒频恒压控制方法时刻维持孤岛运行电压和频率稳定，将太阳能电池和风力发电这类间歇性发电机组作为从电源，采用P-Q控制方法让其尽可能输送能量，以达到最大化利用新能源的目的[7-10].

1 孤岛主从控制策略

1.1 主电源逆变器V-f控制

图1 V-f控制原理

图2 V-f控制的结构框图

分布式电源的接口逆变器采取恒压恒频控制，这意味着不管分布式电源输出功率如何变化，其输出电压的幅值和频率维持不变，为微网的孤岛运行提供强有力的电压和频率支撑，并具有一定的负荷功率跟随特性.如图1所示，分布式电源输出的有功功率从1P变化到3P、无功功率从Q1变化到Q3，其输出的频率始终为50 Hz，电压幅值为额定值.

本文采用的V-f控制框图如图2所示，微电源采用V-f控制时，通过设定电压参考值，实时采集逆变器端口电压信息Va、Vb、Vc，在PI控制器的调节作用下，维持逆变器端口电压的恒定；频率由锁相环产生恒定参考值，本文通过MATLAB/simulink环境中自带锁相环PLL模块来实现频率恒定的要求.对称三相电网电压波形经派克变换后仅含d轴分量Vd.当电压基准值取三相对称电压的相电 压 峰 值 时 ， Vdref,pu=1，Vqref=0.

这种控制方法只能用于微电网中容量较大的储能装置或配备储能装置的分布式电源，它相当于无穷大母线，采用这种控制方法的分布式电源必须满足系统负荷功率变化的需求.

1.2 从电源逆变器P-Q控制

逆变器接口的分布式电源采用P-Q控制，其控制目的是使分布式电源输出的有功功率和无功功率等于其参考功率，控制方法的结构框图如图3所示.为了更好地计算瞬时有功功率和无功功率，更好地让输出的有功功率和无功功率快速响应参考给定的功率，本控制器将采样的三相电压和电流分别转换成旋转坐标轴下的电压和电流，进行派克变换所需的相角由主电源逆变器输出电压信号通过锁相环（PLL）计算得到.

图3 P-Q控制系统结构框图

图4 P-Q控制原理

P-Q控制原理示意图如图4所示，L、C是三相滤波电感和滤波电容，R是滤波器为抑制振荡而增设的阻尼电阻，V1是逆变器端口输出电压，V2是经滤波器后的输出电压.

采用电压源逆变器时，其输入的调制信号用于控制逆变器端口输出电压，因此必须将参考电流控制信号转化为参考电压控制信号.由图4可知，馈线电压可以表示为：

将上式各量转换到旋转dq0坐标系，对应的馈线电压方程为：

式中ω为线性电压、电流的频率，与配电网联网运行时由电网频率决定，孤岛运行时由下垂控制的分布式电源决定.

逆变器输出功率在旋转坐标系下的计算可以表示为：

在功率和电压已知的情况下可求得电流值：

由式（4）可知，若给定参考功率Pref和Qref，测量获得输出电压后便可以精确地计算出下级PI控制器的参考电流值Iref.将逆变器输出电流参考值Iref分解为有功电流分量Idref和无功电流分量Iqref，得到电流环的dq轴参考值.

可得：

由式（4）、（5）可得功率外环和电流内环控制框图如图5所示.此控制框图包含2个PI控制器.第1个PI控制器的作用：调节参考功率与实际测量输出功率之间的差值，使输出功率快速响应参考功率，其次产生电流内环控制所需的参考电流.第2个PI控制器的作用：调节参考电流与实际反馈回控制器的电流之间的差值，以达到产生零稳态误差、补充非线性扰动的作用.为了降低孤网电压对系统的影响，将电压前馈控制引入电流内环控制中，从而使从分布式电源输出电压能及时跟踪主分布式电源电压，保证输出无零序分量且接近正弦波的电流.由于对多种扰动不敏感，从分布式电源在不同时段、不同环境下都能按参考指令输出理想的功率，增强了从分布式电源的灵活性.

图5 功率和电流双环控制框图

2 仿真模型和分析

假定主分布式电源逆变器直流侧电压为700 V，从分布式电源直流侧分别为650 V和600 V.载波频率设为6 450 Hz，主电源LC滤波器参数L=15 mH、R=0.08 Ω、C=100 μF，从电源LC滤波器参数L=10 mH、R=0.08 Ω、C=100 μF.负荷额定线电压为380 V，模型中所有节点电压用标幺值表示时，基准电压均为380 V.主电源PI调节器中KP=10、 KI= 500，从电源PI调节器中KP=5、KI=100.设置工况：t=0 s时所带对称三相负荷P=20 kW、Q=0.5 kvar；t=0.2 s时所带对称三相负荷增加为P=30 kW、 Q=1 kvar.从电源1给定参考有功功率0 s为8 kW，0.1 s降为5 kW，0.2 s升为9 kW，0.3 s降为8 kW，0.4 s降为7 kW，给定参考无功功率为0；从电源2给定参考有功功率0 s为4kW，0.1 s升为5 kW，0.2 s升为8 kW，0.3 s降为7 kW，0.4 s降为6 kW，给定参考无功功率为0.

由仿真图7a）可见，采用此控制策略，孤网频率基本保持在50 Hz左右，符合规定的频率标准；由仿真图7b）可见，当负荷负载增加时，在主电源V-f控制器的作用下，孤网电压幅值和频率均保持不变，始终保持电网电压标准，能很好地为孤网提供稳定的电压和频率；由仿真图7c）可见，采用主从控制策略，孤网能输出较好的电流波形，并能很好地跟随负荷变化；由仿真图7d）和7e）可见，各从分布式电源都能很好地按照指令输出相应的功率，并能快速随指令变化而调整，响应过程平稳；由仿真图7f）可见，主电源也能及时调整，并很好地满足负荷的功率需求；同时，通过仿真图7d）、7e）、7f）、7g）可见，主电源输出功率与2个从电源功率之和，刚好等于负荷总功率，说明了此控制策略的可行性.

图6 仿真结果

3 结束语

微电网作为大电网的有益补充和分布式发电系统的有效利用形式，应用于未来的电力系统可以节省投资、降低投资的风险，降低能耗、提高效能，提高电力系统的可靠性、灵活性和供电质量.为了能够较好地维持孤网电压和频率稳定，使输出电流接近于正弦波，从电源应很好跟踪指令功率输出以保证孤网稳定运行，本文设计了微电网孤岛状态下主从控制策略系统，通过Matlab仿真验证，该控制系统设计灵活、响应迅速、抗扰能力强、能让从分布式电源不同时段根据指令输出最大功率，达到了最大化利用可再生能源目的，增强了分布式电源的实用性.

[1]盛鸥，孔力，齐智平，等.新型电网：微电网研究综述[J].继电器，2007,35(12)：75-81.

[2]鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007,31(19)：100-106.

[3]LOPES J A P,MOREIRA C L,MADUREIRA A G.Defining control strategies for microgrids islanded operation[J].IEEE Transactionsons on Power Systems,2006,21(2)：916-924.

[4]LOPES J A P,MOREIRA C L,MADUREIRA A G.Control strategies for microgrids emergency operation[C]// 2005 International Conference on Future Power Systems.Amsterdam：[s.n.],2005：1-6.

[5]BOSE S,LIU Y,BAHEI-ELDIN K,etal.Tielinecontrolsinmicrogridapplications[C]//2007IREP SymposiumBulk Power System Dynamics and Control,Charleston：[s.n.],2007：l-9.

[6]GIL N J,LOPES J A P.Hierarchical frequency control scheme for islanded multi-microgrids operation[C]// Proceedings of 2007 IEEE Lausanne Powertech.Lausanne：[s.n.],2007：473-478.

[7]王成山，肖朝霞，王守相.微网综合控制与分析[J].电力系统自动化，2008,32(7)：98-103.

[8]梁有伟，胡志坚，陈允平.分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J].电网技术，2003,12(27)：72-77.

[9]王志群，朱守真，周双喜.逆变型分布式电源控制系统的设计[J].电力系统自动化，2004,24(28)：61-70.

[10]何建剑，吴为麟.分布式电源并网系统的研究[J].能源工程，2007(3)：1-6.

A Study of Master-slave Control Strategy in the Isolated Microgrid

LIU Wen
(Automation School,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

When an isolated microgrid runs,the essential problem needed to be solved is to achieve the coordination of multiple distributed power sources.In this paper,a master-slave control strategy is proposed,i.e.,theV-fcontrol method is used in master distributed power to provide a stable voltage and frequency for the microgrid andP-Qcontrol method is applied in the slaves,making full use of renewable energy.With this control strategy,the isolated microgrid can run steadily and with dynamic performance.Simulation shows that the control strategy proposed can coordinate these distributed powers and meet the need of the system voltage and frequency.

microgrid;islanding operation;master-slave control strategy;V-fcontrol;P-Qcontrol

?

TM727

A

1006-7302（2011）03-0056-05

2011-03-08

刘文（1985—），男，湖北仙桃人，硕士研究生，从事微电网运行控制与保护技术的研究.