用于微电网孤岛运行的逆变电源控制方法①

吴蓓蓓， 苏建徽， 张军军， 朱 丹

(1.合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心， 合肥 230009；2.国网电力科学研究院， 南京 210003)

用于微电网孤岛运行的逆变电源控制方法①

吴蓓蓓1，2， 苏建徽1， 张军军2， 朱 丹1，2

(1.合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心， 合肥 230009；2.国网电力科学研究院， 南京 210003)

阐述了微电网孤岛运行时对逆变电源的要求，提出了一种基于同步发电机数学模型的逆变电源控制策略，并借鉴传统电力系统中频率及电压幅值控制方法，设计了微网系统的功率平衡及频率幅值控制方法。文中采用一次调频和二次调频实现负荷有功功率变化时所有微源间变化功率的合理分配，维持系统频率的稳定；电压调节器通过调节励磁电压，维持输出电压的稳定，实现无功功率的合理分配，最后，对孤岛运行模式下切/增负荷进行了仿真，证明了该理论的可行性。

微网； 虚拟同步发电机； 频率调节； 电压调节； 功率平衡

近年来，分布式发电技术以其经济性、环保性和可靠性等优点得到国内外学者的青睐。尽管分布式发电[1]优点显著，但存在的一些问题也引起了重视，例如：控制困难，单机接入成本高，对电网的稳定性、电能质量、网损产生影响等[2，3]。为了更好地发挥分布式发电的潜能，美国电气可靠性技术解决方案协会CERTS(consortium for electric reliability technology solutions)提出了“微网”的概念，即由各种无限的分布式能源连同负荷、储能装置和控制装置组成的一个系统[4，5]。微网中的电源被称为微源，为了提高经济性，微源在向负载供电的同时，可提供热量。现有的微源主要包括：燃料电池、微型燃气轮机、风力发电机和太阳能电池等[6]。无论是哪种分布式能源形式，一般都可通过AC/DC或者DC/DC转化为直流，再经过DC/AC逆变并网运行。

微网可以联网运行或孤岛运行[7]。无论哪种运行模式，都需要对微源进行有效的控制，维持系统电压稳定。联网时，由大电网提供电压支持，各微源采用PQ控制，微网被当作一个可调度的可控电流源[6]。孤岛时，要求各微源能跟随负载变化自动调整功率输出，同时满足输出电压变化在允许范围之内。文献[8～10]设计了孤岛运行时微源控制方法，但都基于传统下垂法，存在频率和幅值偏离额定值的问题。本文所利用同步发电机数学模型，提出了同步发电机模型跟踪的控制方法，使逆变电源具有同步发电机特性，简称虚拟同步发电机VSG(virtual synchronous generator)，并设计了孤岛运行时频率调节器和幅值调节器，保证了孤岛模式下微网的可靠运行。

1 微网结构

本文的微网结构如图1所示，包括一组放射状的馈线ABC、馈线ABC上的负载和微源，当微网和大电网之间存在问题时，微网可以利用静态开关脱离大电网，进入孤岛运行模式。

图1 微网结构

2 微源控制方案

传统电力系统的发电单元是同步旋转发电机，具有较大的转动惯量，在暂态过程中能够提供旋转备用容量，对电力系统的稳定起着关键作用。基于储能装置的微源大多以逆变器作为接口并联运行的，缺少旋转容量，但是逆变电源快速的动态响应能力使其跟踪同步发电机特性成为可能。

2.1 同步发电机模型跟踪的原理

图2为模型跟踪方法的示意。其中，虚拟同步发电机算法可采用同步发电机的二阶、三阶、四阶、六阶等模型。对于一个多机微网系统，若采用多阶模型，再加上频率控制、电压幅值控制等，会给计算分析带来极大的困难。本文采用最简单经典的二阶模型[11]，即

(1)

图2 同步发电机模型跟踪法原理

逆变电源中，输出有功功率相当于同步发电机电磁功率Pe；原动机输入功率Pm为控制器给定值，稳态时Pm=Pe；负载电流i做为电枢电流,通过二阶模型计算，得到定子端电压u，作为逆变器输出电压给定值，由电压环反馈，逆变器输出电压的基波分量跟随给定值。

2.2 微电网的有功功率平衡和频率调节

电力系统中，实际负荷由3种不同变化规律的变化负荷组成[12]，负荷变化引起频率相应变化，因此针对三种不同变化负荷，设计了一次调频、二次调频和三次调频。本文设计了微电网中基于VSG的频率调节器，可实现有功功率的合理分配。

2.2.1 频率的一次调整

当系统负荷变化时，VSG输出功率Pe发生变化，功率平衡遭到破环，引起角频率ω的变化，一次调频将自动改变Pm的大小，阻止频率的变化。图3为VSG组一次调频控制框图，采用比例调节，为有差调节，其中

Pm=P0+Kf1(fref-f)

(2)

式中：Pm称为VSG的功率-频率静态特性；Kf1称为虚拟同步发电机的单位调节功率，其中

(3)

式中，δ称为静态调差系数，表示负荷改变时相应的频率偏移，δ愈小，频率偏移亦愈小。理论上，静态调差系数可以控制的任意小，但在实际应用中由于受到逆变电源硬件误差以及数字控制器精度的影响，需要取一个折中的值。在微电网系统中，由于能源的不同，各逆变电源的容量也不尽相同。为了确保每台逆变电源能够依据其额定容量合理分配有功负载，调差系数δi的选取应参考的原则，即

δ1S1=δ2S2=…=δnSn

(4)

式中：S1，S2，…，Sn为各逆变电源的额定容量。如果容量相等，δ相同，输出功率相同；若容量不同，δ越小，承担的有功功率越多。

图3 虚拟同步发电机一次调频控制框图

要确定微网中负荷变化引起的频率变化，需同时考虑负荷及VSG组两者的调节作用，为简单起见，先考虑一台VSG的情况。如图4所示，直线1为VSG的功频特性，直线2、3为不同负荷的功频特性。初始状态下，负荷的功频特性为直线2，它和直线1的交点A(fref，P0)确定了系统稳态运行时频率为fref，负荷功率和VSG的输出功率为P0。假设负荷增加了ΔPD，其特性曲线变为直线3，由于输出功率Pe的增加，VSG输出电压频率下降，一次调频使得最后的稳定点为直线1和3的交点B(f1，P1)。此时频率变化量Δf=f1-fref<0，输出功率的变化量ΔP=-Kf1Δf。由此可见，系统负荷增加，一次调频使VGS输出功率增加，但频率低于初始值；反之，负荷减小，输出功率减小，频率高于初始值。

图4 频率调节示意

2.2.2 频率的二次调整

一次调频的结果使频率偏离给定值，如果频率变化较大，影响用电设备的正常运行。本文设计的二次调频控制器，通过平移VSG的功频特性调节系统频率、分配机组间的有功功率。如图4所示，假设初始状态为点A，负荷增加ΔPD，一次调频后，稳定点为B，系统频率为f1，在二次调频的作用下，VSG的功频特性上移为直线4，运行稳定点也随之移动到B1点。此时，功率输出增量ΔP=ΔPD，频率偏移为0，实现了频率的无差调节。二次调频是由自动发电控制单元[13]AGC(automatic generation control)检测到频率偏移不在允许范围内，通过频率变化率计算出系统恢复频率初始值所需要的计划外功率，再通过功率分配模块分配给具有二次调频功能的VSG。控制框图如图5所示。其中，PBX(X=0，1，…，N)为上位机通过负荷预测、能源预测等分配给各微源的发电计划。频率调节器采用PID控制，比例环节可以增加系统快速性和稳态精度，如果太小，响应较慢，如果太大，容易超调，甚至不稳定。积分环节可以保证系统是稳态误差为0，但会使系统滞后，微分环节可以增加扰动突变时系统的动态响应能力。通常，在选取各部分参数时，应使I部分发生在系统频率特性的低频段，以提高系统稳定性；而使D部分发生在系统频率特性的中频段，以改善系统动态性能。

图5 虚拟同步发电机二次调频控制框图

2.3 微电网的无功功率平衡和电压调节

微网系统中，各种无功电源的无功输出应满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功的需求，否则电压就会偏离额定值，影响用电设备的正常运行。根据无功平衡的需求，应添增必要的无功补偿容量，并按照无功功率就地平衡的原则进行补偿容量的合理分配，达到无功功率平衡。但是VSG在不同的运行方式下，可能会出现无功功率不足或者过剩的情况，使得VSG的端电压幅值偏离额定值，本文借鉴同步发电机自动励磁调节的原理，设计了电压调节器。VSG转子方程为

(5)

(6)

图6 VSG向量图

图7 虚拟同步发电机电压控制框图

3 微网控制系统仿真分析

为了证明前述理论的正确性，本文利用MATLAB/simulink仿真软件搭建了两台VSG组网运行的模型。每台VSG的额定频为50 Hz，输出相电压幅值额定值为220 V，转动惯量J=0.16 kg·m2，电枢电阻ra=0，同步电抗xd=0.3 mH，滤波电感L=1 mH，滤波电容C=30 μF，都具有一次调频的功能，只有VSG2具有二次调频功能，补充计划外功率。仿真模型如图8所示。

图8 仿真模型

图中，负载1为10 kW，负载2为6 kW，负载3为1 kW，负载4为1 kW。0 s时，闭合开关K1和K2，总负荷为16 kW，AGC的输出指令P01=P02=8 kW，系统运行在额定状态。0.2 s时，闭合K3。0.4 s时，闭合K4。图9为仿真结果，图9(a)为系统频率变化波形，初始状态系统稳定运行在额定频率，突加小功率负载后，系统频率下降，一次调频的作用使频率稳定，略小于50 Hz，负载4使频率下降不在允许范围之内，二次调频使系统频率恢复50 Hz。图9(b)和(c)为VSG1和VSG2输出有功功率波形。0.2 s时，输出功率变大，但由于一次调频的作用，使稳定时总输出功率小于17 kW。0.4 s后，由于一次调频使输出频率变化较大，二次调频改变VSG2输出功率指令，VSG2输出功率变大，稳态时，负载2和负载3由VSG2承担，系统频率恢复给定值。

(a) 系统频率变化波形

(b) VSG1输出有功功率变化波形

(c) VSG2输出有功功率变化波形

4 结语

在以逆变器为接口的微网系统中，逆变单元的稳定性运行和组网控制技术是实现微网的关键问题之一。本文设计的同步发电机模型跟踪的方法，使逆变单元具有同步发电机特性，并借鉴大电网中的相关控制策略，设计了应用于微网中的频率调节器和电压幅值调节器。最后，利用MATLAB/simulink软件搭建了仿真模型，证明了虚拟同步发电机理论的可行性。针对不同形式的分布式电源，可能需要相应的控制算法，作为虚拟同步发电机的控制输入，如光伏并网系统的最大功率跟踪、直驱型永磁风力发电并网系统的母线电压稳定控制等。

[1] 王志群，朱守真，周双喜，等(Wang Zhiqun, Zhu Shouzhen, Zhou Shuangxi,etal).分布式发电接入位置和注入容量限制的研究(Study on location and penetration of distributed generations)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2005，17(1)：53-58.

[2] 鲁宗相，王彩霞，闵勇，等(Lu Zongxiang, Wang Caixia, Min Yong,etal).微电网研究综述(Overview on microgrid research)[J].电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，2007，31(19)：100-107.

[3] 姜桂宾(Jiang Guibin).分布式发电系统用逆变电源及其并联组网控制技术研究(Research on SPWM Inverter and its Control Approach for Parallel Operation of Generation System)[D].西安：西安交通大学电气工程学院(Xi′an：School of Electrical Engineering ,Xi′an Jiaotong University)，2003.

[4] Hatziargyriou Nikos, Asano Hiroshi, Iravani Reza,etal.Microgrids[J].IEEE Power and Energy Magazine, 2007, 5(4):78-94.

[5] Robert H, Lasseter Paola Piagi. Control and Design of Microgrid Components[R].Wisconsin: RSERC, 2006.

[6] Robert Lasseter, Abbas Akhil, Chirs Mamry,etal.The microgrid concept[R].California: CERTS, 2002.

[7] 赵宏伟，吴涛涛(Zhao Hongwei, Wu Taotao).基于分布式电源的微网技术 (Review of distributed generation based microgrid technology)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2008，20(1)：121-128.

[8] Katiraei Farid, Iravani Reza, Hatziargyriou Nikos,etal.Microgrids management[J].IEEE Power and Energy Magazine, 2008,6(3):54-65.

[9] 王成山，肖朝霞，王守相(Wang Chengshan, Xiao Zhaoxia, Wang Shouxiang).微网综合控制与分析(Synthetical control and analysis of microgrid)[J].电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems),2008,32(7):98-103.

[10]Lopes J A P, Moreira C L, Madureira A G. Defining control strategies for microgrids islanded operation[J].IEEE Trans on Power Systems, 2006, 21(2):916-924.

[11]倪以信，陈寿松.动态电力系统理论和分析[M].北京：清华大学出版社，2002.

[12]何仰赞，温增银.电力系统分析[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

[13]许正亚.电力系统安全自动装置[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[14]刘维烈. 电力系统调频与自动发电控制[M].北京：中国电力出版社，2006.

ControlStrategiesofInverterinMicrogridIslandOperation

WU Bei-bei1，2， SU Jian-hui1， ZHANG Jun-jun2， ZHU Dan1，2

(1.Research Center for Photovoltaic System Engineering Ministry of Education,Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 210003, China)

This article introduced the requirements of the inverters in island and presented a new control strategy based on mechanical model of synchronous generator. By learning from the traditional control methods of power system frequency and voltage amplitude, the control methods of power balance and frequency amplitude in microgrid were designed. In the article, first and second frequency regulation realized a reasonable distribution of variational active power among all the microgrid sources when the power of load varied and maintained frequency stability. Voltage regulator maintained the stability of output voltage and achieved a reasonable distribution for reactive power by adjusting the excitation voltage. Finally, the feasibility of the theory in the paper has been demonstrated by simulating the load changes in islanded operation.

microgrid； virtual synchronous generator； frequency regulation； voltage regulation； power balance

2009-10-12

2010-01-05

国家自然科学基金资助项目(50777015)；教育部科学技术研究重大项目(306004)

TM727

A

1003-8930(2011)01-0001-05

吴蓓蓓(1986-)，女，硕士研究生，研究方向为电力电子变换技术。Email:wubeibei@sgepri.sgcc.com.cn 苏建徽(1963-)，男，教授，博士生导师，研究方向为光伏系统技术、分布式发电系统技术等。Email:su_chen@126.com 张军军(1982-)，男，硕士研究生，研究方向为新能源发电技术。Email:zhangjunjun@sgepri.sgcc.com.cn