分层控制在微网中的应用研究

许守平，侯朝勇，王坤洋，惠东

（中国电力科学研究院，北京 100192）

在能源需求和环境保护的双重压力下，分布式发电技术获得了越来越多的重视和应用。将分布式电源以微网的形式接入到大电网中并网运行，与大电网互为支撑，是满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可靠性的一种有效途径[1-2]。微网是指由分布式电源、储能系统、能量变换装置、相关负荷和监控系统、保护装置集中而成的小型发电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可与外部电网并网运行，也可孤立运行[3]。

微网主要有2种应用模式：直流微网和交流微网。2种微网运行模式的特有结构使其具有某些特有的功能，针对其结构和功能，国内外已经提出了很多不同的微网管理架构。微网由很多子系统组成，包括分布式发电、储能系统、电力电子接口、分布式负荷和主电网等，在实际运行中需要解决的关键问题之一仍然是微网的控制问题，目前各国也都在这一问题上对微网的不同结构及运行模式进行着各种探索研究[4-6]。本文通过对2种微网运行模式的分析，提出一种包含多个层次的分层复合控制策略，可以实现微网中每个分布式电源的对等控制和即插即用控制，并能形成一个自治的微网控制系统，完成微网的有效自我管理。

1 分层控制概述

微网中在同一个应用层存在多个分布式电源并联运行的情况，这就需要复杂的通信方法和控制算法。而微网和电网之间的接口通常是采用电力电子逆变器进行并联联接，为避免产生环流，通常采用下垂控制理论，使并联运行的接口逆变器能够模拟传统的发电机的虚拟惯性，通过调节逆变器输出电压的幅值和频率，从而达到各并联逆变器之间功率的均衡分布。图1是基于逆变器接口的微网的典型结构。

图1 基于逆变器接口的微网的典型结构Fig.1 Typical structure of microgrid based on the inverter interface

在直流电源变换器并联联接的情况下，采用下垂控制方法应减去参照每个模块输出电压产生的一部分输出电流，因此，在这种控制环中需要补充一个虚拟输出阻抗循环。这个循环也称为自适应电压点（AVP），它可以应用于低压大电流条件下改善电压调节模块（VRMs）的瞬态响应。同时，下垂控制理论也要实现逆变器之间的电压和电流分配的内部调整，这种控制方法，也被称为P-W和Q-E控制方法[7-8]。

尽管很多微网系统采用这种控制方法，但由于缺少上层控制，单纯通过下垂控制来完成对每个分布式电源的有功和无功调节会对输出电压的幅值和频率造成影响。为了解决这个问题，本文提出一种称为次级控制的外部控制回路来修复微网的标称电压值，使微网重新达到稳定状态。最后为了实现微网和电网之间的稳定和最优化运行，又设计了第三级控制来完成。

根据上面的论述，本文提出的分层控制主要包括三层，即初级控制、次级控制和三级控制。在这种控制策略中，每一层独立完成自己的控制任务并通过通信通道向下层传达命令，并且在向下层传达命令时不影响系统的稳定性。

初级控制作为最底层控制，依靠下垂控制方法来实现，主要作为操作层运行，直接进行调节，完成对分布式电源的控制；同时，通过对输出电压的幅值和频率的调节完成对各逆变器接口的分布式电源输出的有功和无功分配，实现并联的分布式电源的均衡和优化。

次级控制通过向初级控制信号重新调节逆变器的输出电压幅值和频率，使之重新达到平衡，实现系统的稳定性；同时该层控制还负责微网和电网的同步，减少微网对系统的冲击。

三级控制主要控制微网和电网之间的功率流动，来实现系统的稳定和经济运行。

2 分层控制在直流微网中的应用

直流微网的结构如图2所示，系统中的分布式电源、储能装置和负荷等均通过电力电子变换装置连接到直流母线，然后再通过逆变器输送到外部交流电网。图3所示为2个并联直流源的等效电路。直流微网相比于交流微网有自己的优势，比如不需要同步分布式发电机、没有变压器产生的涌流、无功功率、谐波电流和三相不平衡问题等[9]。而且，直流微网通过电力电子变换装置可以向不同电压等级的交流、直流负荷提供电能，分布式电源和负荷的波动可由储能装置在直流侧进行补偿。目前，人们主要把光伏模块和燃料电池作为直流输出单元[10]。

图2 直流微网结构Fig.2 Structure of the DC microgrid

图3 2个并联直流源的等效电路图Fig.3 Equivalent circuit of two parallel-connected DC power supplies

应用于直流微网中的分层控制方法，主要包括3个控制层。

2.1 初级控制

本级控制主要靠内部电流和电压控制环来调节参考电压，作为操作层运行，进行直接调节，完成对分布式电源的控制。同时，通过对输出电压的幅值和频率的调节完成对各逆变器接口的分布式电源输出的有功和无功分配，实现并联的分布式电源的均衡和优化。该层还包含一个内部控制环，每个模块的调节参数都集成在内部控制环内，包含电流、电压、反馈、前馈、线性和非线性控制环，完成对输出电压的调节和电流的控制，同时保证系统的稳定。

在这一层中，输出电压V*0可表示为：

式中，i0是输出电流；RD是输出电阻；Vref是无负载情况下输出参考电压。

假设εV是最大允许电压误差，那么RD和Vref则需要按照下面的公式设计：

式中，Vn是额定输出电压；imax是最大输出电流。

因此，在2个逆变器器之间的电流分配为：Δi0=i01－i02，而又有：

该控制回路不仅允许逆变器之间并联运行，而且还改善了输出电压的动态特性。但该控制环仍有潜在的固有负载电压偏差。

2.2 次级控制

为了解决电压偏差问题，提出了次级控制方法。VMG是相对于参考电压V*MG而言微网系统意义上的电压。这个误差通过补偿器传送到微网系统所有的单元中来修复输出电压。控制器可以根据式（5）设计：

式中，kp、ki分别是次级控制补偿器的控制参数。为了不超过最大电压误差，必须对ΔV0做出限定，然后，再对公式（1）进行修正，修正后的公式为：

为了连接微网系统和直流电源，必须测量直流电源的电压，作为次级控制的参考值。经暂态过程后，微网通过静态旁路开关与直流电源相连。

在这种状态下，微网与外部直流电源之间不存在能量交换现象。图4为直流微网的初级和次级控制结构图。

图4 直流微网的初级和次级控制结构Fig.4 Primary and secondary controls of a DC microgrid

2.3 三级控制

一旦微网系统与直流电源相连，就可以通过改变微网内部的电压来控制功率。图5为分层控制的三级控制结构图，通过测量静态旁路开关的电流iG，然后与预定电流值i*G相比较，可以判断出微网是吸收还是放出能量。三级控制的控制器可以按照式（7）进行设计：

式中，k′p、k′i是三级控制补偿器的控制参数。同次级控制一样，ΔV0也必须进行限定。依靠i*G的正负，可以判断功率流是流入电网还是流出电网。

3 分层控制在交流微网中的研究

目前，交流微网仍然是微网的主要运行模式，其典型结构如图6所示，图7为2个并联逆变器的等效电路图。

图6 交流微网结构Fig.6 Structure of the AC microgrid

图7 两个并联变流器的等效电路图Fig.7 Equivalent circuit of two parallel-connected inverters

在交流微网中，分布式电源、储能装置等均通过电力电子装置连接到交流母线，通过对公共联结点（PCC端口）处开关的控制，实现微网并网运行和孤岛运行模式的转换[9-10]。同直流微网系统类似，在交流微网中的分层控制也分为三层。

3.1 初级控制

当2个或者2个以上的逆变器进行并联时，就会出现循环有功和无功功率。初级控制主要通过对输出电压的频率和幅值的调节来完成各逆变器接口的分布式电源输出的有功和无功分配。本文中的初级控制主要应用下垂控制理论来完成内部电压电流环的指令，从而实现有功和无功的分配。下垂控制方法[5，8]可表示为：

式中，ω*、E*分别是输出电压的频率和幅值；G（ps）、G（Qs）是频率和幅值的下垂转换系数。图8和图9分别表示在感性阻抗下的下垂控制特性和控制器框图[11]。

图8 感性阻抗下的下垂控制特性Fig.8 Droop control characteristics for inductive impedance

图9 下垂控制器框图Fig.9 Functional diagram of the droop control

在微网系统的孤岛模式下不能用纯积分电路，因为总负荷和总输入电量不匹配。但是在微网并网模式下应用纯积分器可以提高输入的有功和无功功率的精度[12]。而且，这些控制目标都可以通过第三级控制得到。

初级控制还模拟了传统发电机的虚拟惯性阻抗环，在这个环中输出电压可以表示为：

ZD（s）是虚拟输出阻抗转换系数公式，通常是为了保证线性频率的感性特征。通过有规律地改变虚拟阻抗的值，可以控制热交换运行。图10和图11分别是虚拟阻抗循环控制框图和等效电路图。这个控制环允许逆变器并联运行。

图10 虚拟阻抗循环控制原理Fig.10 Virtual impedance loop control priciple

图11 虚拟阻抗循环控制等效电路图Fig.11 Equivalent circuit of an inverter with the output impedance loop

3.2 次级控制

初级控制通过对频率和幅值的调节完成了对逆变器输出功率的分配，但是这将会引发频率和电压的波动。为了补偿这个波动使频率和幅值重新回到额定值，引入了次级控制方法。在本层控制中，监测微电网中各分布式能源输出电压的频率ωMG和幅值EMG，并和参考值ω*MG和E*

MG进行比较，得到误差Δω和ΔE，这个误差传送到各分布式能源的控制器中，从而使各分布式能源的频率和幅值回复到稳定值。

考虑到电网的紧急状态，次级控制应该在允许的范围内对频率偏差进行修正。在我国，频率偏差设定为±0.5 Hz[12]。

交流微网条件下，分布式能源的频率和幅值复位控制器可根据下式设计：

式中，kpω、kiω、kpE、kiE是次级控制补偿器的控制参数。在这种情况下，为了不超过频率和幅值允许的最大偏差，Δω、ΔE必须进行限定。

在微网的并网运行过程中，次级控制不但要监测主电网电压的幅值和频率，同时还要监测主网和微网之间的相位，并下发给微网各个单元去和微网相位进行同步。当同步完成后，微网才可以通过静态旁路开关与主网相联。在同步过程中，微网和主网之间没有能量交换。图12是交流微网的初级和次级控制结构框图。

图12 交流微网的初级和次级控制结构图Fig.12 Primary and secondary controls of an AC microgrid

3.3 三级控制

在微网的并网运行模式下，可以通过调节微网电压的频率和幅值控制功率流。初级控制能够完成对负荷突变的响应，次级控制可提高系统的稳定性和电能质量，而为了提高系统的经济性和供需平衡，本文又提出了三级控制理论。具体的控制方法是按照最优运行的目标或者操作员的强制指令，重新对分布式能源的功率进行分配。经济运行的最佳点是微网中所有的分布式电源的边际成本相等。三级控制器可根据下式进行设计：

式中，kpP、kiP、kpQ、kiQ分别是三级控制补偿器的控制参数。同样的，Δω、ΔE也必须限定在允许的最大偏差值内。图13为交流微网的三级控制结构框图。

图13 交流微网的三级控制结构图Fig.13 Tertiary control and synchronization loop of an AC microgrid

然而，由于微网系统自身的分散特性，每个控制器必须具有根据本地信息进行自我调节的能力，尽量不依赖外部的信息。所以，三级控制大都还是依靠本地负荷情况和分布式能源自身的信息进行控制，同时接受来自上层的整体调度完成最优化的运行管理。

4 实验验证与分析

本文构建了一个有2台逆变器的微网系统，其结构如图14所示，每台逆变器代表一个微电源，最大输出功率为5 kW。

图14 实验用微网系统的基本结构图Fig.14 Basic structure of the experiment microgrid system

初级控制和次级控制由DSP来完成，再通过串口和一台PC机相连，三级控制由PC机完成。逆变器1的负荷为2.5 kW，逆变器2的负荷为1.5 kW，还有一个公共负荷为1 kW。

如图15所示，整个微网运行在并网模式下，当6.5 s时，靠近逆变器2的负荷突然增加2 kW，此时系统总负荷达到3.5 kW，逆变器2随即提高自己的输出，实现对负荷的快速跟踪；在18 s时，逆变器2断开，此时原先逆变器2的本地负荷将由逆变器1和电网共同来承担，逆变器1满功率运行，同时需要电网补充剩下的2 kW。图16表示频率的波动，在并网模式下，稳态运行时微电网频率即为主电网频率，所以基本是恒定值50.03 Hz。

图17所示是从并网模式到离网模式下微网系统的变化。系统在并网模式下运行时，当10 s时，微电网与主电网断开独立运行，此时，逆变器1承担了公共负荷；在18 s时，逆变器2断开，所有的负荷均由逆变器1来承担。图18表示频率的变化，由于下垂控制的作用，离网运行时，输出功率增加，微电网的频率将下降，到18 s时，由于逆变器2的断开，频率进一步下降来满足输出有功的需求，直至达到重新平衡。本地负荷增加，此时断开逆变器2。

图16 微网系统在并网模式下频率的波动图Fig.16 Frequency transient response in the gridconnected mode

图17 微网系统在并网模式到离网模式下有功的波动图Fig.17 Active power transient response from the gridconnected to islanded

图18 微网系统在并网到离网模式下频率的波动图Fig.18 Frequency transient response in the gridconnected mode

通过实验并对构建的整个微网系统的负荷变化和运行状态分析，可知本文所设计的初级控制能迅速地完成负荷的跟踪，次级控制能重新调整系统频率的稳定运行点，使系统重新稳定运行，三级控制能够按照操作命令完成对负荷的分配，为分层控制在微网系统中的应用提供可靠的理论依据。本文没有专门对微网系统的经济性进行实验研究，可留待以后进行分析。

5 结论

本文针对微网的特点，提出了一种适合微网的分层控制策略，并对提出的控制方法进行了阐述，设计了响应的控制器，构建了实验系统，对提出的控制方法进行了实验验证，结果表明分层控制对微网控制的有效性。但本文没有对微网的经济性进行有效的评估，后续有必要对经济性进一步研究。应用这种分层复合控制方法可以控制和管理微网在直流或交流配电系统中的灵活利用，对我国微网系统的建设提供有价值的参考信息。

[1]PEPERMANS G，DRIESEN J，HAESELDONCKX D.Distributed generation:definition，benefits and issues[J].Energy Policy，2005，33（6）：787-798.

[2] 刘观起，曹扬.分布式发电并联接入微网的控制技术研究综述[J].电网与清洁能源，2011，27（5）:40-46.LIU Guan-qi，CAO Yang.Review of control methods for distributed generation in connection with microgrid[J].Power System and Clean Energy，2011，27（5）:40-46（in Chinese）.

[3]王建，李兴源，邱晓燕.含有分布式发电装置的电力系统研究综述[J].电力系统自动化，2005，29（24）：90-97.WANG Jian，LI Xing-yuan，QIU Xiao-yan.Power system research on distributed generation penetration[J].Automation of Electric Power Systems，2005，29（24）：90-97（in Chinese）.

[4] 杨仁花，黄伟，关丽，等.微网结构和运行控制[J].电网与清洁能源，2010，26（1）:48-55.YANG Ren-hua，HUANG Wei，GUAN Li，et al.Structure and operation control of micro-grids[J].Power System and Clean Energy，2010，26（1）:48-55（in Chinese）.

[5] 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）：82-86.WANG Cheng-shan，XIAO Chao-xia，WANG Shou-xiang.Synthetical control and analysis of micro-grid[J].Automation of Electric Power Systems，2008，32（7）：82-86（in Chinese）.

[6] 徐卫文.微网控制综述[J].中国科技信息，2011，24（19）：70-71.XU Wei-wen.The control of micro-grid review[J].China Science and Technology Information，2011，24（19）：70-71（in Chinese）.

[7] 朱珺敏，李鹏，王阳，等.基于改进下垂特性的微网功率控制方法[J].电网与清洁能源，2012，28（6）:29-33.ZHU Jun-min，LI Peng，WANG Yang，et al.Micro-grid power control method based on improved droop characteristics[J].Power System and Clean Energy，2012，28（6）:29-33（in Chinese）.

[8] 范元亮，苗逸群.基于下垂控制结构微网小扰动稳定性分析[J].电力系统保护与控制，2012，40（4）:1-7，13.FAN Yuan-liang，MIAO Yi-qun.Small signal stability analysis of micro-grid droop controlled power allocation loop[J].Power System Protection and Control，2012，40（4）:1-7，13（in Chinese）.

[9]JIAYI H，CHUANWEN J，RONG X.A review on distributed energy resources and micro-grid[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，Elsevier，2008（12）:2472-2483.

[10]GUERRERO J M，VASQUEZ J C，MATAS J，et al.Control strategy for flexible microgrid based on parallel line-interactive UPS systems[J].IEEE Trans Ind Electron，2009，56（3）：726-736.

[11]张纯，陈民铀，王振存.微网运行模式平滑切换的控制策略研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（20）：1-5，10.ZHANG Chun，CHEN Min-you，WANG Zhen-cun.Study on control scheme for smooth transition of micro-grid operation modes[J].Power System Protection and Control，2011，39（20）:1-5，10（in Chinese）.

[12]欧阳翚，牛铭.基于不同控制策略的微网仿真[J].电网与清洁能源，2011，27（3）:19-24.OUYANG Hui，NIU Ming.Simulation of micro-grid system based on different control schemes[J].Power System and Clean Energy，2011，27（3）:19-24（in Chinese）.