光储微网孤岛运行控制策略研究

房 凯，李建林，惠 东

（中国电力科学研究院电工与新材料所，北京 100192）

1能源是社会和经济发展的重要物质基础，电能作为清洁便利的能源形式，是国民经济的命脉[1]。电网能否安全、经济、稳定地运行不仅直接关系到人民的生活，同时也是关系到社会稳定与国家安全的重要问题。近年来，在国家电网公司的领导下，电力系统已经发展成为具有大容量机组集中发电、超高压远距离输电特性的大型互联系统；与此同时，电网的发展也面临着资源紧缺、环境保护、运行安全与可靠性的多重压力。在这样的环境下，世界各国纷纷开始寻找既环保又高效、灵活的发电方式——分布式发电（distributed generation，DG）。分布式发电一般具有位置分散、发电灵活、不需要进行远距离传输等优点，能够很好地适应用户的需求以及资源分散性的特点，因而可以延缓输配电网络升级换代的进程。分布式发电还有污染少、能源利用率高、安装灵活等优势[2]。

虽然分布式发电相对于传统电网具有各种各样的优点，其本身发展过程中仍然存在许多问题，为了解决这些问题，充分挖掘分布式发电为电网和用户所带来的效益，更好地促进大规模DG 的整合与应用，21世纪初西方的一些学者提出了微型电网（micro grid，简称微网）的概念[3]。微网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、负荷、监控和保护装置等组成的能够实现自我控制、管理和保护的小型发配电系统，这种配电系统既可以与大电网并网运行，也可以以孤岛的方式运行。当主电网发生故障或需要检修时，微网需要脱离电力主网运行，即微网需要以孤岛的方式运行。微网孤岛运行时，电源出力的波动可能会引起微电网的功率输出不平衡或者频率的大幅偏移，如果这种不平衡或偏移超出了安全稳定的运行范围，就容易引起微网失稳。因此，在微网孤岛运行模式下，寻找灵活有效的控制策略非常重要[4]。

本文针对微网孤岛运行模式提出了恒功率控制（PQ 控制）与恒压恒频控制（V/f 控制）联合运用的方法：通过对储能系统进行V/f 控制，用以确定电网需要的电压和频率；通过对光伏系统进行PQ控制，用以向微网负载提供一定的功率。同时，在光伏出力不能满足负载时，由储能系统进行补充；当光伏出力有冗余时，冗余部分向储能电池组充电，从而实现电能的经济合理利用[5-6]。在本文的仿真分析中，光伏系统PQ 控制器通过C 语言进行编程，并将程序集成固化到Simulink 仿真系统中，这样不仅便于快速调节参数，同时也可以节约仿真时间，进行长时间尺度的微网系统仿真。

1 系统结构

孤岛运行采用储能系统与光伏系统并联运行的方式，并对储能系统采用V/f 控制，光伏系统采取PQ 控制。如图1所示，其中光伏系统与储能系统均采用三相电压型桥式逆变电路，光伏系统采用电感L 进行滤波，储能系统采用LC 滤波器进行滤波，并且两套系统并联于负载侧对负载进行供电[7]。

图1 微网孤岛运行系统结构Fig.1 Microgrid islanding system architecture

2 运行控制方法

2.1 PQ 控制

对光伏系统采用PQ 控制的主要目的是使光伏系统的出力参考输出指定的有功功率和无功功率，即当负载侧母线的频率和电压在一定范围内变化时，光伏系统输出的有功功率和无功功率不变。图2 为某光伏系统的实际发电功率曲线，由图2 可以看出，光伏系统输出有功功率存在严重波动，仿真中的光伏系统需要复现这种波动，并可以配合储能系统保证出力。

图2 光伏功率曲线Fig.2 Photovoltaic power curve

微网光伏系统主电路为三相全桥电路，逆变器输出采用电感L 滤波。控制部分通过对输出电压电流采样，并将采样结果传递到C 语言程序中，在程序中实现功率测量模块、PQ 控制模块和SVPWM调制模块的功能。功率测量模块通过采样的电压和电流计算出逆变器输出的有功功率（P）和无功功率（Q）；通过PQ 控制模块生成调制信号送给SVPWM 调制模块，再由调制模块生成触发脉冲从程序中输出。

图3中的digital 集成了功率测量模块、PQ 控制模块和SVPWM 调制模块。通过编写C 语言程序到digital 中实现以上功能。

图3 集成控制器模型Fig.3 Controller model

图4为PQ 控制模块结构，其中包括功率控制和电流控制两个部分。功率测量模块得到的功率P和Q，与给定的参考功率Pref和Qref进行比较，并对误差进行PI 控制，PI 调节器的输出作为电流内环控制器的参考给定idref与iqref；三相电流经过CLARK 和PARK 变换后得到id和iq分别与idref、iqref做差并进行PI 调节，最后根据电路原理分别做适当的调整生成调制信号送给SVPWM 调制模块。

由PQ 控制器的结构可以看出，PQ 控制策略是通过对有功和无功电流的解耦控制，实现系统输出有功和无功功率的解耦控制。其控制本质是一种输出电流型控制。

图4 PQ 控制模块结构图Fig.4 PQ control block diagram

在微网建设中，光伏发电和风力发电之类的分布式发电，其输出功率受天气环境变化的影响较大，这就导致其发出的电能具有明显的波动性和间歇性，如果需要此类分布式发电根据负荷的需求调整其发电量，则需要配备适当容量的储能系统。并且在孤岛运行模式下，不仅需要增加大容量的储能装置，还要针对孤岛运行的特点对储能装置采取适当的控制方式[8]。

2.2 V/f 控制

采用恒压恒频（V/f）控制策略的目的是保证无论逆变电源输出的有功和无功功率如何变化，输出电压的幅值和频率均保证不变或控制在可接受的范围内。采用这种控制策略的逆变器可以为处于孤岛运行模式的微电网提供强有力的电压支撑和频率支撑，同时保证系统具有一定的负荷功率跟随能力。

微网系统中采用V/f 控制的逆变器电路结构如图5所示。主电路为三相全桥逆变电路，逆变器输出采用LC 滤波器。控制回路中采用电压外环、电流内环的控制策略。图中，fref是逆变器输出电压的参考频率，将其与2π 相乘再经过一个积分环节，即可得到输出电压的参考相位θ，生成的参考相位主要作用于电压的PARK 变化以及反PARK 变换；Vref是输出电压的幅值参考。逆变器三相输出电压Vabc经过PARK 变换得到Vd和Vq分量，分别与电压参考Vref和0 进行比较，并对误差进行PI 调节，PI调节器的输出作为内环电流控制器的给定值，再将电流给定值与实际输出电流做差进行PI 控制，控制输出根据电路原理做相应的处理得到调制信号，进行PWM 调制给出触发脉冲。

在微网系统中，蓄电池等储能装置可以根据负荷调节自身的功率输出，因此常作为微网孤岛模式下的支撑电压源工作，用以维持电网系统的功率平衡，并且在微网孤岛运行模式下，适合采用V/f 控制策略[9-11]。

图5 V/f 控制模块结构图Fig.5 V/f control block diagram

3 仿真及结果分析

通过Matlab 中Simulink 仿真模块对本文所提出的理论进行仿真，并对仿真结果进行分析，仿真主电路的结构如图6所示。其中，储能系统所采用的LC 滤波器中，L1=0.003 H、C=1500 μF，储能电池为Simulink 仿真系统中集成电池模型；光伏系统中应用L 滤波器，滤波电感L2=2 mH；孤岛负载为恒功率型负载。整个仿真过程中假定电池储能系统的容量足够大，不存在充放电越限。

对如图所示电路在Simulink 中做40 s 仿真，微网的初始负载为20 kW，在10 s 时由20 kW 跌落到10 kW；在25 s 时由10 kW 上升到30 kW 并运行至仿真结束。

仿真过程中微网的电压、电流、频率、功率跟踪情况以及负载跃变处各变量的变化情况如图7所示。

在仿真结果图7(a)中可以看出，整个仿真过程中，母线电压没有产生大的波动，始终维持在标准电压附近，并且通过负载侧局部电压图7(b)可以看出，即使在负载陡变时，电压波形也能较快地恢复到标准模式，满足电网供电需求；图7(c)和图7(d)分别为整个仿真过程中的母线电流曲线和负载侧局部电流曲线，通过图7(c)可以看出，在整个仿真过程中，负载电流可以根据负载变化较好地跟踪，由图7(d)可以看出，在负载陡变的瞬间，在电压稳定的前提下，电流可以迅速跟踪负载变化，并且波形较好；图7(e)和图7(f)分别为仿真过程中负载侧频率曲线和负载侧频率局部曲线，通过曲线可以看出，通过V/f 控制，较为准确地将负载侧频率控制在50 Hz 附近，由图7(f)可知，即使在负载陡变的过程中，控制器仍然能够较为快速准确地控制住负载侧母线的频率，保证微网的稳定运行；图 7(g) 和图7(h)分别为微网负载侧功率曲线和电池储能系统的SOC 曲线，由图7(g)的功率曲线可知，在光伏系统出力大于负载需求时，储能系统存储多余出力， 此时，电池储能系统的SOC 曲线上升，当光伏系统出力小于负载需求时，储能系统放电，保证微网系统的稳定运行，此时电池储能系统的SOC 曲线下降，在整个功率变化过程中，微网系统负载母线的电压和频率都由V/f 控制器控制在可接受范围内，保证整个系统的稳定运行。

图7 仿真曲线Fig.7 Simulation curve

通过仿真结果和仿真与实际运行数据（表1）的对比可知，负载侧电压幅值维持在给定值311 V 左右，并限定在国标规定的电压波动不超过5%的范围内；负载侧的微网频率维持在给定值50 Hz 左右，并且限定在国标规定的频率波动不超过1%的范围内；整个储能系统能够快速准确地跟踪和补充光伏侧与负载侧的功率差，在负载侧负荷发生突变时，电压、电流和频率能够迅速根据变化后的负载情况进行调整，无越限情况发生。根据功率曲线图可以看出，负载侧所需功率发生突变时，储能系统能根据当前光伏系统出力情况迅速调整自身出力，并在光伏系统出力能够完全满足负载需求时，对储能电池组进行充电，保证电能的合理利用。通过观察储能系统的SOC 曲线，可以更加直观地观察到储能电池组的充放电过程。

表1 光伏储能实际运行数据Table 1 Photovoltaic energy storage operation data

4 结 论

主要论述了光储微网在孤岛运行模式下的控制策略，对光伏系统采取恒功率控制，向负载侧传输功率，针对光伏系统出力受天气影响的特点，采用储能系统对缺失容量进行补充，对冗余容量进行吸收。储能系统采用V/f 控制，嵌住负载侧母线上的电压和频率。通过仿真验证和图形分析，验证了这种控制策略在微网孤岛运行时的可行性与正确性。

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