分布式电源并网方式及控制策略研究

许磊，徐晔，侯朋飞，石朝泓，胡亚超

（解放军理工大学 国防工程学院，南京 210007）

0 引言

分布式电源（Distributed generations, DGs）能够减少环境污染，就地消耗电力减少电能浪费，具有很好的生态效益和经济效益。在分布式电源与大电网的并网过程中需要解决到许多新技术问题，包括新的并网方式、拓扑结构以及控制技术等[1-2]。各分布式电源相互并联形成微网是实现新能源供电的有效形式，微网将分布式电源、负荷、储能装置及控制装置等系统有机结合在一起，既可以并网运行，也可以孤岛运行[3]。

一段时间以来，微网一直是国内外电气工程领域的研究热点，美国、欧盟、日本在相关方面都做了深入的研究，也开展了一些示范工程[4]。出于对本国本地区实际情况的考量，世界各地对微电网的研究侧重点不尽相同，美国的电力工业侧重于研究如何提高微电网的电能质量和供电可靠性；欧洲微电网的研究更多关注于多个微电网的互联问题；日本则侧重于微电网控制与储能方面的研究。近些年，我国在微电网方面加大了投入，也在全国各地建起了许多示范性的项目，但是我国的微网建设与研究还处于起步尝试阶段，还有诸多技术与实际问题亟待解决。

交流微网、直流微网、交直流混合微网是目前国内外研究的分布式电源的三种典型的并网形式，微网研究主要涉及典型分布式电源特性研究，微网供电结构研究以及分布式电源并网过程中所用典型电力电子器件控制策略研究。本文详细论述了交流微网、直流微网以及交直流混合微网供电结构，进而研究了交流微网中关键器件控制策略以及直流微网典型分布式电源并网控制策略，最后通过对比分析不同微网研究现状得出直流微网是分布式电源实现并网更为简便、安全、可靠的结论。

1 交流微网

交流微网结构图如图1，各分布式电源通过电力变换装置连接到交流母线然后以交流的形式对负载供电。交流微网中的分布式电源主要包括风力发电、光伏发电、燃料电池、液流电池等，根据各分布式电源的发电特性不同，在其并网组成交流微网的过程中所涉及到的电力电子器件主要是DC/AC逆变器。依据逆变器所控制电气参数的类型，逆变器的控制方式主要有：电压控制方式及其衍生出的间接功率控制方式；由电流控制方式及其衍生出的直接功率控制[5]。

1.1 电压控制策略

如图2所示，该控制策略是将输出电压作为分布式电源逆变器的参考电压，输出电压U(a,b,c)和参考电压U(a,b,c)(ref)通过dq变换后得到直流电压Ud和Uq，从而将三相对称波形转化为直流波形，PI 控制器的作用对参考电压实现无差跟踪。采用该控制方式在分布式电源孤岛运行时能够为微电网提供参考电压和频率。但是多个电压控制型逆变器并联会产生会产生许多问题，例如产生无功环流难以实现控制，不能限制故障电流以及对大电网产生干扰等。

图1 交流微网供电结构

图2 电压控制策略框图

1.2 间接功率控制模式

当供电线路呈感性时，分布式电源输出的有功功率和无功功率分别正比于输出电压的频率和幅值，因而有功功率的解耦控制可通过调节输出电压幅值和频率实现[6]，控制策略框图如图 3所示，有功功率P、无功功率Q的输出量和参考值进行比较后，将误差量输入到PI控制器，进而得到输出电压波形的参考频率和幅值。在该控制策略下，调节过程缓慢，调节质量较差，且调节过程可能造成微电网的扰动，但是由于其以电压控制方式为基础能够对微电网的电压和频率起支撑作用。

1.3 电流控制策略

如图4所示，电流控制方式是以电流为被控量和参考，其基本结构和电压控制方式类似。在该控制方式下有功和无功能够完全地实现解耦，短路电流也能够得到限制，但是为了调节自身输出功率因数角，该控制方式需要其他电源提供参考电压。

1.4 直接功率控制策略

通过对三相电压及电流波形进行dq变换可知，在三相平衡条件下，电压ud一定时，有功功率P和无功功率Q只与电流id和iq有关。如图5所示，有功功率、无功功率完全解耦后得到两个电流参考值id(ref)、iq(ref)，然后将得到的电流参考值输入到电流控制器。该控制方式能够实现有功功率和无功功率的完全解耦，调节过程较为平滑且时间短，但该控制方式也需要有外部电压参照以计算出功率因数角和u的值。

2 直流微网

与交流微网类似，直流微网的微网的分布式电源同样包括风力发电、光伏发电、燃料电池等。只是各分布式电源通过电力变换装置连接到直流母线，以直流的形式对负载供电。在直流微网中风力发电单元和光伏阵列是主要发电单元，其典型特点是发电功率不可控，输出功率受环境影响大。燃料电池具有工作温度低、能量转化效率高、对环境污染小等特点，但燃料电池动态特性慢，因此通常使用超级电容补偿。超级电容具有充放电速度快的特点，能够快速补偿由于发电单元发电量不足或负载突变而造成的直流母线电压的变化[7]，直流微电网供电系统如图6。

图3 间接功率控制策略框图

2.1 风力发电机并网控制器

风力发电机由于受风速大小的影响其输出电压的频率和幅值很不稳定，因此需要接入变流器并加以适当的控制才能够实现并网，风力发电机的并网控制器主要通过转速控制环节和电流控制环节来实现。通过转速控制环实现风机发出的功率总是保持在最大值。三相整流器输入电流通过解耦分解为d和q轴电流id、iq，通过PI控制环和PWM发生器产生调制信号，进而对三相整流器进行控制，使母线电压趋于稳定。其控制器结构如图7所示。

图4 电流控制策略框图

图5 直接功率控制策略框图

2.2 光伏电池并网控制器

由于受天气状况影响光伏电池的输出电压变化范围较大。为了实现直流母线电压的稳定，需要接入DC/DC升压变换器并加以适当的控制器，当由于环境变化光伏电池的输出电压出现波动时，DC/DC升压变换器的可控开关器件通过PI控制环实现快速关断，进而使母线电压的实际值与设定的电压参考值Udcref的误差维持在允许的范围之内，从而实现母线电压的相对稳定[8]。其控制器结构如图8所示。

2.3 超级电容控制器

根据超级电容特性可知其端电压在充放电过程中变化较大，对超级电容而言其能量是双向流动的，因此可以接入双向DC／DC变换器对其加以控制，半桥型双向DC/DC结构如图10所示，超级电容对母线电压的稳定作用是通过弥补母线上能量的瞬时不平衡实现的。超级电容控制器的电流内环采用滑模控制为提高系统的响应速度和鲁棒性。超级电容输出电压uDC和参考电压UDCref的误差量输入到 PI控制器然后经过超级电容限制函数得到超级电容输出参考电流iSCref，滑模控制器通过处理参考电流和采样电流的误差量得到控制量d3、d4，使输出电压渐进跟踪给定值[9]。

图6 直流供电系统结构

图7 风力发电单元控制器结构图

图8 光伏发电单元控制器结构图

2.4 燃料电池控制器

燃料电池主要有直接电流控制和间接电流控制两种控制方法[10,11]。直接电流控制法如图8所示。超级电容端电压USCea决定了燃料电池的工作状态，超级电容的端电压低于设定值时，燃料电池就会启动；超级电容的端电压低于设定值时，燃料电池则会关闭。为使燃料电池启动后运行在额定状态下以保证工作效率，将燃料电池额定电流IFCN加以斜率限制得到参考电流iFCref，然后将参考电流与反馈电流的误差量送入电流控制器产生变换器的触发脉冲，通过控制变换器的开关器件实现对燃料电池的控制。

3 交直流混合微网

交直流混合微网的结构如图9所示，在交直流混合微网中各分布式电源的并网控制策略与单纯的交流和直流微网类似，但是相对于单纯的交流和直流微网结构，又具有如下的特点[13]：①在交直流混合微网中，直流电源接入直流母线，交流电源接入交流母线，从而可以减少对DC/DC和DC/AC等电力电子器件的应用；②在交直流混合微网中，直流负载由直流母线直接供电，交流负载由交流母线直接供电，可以减少用电设备对电力变换设备的应用，进而节约成本。因此采用交直流混合微电网的形式，可以省略许多变换环节和变换装置，使微网结构简单，控制更加灵活、损耗降低，提高整个系统的经济性和可靠性。

图7 超级电容控制器结构图

4 结论

交流微网是目前微网的主要形式，但交流系统的控制策略和能量管理比较繁琐复杂；直流系统不需要处理三相平衡问题，不需要很多辅助补偿装置来提高电能质量，迅速发发展起来的分布式电源可以很容易的连接到直流系统而不是交流系统，且不需要考虑移相和频率的协调，因此直流微网较交流微网在控制方面更容易实现；我国的微网尚处于起步阶段，交直流混合微网更是处

图8 燃料电池控制器结构图

于探索过程中，对于交直流混合微网的系统规划、能量管理和最优控制、保护策略尚没有经验可循，其关键设备和经济性也需要进一步研发和论证。本文论述了交流微网关键器件控制策略以及直流微网典型分布式电源并网控制策略，同时提出了一种交直流混合微网的实现结构，最后通过对比分析不同微网的优缺点指出分布式电源利用直流微网形式实现并网更为简便、安全、可靠。

图9 交直流混合微网结构图

[1]Kai Sun, Li Zhang, Yan Xing, et al. A distributed control strategy based on DC bus signaling for modular photovoltaic generation systems with battery energy storage [J]. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, 2011, 26(10):3032-3045.

[2]Y. W. Li and C. N. Kao, An accurate power control strategy for powerelectronics-interfaced distributed generation units operating in a low voltage multibus microgrid [J].IEEETrans.Power Electron, 2009,24(2):2977-2988.

[3]Marnay C, Robio F J, Siddiqui A S. Shape of the micro-grid [C]. IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, Columbus, OH, USA, 2001, 1:150-153.

[4]黄逊青. 直流家用电器时代即将来临 [J]. 电器,2009(3): 62-63.

[5]曹旭, 叶建华. 微网分布式电源控制策略研究 [J].低压电器, 2011,23（27）: 27-31.

[6]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 on Industrial Electronics, 2009, 56( 3) : 726-736.

[7]薛贵挺, 张焰, 祝达康. 孤立直流微电网运行控制策略 [J]. 电力自动化设备. 2013, 33(3): 112-117.

[8]施婕, 艾芊. 直流微网在现代建筑中的应用 [J]. 现代建筑电气. 2010, 6(1): 47-51.

[9]史君海. 光伏燃料电池混合发电系统控制设计与仿真研究［D］. 上海：上海交通大学, 2008.

[10]THOUNTHONG P, RAEL S, DAVAT B. Control strategy of fuel cell and supercapacitors association for a distributed generation system ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54（6）：3225-3233.

[11]杨伟, 林弘, 赵虎. 燃料电池并网控制策略研究 [J].电力系统保护与控制, 2011, 39(21): 132-137.

[12]殷小港, 戴冬云, 韩云, 等. 交直流混合微网关键技术研究 [J].高压电器. 2012,48(9): 43-46.