基于DIgSILENT平台的微电网协调控制策略仿真研究

荆江平，施伟成，杜炜凝，祁　明

(国网镇江供电公司，江苏镇江　212004)

A Simulation Study on Coordinated Control Strategy of Micro-grid Based on DIgSILENT PlatformJING Jiangping, SHI Weicheng, DU Weining, QI Ming

(Zhenjiang Power Supply Company of State Grid, Zhenjiang 212004, China)



基于DIgSILENT平台的微电网协调控制策略仿真研究

荆江平，施伟成，杜炜凝，祁明

(国网镇江供电公司，江苏镇江212004)

0引言

微电网是指由分布式电源(分布式发电设备和储能装置)、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。既可以并网运行，也可以孤网运行[1]。微电网和大电网通过公共连接点(point of common coupling，PCC)进行能量交换，双方互为备用，从而提高了供电可靠性。

目前，国内外关于微电网控制方面的研究已有大量文献。文献[2-5]利用虚拟阻抗、虚拟坐标变换等技术改进下垂控制策略，并结合PQ控制策略，解决了微电网离并网切换过程中的电压波动、频率波动、无功功率均分、逆变器输出有功与无功的耦合等问题。文献[6-9]对于含多类型分布式电源的微电网，利用集成孤岛检测、自动同期并网和保护测控等功能的中央控制器实时监测电网信号来进行协调控制，利用多代理技术、分布式算法解决微电网、本地负荷以及主网之间的最优能量交换问题，并从日前与日内多时间尺度对微电网能量进行协调控制。文献[10]基于同步发电机数学模型，研究了微电网多分布式电源的协调组网控制方法。文献[11]研究了一种基于动态规划法的分布式电源和电压控制装置间的协调控制策略。文献[12]研究了一种分布式电源电压电流混合控制方法，不仅降低了分布式电源并网逆变器的谐波电流，同时保证了在离并网切换时的动态性能较平滑。文献[13-14]针对交直流混合母线微电网系统，分析了典型交直流混合母线微电网的拓扑结构与逆变器控制策略，研究了一种适用于多母线微电网离网运行时的分布式电源控制策略，包含谐振控制、下垂控制、负序阻抗控制，提高了微电网系统切换过程中的稳定性。文献[15-17]对微电网分布式电源逆变器进行了多环反馈控制器的设计与研究，并研究了一种新型锁相环用于确保微电网离并网运行模式的平滑转化，减少了切换时的暂态影响。

纵观国内外高校及研究机构在分布式电源并网控制领域所做的工作，主要是对基于逆变器并网的分布式电源，其基本的控制策略是PQ控制、V/f控制和下垂控制，研究的重点是对控制器进行设计，来提高分布式电源并网运行的性能，同时降低分布式电源并网对大电网产生的影响。本文针对一风、光、储和可调负载相组合的实验室微电网模型，在DIgSILENT平台上仿真研究了一种微电网主从控制下的协调控制策略，并对该微电网4种运行工况进行仿真分析。

1微电网实验室模型

如图1所示为一实验室微电网模型，它由可调负载、模拟线路、柴油机、光伏发电、风力发电、储能装置等构成。

图1　实验室微电网模型

可调负载输入电压为400V/50Hz，接线方式为三相四线制，阻性功率为68.33kW，感性与容性功率均为68.33kvar；模拟线路可调长度为0～250m(以50m为间隔)，正序阻抗为(0.008+j0.003 5)Ω/50m，零序阻抗为(0.010+j0.005 0)Ω/50m；柴油机以变频器、三相异步电机、发电机模拟；光伏发电阵列由10串12并光伏组件构成，峰值功率为30kWp；风力发电由三相异步电机、永磁同步发电机模拟，最大并网功率为10kW；储能装置容量为75kWh，额定功率为50kW，可运行于恒功率或恒电流充放电模式。

2微电网运行及控制

2.1运行工况

微电网的运行工况包括并网状态(Grid-On)、离网状态(Grid-Off)、并网/离网切换状态(On/Off)、离网/并网切换状态(Off/On)，各工况之间转换关系如图2所示。

图2　微电网运行状态转换图

2.2控制策略

微电网控制策略可以概括为微网级和微源级的两层控制体系，微网级的控制主要有主从控制策略和对等控制策略，而微源级的控制即分布式电源并网逆变器控制策略，包括PQ控制、V/f控制和下垂控制等。

在微电网采用主从控制策略时，主电源与从电源在并网运行时都作PQ控制运行，然而由于计划孤岛或故障造成非计划孤岛时，主电源必须提供全网电压、频率支撑，其控制策略需转为V/f控制模式；同样，当故障切除或系统下达并网指令时，主电源需要从V/f控制模式切换为PQ控制模式[18]。

基于d-q变换的前馈解耦PQ控制算法是目前应用于微电源并网的主流方法，它是包括功率外环和电流内环的双环控制方法。内环电流控制参考信号id_ref、iq_ref由有功、无功功率指令解算得出，id_ref、iq_ref经前馈解耦获得电压控制参考信号，以控制逆变器发出恒定功率。在三相平衡条件下，定义d轴与公共连接点(PCC点)电压矢量重合，则uq=0，故可按如图3所示前馈电流解耦PQ控制算法解算功率外环[19]。

图3　前馈电流解耦PQ控制算法

忽略功率外环控制部分，该PQ控制算法的数学模型可描述为

(1)

式中：id、iq为逆变器输出电流的d轴、q轴分量，ed、eq为逆变器输出电压的d轴、q轴分量，ud、uq为PCC点电压的d轴、q轴分量，R、L为连接电抗器的等效电阻、电感。

当电流控制器采用PI控制时，ed、eq的控制方程则为

(2)

V/f控制策略是利用逆变器反馈电压来调节交流侧电压来保证电压的稳定，常采用电压外环、电流内环的双环控制方法。电压外环控制输出电压稳定，电流内环改善控制系统的动态性能。V/f解耦控制方式与PQ解耦控制方式类似，其控制算法原理如图4所示[20]。

图4中的电压、电流关系可由图5表示，其中RLC电路为逆变器与大电网之间的耦合电路。

图4　V/f控制算法原理图

图5　逆变器并网端口耦合电路

图6　微电网离并网无缝切换协调控制策略

微电网的离网运行与并网运行之间的切换过程要求是无缝的，这要求主电源逆变器在PQ控制模式与V/f控制模式之间的切换过程应该是平滑的。为了获得较为平滑的切换过程，设计主电源逆变器的协调控制策略为由功率环、电压环、电流环构成的三环控制，通过模式选择开关将PQ控制与V/f控制相统一，保证二者之间快速平滑切换，如图6所示。

3DIgSILENT平台建模

以图1所示实验室模型为基础，忽略充电桩、扰动装置、30kW柴油机，建立含风、光、储及可变负荷的微电网仿真模型于DIgSILENT平台，如图7所示，其中稳态潮流计算结果标示于各母线及支路处。该微电网采用主从控制策略，其中储能装置作为主电源。

图7　含风光储及可变负荷的微电网仿真模型

图8　风力发电仿真模型

图9　光伏发电仿真模型

风、光、储各自的仿真模型分别如图8～10所示，稳态潮流计算结果也分别标示于各母线和支路处。永磁型风力发电机由高频交流电先整流后逆变成工频交流电；光伏阵列用受控电流源等效，并网拓扑为单级逆变器并网，其控制策略为Vdc-Q控制，根据MPPT跟踪算法得到受控电流源的控制信号和逆变器直流侧母线电压的参考信号；蓄电池储能装置可用受控电压源等效，并网拓扑采用前级DC/DC、后级DC/AC的两级结构，逆变器控制策略为图6所示三环控制策略，以保证PQ控制与V/f控制间的平滑切换，通过对直流变换器占空比的控制来实现充放电控制。

图10　储能装置仿真模型

4仿真分析

4.1并网模式

微电网在并网模式下，光伏发电、风力发电、储能装置均采用PQ控制策略。其中光伏发电、风力发电的参考有功功率由MPPT控制得到，参考无功功率设为零；储能装置的参考有功功率设为50kW，参考无功功率设为零。

仿真场景：以风、光、储并网发电为仿真初始状态，光照强度为1 000W/m2，环境温度为25℃，风速为7.2m/s，此时光伏出力为30kW、风电出力为10kW、储能出力为50kW；0.4s时刻9W02断开，光伏发电脱网；0.6s时刻9W04断开，风力发电脱网；0.8s时刻9W03断开，储能装置脱网；1.0s时刻9W02闭合，光伏发电重新并网；1.2s时刻9W04闭合，风力发电重新并网；3s时刻9W03闭合，储能装置重新并网；3.6s时刻风速降为5m/s；4.0s时刻光照强度降为800W/m2；6.0s时刻光照强度降为600W/m2；8.0s时刻光照强度降为400W/m2。

仿真得到该场景下风、光、储3个微电源的并网输出功率波形如图11所示。

由图11(a)可见：在光伏发电和风力发电脱网或者输出有功功率降低后，储能装置的输出有功功率将有所增加；光伏发电MPPT输出有功功率能反应随光照的变化过程；风力发电MPPT输出有功功率能反应随风速的变化过程。光伏发电和风力发电从并网瞬间到稳定输出的动态过程如图11(b)和11(c)所示。可见：光伏发电从并网到稳定输出需经约0.24s的时间，且伴随着强烈的震荡过程；风力发电从并网到稳定输出需经约1.8s的时间，动态过程较为平稳。由此可见：旋转型设备和静止型设备在并网过程中的动态特性将有所不同；分布式电源需要装设同期并网装置，以降低并网过程中的冲击，或导致并网不成功。

图11　风、光、储并网输出有功功率波形

图12　风、光、储侧并网点电压幅值波形

仿真得到该场景下风、光、储3个微电源侧的并网点电压波形如图12所示。由图12可见：光伏发电在脱网情况下的并网点电压会急剧上升，且随时间继续增大；风力发电在脱网情况下的并网点电压上升50%左右；储能装置在光伏发电、风力发电脱网时，并网点电压会略有下降，在自身脱网时，并网点电压恢复，并较三者并网时的电压要略高；光伏发电、风力发电重新并网后，经短暂的过渡过程，并网点电压建立，但较三者并网时的电压要低；储能装置重新并网后，三者的并网点电压重新建立，该电压较风、光并联发电电压略高，较储能装置脱网电压略低；随着光照强度、风速的降低，风、光并网输出功率降低，故三者的并网点电压也跟着降低。

仿真得到该场景下微电网并网点电压幅值的波形如图13所示。

由图13可见：在整个仿真过程中，微电网并网点电压幅值基本维持在额定电压400V；在微电源脱网、并网过程及光照强度、风速变化过程中，该并网点电压幅值均会有所波动。

图13　微电网并网点电压幅值波形

图14　微电网注入功率波形

仿真得到该场景下微电网与大电网之间的交换功率波形如图14所示。由图14可见：在整个仿真过程中，大电网向微电网注入的有功功率随着微电源并网输出有功功率的变化而变化，由光伏、风电并网瞬间的有功功率冲击而导致大电网向微电网注入的有功功率也产生瞬时冲击。

仿真场景：微电网在离网前，光照强度设为1 000W/m2，环境温度设为25℃，风速设为7.2m/s，光伏发电、风力发电并网输出有功功率由MPPT控制得到；储能装置并网输出有功功率参考值设为24kW；微电源无功功率参考值均设为零；0s时刻9501断开，微电网转为离网运行，光伏发电、风力发电维持PQ控制，储能装置转为V/f控制。

仿真得到该过渡过程中系统频率、微电网并网点电压幅值、微电源输出功率、微电网与大电网交换功率和微电源并网点电压的波形如图15所示。

图15　微电网由并网切换到离网的暂态过程波形

由图15可见：该过渡过程中系统频率降低0.42%左右，经约0.3s时间恢复；微电网并网点电压由额定400V上升到404.4V左右；微电源并网点电压由396.8V左右上升到404.4V左右；大电网向微电网注入功率骤降为零，功率缺额由作为主电源运行的储能装置提供，光伏发电、风力发电的并网输出功率保持不变。

4.3离网模式

微电网在离网模式下，光伏发电、风力发电采用PQ控制策略，储能装置采用V/f控制策略。其中光伏发电、风力发电的参考有功功率由MPPT控制得到，参考无功功率设为零；储能装置的参考并网电压设为400V，参考频率设为50Hz。

仿真场景：以风、光、储并网发电为仿真初始状态，光照强度为1 000W/m2，温度为25℃，风速为7.2m/s；0s时刻9501断开，微电网离网运行；3.6s时刻风速降为5m/s；4.0s时刻光照强度降为800W/m2；6.0s时刻光照强度降为600W/m2；8.0s时刻光照强度降为400W/m2；9.0～10s时间内，可调负载1以斜坡变化趋势减少了50%有功功率。

仿真得到该场景下风、光、储3个微电源的并网输出功率波形如图16所示。

图16　微电源并网输出功率波形

由图16可见：微电网在离网瞬间，微电网的功率缺额由储能装置提供，重新建立功率平衡；风速、光照变化引起的并网发电功率减少部分也由储能装置提供；随着负载功率的减少，储能装置的输出功率也相应减少。

仿真得到该场景下微电源侧并网点电压幅值波形如图17所示。

由图17可见：微电网在离网瞬间，系统电压升高；光照、风速变化时，系统电压也将随之震荡；负载功率减小时，系统电压降随之升高；在整个仿真过程中，系统电压幅值均在允许范围内。

仿真得到该场景下微电网系统频率波形如图18所示，频率基准值为50Hz。

由图18可见：微电网在离网瞬间，系统频率骤降0.42%左右，经0.3s左右恢复；光照、风速变化使得光伏发电和风力发电输出有功功率减小时，系统频率也略有下降，经稍短时间恢复；负载功率减小时，系统频率略有上升；在整个仿真过程中，系统频率均在允许范围内，且外界变化引起的微电网频率波动最后都能恢复到额定频率运行。

仿真场景：以离网运行15s时刻前的微电网状态为初始状态；15s时刻9501闭合，微电网转为并网运行；光伏发电、风力发电维持PQ控制，并网输出有功功率由MPPT控制得到；储能装置由V/f 控制转为PQ控制，并网输出有功功率参考值仍设为24kW。

仿真得到该过渡过程中系统频率、微电网并网点电压幅值、微电源输出功率、微电网与大电网交换功率和微电源并网点电压的波形如图19所示。

图19　微电网由离网切换到并网的暂态过程波形

由图19可见微电网由离网到并网的切换过程中：系统频率产生了+0.4%左右的冲击，经0.27s左右的时间恢复到额定频率50Hz运行；微电网并网点电压迅速恢复到额定电压400V；微电源并网点电压也迅速恢复到396.8V左右；光伏发电、风力发电并网输出有功功率保持不变，储能装置并网输出有功功率迅速恢复到24kW，由此造成大电网向微电网注入功率迅速上升以维持系统功率平衡。

5结束语

由于微电网存在并网运行、并离网切换、离网运行、离并网切换4种运行工况，本文研究了一种主从控制下微电网离并网切换运行的协调控制策略，在DIgSILENT平台上建立了含风、光、储和可调负载的微电网模型，并基于此模型和微电网离并网切换运行协调控制策略仿真了微电网4种运行工况，仿真结果表明该协调控制策略基本能够满足微电网的正常运行要求。

本文对微电网4种运行工况的仿真也说明了微电源的非同期并网会对微电网产生功率冲击的现象，故在实际工程中，需要对微电源加设检同期并网装置。另外，微电网的控制需要以微电网能量管理系统为前提，由能量管理系统给控制系统下达指令，以确保微电网最优运行。

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荆江平(1987—)，男，硕士，助理工程师，研究方向为新能源发电和微电网运行与控制，E-mail：master_jing@126.com;

施伟成(1966—)，男，高级工程师，从事电力系统调度运行与控制工作;

杜炜凝(1969—)，男，助理工程师，从事电力系统调度运行与控制工作;

祁明(1968—)，男，工程师，从事电网运行监控工作。

(责任编辑：杨秋霞)

A Simulation Study on Coordinated Control Strategy of Micro-grid Based on DIgSILENT PlatformJING Jiangping, SHI Weicheng, DU Weining, QI Ming

(Zhenjiang Power Supply Company of State Grid, Zhenjiang 212004, China)

摘要：为了最大限度地发掘分布式电源在经济、能源和环境方面的优势，同时协调配电网与分布式电源间的矛盾，分布式电源通常以微电网的组织模式运行。本文针对一风、光、储和可调负载相组合的微电网系统，研究了一种微电网主从控制下的协调控制策略，并基于DIgSILENT平台对该控制策略下的微电网4种运行工况进行了仿真研究，以验证该微电网协调控制策略的合理性和有效性。

关键词：分布式电源；微电网；协调控制；仿真；DIgSILENT

Abstract：In order to maximize the distributed generation advantage in the economy, energy and environment, and to coordinate the contradiction between the distribution network and distributed generations at the same time, the distributed generations usually operate at the organization mode of micro-grid. In this paper, as to micro-grid system with combination of photovoltaic, wind power, storage device and adjustable load, a coordinated control strategy of the micro-grid is studied based on master-slave control. And four kinds of micro-grid operating statuses under the coordinated control strategy are simulated based on the DIgSILENT platform to verify the rationality and effectiveness of the proposed coordinated control strategy.

Keywords：distributed generation; micro-grid; coordination control; simulation; DIgSILENT

作者简介：

收稿日期：2014-08-26

文章编号：1007-2322(2015)03-0019-09

文献标志码：A

中图分类号：TM91