基于下垂特性的微电网电压与频率恢复控制

雷鹏娟，钱欣

(承德石油高等专科学校电气与电子工程系，河北承德067000)

基于下垂特性的微电网电压与频率恢复控制

雷鹏娟，钱欣

(承德石油高等专科学校电气与电子工程系，河北承德067000)

针对低压微电网中线路阻抗呈阻性的特征，建立了三相逆变器的数学模型，在此基础上，采用电压与频率的恢复控制来保证整个系统的稳定。其中，电压恢复部分采用主从控制，在主控单元引入电压补偿控制项，频率恢复部分采用对等控制，引入了无功惯性项，使系统在负载突变等情况下的电压与频率仍能维持在额定值附近，并理论分析了所研究控制方法的合理性。然后基于MATLAB/Simulink仿真软件完成了所研究的控制策略的仿真，验证了所研究控制方法的可行性。

微电网;下垂控制;恢复控制;无功惯性项

近几年，随着分布式发电系统的广泛使用，交流微电网技术得到了迅速的发展。微电网中的微源主要包括光伏电池、风电及燃料电池等。所以，微电网的控制需要达到以下几点要求［1］:任何一个微源的接入或者退出不会影响系统的正常运行;微源可以自己选择运行点;微电网可以平滑地并网运行或者离网;分开进行有功和无功功率的控制;微电网可以自主校正电压的跌落等问题。此外，在微电网中，电压和频率的偏差是两个重要的电能质量指标，它直接反映了有功功率和无功功率的产生与消耗之间的平衡关系，所以电压与频率的偏移问题是不可忽略的，必须采用可靠的控制方法使系统在额定电压与频率值附近运行。近年来，学者们提出了不少下垂算法中频率的优化控制策略，但涉及电压恢复的控制策略比较少。其中，2009年Ritwik Majumder等人提出了用相角下垂取代频率下垂的控制策略［2］;文献［3］认为受线路阻抗影响，逆变器输出的有功与无功功率均与电压幅值和相位有关系;文献［4］提出了多段式下垂斜率的控制方案;文献［5］提出了一种自动调节下垂系数的控制方法。这些方法各有自己的优缺点。由于微电网结构复杂，所以需要进一步研究更加适合微电网控制的方法。本文以微电网中的三相逆变电源为研究对象，设计了电压电流环的控制器参数，分析了三相逆变器的数学模型及下垂控制原理。由于传统下垂存在的固有缺陷，本文采用电压与频率恢复控制策略，电压控制部分采用主从控制，当电压偏差过大时主单元进行调节;频率恢复部分采用对等控制，所有的微源共同参与调节，保证了系统的稳定性。最后，使用MATLAB/Simulink仿真软件进行了验证。

1　微电网的基本控制及其分析

1．1微电网的控制策略

目前，从整体控制角度考虑，微电网的控制策略主要分为主从型和对等型两种。主从控制方法指由一个主单元来协调其他的分布式电源，该主控单元采用不同于其它控制单元的方法，负责不同的职能。在对等控制方法中，各分布式发电单元采用相同的控制方法来进行控制，所有的微源都同时参与功率的调节，以维持整个系统的稳定。

1．2分布式电源接口逆变器的控制

分布式电源一般分为传统发电模式、新兴发电模式和可再生能源发电模式，这些分布式电源需要通过电力电子接口连接到电网。所以，必须合理选择逆变器的控制策略，才能保证微电网系统可靠运行。分布式电源接口的控制方式通常有［6］:恒功率控制、恒压恒频控制和下垂控制三种，其中，下垂控制［7］类似于发电机的特性，利用输出功率的变化来控制逆变器输出的电压与频率。下垂控制原理图如图1所示。

1．3逆变器的建模及控制系统设计

图2为三相逆变器的拓扑。其中R1、L1、C1为滤波部分的参数，R3和L3为线路阻抗，u1a、u1b、u1c与u2a、u2b、u2c分别为逆变器的输出电压和负载电压，i1a、i1b、i1c和i2a、i2b、i2c分别为电感和电容中的电流。

由于逆变器的输出侧为随时间变化的量，所以三相逆变器的数学模型采用旋转坐标系，使其与基波频率保持同步旋转，下面两式是经过计算得到的三相逆变器的数学模型。

公式(1)三相逆变器的数学模型是在(d，q)坐标系中得到的，在(d，q)坐标系中，d轴和q轴是相互耦合的，这种耦合会严重影响控制器的设计，因此，在设计控制器时，需要进行解耦控制。通过对不同控制方式的分析，电流内环采用比例调节器，以提高系统的快速性;电压环利用比例积分调节器进行设计。将d轴、q轴进行解耦，其控制方程分别表示如下:

为了保证等效输出阻抗在工频处为阻性，本文选择的参数为:电压与电流环的小惯性时间常数50 μs，开关频率10 kHz，电感3 mH，滤波电容15 μF，电流环的比例系数0．4，电压环的比例系数和积分系数分别为0．036和100。在此情况下系统电压闭环的单位阶跃响应如图4所示。由图4可知，此参数不仅可以保证系统输出阻抗近似为阻性，同时也保证了系统的快速性和稳定性。

2　微电网电压与频率恢复控制研究

2．1基于功率控制理论的下垂特性分析

下垂控制的实质为［8］:在整个控制系统内，每个微源根据自己输出的有功和无功功率，通过下垂控制的原理可以得到电压与频率的给定值，然后通过调节自身的电压和频率使有功功率和无功功率可以达到合理的输出值。采用下垂控制的微源在与主网连接时具有类似于发电机的工作特性，孤岛工作时，电压与频率需要通过下垂控制来维持。但是，当重载、轻载或者网络结构发生变化时，下垂曲线的斜率会很大，下垂曲线平缓时能够减小电压与频率的偏差，却会使各微源之间的功率难以平均分配。因此如何缓解功率均分和电压与频率的偏移之间的矛盾具有重要意义。

2．2基于电压补偿的微电网电压恢复控制

从上面分析可知，下垂控制可使功率合理分配，却牺牲了电压与频率的稳定性。若采用主从控制，当电压偏移超过一定范围后，可通过改变其中一台大容量微源的下垂曲线使电压恢复到额定值附近。当偏差没有超过阈值时，各微源按下垂方式均分，当偏差超过阈值后，主控微源参与调节，其它微源仍按下垂方式均分。通过这样的控制方法，就可以使电压很快恢复到额定值附近。

2．3基于无功惯性的微电网频率恢复控制

为了增加系统的惯性，提高稳定性，本文在下垂控制环中加入了惯性环节。图5为加入惯性环节后的频率恢复控制。其中，有功-电压部分用于实现电压的调整和有功功率的平衡，通过该部分可以得到参考电压;频率-无功部分实现频率的调节和无功功率的平衡;惯性环节加在无功部分，无功功率的输出与参考值做差经过惯性环节后能够得到频率的偏差，扰动发生时，惯性环节的作用可以使频率缓慢过渡，并且能使偏差减小。图中，表示转子方程的时间常数，D'表示阻尼系数。

3　仿真分析

3．1微电网电压与频率恢复控制方法仿真

为了验证本文所研究的电压与频率恢复控制策略的有效性，采用MATLAB/Simulink软件对多个微源组成的微电网系统进行了仿真，微电网系统仿真结构图如图6所示。

该微电网系统包括三台微源，其中，DG1与DG2可为光伏等微源，DG3为包含储能系统的大容量微源。在仿真分析中，DG1与DG2容量相等，开关频率为10 kHz，输入电压为700 V，输出电压有效值220 V，额定有功功率均为2 000 W，无功功率均为200 Var。为了模仿微电网环境，三台微源的线路阻抗不等，分别为ZL1=0．4+j0．3Ω，ZL2=0．3+j0．2Ω，ZL3=0．2+j0．1Ω，并且带有公共线路阻抗:ZL= 0．2+j0．1Ω，符合微电网中线路阻抗呈阻性的特征，在系统中两个位置带有阻感性负载。下垂系数分别为:幅值下垂部分3e-2，频率下垂部分3e-4。频率恢复控制中，各微源均参与调节，而电压恢复控制中，只有一台微源作为主控单元来对电压进行调节。0．5 s前在额定功率时工作，0．5 s时负载突变。下面为采用基于下垂特性的微电网电压与频率恢复控制方法对整个系统进行的仿真，仿真结果如图7所示。

从图7中可以看出，主控单元DG3中电压偏移达到15 V时电压开始调节，很快电压幅值便恢复到了额定311 V附近，而频率偏移恢复到了50．045 Hz，电压与频率均得到了良好的恢复，有利于系统的稳定运行。同时也验证了在微电网中本文所用控制策略的有效性。

3．2微电网系统中微源不等容量时的仿真

本文对三台不等容量的微源进行了仿真分析，DG1、DG2与DG3的额定功率比为2∶3∶4。其中，DG3作为主控单元。0．45 s时使负载增加，仿真波形如图8所示。从图8可以看出，在不等容量时该控制策略仍能保证系统可靠运行。

3．3微电网系统热插拔仿真

在下面的仿真中，采用电压与频率恢复控制策略。初始状态时，三台微源在额定状态下正常工作，0．4 s时DG2从系统中退出，0．7 s时DG2又重新进入系统。图9显示了在DG2切入和退出系统过程中整个微电网系统的工作情况。从仿真图可知，即使在热插拔时本文所用的控制策略仍然适用，在减小电压与频率偏移的同时保证了系统的稳定运行。

4　结论

为了保证微电网系统的稳定运行，本文对下垂控制进行了改进，以减小微电网系统中电压与频率的偏移。首先建立了三相逆变器的数学模型，紧接着在功率传输理论的基础上分析了传统下垂控制与微电网中的下垂控制的区别以及下垂控制中存在的电压与频率的偏移问题。在此基础上介绍了本文所研究的微电网电压与频率恢复控制策略，最后在MATLAB/Simulink软件的基础上组建了由三个不同容量的微源组成的微电网系统，并进行了电压与频率恢复控制的仿真分析。仿真结果验证了本文所研究的电压与频率恢复控制策略的正确性和有效性。

［1］李振杰，袁越．智能电网:未来智能配电网新的组织形式［J］．电力系统自动化，2009，33(17):42－48．

［2］Majumder R，Ghosh A，Ledwich G，et al．Angle Droop versus Frenquency Droop in a Voltage Source Converter Based Autonomous Microgrid［C］．Power＆Energy Society General Meeting，the Renaissance Center in Detroit，Michigan，USA，2009．

［3］张丹红，李乐，刘开培．无互联线逆变器并联控制的一种改进下垂算法［J］．武汉大学学报，2006，39(5):97－101．

［4］Kang HK，Ahn SJ，Moon SI．A New Method to Determine the Droop of Inverter-based DGs［C］．Power＆Energy Society General Meeting，the Renaissance Center in Detroit，Michigan，USA，2009．

［5］王伟，施儒昱，石军，等．智能电网中微电网功率下垂控制研究［C］．中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十六届学术年会，上海电力学院，2010，1－6．

［6］韩奕，张东霞．含逆变型分布式电源的微网故障特征分析［J］．电网技术，2011，35(10):147－152．

［7］Guerrero J M，Vasquez J C，Matas J，etal．Control Strategy for Flexible Microgrid Based on Parallel Line-Interactive UPS Systems［J］．IEEE Transactions on industrial electronics，2009，56(3):726－736．

［8］Dai M，Marwali MN，Jung JW，etal．Power Flow Control of a Single Distributed Generation Unit［J］．IEEE Transactions on power electronics，2008，23(1):343－352．

Research on Voltage and Frequency Recovery Control in Energy Micro-Grid Based on Droop Characteristic

LEI Peng-juan，QIAN Xin
(Department of Electrical and Electronic Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Based on the resistance characteristics of the line impedance in micro-grid，the mathematical model of the three-phase inverter was established，and the voltage and frequency recovery contrl was used to guaratee the stability of the whole system in this paper．In the voltage recovery part，the master-slave control was adopted and the voltage compensation control items was joined in the main unit．In the meantime，the peer control and inertial element of reactive power were adopted by the frequence recovery part．So the voltage and frequency can be ensured to be close to the rated values when load mutation occurs，and the rationlity of the method was analyzed in this paper．The simulation of the control strategy has been completed based on the MATLAB/Simulink platform，which was used to confirm the feasibility of the sutdy in this paper．

microgrid;droop control;recovery control;inertial element of reactive power

TM712

A

1008-9446(2015)02-0037-06

2014-12-24

雷鹏娟(1986－)，女，山西省汾阳市人，承德石油高等专科学校电气与电子工程系助教，主要从事电力电子与电力传动方面的教学和科研工作。