微网离网运行控制方法研究与仿真

（长江工程职业技术学院，武汉 430212）

现代电网的特征表现为可再生能源利用和智能化，分布式发电因具有环保、高效和灵活等特点而备受关注。目前，分布式发电技术形式主要有光伏发电、风力发电和微型燃气轮机等几种。电源的输出随外部条件的变化而变化，可调度性差，而微网的提出能解决电源的控制问题。微网是一个可控的独立供电系统，由电源、负荷、储能装置和控制装置组成。微网可与电网并网运行，也可与电网断开离网运行。当电网侧电压发生严重的闪变或者跌落时，微网离网运行。为保证电网供电的持续稳定，研究微网离网运行控制技术具有一定的意义。

1 微网系统结构

微网在离网运行模式下，各电源所发挥的作用不同，其控制模式也不同。微网的控制模式分为主从控制模式、对等控制模式和分层控制模式。主从控制模式，是指微网在离网运行模式下，其中一个电源的控制器为其它电源提供工作的频率和电压参考，而其他电源的控制器可根据主控制器来决定各自的运行方式；对等控制模式，各电源的控制器之间不存在主从关系，而是直接根据系统接入点的电压和频率信息就地进行控制；分层控制模式，是指系统设有中央控制器，由其向微网的各电源发出控制信息。

各电源的有效控制是微网稳定运行的关键。微网中大部分电源都是基于电力电子技术的逆变型电源，需要配置相应的电能变换装置。可用于变换电能的装置分为DC／DC变换器、DC／AC变换器、AC／DC变换器和 AC／AC变换器。考虑到交流微网是微网的主要形式，且光伏阵列、燃料电池、蓄电池等电源的输出为直流。

本系统的控制模式选择主从模式，电能变换装置为逆变器。系统结构如图1所示，系统中含有一个主电源和一个从电源。主／从电源通过三相逆变器和滤波电感与交流母线连接。开关K1接通时，微网并网运行。开关K1断开时，微网离网运行。主电源接有可中断负荷Load2，可通过开关S2进行切断。从电源接有重要负荷Load1。主电源的综合线路阻抗用电阻R1表示，线路感抗用X1表示。从电源的综合线路阻抗用电阻R2表示，线路感抗用X2表示。Ufabc表示主电源线路中逆变器的输出电压，Uiabc表示从电源线路中逆变器的输出电压。微网离网运行过程中，如果电网内部功率的供需无法平衡时，主电源的控制器将切除可中断负荷Load2，维持交流母线电压和频率的稳定来确保从电源的重要负荷load1正常运行。从电源的控制器确保输出功率恒定。

图1 微网系统结构图

2 微网离网运行方法

电源的类型不同，其逆变器的控制策略也不相同。常见的电源逆变器控制方法有PQ控制、V／F控制和Droop控制。PQ控制是指逆变器输出的有功功率和无功功率分别为其参考值Pref和Qref，该控制方法不能保证微网电压和频率的稳定，通常用在微网并网或者离网情况下从电源的控制。V／F控制是指维持逆变器所接交流母线的电压和频率不变。并网运行时，电网承担微网输出电压和频率出现的扰动，故该控制方法通常用于微网离网运行。Droop控制是模拟发电机组功频静特性的控制方法。该方法分别通过P／f（有功／频率）下垂控制和Q／V（无功／电压）下垂控制来获取稳定的频率和电压。

2.1 主电源逆变器控制方法

根据主从控制要求，微网系统离网运行时主电源中逆变器采用V／F控制。V／F控制的目的是当电源输出功率发生变化时，其输出电压的幅值和频率的维持恒定，从而保障微网系统的正常运行。V／F控制模式下控制器结构如图2所示。Ufd和Ufq分别为主电源逆变器输出电压的检测值经dq变换后的分量，Ufdef和Ufqef分别为主电源逆变器电压的d轴和q轴参考值，Id和Iq分别为主电源逆变器输出电流的检测值经dq变换后的分量，Idref和Iqref分别为主电源逆变器输出电流的d轴和q轴参考值，θ角为d轴与α轴的夹角。w=2πf，f为50Hz。主电源的控制器采用电压电流双环控制，电压检测值与参考值的误差经过PI调节器电压作为电流环的参考值。图2中电流控制器为PI调节器。电压环稳定输出负载电压，且输出结果作为电流环的输入指令，使得输出电流可控，提高系统的响应速度和抗干扰能力。

图2 V／F控制模式下控制器结构

2.2 从电源逆变器控制方法

从电源采用PQ控制确保在电源内部功率发生变化时，重要负荷正常工作。逆变器的有功功率和无功功率分别与输出电流的dq轴分量成正比，因此，控制逆变器输出电流即可控制其功率。PQ控制模式下控制器结构如图3所示，Pref和Qref分别为从电源输出的有功功率和无功功率的参考值。Iod和Ioq分别为从电源逆变器输出电流的检测值经dq变换后的分量，Iodref和Ioqref分别为从电源逆变器输出电流的d轴和q轴参考值。Uoid和Uoiq分别为从电源逆变器输出电压的检测值经dq变换后的分量。控制器中功率的参考信号按照一定比例变换后作为电流的参考信号，实测电流信号与参考信号产生的误差经过PI调节器后，通过电压前馈补偿和交叉耦合补偿，得到输出电压控制信号Uod和Uoq。

图3 PQ控制模式下控制器结构

3 仿真与结果分析

为验证以上控制方法的可行性，本系统采用MATLAB／Simulink搭建离网运行的仿真模型。该模型中主、从电源均采用直流电压模拟，其仿真原理如图4所示。主电源接有可中断负荷load1，从电源接重要负荷load2。主电源与load1之间用可控的三相断路器模块连接，该短路器的闭合和断开受阶跃函数控制。阶跃函数初始值为1，此时三相断路器模块闭合，即主电源与load1连接。阶跃函数在0.2s时变为0，此时三相断路器模块断开，模拟主电源切除可中断负荷load1。主电源线路中，滤波电感Ls=2.8mH，直流侧电源为750V，电网频率为50Hz，开关频率为4kHz，负荷load1为纯电阻：有功功率P1=5kW，无功功率Q1=0var。负荷load2为感性负载：有功功率P2=1kW，无功功率Q2=100var。V／F控制器中电压环控制器的比例系数Kpu为2，积分系数Kiu为40，电流环控制器中比例系数Kpi为0.15，积分系数Kii为1.154。交流母线电压参考值为380V，频率为50Hz。仿真采样时间为1×105s。

图4 系统离网运行仿真原理图

仿真结果如图5和6所示。图5为交流母线电压的波形，从图中可以看出在0.2s时，交流母线电压出现波动，但基本维持在380V。可见，切除可中断负荷后，主电源的控制器能够维持交流母线电压不变，实现恒压控制。图6为从电源的逆变器输出有功功率波形，有功功率在0.2s时出现波动，但很快又恢复到设定值。可见，切除可中断负荷后，从电源的控制器能维持重要负荷的有功功率不变。

图5 交流母线电压波形

图6 从电源逆变器输出的有功功率