提高电能质量的风柴蓄独立微电网分层协调控制*

马艺玮 杨苹 王月武 赵卓立

(华南理工大学 电力学院∥广东省绿色能源技术重点实验室，广东 广州510640)

独立微电网是指与外部大电网隔离、独立自主运行的小型电力系统，它主要有两种不同形式:①不与外部大电网相连接的孤岛式的微电网［1-3］;②因某种原因通过公共连接点(PCC)的静态开关断开与大电网的连接而转入独立运行模式的微电网［4-6］.现有研究和实践表明，有效集成风、光等间歇性可再生能源和电池储能系统等多种混合能源的独立微电网，能够有效降低风、光等高渗透率间歇性电源的随机性和间歇性出力对系统运行带来的不良影响，提高系统的供电可靠性和电能质量、降低成本，还是解决和改善海岛等偏远地区分散电力需求的一种有效途径，如希腊Kythnos 岛风光柴蓄微电网和我国东福山风光柴蓄微电网等项目［7-9］.

独立微电网系统内多种不同类型的分布式电源间的协调控制是系统运行控制的关键［10-11］.目前，国内外研究的独立微电网系统主要采用主从控制和对等控制两种基本控制模式对系统内分布式电源(DG)进行协调控制，而主从控制模式是当前世界各地已建成独立微电网项目所采用的主要方式［12］.在独立微电网系统中，风机和光伏间歇性电源需采用恒功率(PQ)控制方法进行有功功率和无功功率输出，不参与系统电压频率调节［10］，而储能系统和同步电压源则是自动吸收系统内发电和负荷的不平衡功率和支撑系统电压频率稳定的关键［13］.文献［14］中提出了基于恒压恒频(V/f)控制策略的蓄电池储能系统来维持独立微电网系统的电压和频率稳定.文献［15-16］中提出基于P-f 和Q-V 下垂控制方法的多微电源逆变器并联控制来提高负荷功率分配的精确性，但独立微电网系统电能质量仍受到系统中各微电源的不同功率等级、线路阻抗和逆变器设计参数等因素的影响.针对较多的独立微电网中多微电源逆变器并联控制研究，文献［17］中提出了含同步发电机和电压源逆变器接口的独立微电网控制策略，不同类型分布式电源分别通过各自控制器的下垂控制系数进行负荷功率分配.文献［18］中指出独立微电网中柴油发电机和蓄电池储能系统由于差异较大的控制特性而无法同时作为主控电源并列运行，为此提出了独立微电网中柴油发电机和蓄电池储能系统之间的协调控制策略，包括当柴油发电机为主电源时的储能系统辅助功率控制，以及柴油发电机和储能系统之间的双主电源无缝切换控制策略.

综上所述，目前大多数方案没有综合考虑分布式电源的不同类型、微电网系统电压和频率控制的层次性［19］、系统负荷和间隙性能源出力的不同波动特性等因素对独立微电网稳定运行带来的影响.因此，文中以含有柴油发电机和蓄电池储能系统的独立微电网系统为例，提出了一种基于不同时间尺度的微电网分层协调控制方案，有效提高系统电压频率的稳定性.借鉴电力系统的分层控制经验，基于下垂控制的蓄电池储能系统负责调整较小变化幅度和较短变化周期的随机净负荷波动分量，而针对变化幅度大和变化周期长的净负荷波动分量，利用柴油发电机的无差频率控制和无功补偿控制器使系统电压频率恢复到额定值，从而在不同时间尺度上有效提高系统运行的稳定性.

1 独立微电网分层协调控制结构

独立微电网系统的电压和频率波动主要是由于系统内风机等间隙性分布式电源出力的不稳定性以及各种阻感性负荷的频繁投切而引起的系统功率供需不平衡造成［11，20］.因此，根据独立微电网系统电压动态特性和频率动态特性，对电压和频率波动幅度按照一定级别划分为如图1所示的A、B 和C 三类，其中，fn、Un分别表示额定频率和额定电压，A 区域(高频AH和低频AL)代表电压和频率偏差在电能质量要求范围内，B 区域(高频BH和低频BL)代表稍微超出额定电压和频率允许波动范围，C 区域(高频CH和低频CL)代表严重超出电压和频率允许波动范围.

充分考虑柴油发电机和蓄电池储能系统的不同动态调节特性(时间响应特性和功率调节特性等)［21］，借鉴电力系统3 次调频的经验，提出了基于不同时间尺度的独立微电网分层控制结构，如图2所示.根据独立微电网内3 种不同净负荷波动分量以及对应的不同时间尺度，文中提出的分层控制主要包括以下3 个层次.

图1 电压、频率稳定区域Fig.1 Divided stable regions of voltage and frequency

图2 基于不同时间尺度的独立微电网分层控制结构Fig.2 Hierarchical control structure of islanded microgrid based on different time-scales

(1)第1 层为基于下垂控制的蓄电池储能系统的一级控制，主要针对变化幅度小、周期短的随机性净负荷波动分量，即图1所示的B 区域.这充分利用了蓄电池储能系统的快速瞬时响应性和较好功率补偿性等优点，能够在毫秒级时间尺度内有效补偿负荷功率缺额，快速抑制系统电压和频率波动，提高系统运行的稳定性.

(2)第2 层为基于无差控制的柴油发电机的二级控制，主要针对变化幅度大、周期长的冲击性净负荷分量，即图1所示的C 区域.相对蓄电池储能系统的逆变控制特性，柴油发电机的动态响应速度较慢，甚至有十秒到几十秒的时间延时，很难满足系统负荷和间歇性能源瞬息变化的需要，但是它作为一种技术成熟的不间断可控电源，具有容量大、持续时间长等优点，能够较好实现微电网系统的电压频率无差控制，使较大偏离的电压和频率偏差恢复到系统额定值.

(3)第3 层为基于系统级集中控制的微网中央控制中心(MGCC)的三级控制或经济运行，主要针对较长时间周期内变化缓慢的周期性负荷分量.由于三级控制主要针对一天内变化缓慢的负荷和输入能源安排发电计划，故文中不做详细探讨.

2 独立微电网分层协调控制

2.1 蓄电池储能的一级控制

蓄电池储能系统的控制可以分为有功-频率(P-f)控制和无功-电压(Q-U)控制两部分，如图3所示.其中，PLL 为基于微电网电压基波的快速锁相环;功率控制采用P-f 和Q-V 下垂控制，通过此控制器产生电压控制的参考电压，电压控制采用PI 控制器主要起稳定接口逆变器输出端口电压作用，而电流控制采用比例控制器主要为了提高响应速度［22］.

图3 蓄电池逆变器控制结构示意图Fig.3 Diagram of battery inverter control structure

蓄电池储能控制系统首先由微网三相电压ua、ub、uc经过abc/dq 坐标转换以及功率控制得到电压控制的输入参考值(角频率ω 和电压幅值Um)，经电压控制再得到电流控制的输入参考值(d 轴电流参考值i*b和q 轴电流参考值i*b).蓄电池储能系统有功-频率(P-f)控制和无功-电压(Q-V)的一次有差调节实现过程如图4所示.

图4 电压频率的下垂控制Fig.4 Droop control of voltage and frequency

结合图1和图4可知，蓄电池储能系统的下垂特性曲线函数如式(1)和(2)所示，下垂系数Kfp和Kup分别由式(3)和(4)求得.

式中:Pref和Qref分别为蓄电池逆变器的有功功率和无功功率参考值;P0和Q0分别为蓄电池稳定状态下的初始输出的有功功率和无功功率值;Kfp和Kup分别为有功-频率和无功-电压的下垂系数;f0和U0为系统的额定频率和额定电压;fm和Um分别为系统的实测频率和实测电压;Pmax和Qmax分别为蓄电池输出的最大有功功率和最大无功功率;fmin和Umin分别为系统的最小频率和最小电压.

2.2 柴油发电机组的二级控制

图5所示为柴油发电机控制系统框图，控制系统主要由调速器(GOV)和自动电压调节器(AVR)组成，其中调速器根据反馈回来的同步发电机角速度偏差，用以调整控制原动机(如油气轮机)的输出机械功率来适应负荷需求和实现恒速状态下的频率稳定性;而电压调节器利用输出端的电压偏差反馈，调节无功电流使输出端电压维持在给定值附近，如图1(b)中的A 区域.

图5 柴油发电机控制框图Fig.5 Control diagram of diesel generator

图5中符号说明如表1所示.

表1 柴油发电机组的参数Table1 Parameters of the diesel generators

续表1

2.2.1 有功-频率的无差调节

柴油发电机的有功-频率特性是由其调速器(GOV)的一阶传递函数决定的.因此，将图5中调速部分的比例控制改为比例积分控制，则可以实现柴油发电机组的无差调频控制，如图6所示.

图6 PI 控制器Fig.6 PI controller

频率偏差Δf 和微电网系统总的有功功率缺额ΔP 的关系如式(5)所示，其中，Kp1、Ki1分别为比例系数和积分系数.

需说明的是，当系统只有一台柴油发电机组时，其速度调节器采用PI 控制可实现频率的无差调节;当系统中有两台或多台柴油发电机组时，则采用虚有差调节方法协调管理各机组的功率分配［23］.

2.2.2 无功-电压的无差调节

柴油发电机的无功功率主要是由有功功率和功率因数共同决定的，而输出端电压主要受励磁电流的影响.图7所示为柴油发电机的无功-电压(QU)特性曲线，当无功负荷增加时，发电机的励磁电流需相应增加到某一适当值，使发电机的Q-U 曲线上移，从而通过增加无功功率满足双方无功功率平衡、维持电压在某一设定值.

柴油发电机的励磁电流有一定的极限限制，通过添加相应的无功功率储备装置来保证系统电压的自动稳定控制是最有效的手段，图8为该无功功率储备装置的控制原理图，只有同时满足两个设定条件:(1)柴油发电机的功率因数低于设定值;(2)无功缺额大于该控制器所带电容器的输出无功容量时，才自动进行无功功率补偿，维持系统电压稳定.

图7 柴油发电机的无功-电压特性Fig.7 Q-U characteristics of diesel generator

图8 无功-电压控制器Fig.8 Q-U controller

因此，将微电网母线的参考电压Uref与实际电压U0的偏差送入PI 控制器，得到计划外无功功率ΔQ:

式中，Kp2、Ki2分别为电压调节比例系数和积分系数.

2.3 一、二级协调控制策略

由以上可知，独立微电网在实时调控电压和频率时，负责一级控制的蓄电池和负责二级控制的柴油发电机在某种程度上相互关联、密切配合，协调维持和保障系统电压和频率的稳定性.图9详细列出了独立微电网的一、二次协调控制策略，首先各分布式电源的控制器实时监控并采集微电网母线电压和频率值，并判断确认其处于图1中所示的某分区内.若系统净负荷变化不大，U、f 在正常范围内即A 区域，则蓄电池储能系统和柴油发电机组不参与调节.若微电网系统内风、光等间歇性电源注入过多的有功、无功功率，导致系统母线电压和频率抬升，并处于图1中的BH区时，负责一级控制的蓄电池储能系统则凭借其瞬时响应特性，率先通过充电来吸收多余的功率，抑制和降低电压和频率波动幅度并处于稳定区域A 中.如果间歇性电源注入功率超过蓄电池储能系统的最大充电功率时，系统母线电压和频率会持续攀升至CH区，二级控制的柴油发电机则降低功率输出而实现系统功率平衡.当柴油发电机的励磁电流增大到其最大值时，即功率因数处于正常设定范围且无功缺额超过无功补偿器内电容器无功输出容量时，无功补偿器输出无功功率而恢复母线电压到设定值.同理，若微电网系统内功率不足，导致母线电压和频率跌落，如果处于图1中的BL区域时，一级控制的蓄电池储能系统率先通过放电进行功率补偿，满足系统功率平衡;如果负荷功率缺额超过蓄电池最大放电功率值时，系统母线电压和频率继续跌落至CL区，二级控制的柴油发电机则增加功率输出来满足系统功率平衡(注:三级控制的MGCC 负责蓄电池储能系统的荷电状态(SOC)的优化管理，从而保证其在最佳荷电状态，能够根据需要工作在充电状态或放电状态进行一次控制，所以此处不做详细介绍).

图9 协调控制策略Fig.9 Coordinated control strategy

3 算例分析

3.1 仿真系统及相关参数

以广东东澳岛独立微电网的一期项目工程为例，在Matlab/Simulink 中搭建如图10所示的风柴蓄独立微电网系统仿真模型，验证文中提出的分层控制策略的有效性.该微电网仿真系统包含有2 台柴油发电机组、2 台风力发电机组和1 套蓄电池储能系统共5 个微电源以及5 个负荷(L1-L5)，各分布式单元均接入系统10 kV 母线，再通过降压变压器供给各个负荷.各电源及负荷参数如表2所示.

图10 独立微电网系统结构Fig.10 Structure of islanded microgrid

表2 分布式电源及负荷参数Table2 Parameters of DGs and Loads

3.2 分层协调控制策略仿真

初始阶段，系统负荷需求有功功率为0.78 MW，无功功率为0.435 Mvar，风速为8.5 m/s，系统运行了一台柴油发电机组DE01 和一台风力发电机组WT01;第35 s 时，柴油发电机组DE02 启动;第40 s时，风力发电机组WT02 启动;第55 s 时，WT01 停止运行.基于不同时间尺度的风柴蓄独立微电网的分层协调控制详细仿真过程如表3所示.

表3 仿真过程Table3 Simulation events

3.3 仿真结果分析

基于不同时间尺度的风柴蓄独立微电网分层协调控制仿真结果如图11-14 所示.其中，图11和图12分别为系统有功功率和频率的变化，图13和图14分别为系统无功功率和电压的变化.

由图11(a)中有功负荷需求及各电源有功功率输出曲线以及图12(a)系统频率变化曲线可知:①随着系统负荷的增加，在35 s 时，DE02 接入系统，DS02 并入系统的暂态过程如图11(b)所示，DS02转速及输出端口电压稳定后，DE01 和DE02 均分系统有功功率;②40s 时，WT02 启动，吸收系统大量有功功率，系统频率下降，此时，频率偏差超过蓄电池储能系统的调节范围，柴油发电机组增加有功功率输出，跟随系统净负荷的变化，系统频率经过短暂波动后恢复;③45s 时，系统净负荷增加引起系统频率下降，频率偏差在BS 调节范围内，BS 输出功率完成系统的频率调节;④系统净负荷的变化引起系统频率波动，在文中设计的分层协调控制作用下，频率波动符合国标电能质量要求，频率偏差没有超出正常运行范围.

图11 系统有功功率变化Fig.11 Active powerchange of microgrid

图12 系统频率Fig.12 Frequency of microgrid

由图13(a)中无功负荷需求、各电源无功功率输出曲线以及图14(a)系统电压变化曲线可知:①40 s 时，WT02 启动，吸收系统大量无功功率，系统电压下降，柴油发电机组增加无功功率输出，跟随系统净负荷的变化，系统电压经过短暂波动后恢复;②微电网中无功负荷的变化引起系统电压波动，在文中设计的分层协调控制作用下，电压波动符合国标电能质量要求.

图13 系统无功功率变化Fig.13 Reactive power of microgrid

图14 系统电压幅值变化Fig.14 Voltage amplitude of microgrid

4 结论

为了解决独立微电网系统内高渗透率间歇性能源和频繁投切的系统负荷对系统电压和频率稳定性的影响，文中提出了蓄电池一次调节和柴油发电机二次调节相结合的独立微电网分层协调控制方案来提高系统电能质量.根据在不同时间尺度内的系统电压和频率波动幅度，具有瞬时响应特性的蓄电池储能系统利用改进下垂系数完成一次控制，调节控制变化幅度小、周期短的随机性净负荷波动分量;而针对变化幅度大、周期长的净负荷波动，通过在调速控制器中的比例因子改为比例积分因子而实现柴油发电机的有功-频率无差调节，并通过添加相应的无功补偿装置，提高柴油发电机的无功-电压优化控制，恢复系统电压和频率质量.仿真结果验证了所提方法能够有效提高独立微电网系统电压和频率质量.

［1］Zhao Bo，Zhang Xue song，Li Peng，et al.Optimal sizing，operating strategy and operational experience of a standalone microgrid on Dongfushan Island［J］.Applied Energy，2014，113:1656-1666.

［2］刘梦璇，王成山，郭力，等.基于多目标的独立微电网优化设计方法［J］.电力系统自动化，2012，36(17):34-39.Liu Meng-xuan，Wang Cheng-shan，Guo Li，et al.An optimal design method of multi-objective based island microgrid［J］.Automation of Electric Power Systems，2012，36(17):34-39.

［3］马艺玮，杨苹，郭红霞，等.风-光-沼可再生能源分布式发电系统电源规划［J］.电网技术，2012，36(9):9-14.Ma Yi-wei，Yang Ping，Guo Hong-xia，et al.Power source planning of Wind-PV-Biogas renewable Energy distributed generation system［J］.Power System Technology，2012，36(9):9-14.

［4］Lopes J A P，Moreira C L，Madureira A G.Defining control strategies for microgrids islanded operation ［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2006，21(2):916-924.

［5］Dionne Soto，Chris Edrington，Saritha Balathandayuthapani，et al.Voltage balancing of islanded microgrids using a time-domain technique［J］.Electric Power Systems Research，2012，84(1):214-223.

［6］Tine L V，Bert R，Lieven D，et al.Active load control in islanded microgrids based on the grid voltage ［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2011，2(1):139-151.

［7］舒杰，张先勇，沈玉梁，等.可再生能源分布式微网电源规划方法及应用［J］.控制理论与应用，2010，27(5):675-680.Shu Jie，Zhang Xian-yong，Shen Yu-liang，et al.The algorithm and application in power sources planning and designing for micro-grid based on distributed renewable energy ［J］.Control Theory and Application，2010，27(5):675-680.

［8］Yang Hong-xing，Zhou Wei，Lu Lin，et al.Optimal sizing method for stand-along hybrid solar-wind system with LPSP technology by using genetic algorithm［J］.Solar Energy，2008，82(4):354-367.

［9］马溪原，吴耀文，方华亮，等.采用改进细菌觅食算法的风/光/储混合微电网电源优化配置［J］.中国电机工程学报，2011，3l(25):17-25.Ma Xi-yuan，Wu Rao-wen，Fang Hua-liang，et al.Optimal sizing of hybrid solar-wind distributed generation in an islanded microgrid using improved bacterial foraging algorithm［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31(25):17-25.

［10］Lopes J A P，Moreira C L，Madureira A G.Defining control strategies for microgrids islanded operation ［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2006，21(2):916-924.

［11］杨向真，苏建徽，丁明，等.微电网孤岛运行时的频率控制策略［J］.电网技术，2010，34(1):164-168.Yang Xiang-zhen，Su Jian-hui，Ding Ming，et al.Research on frequency control for microgrid in islanded operation［J］.Power System Technology，2010，34(1):164-168.

［12］王成山，杨占刚，王守相.微网实验系统结构特征及控制模式分析［J］.电力系统自动化，2010，34(1):99-105.Wang Cheng-shan，Yang Zhan-gang，Wang Shou-xiang.Analysis of structural characteristics and control approaches of experimental microgrid systems［J］.Automation of Electric Power Systems，2010，34(1):99-105.

［13］薛迎成，邰能灵，刘立群，等.微电网孤岛运行模式下的协调控制策略［J］.中国电力，2009，42(7):36-40.Xue Ying-cheng，Tai Neng-ling，Liu Li-qun，et al.Microgrid island running mode coordinated control strategy［J］.Electric Power，2009，42(7):36-40.

［14］杨占刚，王成山，车延博.可实现运行模式灵活切换的小型微网实验系统［J］.电力系统自动化，2009，33(14):89-92.Yang Zhan-gang，Wang Cheng-shan，Che Yan-bo.A small-scale microgrid system with flexible modes of operation［J］.Automation of Electric Power Systems，2009，33(14):89-92.

［15］吕志鹏，苏剑，李蕊，等.不同功率等级微源逆变器并联控制新方法［J］.电工技术学报，2013，28(7):191-198.Lü Zhi-peng，Su Jian，Li Rui，et al.New power control strategy on paralleled Micro-Source inverters with different power levels［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(7):191-198.

［16］Tuladhar A，Jin H，Unger T，et a1.Control of parallel inverters in distributed AC power systems with consideration of line impedance effect［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2000，36(1):131-138.

［17］张丽，徐玉琴，王增平，等.包含同步发电机及电压源逆变器接口的微网控制策略［J］.电网技术，2011，35(3):170-176.Zhan Li，Xu Yu-qin，Wang Zeng-ping，et al.Control scheme of microgrid fed by synchronous generator and voltage source inverter［J］.Power System Technology，2011，35(3):170-176.

［18］郭力，富晓鹏，李霞林，等.独立交流微网中电池储能与柴油发电机的协调控制［J］.中国电机工程学报，2012，32(25):70-78.Guo Li，Fu Xiao-peng，Li Xia-lin，et al.Coordinated control of battery storage and diesel generators in isolated AC microgrid systems ［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32(25):70-78.

［19］鲍薇，胡学浩，李光辉，等.提高负荷功率均分和电能质量的微电网分层控制［J］.中国电机工程学报，2013，34(33):106-114.Bao Wei，Hu Xue-hao，Li Guang-hui，et al.Hierarchical control of microgrid to improve power sharing and power quality［J］.Proceedings of the CSEE，2013，34(33):106-114.

［20］魏承志，陈晶，涂春鸣，等.基于储能装置与静止无功发生器协同控制策略的微网电压波动抑制方法［J］.电网技术，2012，36(11):18-24.Wei Cheng-zhi，Chen Jing，Tu Chun-ming，et al.An approach to suppress voltage fluctuation in microgrid by cooperative control by energy storage device and static var generator ［J］.Power System Technology，2012，36(11):18-24.

［21］DelilleG，François B，Malarange G.Dynamic frequency control support:a virtual inertia provided by distributed energy storage to isolated power systems［C］∥Proceedings of Innovative Smart Grid Technologies Conference.Gothenburg:［s.n.］，2010:1-8.

［22］王成山，肖朝霞，王守相.微网综合控制与分析［J］.电力系统自动化，2008，32(7):98-103.Wang Cheng-shan，Xiao Zhao-xia，Wang Shou-xiang.Synthetical control and analysis of microgrid［J］.Automation of Electric Power Systems，2008，32(7):98-103.

［23］王士政.电力系统控制与调度自动化［M］.北京:中国电力出版社，2008.