基于多分布式电源的微电网控制策略研究

范东海

（国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏 南京 211106）

0 引 言

近年来，我国在新能源技术方面的研究取得了很大的成果，这为分布式发电系统的发展以及分布式发电系统与电力系统的协同运行奠定了基础。微电网是由分布式电源、能量存储装置、负载以及控制装置组成的微型电力系统。由分布式电源作为主要的能量来源，能运行在并网模式和离网模式下。此外，还能够提高当地的供电稳定性和能源的利用率[1]。

1 微电网的概念

分布式发电系统与其附近的用电负荷按照一定的连接形式组合起来构成了微电网。微电网的构成主要包括了分布式电源、交流母线、DC/DC变换器、DC/AC变换器以及用电负荷等[2]，其组成形式如图1所示。此外，微电网的运行方式主要包括与电力系统配合运行的并网和独立运行的离网两种。

2 微电网模型的实现

由于微电源是分布式发电系统和微电网的能量来源，因此有必要研究分析火力发电、风力发电以及光伏发电3种微电源，从而验证每种微电源的运行可靠性。

图1 微电网组成形式

2.1 火力发电系统的建模与控制

图2 火力发电系统基本组成

火力发电系统的基本组成包括微汽轮机、永磁同步电机、整理单元、逆变单元以及滤波单元等，如图2所示。其工作原理是由燃料驱动微汽轮机工作，带动永磁同步电机发电，再经过整流单元和逆变单元将频率变为50 Hz。火力发电系统的控制模型如图3所示。当火力发电系统处于并网运行状态时，采用PQ控制策略，能够较容易地控制有功功率和无功功率。处于离网运行状态时，不受电力系统的协调控制，可以通过采用下垂特性曲线控制方法，从而取得较好的控制效果[3]。

图3 火力发电系统总体控制模型

2.2 风力发电系统的建模与控制

风力发电系统的基本组成包括风机、永磁同步电机、整理单元、逆变单元以及滤波单元等，如图4所示。

图4 风力发电系统基本组成

其工作原理是由风驱动风机工作带动永磁同步电机发电。由于风速具有随机性，导致电能参数也具有随机性，因此同步发电机发出的电能需经过整流单元和逆变单元的变换才可以进行并网或使用[4-5]。风力发电系统的控制包括电机侧变流器控制和电网侧变流器控制两个方面。其中，电机侧变流器的控制目标是保证电机侧变流器的高效运行，实现最大风能的跟踪，即控制Q轴电流。控制电流的公式为：

最大风能跟踪控制策略的控制框图如图5所示。

图5 最大风能跟踪控制策略

电网侧变流器采用基于比例谐振方法的控制策略，能够有效跟踪50 Hz交流信号。实际应用中采用的是准PR控制器，其传递函数为：

电网侧变流器控制策略能够稳态控制误差信号，且易于实现。其控制框图如图6所示。

图6 电网侧变流器控制策略

2.3 光伏发电系统的建模与控制

光伏发电系统的基本组成包括光伏阵列、DC/DC变换器、DC/AC变换器、滤波单元以及MPPT控制单元等，如图7所示。

图7 光伏发电系统基本组成

光伏发电系统中，需要通过DC/DC变换器提升光伏阵列的输出电压，通过DC/AC变换器将直流电变换为50 Hz的工频交流电进行并网或供给负荷使用。MPPT控制单元用于实时监测光伏阵列的输出电压，当检测到电压和电流达到最大值时，以最大功率向蓄电池充电，从而保证光伏阵列、蓄电池以及负荷均处于最佳工作状态[5]。

光伏发电系统虽然可以通过无功补偿设备来维持电压的稳定性，但是会增加硬件投资成本，因此有必要通过软件控制电压的稳定性，确保光伏阵列工作在最大功率点[6-7]，其控制策略如图8所示。

图8 MPPT电压控制策略

系统的外环是电压控制环，内环是电流控制环。经过坐标变换后，并网电流可以分解为有功和无功两个正交分量。针对有功分量，比较MPPT控制单元输出的电压Um与实际直流电压Udc并求和，再经过PI控制器得到电流Idref，作为内环有功电流控制的给定量。针对无功分量，比较交流电压Vref与实际电压Vrms并求和，再经过PI控制器得到电流Iqref，作为内环无功电流控制的给定量。经过PI控制器比较将并网电流有功分量Id与给定量Idref并求和，最后经过坐标反变换得到调制波uabc。由此实现了并网能量由直流到交流的变换过程，并且实现了对于最大功率的跟踪。

3 微电网的控制策略研究

3.1 微电网的运行状态

微电网的运行方式主要包括并网运行和离网运行两种，另外还存在一种切换运行。微电网通常工作在并网运行状态下，较少时间工作在离网运行状态[8]。并网运行方式下，微电网与电力系统进行能量交换。当微电网的负荷过大时，除微电网自身发出的电能提供给负荷外，还需要电力系统提供剩余所需电能。当微电网自身发出的电能还有盈余时，盈余的电能会输送到电力系统供给其他负荷使用[9]。微电网的电压和频率都是由电力系统进行协调控制，采用功率控制方式运行。当电力系统出现故障，电能质量不符合标准时，微电网会从并网运行转换为离网运行，微电源会跟踪负荷的变化情况，提供所需要的功率。

3.2 微电网的控制策略

微电网的组成比较复杂，包括火力发电系统、风力发电系统以及光伏发电系统，而且各系统的特性存在巨大差异[10]。例如，风力发电和光伏发电具有很强的随机性和波动性，不易获得恒定的功率，在其接入电力系统进行并网运行时，需要以可靠的控制策略为保证，这种情况下的微电源称为间歇性微电源。而火力发电输出的电能参数可以进行有效控制，不仅能控制恒定功率，还能够控制电压和频率，这种情况下的微电源称为可控微电源。

当微电网工作在离网模式，独立运行时，可控微电源作为主电源，采用V/f控制策略，用于给微电网提供所需的电压和频率。当微电网的负荷出现变化，导致当前的发电能力与负荷需求无法进行有效匹配时，该策略能够及时调节输出，跟踪负荷的需求，保证微电网的稳定运行。其他微电源都是从电源，采用PQ控制策略，高效率利用能源。具体的控制策略如图9所示。

图9 微电网主从控制策略

火力发电系统作为该微电网的主控电源。当微电网处于并网运行状态时，采用PQ控制策略，由电力系统进行协调控制提供微电网运行所需的电压和频率；当微电网处于离网运行状态时，采用V/f控制策略。由于火力发电系统输出功率稳定，能够快捷实现调节，因此在系统负荷不发生剧烈变化的情况下，能够保证微电网长时间运行在离网模式下。微电网中的风力发电系统和光伏发电系统无论并网运行状态还是离网运行状态，都采用PQ控制策略。风力发电系统基于比例谐振算法跟踪最大风能，光伏发电系统基于MPPT策略跟踪最大功率。

4 仿真测试

4.1 微电网仿真模型

为了有效验证微电网的动态性能，搭建了由火力发电系统、风力发电系统以及光伏发电系统构成的微电网仿真模型，并采用主从控制策略进行控制。

设置电网电压的有效值为380 V，频率为50 Hz，光伏发电系统的内阻为0.05 Ω，滤波电感值L设置为10 mF。在光伏发电系统中，仿真初始t=0 s时刻的光强为600 W/m2，t=1 s时刻增加为1 000 W/m2。在风力发电系统中，仿真初始t=0 s时刻的风速为8 m/s，t=3 s时刻速增加为10 m/s。在火力发电系统，仿真初始t=0 s时刻的发电功率为8 kW，t=2 s时刻增加为15 kW。

4.2 仿真结果分析

微电网并网运行时，微电源输出功率的仿真结果如图10所示，微电源有功功率和无功功率变化情况的仿真结果如图11所示，微电输出电压和谐波分析如图12所示。

图10 微电源输出功率

图11 微电源有功功率和无功功率变化情况

图12 微电输出电压及谐波分析

当系统的风力、光强以及火力发电功率等参数发生变化时，微电网的控制系统能够快速响应外界变化，逐步提升有功功率，而无功功率一直维持为零。经过FFT分析输出电压，得到电压谐波含量为1.91%，完全满足并网技术的参数要求。

5 结 论

本文专门研究了包含多种微电源的微电网控制策略，具体包括多种微电源的工作原理和控制策略。以各种微电源的特性和控制策略为依据，总结出了微电网的主从控制策略。火力发电系统在并网时采用PQ控制策略，离网时采用V/f控制策略，而其他微电源一直采用PQ控制策略。此外，搭建了微电网仿真模型，进行了并网模式下微电网的仿真研究。研究可知，微电网的主从控制策略具有较好的动态特性，能保证微电网的稳定运行。