新型主从控制微电网运行控制策略研究

周凌志，任永峰，陈麒同，武欣宇，贾东卫，祝 荣

（内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特010080）

摘 要：文章结合传统主从控制与对等控制的优点，提出了一种新型主从控制微电网协调控制策略，即把多个采用改进型下垂控制的分布式电源作为主控单元，其余分布式电源采用PQ控制作为从属单元。在对微电网结构以及微电源变流器控制策略进行理论分析的基础上，建立了新型主从控制微电网系统模型。设计并离网切换、负荷突增以及主控微电源发生故障工况时，对微电网系统的主要参数和运行特性进行深入分析。仿真结果表明，新型主从控制微电网协调控制策略可以满足不同工况下的系统运行需要，实现功率自动调节和系统频率电压恢复，具有较好的适应性和稳定性。

关键词：微电网；新型主从控制；改进型下垂控制；混合协调控制

中图分类号：TK51 文献标志码：A 文章编号：1671-5292（2021）08-1100-07

0 引言

通过电力电子技术将微电网中不同类型的分布式电源（Distributed Generation，DG）整合，在一定程度上克服了分布式电源出力随机性和波动性缺陷，提高了可再生能源利用率[1]～[3]。但是，微电网要实现持续稳定运行，须要对内部DG进行合理的协调控制。

目前，单个微电源的控制方法主要有并网时PQ控制、孤岛时V/f控制和下垂控制（Droop控制）。结合不同控制要求，根据微电源类型的差异性，又可以将不同的控制方法相结合，设计出微电网的3种综合控制策略：主从控制、对等控制和分层协调控制，从而实现微电网的综合控制[4]～[6]。传统主从控制常与微电源逆变器PQ控制、V/f控制相结合，文献[7]～[9]在微电网离网运行时，主控单元由PQ控制切换到V/f控制，从属单元仍维持PQ控制以实现最大功率输出。该种方法能成功切换微电网运行状态，但主控单元在控制策略切换过程中会对微电网系统的稳定性造成一定的影响。文献[10]针对中压等级的主从控制孤岛微电网中，主控单元无法正常消纳无功电流的问题，提出协调主控单元和从属单元的优化故障控制策略，但并未考虑到微电网并离网模式的平滑切换。微电网的对等控制一般基于微电源逆变器的下垂控制，文献[11]在计算下垂系数时考虑到了线路阻抗产生的影响，使得频率控制精度得到提高。文献[12]～[14]提出了无需切换控制方法的改进型下垂控制策略。该策略可以稳定地为微电网提供频率与电压支撑，但却存在动态响应差、难以实现功率快速分配的缺点。微电网分层控制策略则是依靠最上层的配网管理系统，结合经济性与安全性的要求去协调控制微电网的运行，对通信带宽有很高的要求[15]～[18]。

本文提出了一种新型的微电网主从控制策略。该控制策略结合了传统主从控制和对等控制的特点[19]，将改进型下垂控制运用到多个主控单元中，使其可以根据系统运行的需要合理分配出力，并维持微电网频率与电压的稳定。从属单元运用PQ控制，实现最大功率恒定输出。仿真结果显示，本文所提的新型微电网主从控制策略可以在微电网并网转孤岛、微电源发生故障等各类工况下，自动调节微电源输出功率，并恢复系统频率和电压，保证系统安全平稳运行。

1 新型主从控制微电网的结构与特点

本文研究的新型主从控制微电网系统结构如图1所示。系统主要由3个微电源DG1，DG2，DG3以及公共负荷组成。

图1 新型主从控制微电网系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of new master-slave control for microgrid system

图1中，微电源DG通过相应的变换器连接到交流母线上，同时微电源和公共负荷都可以根据微电网系统运行需要,通过各自的断路器实现与电网的连接或切断，而LC滤波器则用于过滤高次谐波。在此微电网系统中，DG1与DG2采用了改进型下垂控制策略来充当微电网孤岛运行时的主控单元，并且两者参数完全相同。这是为了体现下垂控制所具有的功能冗余性，即单个下垂控制单元发生故障并不会影响整体系统的稳定运行。DG3采用PQ控制策略来充当微电网孤岛运行时的从属单元，以保证其能够稳定输出恒定功率[20]。

本文研究的新型主从控制微电网，在其并/离网运行状态切换过程中，主控单元不须要改变控制策略，并且多个主控单元微电源可迅速协调完成系统负荷变化时的功率分配。当某个主控单元发生故障时，其余主控单元可承担其职能，以保证系统稳定运行，省去了通信环节，又使系统操作更加方便，运行更为可靠。本文研究的新型主从控制微电网，在延续“即插即用”特点的同时，加入了PQ控制策略，使出力具有间歇性的微电源实现最大功率恒定输出，保证系统经济运行性。

2 微电源变流器控制策略分析

2.1 改进型下垂控制策略

由微电网中分布式电源的功率传输特性可知，微电源逆变器输出的有功功率与电压相位角、无功功率与输出电压存在线性关系，下垂控制便是基于这一理论通过模拟传统同步发电机的下垂特性，对逆变器输出的有功功率和无功功率进行解耦控制，从而调节系统频率和电压，其控制结构如图2所示。

图2 下垂控制结构框图Fig.2 Structure block diagram of droop control

图2中，Lf和Cf分别为滤波电感和滤波电容，该控制系统主要由功率计算、下垂控制和电压电流双闭环控制3部分构成。逆变器输出的三相电压和电流通过功率计算以及低通滤波环节，得到平均有功功率和无功功率；再经过下垂控制环节得到输出频率和电压幅值的指令值，将其作为电压电流双闭环控制的给定，从而产生逆变器的SVPWM输入信号，实现系统有功和无功功率的合理分配。

依照P-f和Q-U的线性关系，其相对应的下垂控制关系式为

式中：fn为电网额定频率；U0为逆变器额定电压幅值；Pn，Qn分别为微电源逆变器的额定有功、无功功率；P，Q分别为逆变器输出的平均有功、无功功率；a，b分别为有功、无功的下垂系数；Pmax为频率下降至最小值fmin时，微电源逆变器允许输出的最大有功功率；Qmax为电压幅值下降至最小值Umin时，微电源逆变器允许输出的最大无功功率；f，U为下垂控制后，微电源逆变器输出频率和电压幅值的指令值。

传统下垂控制中，有功、无功下垂特性是位置固定的曲线。当逆变器输出的有功、无功功率发生变化时，其相应的频率和电压幅值也会随之改变，不利于系统的稳定。本文提出改进型下垂控制的原理如图3所示。

图3 改进型下垂控制原理框图Fig.3 Principle block diagram of improved droop control

改进型下垂控制是在原有传统下垂控制基础上，引入了反馈环节，通过调整逆变器额定输出功率实现频率、电压无差调控，并且其调整量会随着系统运行状态自适应改变，从而保证微电网系统稳定运行。此控制原理具体表达式为

式中：a*，b*为修正后的下垂系数；kp，ki分别为PI控制的比例、积分系数；s为拉普拉斯算子。

对比式（1），（4）后可知，本文所提的控制方法将频率差和电压差作为反馈信号，其经过PI控制环节再乘以修正后的下垂系数后可对系统预设的逆变器额定有功、无功功率进行调整，最终实现频率、电压的无差调控。

改进型下垂控制的P-f和Q-U下垂特性满足图4所示的曲线。P-f下垂控制具体过程：根据设定系统初始运行在A点，此时逆变器额定有功功率为Pn，频率为fn；当微电网运行状态变化时，逆变器输出的有功功率增加，系统由A点向B点移动，频率降低；改进后的下垂控制将自适应调整额定有功功率使频率恢复，此时系统经过调整后重新运行在C点，微电网稳定运行。Q-U下垂控制同理。

图4 改进型下垂控制特性图Fig.4 Droop characteristic diagram of improved droop control

2.2 PQ控制策略

PQ控制策略主要包含功率控制与电流控制两个环节，在将有功功率和无功功率解耦后对电流进行PI控制，从而控制逆变器来保证微电源按照给定值输出恒定的有功、无功功率。为了使可再生能源得到充分利用，通常在并网时对间歇性分布式电源采取PQ控制，其控制结构框图如图5所示[21]。

图5 PQ控制结构框图Fig.5 Structure block diagramof PQcontrol

图5中，逆变器输出的三相电压经过电压矢量定向的Park变换后，得到旋转dq坐标系下的ud为常数，uq为0；再根据设定的功率参考值可以得到逆变器输出的参考电流为

式中：iLdref和iLqref为逆变器输出参考电流的d，q轴分量；Pref和Qref为设定的有功、无功功率参考值。

由式（5）可知，通过功率控制环节后，原本对逆变器输出功率的控制就转变为对电流的控制，并且控制d轴电流即控制有功功率，控制q轴电流即控制无功功率。

电流控制环节将实际电感电流与参考电感电流相比较，其差值经过PI调节，再加上dq解耦和电压前馈补偿后得到SPWM调制信号，具体表达式为

根据式（6）可得PQ控制原理如图6所示。

图6 PQ控制原理框图Fig.6 Principle block diagram of PQ control

3 仿真分析

为了验证本文提出的新型微电网主从控制策略的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了图1所示的主从控制微电网系统模型，并设置了4种典型工况，对其在不同工况下的运行状态进行分析。仿真参数选取：微电源中直流侧电压Udc=1 200 V，滤波参数Lf=0.5 mH，Cf=2 500μF；DG1和DG2采用改进型下垂控制，设定初始额定功率Pn=250 kW，Qn=0 kVar，fn=50 Hz，U0=511 V，下垂系数a=5×10-7，b=1×10-4，修正的下垂系数a*=2×103，b*=1×103，频率和电压的PI控制中Kp1=10，Ki1=200，电压、电流双环结构中电压环Kp=1.5，Ki=0.5，电流环Kp2=0.5，Ki2=20；DG3采用PQ控制，设定功率预设值Pref=1 000 kW，Qref=0 kvar，电流环中Kp3=1，Ki3=100；负荷采用恒定功率负荷，P=1 500 kW，Q=0 kvar；系统仿真时间为2 s。0～0.3 s，微电网并网运行，此时各DG按系统需求输出功率。0.3 s，断路器S1断开，微电网进行并网/孤岛模式切换；0.3～0.9 s微电网孤岛运行；0.9 s，断路器S5闭合投入公共负荷；0.9～1.5 s微电网在负荷突变工况下运行；1.5 s，断路器S3断开，切除主控微电源DG2；1.5～2 s微电网在DG2发生故障时运行。

图7为本文提出的新型主从控制微电网的仿真曲线，其中包含了DG1，DG2，DG3、负荷以及电网在不同工况下有功和无功功率的变化，同时母线处电压、频率的波动情况也得以体现。

图7 新型主从控制微电网的仿真曲线Fig.7 Simulation curves of new master-slave control for microgrid

由图7可知，系统并网运行时母线电压和频率由配电网提供，DG3采用PQ控制策略，按照预设值恒定输出1 000 kW有功功率，而配电网则输出500 kW有功功率以满足系统负荷需求，此时DG1，DG2无须输出功率，但须要为系统压频稳定发挥辅助调节作用。0.3 s后，系统进入孤岛运行工况，此时DG1，DG2作为主控单元为微电网提供电压与频率支撑，并各自输出约250 kW有功功率，配合DG3满足系统负荷需求。由图7（a），（g）可以发现，0.3 s微电网并/离网运行模式切换时，系统母线电压和频率分别下降了约4%，0.02%后又自行恢复。图7（d）显示DG3在0.3 s时，输出功率下降至945 kW，且0.36 s时又恢复至1 000 kW左右，证明此控制策略可以有效实现微电网运行模式切换，且降低了主控单元对其余从属单元的影响。

0.9 s时，微电网中负荷突变，负荷新增700 kW有功功率、400 kvar无功功率。由于从属单元DG3依旧按照设定值输出功率，所以负荷功率变化由多个主控单元共同承担并自动调整输出功率分配，此时DG1，DG2各自输出有功功率600 kW，无功功率200 kvar。1.5 s时，微电网主控单元中的DG2发生故障断开，系统在出现短暂的频率和电压波动后仍保持正常运行，并且频率在1.65 s时又恢复至50 Hz，因为剩余的主控单元DG1可以承担其职能，自动调整输出至有功功率1 200 kW，无功功率400 kvar左右，在此期间从属单元DG3几乎不受主控单元故障影响，依旧恒定输出1 000 kW有功功率来共同维持系统稳定运行。结合图7（g）可以看出，每次微电网运行工况发生变化时系统频率都会出现一定程度的波动，但由于改进型下垂控制的作用，约0.1 s后系统频率又自行恢复至50 Hz。

图8和图9为本文所述微电网系统分别运用传统下垂控制和改进型下垂控制时的系统频率和母线电压波形对比。

图8 运用传统和改进型下垂控制时的系统频率波形对比Fig.8 Comparison of system frequency waveform with traditional and improved droop control

图9 运用传统和改进型下垂控制时的母线电压波形对比Fig.9 Comparison of system voltage waveforms with traditional and improved droop control

由图8，9可知，运用传统下垂控制时，在微电网运行工况发生变化时频率和电压产生跌落。此变化符合下垂特性即输出功率增加，系统频率和电压减小，但是其产生的系统频率和电压偏差更大且后续无法自动恢复。经过对比后则可以发现，运用改进型下垂控制时的系统频率和母线电压能够在产生偏差后迅速恢复。本文提出的改进型下垂控制性能优于传统下垂控制，且更有助于实现微电网系统的稳定运行。

4 结论

本文提出了一种新型的微电网主从控制策略，通过仿真研究得出以下结论：①将多个主控单元运用改进型下垂控制，从属单元运用PQ控制，可以使微电网在运行模式切换时微电源无须改变控制策略，同时还降低了微电网对单台主控单元的依赖性，提高了微电网工作适应性；②通过改进型下垂控制策略，微电源根据不同工况自动恢复功率调节和系统频率电压，增强了微电网运行稳定性。