分布式发电并联接入微网的控制技术研究综述

刘观起，曹扬

（华北电力大学，河北保定071003）

世界能源危机和美国、加拿大等国接连发生的大面积停电事故，暴露了传统的供能模式和电力网络的种种弊端。经济社会持续健康发展，迫切需要加快电网建设，提升电网运行效率。但是，由于长期“重发轻供”，我国电网和电源发展一直不协调，电网发展明显滞后，网架结构薄弱，城市和农村供电水平不高，优化配置和抵御自然灾害的能力不强，我国2008年南方发生雪灾导致大面积停电事故，造成了严重的经济损失。为满足社会经济快速增长的电力消费需求，必须加快各级电网建设，构筑更为先进的智能电网系统，促进电力事业的协调可持续发展。

智能电网（smart grid）最早是由美国提出的，目前仍处于开始研究和开发阶段，根据目前的研究水平，可以把智能电网归纳为将先进的传感测量技术、信息技术、通信技术、计算机技术、自动控制技术和原有的输、配电基础设施高度集成而形成的新型电网，应具有提高能源效率、环境友好、提高供电安全性和可靠性、减少电网损耗、实现与用户间的互动和为用户提供增值服务等多个优点。如图1所示，智能电网是在传统电力系统的基础上覆盖一套信息系统，而该信息系统将通过传感器为各种电气设备建立联系，从而构建出客户服务平台。通过对需求的动态分析，运行管理将更加智能化。智能电网与传统电网的比较见图2。智能电网主要具有坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化等特征[1-4]。其兼容特性指的是支持可再生能源的正确合理的接入。作为发展智能电网的主要技术方向之一，可再生能源的接入和并网技术正成为世界各国研究的热点[5-7]。

1 微网的提出

分布式发电不但能够降低成本，提供更可靠的服务并保证电能质量，而且还极大地提高了能源利用效率，这些优点对于消费者具有很大的吸引力。可再生能源分布式发电系统和“绿色能源”的使用能够产生显著的环境效益[8-9]。预计到2020年我国风电将达到100 ～150 GW、光伏发电达到20 GW规模，其中风力发电将集中开发若干千万千瓦级基地，太阳能光伏发电则呈现分散接入和规模开发并举的特点[4]。

图1 智能电网概念图

图2 目前电网与智能电网比较

然而，分布式发电并不是为并网运行而设计，分布式发电的并网接入会带来一系列问题。IEEE P1547对分布式能源的入网标准做了规定：当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。这极大地限制了分布式能源效能的充分发挥[10]。可见，能量转换技术的发展对智能电网的构建具有重要意义。一个比较好的解决办法就是构造“微网”（MG），这项技术可以提高分布式发电的效率，并把有关的负载联系起来。

一个典型的微网结合了分布式电源（主要包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏发电设备和风力发电设备等）、负载、储能装置（主要包括蓄电池储能、飞轮储能等）和控制装置，是一个独立可控制的系统，可以同时提供电能和热能，见图3[11-12]。微网可以提高供电可靠性、减少馈线损失，维持局部电压，以热电联产（CHP）的形式提高能源利用率，并具备不间断电源的特点。

图3 微网基本结构

微网主要运行在3种状态：正常并网模式和孤岛模式，以及过渡状态。由于微电网中微源输出电能的特性，它们并不适合直接与电网相连，而是需要电力电子接口（直流/交流或交/直/交）的介入，见图4。

图4 逆变器接口系统

作为电网侧必要的部件，逆变器需要将直流电转换成可供电网使用的交流电，另外它还是能量转换系统、当地负荷与电网之间的接口。由此可见，逆变器控制在微网控制中占有重要地位。

在微网中，逆变器经常是并联模式，这是为了提高性能同时也方便系统扩容。与单一的集中式电源相比较，并联逆变器能提供更高的可靠性，因为如果一个逆变器故障，剩余（N-1）个逆变模块仍然可以向负荷提供所需的电能。当前，风力发电和光伏发电装机容量的不断增加也使得并联接入模式更具发展潜力。

2 并联接入技术

分布式发电并联接入后，系统的稳定运行要求各并联模块输出电压的频率、相位、幅值和波形等要素必须完全一致，而且各模块应能够合理分配负载电流，这就需要进行同步和均流控制。各并联模块输出电压频率和相位的一致依赖同步控制环节，而各模块合理承担负载的问题则由均流控制来解决。PLL数字锁相技术常用来解决系统的同步问题，与传统的模拟锁相相比，数字锁相不仅可以简化硬件电路降低成本，还解决了模拟电路中器件老化和温漂等问题，提高了锁相的精度，见图5[13]。针对不同的并联控制策略，均流方式不同。

图5 模拟锁相和数字锁相

逆变器并联控制技术主要分为以下几类：主从控制，电流/功率均分控制，频率与电压下垂控制。

2.1 主从控制

主从控制技术采用一个电压控制逆变器作为主模块，N个电流控制逆变器作为从模块。主模块维持系统输出稳定的正弦电压，从模块负责电流调节，呈电流源性质。

文献[14-15]介绍了一种常见的主从控制结构如图6所示。在一个单相不间断供电系统（UPS）中，主模块采用电压控制PWM逆变器（VCPI）持续产生稳定正弦电压，从模块采用电流控制PWM逆变器（CCPI）跟随控制中心分配的电流。在下垂控制中，需要从电网交流总线侧检测频率信号，而这也是下垂控制中各并联电源之间唯一的联系路径，这种情况下需要使用PLL锁相环。这里所介绍的主从控制逆变器之间是有联系的，它们通过功率分配中心PDC进行通信，这使得逆变器无需专门的PLL模块进行同步控制，而且这也保证了良好的功率均分效果。

文献[16]中的系统利用逻辑电路（触发器）来确定主机，当主机断开，会自动确定一台从机作为主模块。即使主模块发生故障退出了系统,使用这种方法，系统仍能正常运行。文献[17]中介绍的自动主从控制是将输出有功功率最大的单元作为主模块，控制输出有功并产生参考频率，其余的作为从模块。对于无功的调节原理类似，输出无功最大的单元作为主模块，控制输出无功功率并负责调节参考电压幅值。这类控制方式通过消除系统对单一模块的依赖，提高了系统的稳定性和冗余性，但其对逻辑电路（主从仲裁模块）的依赖仍存在。

图6 主从控制框图

文献[18]侧重于孤岛状态的微网在不同情况下的运行和性能，其中采用了两种主要的控制策略。当微网与配网断开时，一种方案是采用一个电压源逆变器（VSI）作为主模块提供参考电压，其他所有的逆变器采用PQ控制。另一种方案是采用多个主逆变模块同步运行，表现出单一VSI的性质，从模块仍采用PQ控制。

在最近的文献[19-21]中，又对主从控制进行了改进，用一个中央控制块替换了之前的主逆变器，该模块控制输出电压并影响各从模块的输出电流，这种方法有时也被称为中央模式控制或分布式控制。这就意味着电压的大小、频率和功率分配是由中央模块控制完成的（指令通过低带宽通信信道分别输送到各逆变模块），而其他的问题诸如谐波抑制是由分散的各部自行解决的。

主从控制具有很多良好特性，其中的逆变器不需要配置PLL锁相环进行同步控制，而且负载均分的效果很好。连接线的线路阻抗不影响负载均分，系统扩容方便。然而，主从控制也有其缺点，其中最重要的一项就是由于设定了主逆变模块，一旦主模块或主从仲裁模块发生故障将影响整个系统运行，所以大部分系统并没有实现真正的冗余。而且，所有这些主从控制技术都需要进行通信互联，系统的可靠性在一定程度上依赖于通信的可靠性，通信设备也增加了系统的成本和复杂性。

主从控制策略适用于孤岛运行时的微电网，在孤岛状态时，微网与配电网断开连接，而微网内部要保证额定的电压和频率值，就需要其中一个或多个逆变电源来供额定电压和频率，即主模块；微网内部的功率平衡则是通过从模块控制输出的功率和电压来维持。当微网并网运行，其电压水平和额定频率由配电网来支持调节[22]。

2.2 电流/功率均分控制技术

这种控制技术首先是测量总的负载电流，然后根据系统中模块数量n得到平均电流。再通过计算各模块实际输出电流与平均电流之间的差值，为均分负载产生控制信号。

在文献[23-25]介绍的方案(见图7)中，控制各变流器使得它的平均输出电流直接与其开关频率相关。这样一来，总的输出脉动电压的频谱就包含了各电源输出电流的信息。各电源检测输出的脉动电压，并利用这一信息与其他电源之间实现电流平衡。

图7 电流均分控制框图

文献[26]还介绍了一种3C控制策略（见图8），所有的模块具有相同的电路结构，每块都含有一个电流内环和一个电压外环。3C控制中的模块在信号流动上构成一个环形结构，是将第一个逆变模块的输出反馈信号送到第二个逆变模块的控制侧，第二块的反馈送至第三块，依此类推，每个模块的电流内环控制跟踪它前一个模块的电感电流，最后一块的反馈量则作为第一块的控制参数，通过这种方式各模块在输出功率方面形成并联关系，并实现输出电流相同。这种控制策略主要用于UPS系统和自动调压器（AVR）。该方案将其他单元的反馈信号引入控制回路，稳定性问题难以用常规控制方案解决，鲁棒控制器仅限于理论分析，难以实现，而且链式结构系统的扩容难度较大。

图8 3C控制结构框图

文献[27]提出了一种逆变器电流前馈补偿，这使得输出阻抗呈阻性从而实现了较为精确的负载均分。前馈补偿不改变反馈控制系统的特性，减轻了反馈控制的负担，因而反馈控制的增益可以变小，有利于系统稳定性。由于谐波环流影响负载均分的精确性，文献[28]在[27]的基础上提出了针对这一问题的解决办法。在文献[29]中对并联的三相逆变器采用了数字控制算法。其中的数字电压控制器即使在非线性负载情况下仍能保证只有很小的电压畸变。每个UPS模块的输出电流均分总的负载电流，每个逆变器的电压基准指令与负载电流平衡。

电流/功率均分控制技术在负载均分和暂态响应方面表现优良，而且使用这种控制方法能有效抑制逆变器之间的环流。这种控制方法的缺点是由于需要测量总的负载电流并要求知道系统中逆变器的数量以求出平均值，所以系统扩容较复杂。而且，模块间的互联降低了系统的可靠性，使系统未能实现冗余。

2.1与2.2两节所介绍的方法可归类为有联络线的并联模式，在逆变电源技术发展早期得到了普遍认同，因为这种并联理论相对简单，容易实现。但是有联络线并联模式也存在着非常明显的缺点，包括并联单元的地理位置受到限制、电磁干扰严重、冗余性不佳等，这些都不利于分布式发电的接入，尤其在微源布局较分散的时候，互连线路将增加成本并且对系统稳定性造成影响，考虑到有联络线控制技术这些先天性缺点，逆变电源的无联络线并联控制技术应运而生。

2.3 频率与电压下垂控制技术

在无联络线并联模式中，各并联逆变模块通过输出端的交流母线相连，常用的是频率电压下垂控制技术。这种控制方式可以省略模块间的互联通信线路，各模块只需检测自身输出的电气量，根据外特性下垂法就可以调节各自输出的电压相位和幅值，实现负载功率合理分配，消除环流。

2.3.1 传统下垂控制

当逆变器输出阻抗主要呈感性时，基本的下垂控制方程为

式中，ω和ω0分别为逆变器输出角频率和初始角频率；V和V0分别为逆变器输出电压幅值和初始幅值；m和n分别为有功和无功功率的下垂系数。实际中，由于频率信号便于测量，可采用频率控制代替相角控制[30]。下垂控制常与电压电流双环控制结合使用，是将普通双环控制中的正弦参考电压替换为下垂控制部分合成的Vref（见图9），再加入同步控制模块就可以实现无互联线并联。

图9 参考电压和功率计算

文献[31]将下垂系数m和n用与有功和无功相关的一次函数替代，当功率变化时，能够根据实际输出功率动态调节下垂系数，增加了逆变器并联系统的稳定性和可靠性，如式（2）。

为增强系统的动态性能，文献[32-33]对下垂算法加入了微分环节，相比传统算法，它描述了更为精确有效的输出频率和电压调节模型，如式（3）。

2.3.2 频率电压反下垂控制

在文献[34-35]中提出了一种方法，在稳态情况下使用常规下垂方程，如式（4）。

式中，ps与qs分别表示有功和无功功率基准值；ωref=ωn，vref=vn。

式中，ωref=ω*，vref=v*。当输出阻抗主要呈阻性时，这种控制方法的负载均分效果是可以接受的。但是当线路电感与变流器输出滤波电感在同一个数量级时，电能质量会大幅下降，主要表现在电压扰动方面。电能质量受到的影响主要来自LC滤波电路，其中LC滤波器是由线路电感和变流器交流侧电容组成的。而且，与较高的电压等级相连时，这种方法并不适用，通常是使用传统下垂方程。

图10 常规下垂与暂态下垂

2.3.3 下垂控制与其他控制方法结合

文献[36]设计了数字滤波器和“直流环流消除器”，即在参考电压中加入了直流分量来控制输出电压的直流分量，使稳态输出的直流分量为0，实验结果良好。

下垂控制利用本地测量的电网状态变量作为控制参数，实现了冗余，系统的可靠运行不依赖于通信。这种控制策略具有很多理想的特性，如可扩展性、模块化、冗余性及灵活性。

利用下垂控制策略，当某个微源因故障退出运行时，其余的电源仍能够不受影响的继续运行，系统可靠性高；实现了“即插即用”，当系统需要进行扩容时，只需对新加入的微源设置同样的控制策略，即可接入系统，无需对其余发电模块进行调整，且不受地理位置的约束，安装维修更加方便，并联运行更加可靠。

然而，这种方法的不足之处是存在频率和幅值的偏差，暂态响应慢，由于各逆变器输出侧与负载总线之间线路阻抗不匹配或是由于电压/电流感应器测量值存在误差，导致逆变器之间容易产生环流；低压配电网中R>>X，与输电网不同，此时必须考虑线路阻抗的影响；当三相微网系统运行状态改变（如主动孤岛运行），控制模式也要作出相应调整，尤其是线性和非线性负载同时存在时，用下垂控制策略不能解决这些问题。所以，目前下垂控制即无互联线并联方式在实际中很少应用，应用较广的仍是有互联线控制的并机产品。基于目前的硬件发展水平及控制技术，在均流响应速度、稳定性等方面，有互联线控制相比无线控制具有明显优势。

3 结论与展望

根据前面的论述可以看出，要制定出对所有系统通用的控制策略是困难的，每一种控制方法都有其优点和局限性。

主从配置方案的缺点之一是系统的稳定性取决于其中从模块的数量，并联模块的数量与系统稳定性以及动态响应之间的关系十分复杂，针对不同的并联控制方式这种关系亦有区别，理清这一关系是今后研究工作的重要方向之一。

主从控制和电流/功率均分控制虽然未能实现冗余，但比较容易应用到实际系统当中。与之形成对比的是下垂控制技术，采用下垂控制的并联系统实现了冗余，但该系统的电压和频率会随着负载的变化而变化，无法保证电能质量，目前所采用的动态补偿的方法效果亦不理想，因此，分布式电源输出电能质量控制问题还有待深入研究。

另外，三相逆变电源的并网与并联控制比单相系统复杂得多，尤其是三相负载不平衡的情况，这也是需要进一步研究的内容。

综上所述，需要根据实际应用场合，如分布式电源的种类、地理位置与互联距离，构造微网的主要用途以及负载的种类等多方面的因素考虑，选取或综合运用较为合适的控制策略，即复合控制。随着理论研究的深入与硬件开发水平的提升，分布式发电接入技术会不断进步，将对未来智能电网的发展产生重要的影响，从而保障我国电网的长远发展。

[1] 胡学浩.智能电网——未来电网的发展态势[J].电网技术，2009，33(14)：1-5.

[2] 张文亮，刘壮志，王明俊，等.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术，2009，33(13)：1-11.

[3] 余贻鑫，栾文鹏.智能电网[J].电网与清洁能源，2009，25(1)：7-11.

[4] 张文亮，汤广福，查鲲鹏，等.先进电力电子技术在智能电网中的应用[J].中国电机工程学报，2010，30(4)：1-7.

[5] 郑杰,李磊,王葵.大规模光伏并网电站接入系统若干问题的探讨[J].电网与清洁能源,2010,26(2):74-76.

[6] 王成山,高菲,李鹏,等.可再生能源与分布式发电接入技术欧盟研究项目述评[J].南方电网技术,2008,2(6):1-6.

[7] 高研,毕锐,杨为,等.分布式发电对配电网继电保护的影响[J].电网与清洁能源,2009,25(4):20-23.

[8] 李碧君,方勇杰,杨卫东,等.光伏发电并网大电网面临的问题与对策[J].电网与清洁能源,2010,26(4):52-59.

[9] 张靠社,华志强,王媛,等.含分布式发电系统的配电网无功优化研究[J].电网与清洁能源,2011,27(4):22-25.

[10] 鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31(19)：100-107.

[11] H UANG Jiayi，J IANG Chuanwen，XU Rong.A Review on Distributed Energy Resources and Micro Grid[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008，12(9)：2472-2483.

[12] LIDULANWA，Raj apakse AD.Micro grids Research：A Review of Experimental Micro grids and Test Systems[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15(1)：186-202.

[13] 罗玛，杨成林，徐德鸿.基于DSP的逆变器数字锁相技术[J].电力电子技术，2005，39(5)：107-108.

[14] CHEN J F，CHU C.Combination Voltage-Controlled and Current-Controlled PWM Inverters for UPS Parallel Operation[J].IEEE Trans actionson Power Electronics，1995，10(5)：547-558.

[15] CHEN J F，CHU C L，LIEU Y C.Modular Parallel Three-Phase Inverter System[C]Proceedings of the1995IEEE International Symposium on Industrial Electronics.Athens,Greece,1995:237-242.

[16] VAN H,DER Broeck，Boeke U.A Simple Method for Parallel Operation of Inverters[C]Proceedings of the Twentieth International Telecommunications Energy Conference.San Fran-cisco,CA,USA,1998:143-150.

[17] PEI Y.Auto-Master-Slave Control Technique of Parallel Inverters in Distributed AC Power Systems and UPS[C]:Proceedings of the 35th IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference.Seattle,WA,USA,2004:2050-2053.

[18] LOPES J A P，MOREIRA C L，MADUREIRA A G.Defining Control Strategies for Micro-Grids Islanded Operation[J].IEEE Transactions on Power Systems，2006，21(2)：916-924.

[19] PRODANOVIC M，GREEN T C，MANSIR H.A Survey of Control Methods for Three-Phase Inverters in Parallel Connection[C]:Proceedings of the Eighth International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives.London,UK,2000:472-477.

[20] PRODANOVIC M，GREEN TC.High-Quality Power Generation Through Distributed Control of a Power Park Micro grid[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53(5)：1471-1482.

[21] GREEN T C，PRODANOVIC M.Control of Inverter-Based Micro grids[J].Electric Power Systems Research，2007，77(9)：1204-1213.

[22] 摆世彬.微型电网控制技术的研究[D].天津：天津大学，2008.

[23] PERREAULTD J，KASSAKIANJ G.Distributed Interleaving of Paralleled Power Converters[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems，1997，44(8)：728-734.

[24] PERREAULT D J，SELDERS R L，KASSAKIAN J G.Frequency-Based Currents haring techniques for Paralleled Power Converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，1998，13(4)：626-634.

[25] PERREAULT D J，SSTO K，SELDERS R L，et al.Witching Ripple Based Current Sharing for Paralleled Power Converters[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems，1999，46(10)：1264-1274.

[26] WU T F，CHEN Y K，HUANG Y H.3C Strategy for Inverters in Parallel Operation Achieving an Equal Current Distribution[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2000，47(2)：273-281.

[27] HANAOKA H,NAGAI M,YANAGISAWA M,Development of a Novel Parallel Redundant UPS[C]:Proceedings of the 25th International Telecommunications Energy Conference.Yok-ohama,Japan,2003:493-498.

[28] KIM K H，HYUN D S.A High Performance DSP Voltage Controller with PWM Synchronization for Parallel Operation of UPS Systems[C]：Proceedings of the 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference.Jeju,South Korea,June 18-22,2006,1-7.South Korea：Jeju，2006.

[29] TAMAI S，KINOSHITA M.Parallel Operation of Digital Controlled UPS System[C]Proceedings of the International Conference on Industrial Electronics,Control and Instrumentation.Kobe,Japan,1,1991:326-331.

[30] 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.

[31] 姚玮，陈敏，牟善科，等.基于改进下垂法的微电网逆变器并联控制技术[J].电力系统自动化，2009，33(6)：77-80.

[32] 李乐.无互联线并联逆变器控制技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2006.

[33] 国海.逆变器无互联线并联技术的仿真研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.

[34] KARSSON P，BJORNSTEDT J，STROM M.Stability of Voltage and Frequency Control in Distributed Generation Based on Parallel-Connected Converters Feeding Constant Power Loads[C]Proceedings of the European Conference on Power Electronics and Applications.Dresden,German，1，2005,10pp.-P10.

[35] GUERRERO J M.A High-Performance DSP-Controller for Parallel Operation of Online UPS Systems[C].Proceedings of the Applied Power Electronics Conference and Exposition.2004:463-469.

[36] 雷彪.单相逆变器无连线并联技术研究[D].杭州：浙江大学，2006.