微电网系统控制器研究

李延新 张兆云

（国电南瑞科技股份有限公司，广东 深圳 518054）

近来年，分布式发电（DG）和微电网系统获得了越来越多的重视和研究[1-4]。在我国微电网的实施不仅能够促进风光等可再生能源发展，提高电力系统的可靠性，解决偏远地区的电力应用，而且最终将会降低终端用户的用电成本，使得电力系统更安全更经济。分布式新能源以及当地负荷组成相对独立运行的微电网会逐渐成为一种趋势，成为智能电网的重要组成部分。

目前我国微电网通常由分布式新能源（DG）和储能设备（DS）构成，分布式新能源一般为几千网到几百千瓦的光伏电池太阳能发电系统或直驱式风力发电系统，同时微电网中也会配置蓄电池、超级电容器等储能设备（DS），增加系统的惯性。这类微电网处于孤岛运行模式时，储能装置会快速地转换为定电压和定频率控制模式（V/ f控制），其功率输出可控，能够足够快地随负荷波动，向微电网中的其他分布式新能源提供电压和频率参考，而其他分布式新能源则一直采用定功率控制。孤网下，储能装置的控制器为主控制器，其他的控制器为从控制器，各从控制器将根据主控制器来决定自己的运行方式。这就是微电网的主从控制模式。

系统控制器是微电网控制系统的重要组成部分[5]，在并网和孤网运行方式下，维持微电网运行时功率和频率的稳定，尽可能提高清洁能源的利用。在微电网中，系统控制器的控制策略是维持电网的电压和频率的关键。

1 微电网模型

本文以华北电网围场御道口风、光、储村庄模式为目标系统进行建模和仿真。村庄模式建设内容包含光伏发电、风力发电、储能、低压集电和配电、微电网监控和能量管理、电能计量、电能质量监测和治理、接入公用配电网、通信等9个子系统，最终形成一个低压0.4kV的微电网运行系统。该微电网中既可以并网运行，也可以孤网运行。该微电网的主要新能源包括：50kW光伏发电系统两套；60kW直驱型风力发电两台；100个6.4V/200Ah的铅酸蓄电池组成的储能系统一套。同时微网中的负荷包括当地农户用电负荷以及可调负载。图1是该微电网的仿真系统结构图。

图1 微电网仿真系统结构图

采用了 PSCAD对该微电网系统进行仿真。光伏发电系统的模型如图2所示。光伏逆变器由光伏电池、Boost电路以及逆变器电路3部分构成[6]。其中光伏电池部分将太阳能转变为直流，输入参数包括光照强度和温度；Boost电路主要完成最大功率跟踪（MPPT）功能；逆变电路将直流变换为交流。

图2 光伏发电系统仿真模型

直驱型风力发电系统包括风力机、永磁同步电机、整流电路和逆变电路4部分。除了风力机部分外的直驱型风力发电系统模型如图3所示。其中风力机输出的转矩为同步电机的输出转矩；永磁同步电机将机械能转换为频率和幅值不恒定的交流量；整流回路将不稳定的交流量变换为直流；逆变回路将直流变换为频率和幅值恒定的交流。

微电网中储能系统采用铅酸蓄电池。铅酸蓄电池模型一般有一阶基本模型、一阶改进模型、Thevenin等效模型、三阶非线性动态等效模型[7]等。本文采用的是三阶非线性动态等效电路模型。蓄电池发电系统由蓄电池和逆变器两部分组成，仿真模型如图4所示。

图3 直驱风机仿真模型

图4 蓄电池仿真模型

该模型中光伏逆变器和直驱风机采用 PQ控制模式。蓄电池储能系统可以工作在PQ模式或者V/F模式。在并网的时候蓄电池采用 PQ控制，孤网运行时采用V/F控制。通过仿真可以了解微电网的并网扰动特性、并网和解裂过程、孤网稳态、孤网扰动下的运行特性。

2 仿真结果和控制策略分析

2.1 控制策略

无论并网或者孤网，光伏逆变器和直驱风机始终工作于 PQ控制模式；并网运行时，蓄电池系统也运行于PQ模式。PQ模式是微电网中新能源的一种重要的运行方式。PQ控制时变流器的控制采用基于电网电压定向的电流闭环矢量控制，控制系统由功率外环和电流内环组成。控制逻辑系统图如图 5所示。

图5 控制系统仿真模型

其中，Edc为逆变器直流侧电压实测值，Q为逆变器输出无功功率实测值；dc-ref为逆变器直流侧电压参考值；Q_ref为逆变器输出无功功率参考值；Isd、Isq为逆变器输出电流的直轴分量和交轴分量；Usd、Usq为逆变器输出电压的直轴分量和交轴分量；Udref、Uqref为逆变器SPWM控制所需要的电压矢量计算值。

根据仿真图，解耦后的Id电流内环控制结构如图6所示。当开关频率足够高时，其逆变桥的放大特性可由比例增益Kpwm近似表示。

图6 电流内环控制结构

在并网条件下，光伏逆变器和直驱风机工作在最大功率跟踪状态，蓄电池工作在PQ控制，并网时大电网保证微电网电压和频率的稳定，系统控制器实时跟踪PCC结点的有功和无功，控制光伏逆变器和直驱风机的无功输出，提高PCC结点的功率因数。

2.2 模式转换仿真

并网转孤网，图7所示是强制跳闸下PCC点开关两侧的波形（光伏和风力发电总容量大于负荷），其中图中①为PCC点电网侧电压，②为PCC点微网侧电压。在PCC开关跳开后，控制器检测到了孤网状态，蓄电池切换到V/f控制模式，开始支撑微网恢复正常运行。在图6所示逆变器的控制框图中，在强制切换的过程中，逆变器外环给内环指定的 Id和 Iq基本不变（外环是较慢的功率控制），内环电流控制迅速调节，保持输出的 Id和 Iq不变，整个逆变器呈现出电流源特性，原本反送大电网的电流流向负荷，造成电压升高，出现过电压。并网转孤网可以在系统控制器干预下实现主动解列，控制器控制电源的PQ输出，先将流经PCC开关的电流降为很低，再分开PCC开关，实现平稳过渡。如果切换过程中光伏和风力发电总容量小于负荷，就会出现短时欠电压。

图7 强制并网转孤网仿真波形

孤网转并网，图8所示是在系统控制器的控制下PCC开关实现同期并网。控制器跟踪主网电压和微网电压，调整系统频率（49.95Hz），检同期元件投入，当电压和相角差都小于门槛时系统控制器发出合闸令，微电网并网运行。

图8 同期并网仿真波形

2.3 负载特性仿真

在孤网以蓄电池为支撑的环境下，光伏逆变器和直驱风机采用PQ控制模式，蓄电池采用V/ f控制模式。负荷突然增加时，短时由蓄电池提供扰动功率。

图9所示是负荷突然减少时的仿真波形。其中Qpv1，Qwt1，Qpcs分别为光伏、直驱风机以及蓄电池输出的无功功率：Ppv1，Pwt1，Ppcs分别为光伏、直驱风机以及蓄电池输出的有功功率：Ipv1，Iwt1，Ipcs分别为光伏、直驱风机以及蓄电池输出的电流：EbusA，EbusB分别为母线A和母线B的电压。

在切负荷的瞬间，逆变器电流不能突变，负载阻抗增加，电压升高，过电压及其延续的时间和负载切除的比例相关。短时过电压系统需通过配置压敏电阻或 MOV吸收电流，若能量过大，则可以通过控制器投入电阻箱吸收。

图9 孤网运行切负荷仿真波形

3 微电网系统控制器的装置实现

微电网的系统控制器实现微电网从并网转孤网、以及孤网转并网的过程，负责微电网独立运行时电压和频率的上层控制，通过控制各类分布式电源和储能设备的功率调节、负荷投切，来实现微电网系统稳定平衡。

在微电网独立运行时，如负载小于风机和光伏的额定输出功率，会能出现微电网频率或者电压过高，此时适当退出部分分布式电源或者在利用分布式电源并网逆变器的输出功率限制功能，限制分布式电源的输出功率。当负载大于风机、光伏、储能设备的输出功率时，微电网频率或者电压下降，此时适当切除部分负载，保持微电网系统频率和电压稳定。

系统控制器实时监视PCC电压、电流，当需要孤网运行或者判断出外部电网失压，模式控制器快速切除与主网的连接，蓄电池双向逆变器的工作模式由PQ模式转换为V-F模式，迅速建立孤岛运行时微电网系统的电压和频率。当需要孤网运行转换为并网运行时，控制器跟踪主网电压和微电网电压，实现同期投入。

基于微电网系统仿真的基础上，本文设计构建了一套完整的微电网控制系统平台，图10是微电网的系统控制器系统示意图。系统控制器采用基于PPC8321的嵌入式平台实现系统采集控制功能。通过以太网或 485网络与智能终端和逆变器实时通讯，掌握系统工况，并决策控制。系统简单可靠，与微电网保护装置互相配合，共同保证微电网的稳定可靠运行。

图10 微电网的系统控制系统示意图

4 结论

本文从微电网典型系统着手，利用 PSCAD建立了含风力、光伏、蓄电池系统的微电网模型，仿真分析各种扰动情况下微电网的响应及系统控制器的应对控制策略，并根据系统控制策略设计了微电网的系统控制器。微电网应对各种工况和扰动，除了风力、光伏等电源要具有较大的调节能力，配置蓄电池、超级电容器等储能元件进行支撑外，还需要从系统角度实现微电源和负载的通信和协调控制，确保微电网系统安全稳定运行。

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