基于主从控制策略的微网稳定性研究

张振良，李秀锦

(1.衡水供电公司，河北 衡水 053000；2.衡水桃城供电有限责任公司，河北 衡水 053000)

0 引言

随着分布式发电技术的迅猛发展，作为大电网的有益补充与微型发电装置的有效利用形式，微网(microgrid)这一概念已经引起各国学者的广泛关注[1-6]。美国电气可靠性技术解决方案联合会(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS)给出的定义为：微网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求[3]。微网具有独立性、灵活性、交互性、经济性的特点。

目前已有的微网仅为一些小型示范性工程或实验平台，要真正应用与推广还有许多关键技术及相关问题亟待解决。国内外已经针对微网开展了多方面的研究工作，主要包括分布式电源模型分析、微网控制、微网孤岛检测与保护、微网经济性等方面工作[7-14]。

微网灵活的运行方式与高质量的供电服务, 离不开完善的稳定与控制系统，控制问题是微网研究中的一个难点问题。文献[15]设计的联网分布式电源(DG)综合控制器采用直流电压波动前馈补偿的串级双环PI控制结构，积极配合原动机的调节，提高了电能质量水平，但仍局限于单个分布式电源的仿真分析。文献[16-17]对微网中DG的预同步和均流问题给出了解决方案，详细分析了并网条件对并网质量的影响。文献[18]总结了目前世界范围内的微网发展状况, 深入分析了微网实验室和示范工程的结构和控制模式,依据国外微网实验室和示范工程的建设经验给出了对中国微网建设具有指导意义的建议。

以下在分析不同微源特性及其数学模型的基础上，根据经典的微网控制方法[3,5]在PSCAD/EMTDC中搭建微网等效模型进行仿真，重点研究单主和多主控制策略下微网的电压和频率稳定性，为将来微网控制策略应用于实验平台奠定基础。

1 微网系统结构

微网中的电源多为微电源(简称“微源”)，微网系统结构示意见图1。在图1中，微源由燃气轮机、光伏电池、燃料电池以及风力发电机组成。光伏系统和燃气轮机接入馈线1；燃料电池和风力发电机接入馈线2。馈线通过主分隔装置(通常是一个静态开关)与配电系统相连, 可实现孤网与并网运行模式间的平滑切换，该开关点即PCC所在的位置。IEEE P1547.8(草案)规定在PCC处, 微网的各项技术指标必须满足预定的规范。

图1 微网系统结构

在正常运行方式下，馈线1 中发电容量大于正常负荷需求，潮流呈向上送的趋势，馈线2中负荷需求大于发电容量，需系统给该馈线供电；馈线3中为一般负荷，基本由配电网供给，在紧急情况下亦可切除。

2 微网主从控制策略

微网的基本运行依赖于各个微源，微源在联网和孤岛2种运行状态下的控制方式是不同的。微网控制应当保证：任一微电源的接入不对系统造成影响；自主选择运行点；平滑的与电网并列、分离；对有功、无功进行单独控制；具有校正电压跌落和系统不平衡的能力。

2.1 控制方式

微网的主从控制模式是指微网的控制系统中某一个控制器为主控制器，其余为从控制器的控制方式，主要应用于孤网运行模式下[19]。对于大量采用电力电子逆变器的微网系统，通常有3种控制方式：联网状态下的恒功率(PQ) 控制方式，孤岛状态下的下垂(Droop)控制方式和电压频率(Vf)控制方式[16]。由于孤网运行时，主网无法提供给微网电压和频率支撑，微网内必须至少存在一个微源作为主微源(master)为微网系统提供电压和频率支撑。当微网内仅有一个微源作为master时称为单主控制，master必须具有足够大的容量来承担功率差额，可采用Droop控制或Vf控制；当微网内有2个或2个以上微源作为master时称为多主控制，master需采用Droop控制或考虑容量限制的Vf控制方式。

2.1.1 PQ控制

微网并网运行时，系统电压和频率由主网提供支撑，各个微源维持恒定出力。由给定的有功功率和无功功率参考计算出电流参考值进行控制，等效控制图见图2。该控制方式需要系统中有维持电压频率的分布式电源。

图2 PQ控制器框图

2.1.2 Droop控制

下垂控制方式模拟传统发电系统的一次调频特性，当微网孤网运行时，微源迅速按各自容量比例分担负荷、抑制干扰。图3给出了2个不同容量的微源下垂特性示意图。可以看出，微源通过调整各自输出电压的频率和幅值，使其降低到一个新的稳定工作点，从而实现输出功率的合理分配。如果微源的下垂斜率相等，则在稳定后各微源的输出功率相等；如果下垂斜率不相等，则斜率大的承担功率小，斜率小的承担功率大[16]。此控制方式一般用于分布式电源接入逆变器的控制。

(a) 有功功率-频率 b) 无功功率-电压

2.1.3 Vf控制

电压频率控制方式由下垂控制方式发展而来，通过设定电压和频率参考值，在 PI 调节器作用下实时检测逆变器输出端口电压和频率，并作为恒压、恒频电源使用，控制方式如图4 所示[20]。如果存在2个Vf控制电源，则需要考虑其容量限制，否则会出现电源争抢出力的情况。此控制方式一般用于在主从控制策略中主分布式电源的控制中。

图4 Vf控制器框图

2.2 控制过程

a. 当检测电源检测到孤岛或者电网主动从配电网断开，进入孤岛运行模式时，微网控制切换到主从控制模式，通过调整各个微源的出力来达到功率的平衡。

b. 当微网负载变化时，首先由主电源自动根据负荷变化调节输出电流，增大或者减小输出功率；同时检测并计算功率的变化量，根据现有的发电单元的可用容量来调节某些从属单元的设定值，增大或减小它们的输出功率；当其他电源输出功率增大时，主电源输出相应的自动减小，从而保证主电源始终有足够的容量来调节瞬时功率的变化。

c. 当电网中无可调用的有功或无功容量时，只能依靠主单元来调节，当负荷增加时，根据负荷的电压依赖特性，可以考虑适当减小电压值；如果仍然不能实现功率平衡，可以采取切负荷的措施来维持微网的运行。

2.3 影响因素

主从控制策略中主电源采用Vf控制法，其输出的电压是恒定的，要增加输出功率，只能增大输出电流，负荷的瞬时波动通常首先是由主电源来进行平衡的，因而要求主电源有一定的容量；由于整个系统是通过主电源来协调控制其他电源，一旦主电源出现故障，整个微网就不能继续运行。主从法依赖于通信，因此通信的可靠性对系统的可靠性有很大影响，而且通信设备会使系统的成本和复杂性增大。

2.4 对微网稳定性的影响

微网与配电网的不同故障点和电动机负荷的大小等因素会对微网的稳定性造成影响[5]。

a. 当配电网故障发生时，主控制单元的控制方法和响应时间对微网稳定性有重要影响；与大电网连接点的三相短路故障是影响微网稳定的最严重故障，故障清除时间越短，微网越稳定。

b. PQ控制方式和恒阻抗负荷对微网稳定性没有影响，通过低压切电动机负荷和采用可以提高微网的稳定性。

3 主从控制策略仿真分析

以图1为微网系统结构框架，采用基于下垂特性的电压频率控制方式，在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型，对运行模式转换时的微网稳定性进行仿真分析。

3.1 单主控制

前5 s微网并网运行，4个微源全部为恒PQ控制策略，功率曲线如图5所示，4个微源有功功率分别为52.5 kW、10 kW、40 kW、20 kW，MS1无功功率为25 kVar，主网向微网输送功率9.8 kW、4 kVar；5 s后微网由于外部故障开始孤网运行，此时MS1作为master转为Vf控制，补偿微网的功率差额9.8 kW、4 kVar，保证微网的电压和频率恒定，其他微源仍为恒PQ控制。15 s时主网故障清除，微网恢复并网运行，微源控制方式恢复至孤网前的恒PQ控制。

(a) 有功功率

(b) 无功功率

微网电压、频率和电压相位差如图6所示。由图6(a)、图6(b)可见，孤网和再并网瞬间，微网电压和频率均有小幅波动，但由于微网孤网运行时未对相位进行精确锁定，微网再并网时频率波动较大，电压波动并不明显。

(a) 电压

(b) 频率

(c) 电压相位差

微网孤网稳定运行时8 s有功负荷突增9 kW的情况。微网功率、电压、频率如图7所示。可见在MS1的Vf控制方式下，负荷的突增并没有破坏微网自身稳定性。微网电压和频率在短暂波动后均迅速恢复稳定。

(a) 有功功率

(b) 电压

(c) 频率

3.2 多主控制

微网并网运行时，4个微源全部为恒PQ控制策略，出力曲线如图8(a)所示；5 s后微网由于外部故障开始孤网运行，此时MS1和MS2作为master转为Vf控制，考虑MS2的容量限制，MS2达到最大出力110 kW后转变为恒PQ控制。两微源补偿微网的功率差额30 kW、14 kVar，保证微网电压和频率恒定；其他微源仍为恒PQ控制。15 s时主网故障清除，微网恢复并网运行，微源控制方式恢复至孤网前的恒PQ控制。

(a) 有功功率

(b) 无功功率

微网电压、频率和电压相位差如图9所示。由图9(a)可见，电压波动较为明显。图9(b)、(c)显示孤网和再并网瞬间，微网频率比3.1节中波动更大，微网和参考电压相位差更大，这是由于微源容量的限制，导致其调节能力不足。

(a) 电压

(b) 频率

(c) 电压相位差

4 结论

针对单主和多主的主从控制策略进行了PSCAD/EMTDC环境下的仿真，仿真结果证明主从控制策略在孤网运行时具有良好的负荷跟随能力和稳压恒频的性能，整个微网系统具有较强的承受负荷冲击的能力, 基于下垂特性的电压频率控制方式可实现微网孤网运行时负荷在微源间的合理分配，且在孤网运行期间可提供有效的电压和频率支撑，使电网和微网运行的稳定性良好。单主控制更加简单易行，但对微源容量有较高的要求。这为进一步研究复杂微网系统的协调控制理论和微网控制理论的实验室应用奠定了基础。但上文仿真微源采用的是受控电流源模型，该微网系统的动态模型仅适合于系统级控制策略的动态仿真分析。关于机电协调控制的研究还需搭建更为详细的原动机模型，微网电压、频率的运行标准对微网运行模式的影响也需要进一步的研究。

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