微电网控制系统的分析与仿真

苏海滨，王 娜，李献伟，穆春阳，刘江伟

（1．华北水利水电学院 电力学院，河南郑州 450045;2．许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

微电网是指由分布式电源（Distributed Generation，DG）、储能、负荷和保护装置汇集而成的低压配电子系统．微电网既可以与主配电网并网运行，也可以独立运行．并网运行时，微电网通过公共连接点（PPC）与主电网相连，并可以从主网吸收电能或向主网提供电能，当主配电网中发生故障或出现较大扰动时，微电网迅速与主配电网断开，独立向其内部重要负荷供电．

笔者为了研究微电网在并网与孤岛模式运行条件下有功功率和无功功率的功率分配问题：通过变频，得到良好的控制功角和电压等级;通过对变频器频率的控制及对能量流动和功率角的动态控制，来防止微电源和变频器的过载，及保证在没有联络的情况下变频器能够以预定的方式感应负载变化，主要集中在微网逆变器的操作和控制上;将DG设备配置在靠近负载的地方，以提高电力供应的可靠性和电能质量．

1 微电网结构

图1为含有2个DR的微电网结构的简化框图．该系统通过变压器将主电网与每个微电源相连接，为所有负载传送电功率，2个负载在2个DR附近，第3个负载在逆变器之间，孤岛运行时，可以测试各单元间的功率分配．

三相负载网络是Y形连接，电阻和电感串联，负载与总线的连接是4线制（三相线和一个中性线），DR通过一个变压器串联电感与本地支线连接．变压器是三角—Y形，在三角侧有逆变器．

图1 系统简化框图

2 分布式电源

图2为DR的基本框架与1个本地支线的连接，DR包含将直流转换为交流的三相反相器、控制平台、LC输出滤波器、电抗器和变压器．反相器包含绝缘栅门极晶体管（IGBT）开关，它是由控制器所产生的门信号来控制的［1］，在线电压和电流供给控制器之前，将其进行测量和调整，以做进一步处理．

在三角形—Y形变压器（将380 V降为220 V）的一次侧，DR通过电感与支线相连接，在变压器Y形侧有4条支线，以便于单相负载与系统的连接．反相器开关频率的波动值通过一个LC滤波器进行衰减，逆变器控制DR和电力系统中有功和无功功率的浮动．有功功率P主要依靠功率角控制，无功功率Q主要依靠逆变器的输出电压来控制．

式中：V为变压前的电压;E为变压后的电压，也称反馈电压;δ为功率角，由式（1）知无功功率Q依赖于电压的差．

图2 微电网控制框图

2．1 并网运行控制分析

有功功率P和反馈电压E是被控制量，假设这些量期望值为P0和E0，逆变器是由d－q空间矢量的时间积分来控制的［2］．

图3为逆变器的控制系统，该系统中直接由逆变器控制的2个变量是磁通ψv的大小和相位，为矢量4，这种控制方式形成内部控制环，可实现快速控制．交流系统电压空间矢量是由瞬时电压测量值得到的［3］．

图3 逆变器控制框图

理想的模式是用稳定的正弦曲线信号代替由逆变器产生的电压信号．由于所有开关的模型和它的开启计划是基于不需要执行的开关矢量，因此，可以快速地用计算机模拟［4］，通过交流侧相位角可以将相角差异转换成逆变电源的相位角，则其三相电压为：

2．2 孤岛运行控制分析

孤岛运行时，分布式电源主要是维持电压并且提供额外的有功功率即并网时电网所提供的功率．电力电子接口的要求是：提供固定的功率和本地电压调节;利用存储提供快速的负荷跟踪;综合功率－频率下垂法，确保没有通信时，孤岛运行中微电源之间的负荷分配［5］．

为了使设备之间的通信没有明确的信号通信网络，逆变器终端的频率允许根据功率的需要而改变，当在网络中有2点的工作频率不相同时，将会增加频率高的地方的功率输出．这样，这两个频率常常漂移到一个共同的中心值［6］，并且这个新的稳态将会出现在一个比并网连接时更低的频率．

图4是下垂调节器的原理图．这个调节器［7］有2个重要的特点：首先，当接入交流电网时，它可以保持功率的任何期望值;其次，当发生下降调节时，它慢慢形成一个接近于ω0的频率．

图4 功率－频率下垂控制框图

图4中恒量m表示没有频率恢复环时频率的下垂量．每个设备可获得与它本身的额定功率成比例的额外功率限额，大的设备不管它们在孤岛运行前的工作点如何，都要加入更多的功率［8］．这种控制通过消除网络中一些重要分支的功率来得到新功率，这意味着本地发电须满足本地需要．在变压器中没有功率流，这样是为了减少系统中的输电损耗．因此，m的系数是由孤岛前本地设置点和孤岛后新的设置点决定的．

图5给出了当只有2个设备时下降调节的特征线．

图5 下垂特性线

频率恢复期间，在分配新的电压等级时，功率保持不变是很重要的［9］．功率下垂控制形成一个新的稳态工作点，这个稳态工作点在t=t1处，t1为所选开始点处有一个较低的频率ω1，对应每一个电源有不同的功率Pi（t1），当每个电源的功率等级固定在Pi（t1）时，控制环为了给孤岛系统一个接近于ω0的频率，每一个电源频率变化的速率必须相等，以保证电源间固定的功率角不变，即

当t≥t1时，则转换速率为

因为频率恢复环比下垂控制器慢，因此可假设

由图4中积分可得

由式（6）—（9）可得

由式（8）可看出，在每个系统中增益ki'和ki″分别依赖于设置点P0i和P1i，如果一个设备改变了它的设置点，不需要与其他设备通信即可完成功率的分配．

3 仿真结果

3．1 孤岛模式运行

图6—9是孤岛运行时，在DR1和DR2之间的三相平衡负载（负载12）阶跃变化时的仿真波形，在孤岛模式中，2个DR为微电网中负载提供所需的能量．图6是通过分支L1和L2的功率流，L1表示公共设施网络变压器与DR1之间的连线，L2表示中间负载（2个DR中间）与DR2之间的连线．如图6所示，由于DR是孤岛模式，因此，DR1和DR2之间负载需要的变化是由2个DR根据它们的功率－频率下垂特性来调整的［10］．图7的DR有功功率输出图也证明了这点．图8的DR无功功率输出仿真图中的无功功率输出的变化，是为了调节它们的终端电压．图9的波形说明了在DR1和DR2之间，终端电压变化是一个阶跃变化．

图6—9表明，当负载增大时，2个DR的输出功率也增大以满足新的功率需求，一旦接入新的负载，电网中电压的相角就会变化．DR是用一个本地系统频率值的瞬时变化和改变下垂特性来实现这个变化的，并最后增加它们的输出功率．

3．2 并网模式运行

图10—13是在并网模式下，在DR1和DR2之间三相平衡负载（负载12）的阶跃变化曲线．

在这种模式下，负载的能量需求由DR之间和公共电网共同承担．图10表明，由于DR是并网模式，DR1和DR2之间负载所需变化几乎全部由公共电网所提供，公共电网功率－频率下垂特性接近于水平，图11也证明了每一个DR中都有明显的功率输出．图12是在DR1和DR2之间负载阶跃变化时，每一个DR无功功率输出的仿真结果，无功功率输出的变化是为了通过控制器作用来调节终端电压，图13的波形图部分表明在DR1和DR2之间负载终端电压变化是一个阶跃变化．

4 结语

在孤岛模式下，该微电网结构将一个常量输出功率转换成功率－频率下垂特性．这个下垂特性利用微电网中频率的瞬时变化，使得所有单元能够调节它们的输出功率，使其满足电网中所缺少的限额．无论是否接入电网，通过无功功率－电压下垂来调节总线电压的大小，可实现功率的补偿．

［1］ Liserre M，Teodorescu R，Blaabjerg F．Stability of grid-connected PV inverters with large grid impedance variation［C］∥Proc of IEEE PESC，Aachen，Germany，2004：4773－4779．

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［5］张彦，赵义术，余蜜．光伏并网逆变器电流控制技术研究［J］．电力电子技术，2009，43（5）：29 －31．

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