考虑主从控制策略的微电源逆变器设计

潘远，李培强，李欣然，刘乾勇，徐长鸿，陈德生

（1．湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082；2.广东省电力调度中心，广州 510600）

考虑主从控制策略的微电源逆变器设计

潘远1，2，李培强1，李欣然1，刘乾勇1，徐长鸿1，陈德生1

（1．湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082；2.广东省电力调度中心，广州 510600）

逆变器的设计能使微电源参与微电网频率调节，并可以将微电网切换到孤岛模式。采用平均功率法设计了功率控制外环，构建了基于功率电流双环控制的PQ控制的逆变控制器为从控制器；通过调整传统的控制方程和设计适宜的控制器参数改变了传统电网的下垂特性，从而设计了基于改进型下垂特性的外环控制器为主控制器，进而提出了一种无需通信的各类型分布式电源间的主从控制策略。仿真算例结果验证了该协同控制策略的正确性和有效性。

微电网；分布式电源；主从控制策略；孤岛模式；频率控制

分布式发电是相对集中式发电提出来的概念，它为解决当下集中式发电的缺点以及可再生能源发电并网找到了突破口。分布式发电可以在负荷中心或偏远的农村建立，极大地提高清洁能源的利用效率。但分布式发电接入系统后具有拟负荷特性（即类似负荷的特性，在电网中不参与调频和调压的过程），IEEE1547对分布式能源的入网标准做了规定，当系统发生故障时，各个微电源必须退出运行。这就大大限制了分布式能源效能的充分发挥，也不符合目前电网运行要求[1]。微电网[2，3]为大规模的分布式电源接入提供了可能，它运行在并网和孤岛状态，并网时向主网吸收或供应能量，当主网发生故障时，微电网脱离主网进入孤岛运行状态，此时需要对微电源、储能装置之间进行协调控制才能维持微电网的孤岛运行。由分布式电源和储能装置组成的小容量低电压微电网既满足用户对高质量的电能的需求，又能在电网发生大规模故障时独立运行并为电网提供有力支撑，同时又充分利用新能源发电，有效降低了碳排放，利于环保。因此微电网研究成为电力系统研究的热点问题之一。文献[4，5]从理论上对微电网的控制问题进行了研究，分析了微电网中并网和孤岛状态下的相互转化过程。文献[6]提出了一种微电网在孤岛状态下低频减载的控制方法，适应孤岛状态下负荷控制问题。文献[7]建立了风-光-柴-蓄的多微电源的复合型发电系统，为微电网的研究提供了路径。文献[8]阐述了微电网控制问题，并讨论了微电网中涉及的技术范围。文献[9]研究了微电网的结构，并在Matlab/Simulink环境下搭建完整的微电网平台，模拟了微电网在并网和孤岛模型下的稳态、暂态情况。

本文以微电网的结构以及一般控制策略为基础，针对分布式电源和负荷的分散性等特点，研究了分布式电源DG（distributed generation）逆变器的结构及其逆变系统设计方案，构建了有功和无功控制（PQ控制）逆变系统为从控制器，设计了改进型的下垂控制器为主控制器，进而提出了一种无需数据通信环节的各类型分布式电源间的主从控制微电网控制策略，针对微电网在重新并网时与配电网的同步问题，提出了同步控制策略，并在Matlab/Simulink环境下模拟微电网在孤岛和联网两个运行模式之间转换的稳暂态过程，验证了该策略的有效性。

1 微电网的基本结构

本文所设计微电网基本结构如图1所示。微电网由2个微电源以及相应的负荷组成，再通过相关电气元件连接到低压配网，每个微电源经正弦脉宽调制的逆变器逆变为三相交流电，整个微电网相对配网来说是一个整体，通过公共连接点PCC（point of common coupling）和配网相连接。其中敏感负荷1由采用V/F控制的DG1供电，确保可靠性，可中断负荷2由采用PQ控制的DG2供电，可中断负荷3由DG1和DG2共同供电，确保经济性且可以随时切掉[10，11]。

图1 微电网结构Fig.1Microgrid structure

2 分布式电源逆变系统及其控制器设计

2.1 PQ控制逆变系统设计

PQ控制的并网逆变器的控制框图[12]如图2所示。它由外功率控制环和内电流控制环两个控制环节构成。PQ控制可以实现有功功率和无功功率的解耦控制，锁相环技术可以得到系统的相位并始终满足同步并网的要求。

图2 PQ控制系统框图Fig.2PQ control system block diagram

2.1.1 PQ控制的功率控制环设计

逆变系统在稳态时输出的功率由等值的电流源吸收，从而只需对电压型逆变器进行电流调节，即可完成逆变器的相应功率控制目标。一般根据不同情况，可以选用瞬时功率和平均功率方法进行调节。本文考虑到采用瞬时功率法会导致电网受到干扰时对电能质量造成影响，故采用平均功率法进行控制。在旋转坐标系中，平均功率控制的功率计算公式为

式中：P表示微电源的实际有功出力；Q表示微电源的实际无功出力；ud（t）、uq（t）、id（t）、iq（t）分别表示dq轴的电压、电流分量。

在功率调节中，根据P、Q与Pref、Qref之差进行PI调节，控制框图如图3所示，产生的Iid，ref、Iiq，ref作为电流环的参考输入。

图3 PI调节功率控制框图Fig.3Control block diagram of PI power regulator

2.1.2 电流控制环设计

由第1级功率调节得出电流参考值后，进行电流调节。电流控制环采用PI控制器的目的是将参考电流值与反馈回控制器的实际电流值作比较，如图4所示，根据差值迅速做出调节，产生正确的参考电压。如果逆变器的输出电流能根据功率控制环给出的参考值保持稳定调节，就保证了输出电压跟踪参考电压。在整个电流环设计过程中需要对其解耦操作，解耦后电流环在旋转坐标轴下相互独立。同时，在电流环调节中，增加前馈控制可以减少电网电压对系统的影响。

图4 PI调节电流控制框图Fig.4Control block diagram of PI current regulator

2.2 基于改进型下垂控制的V/F控制逆变系统设计

V/F控制逆变系统的直流源假设为无穷大直流母线[13，14]。由于传统的低压配网呈阻性，本控制器首要设计任务是使输出阻抗呈感性，利用类似传统电网的一次调整的下垂特性的V/F控制来实现微电网在孤岛下不同分布式电源间变化频率共享，同时提供电压和频率的支撑。V/F控制能够使微电源自感应系统频率和电压的变化，减少了通信环节，增加了微电网的可靠性，如图5所示。

图5 V/F控制系统结构Fig.5V/F control system structure

2.2.1 V/F控制功率控制环设计

通过改变传统的控制方程和设计适宜的控制器参数，使本文设计的逆变器输出阻抗呈感性[14]，因此常规的高压电力系统的下垂特性可应用于低压微网，得新的下垂特性方程为

式中：Pmax表示微电源的最大有功出力；fmin表示微电源正常运行时的最小频率；fn、Pn表示所需调节的频率以及有功出力；a表示频率下垂特性曲线的斜率；Qmax表示微电源的最大无功出力；Emin表示微电源正常运行时的最低电压；En、Qn表示所需调节的电压以及无功出力；b表示电压的下垂特性曲线的斜率。

设计功率控制器如图6所示，采用PLL锁相环控制后，频率信号更易于测量，故用频率控制替换相角控制。控制器中的反馈功率即为分布式电源的瞬时输出功率，其中分布式电源输出的有功和无功需满足0〈P〈Pmax和-Qmax〈Q〈Qmax两个条件，该控制器的输出作为下一级控制的参考电压。

图6 V/F功率控制器结构Fig.6V/F Power controller structure

2.2.2 内环电压电流控制环设计

由上级功率控制得出参考电压后，最重要的任务是对电压和电流进行精准、动态调节。本文对其采用电压电流双环控制，控制结构如图7所示，该内环控制器可以提高电能质量、增加滤波器谐振阻尼的同时限制故障电流。同时，采用滤波电感电流作为控制变量能限制逆变器输出的最大电流，为保护逆变器提供了可能。

图7 电压电流双环控制结构Fig.7Voltage and current loop control structure

2.3 分布式电源同步并网控制策略

微电网在孤岛状态运行一段时间后需要再次并网，并网前必须与主网侧电压、频率同步，否则并网时出现功率冲击以及浪涌电流对主网安全稳定性带来隐患。传感器检测PCC点两端的电压相量的电压差ΔU、频率差Δf和相用差Δδ是否达到并网标准，微电网的并网标准[15]设为：电压差ΔU≤10%，频率差Δf≤0.3 Hz，相角差Δδ≤5°。微电网孤岛状态后再次并网的同步过程可以直接在功率控制器中增加2个PI环作为同步补偿器，如图8所示。

图8 并网同步控制器结构Fig.8Network synchronization controller structure

3 改善电能质量的滤波器设计

分布式电源逆变器接口可以增强分布式电源并网性能，但产生大量的谐波污染。本文设计的逆变器采用了正弦脉宽调制，在较高的开关频率下，输出电压会在开关频率处产生谐波，因此必须设计可控的滤波器，本文采用LC滤波器[12]。LC滤波器的主要目的是消除围绕开关频率的高次电流谐波。滤波器中电感L和C的参数受以下调节约束。

电感引起的基波损耗尽可能小；电容器中的基波损耗尽可能小；电感和电容的串联谐振频率应尽可能远离逆变器输出电压中的低次谐波频率以及开关频率周围的高次谐波电流。因此滤波器器设计的经验公式为

式中：f1为基波频率；fc为LC滤波器的谐振频率；fs为载波频率；Lf滤波器电感；Cf滤波器电容。

在较大功率的应用中，开关频率一般不超过3 kHz，式（4）较难满足，综合比较各种情况，有

研究中按如上要求设计出的LC滤波器可以有效滤出高次谐波电流，并抑制低次谐波电压。

4 仿真算例

图1中两个分布式电源并联形成微电网后通过变压器连接到配电网。DGI为主控制器采用V/F控制，负荷1为敏感负荷，确保其母线电压以及频率稳定。DG2为从控制器采用PQ控制，则能够保证该分布式电源输出到母线2上的功率为恒定值，从而保证了分布式电源的稳定输出。系统等值以及负荷数值在图1中标出。DG1、DG2的有功参考功率分别是7 kW、5.5 kW。无功参考功率均为0 kvar。敏感负荷1有功参考功率和无功参考功率为6.8 kW和1.5 kvar，可中断负荷2、3的有功参考功率和无功参考功率分别为4 kW、2.5 kW和2.5 kvar、1.8 kvar，线路1和线路2均为380 V线路，低压线路参数为：R=0.631 Ω/km，X=0.082 Ω/km，R/X=7.7。变压器电压等级0.4 kV/10 kV。系统参数如下：直流侧电压Udc=780 V，电网频率f=50 Hz，载波频率f=3000Hz。滤波器参数如下：滤波电阻R=0.01Ω，Lf1=0.8mH，Cf1=1800μF，Lf2= 1.5mH，Cf2=300 μF。PQ控制器参数：功率控制环参数Kp=2，Ki=200，电流控制环参数Kp=1.5，Ki= 18。V/F控制参数下垂控制系数1/a=4×10-5，1/b= 2.8×10-4，E0=315 V。该模型用Matlab/Simulink进行仿真，并采用龙格-库塔方法数字计算。

5 讨论与分析

微电网0～0.8 s时联网运行，0.8～1.6 s孤岛运行，1.6～2.0 s重新与配电网相连接。图9～图11分别反映了微电网与配电网联网运行、微电网与配电网断开后孤岛运行以及微电网与配电网重新联网3种情况。

图9 DG1和DG2输出的有功功率和无功功率Fig.9Active power output and reactive power output of DG1 and DG2

（1）由图9可知，0.8 s以前微电网与配电网连接，各分布式电源出力稳定，DG2有功输出5.5 kW，无功输出为0，其出力为设定值。DG1为V/F控制，根据负荷的情况在一定范围内调整出力；0.8 s时，微电网与配电网断开运行，微电网进入孤岛状态，由于断开前负荷从配电网吸收部分有功，所以断开后DG1根据负荷缺口情况出力明显增加但在出力允许范围内，而DG2继续保持恒功率运行，运行效果良好；1.6 s时，微电网再次与配电网连接，微电网的负荷又重新从配电网吸收功率，DG1出力下降与脱网前大致相当，因为并网时微电网频率略微上升。

（2）由图10可知，0.8 s前DG1的母线1电压恒定，电压值为设定的315 V；0.8～1.6 s，微网进入孤岛状态，此时DG1担负着稳定微网PCC点电压的任务，断开运行后母线1电压下降到305 V，但下降范围在4%之内，符合国标要求；在1.6 s时由于无功出力的轻微上升重新联网后电压恢复比脱网前略高，母线电压值为320 V，电压基本维持稳定符合国标要求。

图10 微电网母线1的电压Fig.10Voltage of microgrid bus 1

（3）由图11可知，0.8 s前，微网PCC点频率运行稳定且工作在工频50 Hz状态；在0.8 s脱网运行后，由于失去配电网的频率支撑，PCC点的频率迅速下降，但由于DG1出力迅速增大，并担负着支撑微网频率的作用，使得PCC点的频率略微下降0.04 Hz；在1.6 s重新并网运行后，由于得到配电网功率供应，频率上升与配电网达到同频率运行。

图11 微网系统的频率Fig.11Frequency of microgrid system

（4）由图12可知，0.8 s前微网与配电网并网运行，由于DG1的PQ控制二级控制环为电流调节，能够根据功率控制环给出的参考值保持恒定调节，迅速使输出电压跟踪参考电压，保证微电网的电能质量，在Matlab/Simulink里POWERGUI模块的FFT分析得到母线电压畸变率2.57%，但由于逆变器开关频率较大，所以高次谐波含量较多。

图12 0～0.8 s时PCC点的电压的频谱分析Fig.12PCC-point voltage spectrum analysis in 0-0.8 s

（5）由图13可知，0.8～1.6 s孤岛状态时，由于DG2的V/F控制二级控制环为电压和电流双环调节，能够进行精准、动态调节，在失去配电网支撑的情况下，保证微网电能质量的要求，FFT分析得母线电压畸变率为4.90%，满足国标要求，同样逆变器开关频率较高导致高次谐波含量较多。

图13 0.8～1.6 s时PCC点的电压的频谱分析Fig.13PCC-point voltage spectrum analysis in 0.8—1.6 s

（6）微电网在孤岛状态时，由于DG2为V/F控制，能够起到支撑微电网。但由于失去与配电网的物理联系，微网频率的相位会与配电网不同步，如果相位差不能达到并网标准，则并网很有可能失败，最终导致配电网对微网的冲击，微网有可能崩溃。如图14所示，同步装置启动后在经过0.15 s左右后使微网与配电网再次保持同步运行，此后可在任意时刻完成并网，实现微网与配电网的互联。

图14 同步前后微网与配网的A相电压Fig.14A-phase voltages of microgrid and distribution network before and after synchronization

（7）以上仿真结果表明，本文所设计的控制器能够实现微网在并网和孤岛状态下两种模式之间平滑切换，得出了一种无需数据通信环节的各类型分布式电源间的主从控制的微网控制策略，使分布式电源参与了微网的频率调节。

6 结语

本文设计了基于功率电流双环控制策略的PQ控制系统和基于改进型下垂控制的V/F控制系统，能够较好地保持并网分布式电源的可控负荷的外特性，使微电网内并行的分布式电源之间能够自适应运行而无需通信，增加了微网的可靠性。对于不同的分布式电源采用不同控制策略，对风能、光伏能等不确定性能源发电控制系统使用PQ控制策略，优化了自身运行；同时设计了并网控制器有效地减少了并网时对配网的冲击，提高系统的动态特性；V/F控制的主分布式电源不仅能够在孤岛时为微网内部提供内部的频率支撑，还能够保证重要用户的供电要求，符合未来智能电网对重要用户电能质量保障的要求。

[1]丁明，王敏（Ding Ming，Wang Min）.分布式发电技术（Distributed generation technology）[J].电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2004，24（7）：31-36．

[2]郑漳华，艾芊（Zheng Zhanghua，Ai Qian）.微电网的研究现状及在我国的应用前景（Present situation of research on microgrid and its application prospects in China）[J].电网技术（Power System Technology），2008，32（16）：27-31，58.

[3]Lasseter B.Microgrids[distributed power generation][C]// IEEE Power Engineering Society Winter Meeting.Columbus，USA：2001．

[4]郭小强，邬伟扬（Guo Xiaoqiang，Wu Weiyang）.微电网非破坏性无盲区孤岛检测技术（Non-devastating islanding detection for microgrids without non-detection zone）[J].中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2009，29（25）：7-12．

[5]王成山，肖朝霞，王守相（Wang Chengshan，Xiao Chaoxia，Wang Shouxiang）.微网综合控制与分析（Synthetical control and analysis of microgrid）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2008，32（7）：98-103．

[6]林湘宁，李正天，薄志谦，等（Lin Xiangning，Li Zhengtian，Bo Zhiqian，et al）.适用于微网孤岛运行的低频减载方法（An under-frequency load shedding method adaptive to the islanding operation of micro-grids）[J].电网技术（Power System Technology），2010，34（3）：16-20．

[7]茆美琴，余世杰，苏建徽，等（Mao Meiqin，Yu Shijie，Su Jianhui，et al）.风-光-柴-蓄复合发电及智能控制系统实验装置（The developing of experiment set for wind-solar-diesel-battery hybrid power system and its intelligence control）[J].太阳能学报（Acta Energiae Solaris Sinica），2003，24（1）：18-21．

[8]黄伟，孙昶辉，吴子平，等（Huang Wei，Sun Changhui，Wu Ziping，et al）.含分布式发电系统的微网技术研究综述（A review on microgrid technology containing distributed generation system）[J].电网技术（Power System Technology），2009，33（9）：14-18，34.

[9]王凌，李培强，李欣然，等（Wang Ling，Li Peiqiang，Li Xinran，et al）.微电源建模及其在微电网仿真中的应用（Modeling of micro-powers and its application in microgrid simulation）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（3）：32-38．

[10]Gil N J，Lopes J A P．Hierarchical frequency control scheme for islanded multi-microgrids operation[C]//Power Tech.Lausanne，Switzerland：2007．

[11]汪少勇（Wang Shaoyong）.基于分布式电源的微网的设计与运行（Design and operation of micro-grid based on distributed generation）[J].电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2011，31（4）：120-123．

[12]王志群，朱守真，周双喜（Wang Zhiqun，Zhu Shouzhen，Zhou Shuangxi）.逆变型分布式电源控制系统的设计（Controller design for inverter-based distributed generation）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2004，28（24）：61-66，70.

[13]Lopes J A P，Moreira C L，Madureira A G.Defining control strategies for microgrids islanded operation[J].IEEE Trans on Power Systems，2006，21（2）：916-924．

[14]Lopes J A P，Moreira C L，Madureira A G，et al.Control strategies for microgrids emergency operation[C]//International Conference on Future Power Systems.Amsterdam，Netherlands：2005．

[15]姚勇，朱桂萍，刘秀成（Yao Yong，Zhu Guiping，Liu Xiucheng）.谐波对低压微电网运行的影响（Harmonics influences on the operation of LV microgrids）[J].Electric Power（中国电力），2010，43（10）：11-14．

Design of Micropower Inverter Considering Master-Slave Control Strategy

PAN Yuan1，2，LI Pei-qiang1，LI Xin-ran1，LIU Qian-yong1，XU Chang-hong1，CHEN De-sheng1
（1．College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China；2．Guangdong Power Dispatch Center，Guangzhou 510600，China）

The design of inverter can enable the micropower sources to participate in the frequency regulation of microgrid，and implement the microgrid with the capability of working in island mode.Firstly，the method of average power was used to design the power control outer loop，and then a PQ control strategy of inverter system based on both power and electrical current control was proposed.Secondly，the traditional power grid droop was changed by adjusting the control equation and the design of suitable controller parameters，and an outer ring controller based on improving the sagging shape was designed.And then，a master-slave control strategy of the microgrid between various types of distributed power supply without data correspondence was put forward.Finally，the correctness and effectiveness of the coordinated control strategy was verified by a numerical analysis.

microgrid；distributed generation；master-slave control strategy；islanded mode；frequency control

TM714

A

1003-8930（2013）03-0025-06

潘远（1986—），男，硕士研究生，主要从事电力系统分析和仿真建模，分布式发电及其控制建模的研究。Email：panyuan268@vip.qq.com

2012-03-28；

2012-06-27

国家自然科学基金项目（51277055）；湖南省自然科学基金项目（10JJ9023，10JJ2043）

李培强（1975—），男，博士，副教授，主要从事电力系统运行与控制的研究和教学。Email：596905210@qq.com

李欣然（1957—），男，教授，博士生导师，主要从事电力系统分析与控制及负荷建模的教学和研究工作。Email：lixinran1013@qq.com