微电网平滑过渡的功率优化控制

周晓燕，刘天琪，李 媛，汤 凡，袁 园

（1.四川大学电气信息学院，成都 610065；2.四川电力科学研究院，成都 610072）

微电网平滑过渡的功率优化控制

周晓燕1，刘天琪1，李 媛1，汤 凡2，袁 园1

（1.四川大学电气信息学院，成都 610065；2.四川电力科学研究院，成都 610072）

微电源的接入会对传统电网电压和频率造成较大影响，针对由4个不同类型微源组成微电网接入配电网后存在的并网、孤网和两种运行模式之间的切换，建立了参数更为接近实际的微电网控制模型以研究并网孤网互换、孤网下投切负荷或微源等3种运行模式的平滑过渡。对所建模型进行了仿真分析，对比了每种运行模式下采用功率优化前后的各微源出力以及微电网交流母线电压频率的变化情况。仿真结果验证了所提功率优化控制策略的可行性及有效性，实现平滑过渡的同时，可提高被优化微源的利用率。

微电网；模式切换；平滑过渡；反调差率控制；功率优化

许多微源采用电力电子装置与常规配电网并网，因此可实现灵活控制，如目前已提出的基于功率管理系统的控制、电压有功下垂/频率无功提升VPD/FQB（voltage-power droop/frequency-reactive power boost）协调控制、主从控制、对等控制以及基于多代理技术的控制等等[1-6]。而为实现微电网在不同运行模式下电压、频率的稳定和模式之间的平滑过渡，需要对微电网中的各微源采用合理的控制策略和优化方法。

文献[7]指出，应根据不同类型分布式电源各自的特点而采用不同的控制方式。文献[8]和文献[9]均建立了微电网的仿真模型，前者针对并网运行和孤网运行的模式切换等情况进行了控制策略的设计和仿真研究；后者比较了PQ和V/f控制策略，并侧重两种控制策略的组合应用。两篇文献所设计的模型及所考虑的运行情况对实际微网的运行控制研究均有重要参考价值。文献[10]通过分析孤网运行模式下并联逆变器的有功功率和无功功率环流模型，提出了一种瞬时调节逆变器自身输出阻抗从而减小线损的方法，并基于传统下垂控制提出了一种改进的自调节下垂控制法，可有效减小逆变器由于负荷突变等所引起的交流母线电压及频率的波动，提高微电网系统的稳定性和可靠性。文献[11-14]研究了独立和并网模式的切换过程，减小了切换过程的冲击。

本文针对较少微网控制模型，从各微源的具体特性出发考虑适宜的控制策略，并同时考虑微电网运行模式切换时为减小冲击、平滑过渡，各微源应重新设置功率指令，对含风电、光伏、微型燃气轮机、燃料电池等不同微源的微电网，基于功率优化思想研究了并网孤网相互转换、孤网下投切负荷或微源等3种运行模式的平滑过渡。不再以滤波器的设置或同步并网控制器等的设计为重点，而将重点放在切换时如何配合下垂特性调节功率指令，从而确保内部功率平衡，减小冲击实现平滑过渡，并且可以提高被优化微源的利用率。最后以电力系统计算机辅助设计软件PSCAD（power systems computer aided design）为仿真平台建立了微电网及其控制模型，对不同运行模式的切换进行了仿真，仿真结果验证了所提控制策略的有效性。同时，模型中考虑了负荷重要性等级，线路参数和负荷也更接近实际，对建立微电网运行控制仿真平台有实际参考价值。

1 微电网结构

为研究控制策略及功率优化，所采用微电网结构如图1所示。

图1 低压微电网系统结构Fig.1 Structure of the low voltage microgrid

微型燃气轮机、光伏电池、燃料电池和风机4个微源，分别通过线路接到400 V低压交流母线上，再与10 kV、50 Hz的配电网相连。在仿真过程中考虑了负荷的特征，馈线1中接入典型恒阻抗负荷46+j12 kVA；馈线2中接入恒功率负荷42.05+j11 kVA；馈线3中接入一般负荷20+j5 kVA，对供电可靠性要求不高，必要时可以切除。

并网运行时，4个微源均采用PQ控制策略；孤网运行时，考虑到实际风光出力不稳定性，仍采用PQ控制策略，微型燃气轮机和燃料电池等可控微电源改用V/f控制策略。

2 功率优化策略

若在低压配网中使用P-f、Q-V则会引入明显的功率耦合现象[15]，使得功率不能有效受控并传递，因此本文采用P-V、Q-f。

图2 采用下垂特性控制时的功率分担Fig.2 Power sharing under frequency droop control

式中：fn和Vn为电网的额定频率和电压；Kf和KV为频率下垂系数和电压下垂系数；Pn和Qn为额定有功功率和无功功率。

并网时，配电网与微网之间存在交换功率，而当切换到孤网时，配网有功、无功出力均降为零。则此时，采用V/f控制的微源之间共同承担功率缺额，并且KV越大所分担的有功功率出力越少；Kf越大分担的无功功率出力出少。当负荷功率发生变化时，采用V/f控制的微源按照下垂特性式（1）和式（2）进行协调出力；而采用PQ控制的微源则按照式（3）和式（4）进行协调出力。

虽然理论上，采用V/f控制的逆变器和采用PQ控制的逆变器，经各VSC自行调整电压和频率，最终稳定在一个新的工作点，从而实现负荷功率的分配。但实际上离网、投切负荷或微源时，若不进行合理功率优化，单纯依靠V/f控制微源之间的下垂特性进行协调分担负荷，虽在其调控范围内虽然可以完成过渡，但频率和电压跳变较大，并且可能会造成孤网后有功和无功功率的出力不稳。而若在计划内离网前、切除负荷前以及切除微源前，以减小V/f控制的微源的功率变化量为目标，而使PQ控制的微源按照其容量约束及分担负荷情况优化出力后，最终使得各微源出力稳定在另一个新的工作点上，可保证所有微源出力平稳，同时也可提高风电和光电等微源的利用率。

3 并网逆变器的控制策略

3.1 PQ控制器的设计

PQ控制策略通常用于微源并网运行状态。在该状态下，微电网内负荷波动、频率和电压扰动由大电网承担，其结构如图3所示。

图3 PQ控制策略结构Fig.3 Schematic diagram of PQ control strategy

控制器主要由上层功率控制器和电流控制器构成。Pref和Qref分别为有功无功功率参考值，可根据实际负荷所需而灵活设置。通过选择合理的同步旋转轴（使得q轴电压分量为0）实现逆变器输出电压的Park变换。Δid和Δiq为功率解耦所得的参考id，ref、iq，ref与电网实际量测值id、iq之差，在PI调节器的作用下，为逆变器输出电压提供参考，同时据滤波电感参数设置用于控制逆变器的d-q轴电压分量Vd和Vq。Vd′和Vq′分别为电流环控制所得的d轴、q轴调制电压信号。锁相环确保PQ控制的微源获得频率支撑。

3.2 V/f控制器的设计

孤网运行的时候，控制策略主要解决的问题就是如何实现较高质量的电压和频率支撑，维持内部功率平衡。

采用V/f控制策略的VSC提供微电网孤网运行时的系统频率和电压支撑，所接入节点的电压和频率恒定，输出的有功功率和无功功率由下垂特性、微源容量和负荷共同决定，其结构如图4所示。

图4 V/f控制器结构Fig.4 Schematic diagram of the V/f controller

利用PI调节器可实现电压和频率的无差控制，限幅器限制输入输出功率大小在合理范围内，若超过上限但频率仍小于参考值时，则增大其他微源所发出的功率或者切去次要负荷以使频率恢复参考值，反之同理。

4 仿真分析

4.1 计划内离网再并网

图5 并网转孤网再重新并网的运行结果Fig.5 Operation results of microgrid when it is connected，disconnected and connected again with the distributed grid

微电网系统0～3.0 s并网运行，3.0～5.6 s孤网运行，5.6～8.0 s并网运行，运行结果见图5。图中各微源分别为：风力发电机（wind turbines，WT）、光伏电池（photo-voltaic cells，PV）、微型燃气轮机（micro gas turbine，MT）、燃料电池（fuel cell，FC）。

并网时主网容量相对微源大得多，此期间微电网中分布式电源的频率和电压幅值则由大电网决定。

当3.0 s时，隔离断路器断开，微电网由并网状态切换为孤网运行。微型燃气轮机和燃料电池切换为V/f控制策略，为系统提供电压和频率支撑，此处不再赘述。光伏和风机仍采用PQ控制，并进行功率指令优化。图5（a）～（d）为优化前风光出力的运行结果，功率和频率波动较大，图5（e）～（h）为按风光容量及分担负荷优化出力的运行结果，优化后所有微源平稳出力，过渡相对平滑，频率波动明显降低，并且提高了被优化微源的利用率。

当5.6 s时重新并网，同理，再次优化风光功率指令。分析过程同理。

纵观全过程，由图5（g）和（h）可知，功率优化后系统的电压幅值和频率在孤网以及并网时由于瞬时功率供需不平衡均发生小幅波动，而后快速恢复，并保持稳定；有功、无功功率经短时自动调节后恢复平稳。整个过程中电压幅值和频率的变化始终在允许范围内。网损与并网时持平。

4.2 孤网模式下投切负荷

当3.0 s时切掉20 kW的一般负荷，5.6 s再重带负荷。频率和电压的变化均在允许范围内。优化后相对优化前过渡平滑，运行结果如图6所示。

图6 孤网模式下投切负荷的运行结果Fig.6 Operation results when load changes during islanded mode

4.3 孤网模式下投切微源

在孤网运行的模式下，3.0 s时切去光伏，原孤网运行时其有功出力为20 kW，不发出无功。5.6 s时再重新并入孤网系统。优化后亦相对优化前过渡平滑，其运行结果如图7所示。

图7 孤网模式下投切光伏发电的运行结果Fig.7 Operation results when PV is connected，disconnected and connected during islanded mode

5 结语

所建控制模型实现了不同模式下微电网内负荷和微源间供需平衡，并考虑了采用PQ控制的微源出力优化，实现了平滑过渡并提高了其利用率。孤网运行时本系统采用燃气轮机和燃料电池作为主控单元，由于其容量以及调节能力的限制，微电网处于孤网运行模式的时间不会太长，但这也与实际情况相符。在以提高微源利用率为目标而出力优化方面有待进一步研究。

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Microgrid Smooth Transition Based on the Power Optimization Control

ZHOU Xiao-yan1，LIU Tian-qi1，LI Yuan1，TANG Fan2，YUAN Yuan1
（1.School of Electrical and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；
2.Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China）

The voltage and frequency of distribution network will be affected as the access of distributed resources. Aiming at a microgrid composed of four different types of distributed sources，when it is connected with the distribution network，there are three operation modes：grid-connected mode，islanded mode and the mode-switch between the two modes.A microgrid control model with more realistic parameters is established.The simulation analysis of smooth transition of three cases is studied：switching microgrid operation modes，changing load during islanded mode，cutting and reconnecting one distributed source during islanded mode.The change of the power output of each distributed source，voltage and frequency of the AC bus in each case before and after the optimization are compared with each other.Simulation results show that the proposed power optimization control strategy is feasible and effective，and at the same time of achieving smooth transition，the rate of utilization of the distributed sources which are optimized can be improved.

microgrid；mode-switch；smooth transition；anti-slip control strategy；power optimization

TM727

A

1003-8930（2013）01-0148-07

周晓燕（1988—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统调度自动化、分布式发电。Email：zhouxiaoyan.kyo@foxmail.com刘天琪（1962—），女，教授，博士生导师，IEEE会员，研究方向为电力系统分析计算与稳定控制、高压直流输电、调度自动化；Email：tqliu@sohu.com

2011-09-13；

2011-10-28

李 媛（1980—），女，讲师，研究方向为可再生能源发电技术，分布式电源接入，电力系统电力电子技术。Email：13438126306@139.com