微网中分布式电源基于下垂控制的设计

郭铁峰

（国网天津东丽供电公司，中国 天津 300300）

0 引言

微电网作为一个大小可以改变的智能负载，为本地电力系统提供了可调度负荷，可以在数秒内做出响应以满足系统需要，适时向大电网提供有力支撑；可以在维修系统同时不影响客户的负荷；可以减轻(延长)配电网更新换代；同时，可作为一个可定制的电源，可以满足用户多样化的需求，提高负载电压供电可靠性。本文针对组成微网的分布式电源间并联运行的控制展开了研究工作，研究了多个分布式电源的并行控制策略，提出了多种控制策略，经过相互比较，选定一种易于实现控制的P-f和Q-V下垂控制策略，设计了相应的控制器进行仿真，验证了P-f和Q-V下垂控制的正确性与可行性。

1 下垂控制

为了更简单的控制分布式电源的接口逆变器，使不同类型分布式电源形成微网，一种常见的方法是模拟传统发电机的控制系统，设计控制器使分布式电源的接口逆变器按照下垂特性曲线运行。常见的分布式电源接口逆变器控制方法分为恒功率控制、下垂控制和恒压恒频控制。本文采用的控制方法是下垂控制。

常用的分布式电源接口逆变器的下垂控制原理如图1所示，它利用分布式电源输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理而进行控制。例如，当分布式电源输出有功和无功功率分别增加时，分布式电源的运行点由A点向B点移动。该控制方法由于其具有不需要分布式电源之间通信联系就能实施对整个微网系统控制的潜力，所以一般用于对等策略中的分布式电源接口逆变器的控制。

2 外环控制器的设计

本文外环为功率控制器，采用下垂特性,通过调节有功功率调节系统频率和无功功率调节电压幅值。分布式电源向微网输出的有功功率和无功功率分别为：

由式（1）可知，分布式电源输出的有功功率与电压矢量间功角差δp成线性关系，无功功率与逆变器电压的幅值V成线性关系。因此，针对分布式电源输出的功率控制，逆变器可采用模拟传统同步发电机控制特性的P-f下垂特性与Q-V下垂特性的控制方法，对分布式电源输出功率进行灵活控制。

多环反馈控制器中的外环控制器即下垂控制器主要是为实现多个分布式电源无通信联系的负荷功率共享。式（2）表达了图2所示有功功率和频率的关系无功功率和电压的关系

式中 ω、ωref、P、Pref、V、Vn、Q、m 和 n 分别表示系统的频率、 参考频率、分布式电源输出的有功功率、分布式电源参考功率、分布式电源输出电压幅值，输出电压参考幅值、分布式电源输出的无功功率、P-f下垂增益和Q-V下垂增益。

在工频fN=50Hz下，分布式电源输出的额定有功功率为Pref，分布式电源输出的无功为0时，其输出的电压幅值均为Vn。由于微网并网运行时各分布式电源的输出频率，即可确定下垂增益。本文设计的下垂控制器m=0.00001，n=0.0005，频率变化的范围为±2%，电压幅值的变化范围为±5%。Matlab设计下垂控制如图 3所示，图中Pref、Qref、P、Q分别表示分布式电源的参考有功功率、参考无功功率，输出有功功率和无功功率，Vref、Fref分别表示分布式电源的参考频率和参考电压幅值，m、n分别表示P-f下垂增益和Q-V下垂增益。

3 内环控制器的设计

通过设计P-f和Q-V多环反馈控制器中内环控制器可以减少负荷扰动对接口逆变器输出电压的影响，保证逆变器输出端口电压等于外环控制器的参考电压。同时通过对内环控制器参数的设计，使逆变器闭环输出阻抗城感性，可减少传输的有功和无功控制受线路阻抗影响的耦合程度。

通过外环功率控制器产生内环控制器的参考电压，内环为电压和电流控制器，电压控制器采用PI控制器主要起稳定接口逆变器输出端口作用，而电流控制器采用比例控制器主要为提高响应速度，如图4所示。

若忽略滤波电阻Rf(值很小)，则滤波电感电压方程为：

Iinv表示逆变器输出电流矢量Iinv=[iinvaiinvbiinvc]T；

Vo示逆变器输出电压矢量。

相应滤波电容的电流方程为：

式中：If表示流向微网的电流矢量。

根据式（3）～（4），设计内双环控制器如图所示，其外环为电压控制器，内环为电流控制器。由于电压控制器的主要目的是稳定逆变器输出端口电压，为了使负载电压稳态误差为0，采用PI控制器，图4中Kvp为比例系数，Kvi为积分系数。电流控制器的主要目的是提高系统的动态响应速度，所以采用比例控制器K。

当Kvp时，Kvp越小逆变器的输出阻抗在50Hz处越呈阻性；当Kvp＜1时，其50Hz处输出阻抗呈感性，Kvp越大其感性阻抗的频带越宽。但由于高频段输出阻抗呈阻性能有效抑制谐波，所以应该选择使50Hz处输出阻抗呈感性。积分参数越大输出阻抗越呈阻性。当Kvi=1时，50Hz处输出阻抗为感性阻抗，但当Kvi=5000时，50Hz处输出阻抗完全为阻性阻抗。同样，为了抑制高频段的谐波，应选择使50Hz处输出阻抗呈感性，使高频段输出阻抗呈阻性的控制器参数Kvi。取Kvp=10，Kvi=100,保证了50Hz处输出阻抗呈感性，同时高频段输出阻抗呈阻性。

4 仿真验证

本文采用Matlab仿真验证所设计的多环反馈控制器，系统外环功率控制环采用P～f和Q～V下垂控制，通过此控制器产生内环控制器的参考电压，内环为电压和电流控制器，电压控制器采用PI控制器主要起稳定接口逆变器输出端口电压作用，而电流控制器采用P控制器主要是为了提高响应。

在工频fn=50Hz的工作条件下，逆变器输出的电压和电流的波形如图5所示。内环控制器将控制分布式电源输出端口的电压幅值和相角在稳态时等于外环下垂控制器产生的参考电压幅值和相角，电压环的PI控制器将使电压相角在稳态时与外环下垂控制器产生的参考电压相角相同，动态变化会有轻微不同。

内环控制器可以减少负荷扰动对接口逆变器输出电压的影响，保证逆变器输出电压等于外环控制器的参考电压。

在设计好的多环反馈控制器的主电路中加入一个断路器和一个相同的负载，在t=0.3s时逆变器输出的电压减小，在t=0.7s时，断路器打开，切掉另一个负荷，逆变器输出电压恢复。逆变器输出的电压和电流的波形如图6所示。图7所示为有负载变化时功率控制器输出的功率和电压波形，图8所示为有负载变化时功率控制器的频率和电压幅值，仿真结果说明本文设计的多环反馈控制器能够保证系统的供电可靠性和运行稳定性。

5 结论

本文利用下垂特性对微网中的微型源进行了多环反馈控制器的设计研究。外环功率控制器主要是为实验多个分布式电源无通信联系的负荷功率共享，内环控制器的主要目的是改善以电力电子接口的分布式电源的控制性能。此多环反馈控制器设计简单，实用有效，为硬件实施提供可能性。仿真结果证明了控制方法的合理性和有效性。

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