微电网的PQ控制研究

袁雪珺

(三峡大学，湖北 宜昌 443002)

微电网的PQ控制研究

袁雪珺

(三峡大学，湖北 宜昌 443002)

随着能源问题和环境问题的日益突出，分布式发电不断发展，然而分布式发电的大量接入对大电网产生较大冲击，因此微电网应运而生。微电网一般通过电力电子接口将微电源接入到网内，这增加了微电网控制的灵活性，但由于系统惯性的减小，也增加了系统能量平衡和频率稳定控制的难度，因此，为维持微电网正常的运行，良好的控制策略是必不可少的。本文着重介绍了微电网的PQ控制原理。

微电网；PQ控制

1 微电网研究的背景意义及其发展现状

1.1 背景意义

随着环境问题和能源问题的日益突出，世界各国开始纷纷为寻求更加环保节能的新能源发电方式而努力。近年来，具有环境污染少、能源利用率高及安装地点灵活等优点的分布式发电开始受到世界各国的关注，早在1999年国际热电联产机构(ICA)就曾预言“分布式发电将成为21世纪电力工业的发展方向。” 2001年，美国制定了分布式发电互联标准IEEE—PI547/D08，并计划使分布式发电在未来10～15年内占整个美国发电量的10%～20%；德国在其《可再生能源法》中也规定，在未来的2020年，国家的分布式发电量将提高10%，占国家总发电量的20%；北欧一些国家则提出将分布式发电逐渐代替核发电的战略目标；我国也正在大力发展分布式发电，提出到2020年，我国分布式发电总装机量将达到3.17亿千瓦，占我国总发电装机容量的31.7%，到2050年，分布式发电总装机量将超过9.6亿千瓦，占总发电装机容量的43%。由此可见，分布式发电将是电力系统发展的必然趋势。

接在用户侧的分布式发电( Distributed Generation，DG)，如光伏发电、风力发电等，很好地实现了新能源利用，节能减排，但存在发电间歇性、需要大电网支撑、需要建设相同的备用容量、外部故障失去分布式发电等缺点。DG 与储能装置(Energy Storage，ES)联合构成的分布式电源(Distributed Resource，DR)，解决了新能源发电的间歇性。分布式能源(Distributed Energy Resource，DER)在靠近用户侧生产电能和热能使新能源更充分利用，直接产生热能减少了电能转换热能的损耗，解决了新能源发电的间歇性，DR 与 DER 同样存在分布式发电的缺点。因此，急需另外一种发电方式来解决以上问题，随着新型技术的应用，特别是现代控制理论及电力电子技术的发展，本世纪初微电网的概念被提出。

微电网(Micro-Grid，MG)是分布式发电的重要形式之一，MG很好地解决了 DG(DR 或 DER)的缺点。微电网是由微电源、本地负荷、储能系统和控制系统构成的小型电力系统，具有独特性、多样性、可控性、交互性和独立性等特点。独特性主要体现在，与大电网相比具有灵活的可调度性；多样性主要体现在微电源的多样性和负载的多样性，微电源主要包括光伏发电、风力发电、燃料电池及微型燃气轮机等，负载又可分为敏感性负载、非敏感性负载、可控性负载和非可控性负载等；可控性主要体现在根据不同的工况条件，微电网可以选择不同的运行模式，完善的控制策略保证了微电网的可靠性和安全性；交互性主要体现在微电网可以在必要时为大电网提供有力支撑，同样，大电网也可以向微电网输送电能；独立性主要体现在微电网可以独立运行，为本地负载提供高质量的电能。

1.2 发展现状

目前，微电网的研宄己在美国、日本及欧洲等发达国家取得了重大成果，这些国家对微电网基础理论的研宄已基本完成，并根据各自国家基本情况初步建立了微电网的示范工程。

2003年美国电力可靠性技术解决方案协会(CERTS)首次在《微电网概念》白皮书中提出微电网的概念，并对微电网的核心思想及关键技术做了详细的概述，同时也对微电网的结构、控制、继电保护及经济性运行等问题进行了阐述。

欧盟在综合考虑了电力市场的自身需求、电能的安全供给以及环境的清洁保护等各方面因素，在2005年提出了建立“智能电网(Smart Grid)”的目标，并在2006年提出该目标计划的技术实现方案。目前，欧盟主要资助和推进两个微电网项目：Micro-Grids和More Micro-Grids，旨在通过拓展和发展微电网的概念增加分布式微电源的渗透率，并已初步形成微电网的运行、控制、保护、安全以及通信等基本理论，并相继在德国、希腊、西班牙建立了不同规模的微电网实验平台及示范工程。

我国对微电网技术的研宄还处于起步阶段，但在2007年的国家科技部“863计划先进能源技术领域2007年度专题课题”中也包括了微电网技术，近年来，我国对微电网技术的研宄相继展开，各高校单位都投入了大量的人力物力进行微电网的研宄。

就目前来讲，我国对微电网的研究取得了一定的进展，但与欧美、日本等国家相比，我国在研究成果已及研究力量上与之仍然有较大差距，因此为促进我国微电网产业的发展，增强我国微电网产业的竞争力，解决能源危机及环境问题，深入开展微电网关键技术的研究，对我国具有非常重要的现实意义。

2 微电网及其控制方式

2.1 微电网的定义及基本结构

在各国对微电网的定义中，提出最早的也是最权威的定义是CERTS给出的：微电网是一种由微电源和负荷共同组成的系统，它可同时提供热能和电能：微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，且提供必需的控制：微电网相对于大电网表现为单一的可控单元，并同时满足用户对电能质量和供电安全的要求。其相应的微电网的结构如图1所示。

图1 CERTS提出的微电网的结构示意图

微电源主要包括光伏发电、风力发电、燃料电池和微型燃气轮机等，一般通过控制灵活的电力电子装置连接到电网，对于交流微电源经AC/DC把交流电能转换成直流电能，然后经并网逆变器DC/AC在控制器的控制下将直流电能转换成工频交流电能，对于直流微电源则直接经并网逆变器DC/AC在控制器的控制下将直流电能转换成工频交流电能。在微电网中，为了向负荷供应高质量的电能，微电源一般需要配备储能装置(蓄电池、超级电容、超级电感等)。微电网存在两种非常典型的运行模式，正常情况下，微电网与常规电网并联运行，称为并网运行模式：当检测出电网故障或电能质量不能满足负荷要求时，微电网将及时与常规电网断开，处于孤岛运行模式。无论微电网处于何种运行模式，都需要对其进行有效的控制，使电压和频率维持在允许的变化范围内。尤其是微电网运行在孤岛运行模式下时，大电网不再提供电压和频率的支持，此时的控制将更加复杂。

2.2 微电网控制方式

同简单的分布式发电系统不同，微电网一般应具备两种常态运行模式，即独立运行模式和联网运行模式，微电网应能够在这两种常态运行模式下进行可靠的转换。图2给出了微电网各种运行状态及其之间的相互转化关系。微电网中存在多种能源输入(光、风、氢、天然气等)、多种能源输出(电、热、冷)、多种能量转换单元(光/电、热/电、风/电、交流/直流/交流)以及多种运行状态(并网、独立)，使其动态特性相对于单个分布式电源而言更加复杂。

图2 微电网运行状态

3 微电源并网逆变器PQ控制

3.1 微电网和并网逆变器的PQ控制

在微电网处于孤岛运行模式时，作为从控制单元的分布式电源一般为PQ控制，负荷的变化主要由作为主控制单元的分布式电源来跟随，因此要求其功率输出应能够在一定范围内可控，且能够足够快地跟随负荷的波动变化。在采用主从控制的微电网中，当微电网处于并网运行状态时，所有的分布式电源一般都采用PQ控制，而一旦转入孤岛模式，则需要作为主控制单元的分布式电源快速地由PQ控制模式转换为V/f控制模式。

微电网的稳定运行依赖于各个分布式电源的有效控制，微电网中的分布式电源按照并网方式可以分为逆变型电源、同步机型电源和异步机型电源。其中，小型同步发电机的控制和并网技术已较为成熟，异步发电机的控制也较为简单，大部分微电网的电源是基于电力电子技术的逆变型分布式电源，如光伏发电系统、燃料电池、微型燃气轮机等类型的电源。对于逆变型分布式电源，分布式电源需要通过电能变换装置并网运行。通常采用采用DC/AC变换，将直流电能变换成交流电能，通常称为逆变器。

分布式电源的类型不同，在微电网中所起到的作用也可能不相同，其并网逆变器也需要采取不同的控制策略，这种控制策略的不同主要体现在逆变器的外环控制。常见的分布式电源并网逆变器的外环控制方法可分为：恒功率控制(PQ控制)、恒压恒频控制(V/f控制)、下垂控制(Droop控制)。PQ控制是使逆变器输出的有功功率和无功功率等于参考功率，主要适用于风力、光伏等间歇性电源；V/f控制主要是控制逆变器输出端电压的幅值和频率等于标准值，不论输出功率如何变化，电压的幅值和频率不变。Droop控制是模拟同步发电机输出的有功功率和电压频率、无功功率和电压幅值的关系特性，人为使逆变器的输出有功功率和电压频率、无功功率和电压幅值呈线性关系，实现各个组成单元的对等控制。

采用PQ控制的主要目的是使分布式电源输出的有功功率和无功功率等于其参考功率，即当并网逆变器所连接交流网络系统的频率和电压在允许范围内变化时，分布式电源输出的有功功率和无功功率保持不变。PQ控制的实质是将有功功率和无功功率解耦后分别进行控制，其控制原理如图3所示。

图3 PQ控制原理

分布式电源系统的初始运行点为A，输出的有功功率和无功功率分别为给定的参考值Pref和Qref时，系统频率为f0，分布式电源所接交流母线处的电压为u0。有功功率控制器调整频率特性曲线，在频率允许的变化范围内(fmin≤f≤fmax)，使分布式电源输出的有功功率维持在给定的参考值；无功功率控制器调整电压特性曲线，在电压允许的变化范围内(umin≤u≤umax)，输出的无功功率维持在给定的参考值。因此，采用这种控制方式的分布式电源并不能维持系统的频率和电压，如果是一个独立运行的微电网系统，则系统中必须有维持频率和电压的分布式电源，如果是并网运行的微电网，则由常规电网维持电压和频率。

PQ控制方式外环为PQ功率控制环，内环卫电流环，其控制框图如图4、图5所示。

外环PQ环可控制逆变器输出的有功和无功等于参考值，内环电流环跟踪电流参考指令，得到的逆变器输出电压信号进人SVPWM进行调制。在PQ控制下，直流DC/DC采用直流母线电压控制，控制直流母线电压恒定，维持前后级的功率平衡。

3.2 PQ控制基本原理

在三相静止坐标系(a，b，c)下，并网逆变器的输出功率为：

P=u2ai1a+u2bi1b+u2ci1c

(1)

(2)

将其转化为两相旋转坐标系(d，q)下的功率表达式为

P=u2di1d+u2qi1q

(3)

Q=u2qi1d-u2di1q

(4)

对于三相基波电压u，在三相静止坐标(a，b，c)下可表示为

(5)

上式利用dq变换公式，可得出三相基波电压在(d，q)坐标下的表达式为：

(6)

由上式可以看出，在三相静止坐标西(a，b，c)下三相电压是耦合的，而转换成旋转坐标系后，两坐标轴分量是相互独立的，ud=Um，uq=0。

若设定逆变器输出有功功率和无功功率分别为Pred和Qref，由(3)和(4)可得：

Pref=u2di1dref+u2qi1qref

(7)

Qref=u2qidref-u2di1qref

(8)

把式(6)代入式(7)和(8)可得：

(9)

(10)

由式(9)和式(10)可知，对并网逆变器输出功率的控制就转化为对逆变器输出电流的控制，只要实现了参考电流的跟踪，也就实现了对参考用功功率和参考无功功率的跟踪。

4 总结

为了促进我国微电网产业的发展，增强我国微电网产业的竞争力，解决能源危机及环境问题，可以采用PQ控制使分布式电源输出的有功功率和无功功率等于其参考功率，令并网逆变器所连接交流网络系统的频率和电压在允许范围内变化时，分布式电源输出的有功功率和无功功率保持不变，从而控制分布式电源能够正确的接入大电网，并保证大电网在接受分布式电源输送的电能时保持安全可靠的状态。

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Research on PQ Control of Micro-Grid

YUANXue-jun

(College of Electrical Engineering &New Energy of China Three Gorges University,Yichang,443002 China)

As the rising attention of environmental problem，distributed generation has been under consistent development.However，a large number of accesses of distributed generation would have a greater impact on large power grids.micro-grid emerges as the times require.micro-grid through the power electronics interface of micro-power connection to the grid of electricity，which increases the flexibility of micro-grid control.But because system inertia decreases，the difficulty of control of frequency stability and energy balance of the system increases.Therefore，in order to maintain normal operation of micro-grid,a good control strategy is essential.This article focuses on the PQ control of micro-grid.

micro-grid；PQ-control

1004-289X(2016)06-0001-05

TM71

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