基于模糊控制器的孤岛微网低频减载策略研究

葛宜然，葛 愿，黄 超

(安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000)



基于模糊控制器的孤岛微网低频减载策略研究

葛宜然，葛 愿*，黄 超

(安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000)

在微网孤岛模式下，由于分布式电源发电量和负载之间的不平衡，导致系统频率的变化过大，从而无法满足电能质量要求．提出一种基于模糊逻辑控制器的孤岛模式下微网低频减载策略，该控制策略包含模糊逻辑控制器和负载控制器，以频率f和频率变化率df/dt作为输入，通过模糊控制器来预算需要切断的负荷量△P，再由负载控制器完成对负载的切断．基于Matlab/Simulink建立了光伏微网仿真模型，仿真实验验证了所提低频减载策略的有效性．

微网；孤岛模式；模糊逻辑控制器；频率控制；低频减载

随着地球上石油、煤炭等不可再生能源的日渐减少，由各种形式的分布式电源(Distributed Generation，DG)、负荷和保护控制装置组成的微网系统成为各个国家专家学者的研究热点之一[1-2]．

在微网的并网和孤岛运行时，频率的稳定一直都是电能质量的重要标志[3]．当微网运行于并网模式下，系统内部频率由大电网支持，DG一般按照m给定的值输出有功功率和无功功率，即控制方式为P/Q控制．当微网运行于孤岛模式下时，频率则需要靠系统自我调节．当微网采用对等控制时，一般对各DG采用下垂控制方式；当微网采用主从控制时，在系统中配置储能单元，代替大电网来维持微电网的频率稳定．储能单元由蓄电池和超级电容组成，采用V/f控制，其他DG则继续用P/Q控制．微网处于孤岛模式下出现发电量和负荷量不平衡的情况时，储能单元是无法完全平息频率波动的，因此，需要给出一种控制策略来解决此时的频率波动问题．

低频减载(Underfrequency Load Shedding，UFLS)是电力系统中用于抑制频率下降和维持频率稳定的方法[4]．目前对微网中采用低频减载策略的研究较少，因此，对于孤岛模式下微网的低频减载技术的研究很有意义．文献[5]提出的计及负荷频率特性的低频减载方法，研究对象是大电网，不适于微电网系统．文献[4]提出的基于PID算法，在微网孤岛运行时采用粗调轮、细调轮和紧急启动轮等控制策略．该策略需细化负荷量，且文中没有给出具体计算方法．文献[6]在多代理结构下，提出了通过各代理信息交互来产生负载切除动作，但此方法负载切除量不准确．文献[7-8]提出的用频率和微电网的等效转动惯量来得到功率缺额的方法，然而微电网的转动惯量较小，等效的转动惯量不准确，得到的功率缺额偏差较大．

图1 微网结构图

为了解决上述问题，提出一种基于模糊逻辑控制器的孤岛模式下微网低频减载策略．利用频率和频率的变化率，并设置模糊规则，可以较为准确地计算功率缺额，最后通过负载控制器快速完成减载动作．

1 微网仿真模型

建立微网系统的结构如图1所示．由图1可知，微网仿真模型主要由微电源、储能装置、整流逆变装置和负载等构成．大电网上10 kV电压经变压器得到380 V电压光伏阵列，蓄电池和超级电容经整流逆变装置连接到微网交流母线上．负载分为可控负载和不可控负载,其中负载1、负载2、负载3为可控负载，通过可控开关连接到微网交流母线;负载4为不可控负载，直接连到微网交流母线．微网交流母线和380 V外网之间通过公共连接点(PCC)连接．

光伏阵列功率为50 kW，采用最大功率点追踪控制(MPPT)，可以让光伏阵列在光照强度变化的同时保持最大功率发电[9]．30 kW的蓄电池和20 kW的超级电容组成混合储能装置，可以减少微电网中电压波动，提高频率稳定性[10]，同时能减缓并网离网模式切换瞬间的波动．

2 基于模糊逻辑控制器的低频减载策略

图2 低频减载控制器框图

图3 低频减载控制流程图

当微网处于孤岛模式下，负载量突然增加或微电源供能下降时，导致系统频率下降．当混合储能装置也无法改善频率下降时，则需要切除多余的负载来保证频率在合适范围内．为了保证孤岛模式下的频率稳定，提出一种基于模糊逻辑控制器的低频减载策略．策略中所用的低频减载控制器包含模糊逻辑控制器和负载控制器，实时监测负载馈线上的频率f和频率变化率df/dt，将f和df/dt作为模糊逻辑控制器的输入，模糊逻辑控制器输出为预计切负载量△P．再将△P作为负载控制器的输入值，由负载控制器控制断路器，按序按量实施减载动作．低频减载控制器框图如图2所示．当微网中各微电源都以最大功率输出且频率f仍然低于设定值49.8 Hz时，即实施低频减载策略．微电网孤岛模式下低频减载控制流程如图3所示．

3 模糊逻辑控制器的设计

模糊逻辑控制系统的原理框图如图4所示．由图4可知，模糊逻辑控制器的输入量为f和df/dt，输出量为功率缺额△P．对输入量f、df/dt和输出量△P进行模糊分割并确定其隶属函数．其中频率的模糊子集F(f)={NL(负大)，NM(负中)，NS(负小)}；频率变化率的模糊子集F(df/dt)={NL(负大)，NS(负小)，PS(正小)，PL(正大)}；切负载量的模糊子集F(△P)={S(小)，M(中)，L(大)}．隶属函数均采用三角形法表达．模糊逻辑控制器输入量和输出量的隶属函数分布图如图5、图6、图7所示．由图7可知，输出量△P为小，表示切除占总负载量0～20%的负载；△P为中，表示切除占总负载量20%～50%的负载；△P为大，表示切除占总负载量50%～80%的负载．

图4 模糊逻辑控制系统框图

对实时数据进行模糊化处理后，则需要设计模糊控制规则库．根据之前设计的模糊集合，列出模糊逻辑控制规则如表1所示.

图5 频率的隶属函数 图6 频率变化率的隶属函数

图7 切负载量的隶属函数

表1 模糊逻辑控制规则表

4 仿真结果与分析

为了验证所提低频减载方案的有效性，按上述微网系统结构，在Matlab/Simulink中建立微网仿真模型 ．微网处于孤岛运行模式，光伏阵列容量为50kW，铅酸蓄电池容量为30 kW，超级电容容量为20 kW．负载按百分比分为负载1、负载2、负载3．其中负载1占总负载的20%，负载2占总负载的30%，负载3占总负载的30%，剩下的20%为不可切除负载．仿真实验时考虑了两种情况下的低频，一种为当供能充足时，系统突增负载导致的低频；另一种为系统供能不足时导致的低频.分别对这两种情况造成的低频进行仿真分析．

系统过载时导致的低频，将未采用和采用控制策略的系统频率曲线进行对比如图8所示．由图8可知，系统提供的额定功率为100 kW，在0～0.5 s时，系统供能充足，频率稳定；0.5 s时，突加50 kW且不采用低频减载控制策略时，频率从50 Hz下降到49.4 Hz左右，即当前频率不满足负荷需求；当采用低频减载控制策略时，切除负载1和负载2，频率稳定在49.9 Hz左右，即满足负荷需求，也达到了所提低频减载策略的预期效果．

在0.5 s突加负载的情况下，负载控制器切除的负载量如图9所示．由图9可知，P1、P2、P3分别代表负载1、负载2和负载3的负载功率．P1和P2在0.5 s后功率为0，说明负载1和负载2被切除；P3为30 kW，即负载3未被切除；负载3的30 kW和不可切除负载的20 kW，再加上突增的50 kW负载，刚好等于系统提供的额定功率100 kW．因此也证明了负载3不需要切除．

图8 突曾负载未采用和采用控制策略的系统频率 图9 负载功率

系统供能不足导致的低频，将未采用和采用控制策略的系统频率曲线进行对比如图10所示.由图10可知，由于分布式电源的供电间断性，系统可能会出现供能不足的情况．当系统出现供能不足，仿真时假设此时系统只能提供50 kW功率，而负载量则为100 kW．不采用低频减载控制策略时，频率从50 Hz下降到49.5 Hz左右；当采用低频减载控制策略时，经0.1 s的调整，最终频率大致稳定在49.85 Hz左右．在供能不足情况下，负载控制器切除的负载量如图11所示．由图11可知，P1和P2为0，说明此时负载1和负载2已经被切除；P3是负载3的负载功率，为30 kW，未被切除；负载3的30 kW和不可切除负载的20 kW，也刚好等于供能不足时系统提供的50 kW功率，也证明了负载3不需要切除．

从仿真结果可以看出，对于这两种不同情况造成的低频，所提出的低频减载策略都可以较为有效快速地切除负载，并使频率在期望范围内．

图10 供能不足时未采用和采用控制策略的系统频率 图11 负载功率

5 结论

在Matlab/Simulink中建立了包含光伏阵列、蓄电池和超级电容以及控制器等的微电网孤岛仿真模型．通过仿真实验验证了在不同低频情况下，所提出的基于模糊控制的低频减载策略的有效性和可靠性．微电网的频率稳定是整个系统可靠性的标志之一，研究考虑了在低频情况下的切负载控制．当微电网的微电源发电多余或造成高频情况时，则需要提出一种高频切机策略，来维持系统频率的稳定．低频减载和高频切机结合使用，才能有效地维持微电网在孤岛模式下的频率稳定，这也是下一步的研究目标．

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[3] 王成山，肖朝霞，王守相.微电网综合控制与分析[J].电力系统自动化，2008,32(7)：98-103.

[4] 林湘宁，李正天，薄志谦，等.适用于微网孤岛运行的低频减载方法[J].电网技术，2010，34(3)：16-20.

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[6] 吴志，顾伟.孤岛方式下基于多代理系统的微电网有功频率控制[J].电力自动化设备，2009，29(11)：57-61.

[7] 沈臣，顾伟，吴志.孤岛模式下的微电网低频减载策略分析[J].电力系统自动化，2011，35(9)：47-52.

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Study on Underfrequency Load Shedding Strategy for Islanded Microgrid Based on Fuzzy Controller

GE Yi-ran，GE Yuan*，HUANG Chao

(College of Electrical Engineering,Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

In islanded mode of microgrid,due to the imbalance between distributed generators and loads,the change of system frequency is too large,to meet the requirements of power quality.This paper presents an underfrequency load shedding(UFLS) strategy in islanded mode of microgrid based on fuzzy logic controller. The control strategy includes a load controller and a fuzzy logic controller. With the input of frequency f and rate of change of frequency df/dt,the fuzzy logic controller budgets the load capacity △P to be cut off.Then,the load will be cut off by the load controller.A photovoltaic microgrid model is set up with Matlab/simulink,and the result of simulation experiment verifies the effectiveness of the proposed under-frequency load shedding strategy.

microgrid;islanded mode;fuzzy logic controller;frequency control;underfrequency load shedding

1672-2477(2016)05-0080-05

芜湖市科技计划重点基金资助项目(2014CXY05)

葛宜然(1991-)，男，安徽合肥人，硕士研究生.

葛 愿(1979-)，男，安徽芜湖人，教授，硕导.

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