分布式电源并网与孤岛切换控制策略研究

张 宁，逄 鹏，张明钰，回润亮

(黑龙江工业学院 电气与信息工程系，黑龙江 鸡西 158100)

分布式电源并网与孤岛切换控制策略研究

张 宁，逄 鹏，张明钰，回润亮

(黑龙江工业学院 电气与信息工程系，黑龙江 鸡西 158100)

随着低碳环保意识的普及，以分布式发电为代表的清洁型能源越来越受到各国的关注。在分析了各类分布式发电的运行特性的基础上，分析了DG的并网运行和孤岛运行的控制策略。在此基础上，提出了V 的控制原理，分布式电源孤岛运行和并网运行两种模式的模型及控制方法，并将上述控制原理应用到分布式电源并网与孤岛运行方式切换的控制环节中。最后在MATLAB/Simulink软件中建立分布式电源仿真模型，得到了系统在不同控制环节下的负荷电压质量以及DG输出功率等的仿真波形图，从而验证了上述切换控制策略的正确性和有效性。

分布式电源；孤岛；并网；切换控制

1 分布式电源基本运行方式

分布式电源DG(Distributed Generation)存在两种运行模式，即并网运行和孤岛运行。[1]因此，DG存在三种运行状态：首先为并网运行状态，其次为孤岛运行状态，一般来说，针对DG的控制策略主要集中于以上两种运行状态。最后一种是介于两种运行状态之间切换的暂态。

在孤岛运行状态下，DG与配电网连接，因此需要满足配电网的诸多限制条件，同时，与输电网有相应的隔离，防止影响输电网的正常运行。此时，DG的目标是提高配电网的电压质量，提高电能供应。在并网运行状态下，DG与输电网连接，因此，此时DG的目标是辅助调节电网的频率和电压，从而改善电网的稳定运行能力，提高抵御事故的能力。

另外，在孤岛运行状态下，DG也要具有保证电压和频率在正常运行范围内的能力。[2-3]在大电网中，虽然负荷不断变化，但由于众多大惯量发电机的存在，系统的频率总是可以维持稳定(正常状态下)；但是在微网中，电网已经电力电子化，系统的等效惯量小，同时由于新能源的间歇性和波动性，电网的运行状态不断发生变化，两者共同作用下，微网的频率和电压控制难度相比大电网有了质的变化。而且在配电网中，线路的电感不再远大于电阻，因此，电压和有功功率和无功功率都有比较强的联系，控制电压的难度进一步上升。

当DG运行在介于两种运行状态之间的暂态时，首先要保证的目标就是电压稳定。当DG从并网运行状态切换到孤岛运行状态时，由于其在并网状态下和电网有功率交换，孤岛运行后电网产生的发电、负荷不平衡可能造成电网频率不符合要求，此时采用恰当的控制方法是非常重要的；另一方面，当DG从孤岛运行状态切换到并网运行状态时，首先面临的问题就是与电网的同步问题。[4-5]由于篇幅所限，本文不讨论DG运行在介于两种运行状态之间的暂态时的控制策略。

2 分布式电源常用控制策略

分布式电源常用控制策略包括恒功率控制(P-Q控制)、恒压恒频(V-f)控制，[6]如图1所示。在DG并网运行状态下，DG的频率和电网保持一致，因此不需要进行频率调节；在DG孤岛运行时，DG的频率和电网频率无关，因此需要本身的系统维持其频率和电压稳定。

图1 常见控制策略图

2.1 并网运行恒功率控制

一般而言，对于波动性较大的新能源，以及效率-功率灵敏度高的DG(例如微型燃气轮机)，采用恒功率控制较为普遍。在这种控制方式下，DG并网时的功率平衡、电压稳定、频率稳定由主网实现，其本身不承担由于负荷或者电压波动所带来的不平衡功率。相反地，在孤岛运行时，DG的电压、频率稳定由其内部的电源支撑。目前针对恒功率控制方法的建模，主要在逆变器的控制回路中进行建模实现，其控制原理图如图2所示。在dq0坐标系下对功率进行解耦，得到有功功率和无功功率，并和设定的功率进行对比，此过程可通过比例控制器实现无差控制。

图2 逆变器恒功率控制图

2.2 孤岛运行电压频率控制

图3 电压频率控制的原理图

孤岛运行时，DG的电压频率控制原理如图3所示，其目标是维持微网的电压幅值和频率，而不管其外部输出功率特性曲线。以图3为例，当DG输出的有功功率从P1变化到P2，相应地，其输出的无功功率从Q1变化到Q2，其频率一直保持为50HZ，电压始终等于额定值。从Q1变化到Q3也一样。3 分布式电源并网与孤岛切换的“Vθ”控制策略

“Vθ”控制策略即“电压-功角”控制策略。本文运用“Vθ”控制策略分别进行并网和孤岛状态下的分布式电源控制。

3.1 DG并网运行时的控制原理及模型

当DG并网运行时，滤波支路容量不大，此时，线路的阻抗表现为感性。逆变器输出视在功率为：

(1)

(2)

因此，逆变器输出有功功率和功角有关，输出的无功功率和电压幅值E1有关。进一步地，逆变器输出的电压幅值和相角和P、Q近似满足线性关系。由于DG并网运行模式时，电压和频率由配电网稳定控制，所以只需着重控制其输出功率。因此，DG联网状态的控制主要是针对功角θ。

3.2 DG孤岛运行时的控制原理及模型

DG在孤岛运行时，重点是对电压幅值的控制。此处对于V的控制，本文选择最基础的闭环PI调节，通过对逆变器调制比m的调节实现对电压幅值的控制。

PI控制器普遍存在于当前的自控系统中。其原理简单、参数设计容易、不容易发生错误、价格便宜、使用广泛。综合以上优点，本文也使用PI控制器作为DG孤岛运行时的控制器。

比例控制是一种最简单的控制方式。其输入误差越大，输出也越大。当系统的输出出现偏差时，比例调节瞬间自动调节以缩小误差。当误差存在时，PI调节会一直进行下去，直到误差处于一个接受的范围内(人工设定)，此时，PI调节才会停止作用。PI调节的强弱与积分时间常数密切相关，积分时间常数越大，积分作用越弱，同时系统的稳定性越弱，但是收敛速度快，因此，积分时间常数不能太大，也不能太小。

4 算例分析

4.1 DG并网控制有效性的仿真验证

如图4，模型参数：VDC=600V，L=0.15mH，C=333μF，三相变压器变比为190:380，电阻性负荷有功功率为40kW；通过开关(一直闭合)与380V配电网相连，即一直处于并网运行模式。仿真运行时间为1s。

图4 DG并网控制仿真图

运行后得波形结果如下：

图5 负荷线电压波形及有效值

图6 DG输出的有功功率和无功功率

若将图4中的控制子系统去掉，只由逆变器内部参数提供开环控制，其他电路器件和参数不变，则得图7：

图7 DG并网模式时仅有开环控制仿真图

运行后得波形结果如下：

图8 负荷线电压波形及有效值

图9 DG输出的有功功率和无功功率

由以上两组对比波形图可知，DG并网运行状态时，无论系统控制方式是开环还是闭环，有无跟踪θ角度控制，其所带的负荷线电压有效值均与配电网基准值380V保持一致。但θ角度的控制对于DG输出功率的影响却很明显。在简单的开环系统中，可由图9看出DG输出功率越来越多，且最高有功功率约达60kW。即直接采用PWM发生装置时，DG和电网电压的相位是不一致的，不能并网；而在有θ角度控制的系统中，由图6看出DG输出功率的趋势逐渐趋于稳定，且最终稳定于负荷所需的40kW的功率水平值上。

这一现象充分说明了DG在并网运行模式下，负荷电压由于配电网的关系保持稳定，无需多加控制；而通过对θ角的闭环反馈控制可以有效对DG输出的功率进行调节。

4.2 DG孤岛控制有效性的验证仿真

如图10，模型参数：VDC=600V，L=0.15mH，C=333μF，三相变压器变比为190:380，电阻性负荷功率为40kW；通过开关控制，于0.5s闭合，即突增10kW电阻性负荷，总运行时间为1s。

图10 DG孤岛V控制仿真图

运行后得波形结果如下：

图11 负荷线电压波形及有效值

若将图10中的闭环PI控制反馈环节去掉，只由逆变器内部参数提供开环控制，其他电路器件和参数不变，则得图12：

图12 负荷线电压波形及有效值

DG孤岛运行状态时，其输出的功率取决于所带负荷的多少。而由以上两组对比波形图可知，本文第三节提出的闭环PI控制方法有效地控制了负荷电压的波动：图11中负荷线电压有效值的波形相比图12中负荷线电压有效值的波形显然更为稳定、平滑，且在负荷突变瞬间的跳变幅度也相对较少。而且由两个波形的趋势可以预测，在没有相应的控制环节时，过多的负荷容易降低电压的有效值，影响负荷电能质量。

这一现象充分说明了DG在孤岛运行模式下，为保证负荷电压的电能质量，对DG输出电压幅值的控制是十分必要的。

5 结论

本文首先介绍了分布式电源基本运行方式，

以及分布式电源在孤岛和并网运行方式下的常用控制策略。在以上基础上提出了分布式电源并网与孤岛切换的“Vθ”控制策略，并在Simulink平台分别搭建DG在两种模式下的电路模型，仿真并分析了所提的控制策略。最终得到结论：DG在并网与孤岛运行方式相互切换时，相应的控制方式也应随之转变。DG在并网运行模式下，应重点通过对θ角进行闭环反馈控制，从而对DG输出的功率进行有效调节；而当DG在孤岛运行模式下，为保证负荷电压的电能质量，对输出电压幅值V的控制又是十分必要的。

[1]CHEN J F，CHU C．Combination Voltage -Controlled and Current-Controlled PWM Inverters for UPS Parallel Operation[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，1995，10(5)：547-558．

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

[3]摆世彬．微型电网控制技术的研究[D]．天津：天津大学，2008．

[4]刘杨华，吴政球，涂有庆，罗华伟，分布式发电及其并网技术总数[J].电网技术，2005，32(15):71一76.

[5]赵宏伟，吴涛涛.基于分布式电源的微网技术[J].电力系统及其自动化学报，2008(2).

[6]梁才浩，段献忠.分布式发电及其对电力系统的影响[J].电力系统自动化，2001，25(12):53-56.

Class No.:TM727 Document Mark：A

(责任编辑：宋瑞斌)

Strategy for Grid-connected Operating Modes of Distributed Generation and Islanding Control

Zhang Ning, Pang Peng, Zhang Mingyu, Hui Runliang

(Department of Electrical and Information Engineering,Heilongjiang University of Technology, Jixi, Heilongjiang 158100，China)

With the popularization of low carbon environmental protection consciousness, distributed generation was considered to be the representative of the clean energy. And it has gained much attention among different countries. Based on the analysis of characteristics of various kinds of DG, the controlling strategy in both islanding and grid-connected operating modes was stressed. And the control principle of V- and the circuit models of DG operating modes was presented. The principle was used to improve the electrical energy quality of the load voltage when switching running modes. At last, DG simulation model was built in Matlab/Simulink platform, with different control links due to the principle above. So the switching control strategy is proved to be correct and effective.

DG; islanding; grid-connected; control of switching

张宁，硕士，助教，黑龙江工业学院电气与信息工程系。

黑龙江省大学生创新创业训练计划项目“分布式电源并网与孤岛切换控制策略研究”(编号：201511445004)。

1672-6758(2017)05-0050-4

TM727

A