基于分布式发电的微电网并网运行控制策略

陈永杰，王斌，彭涛

（江苏省电力公司太仓市供电公司，江苏苏州，215400；2.江苏省电力公司检修分公司，江苏苏州，215000）

基于分布式发电的微电网并网运行控制策略

陈永杰1，王斌2，彭涛1

（江苏省电力公司太仓市供电公司，江苏苏州，215400；2.江苏省电力公司检修分公司，江苏苏州，215000）

微电网虽然在运行控制方式上具有明显优势，但在多种电源的接入下，寻找正确的方式实现微电网的安全运行是目前急需解决的问题之一。本文分析风力发电、光伏发电、燃料电池的运行特性，通过对逆变器控制方式的灵活切换，实现分布式电源接入的有效控制；在Matlab/Simulink的仿真环境下搭建微电网以及逆变器控制模型，仿真结果验证了所提出的微电网控制策略的合理性，能够保证在不同工况下负荷的频率和电压在允许范围。

微电网；并网控制；P-Q控制

0 引言

随着常规化石能源的不断枯竭，迫使人们寻找新的替代能源。大量可再生能源分布式发电系统的接入给原有电力系统带来很多新的问题，微电网提出能够有效缓解分布式发电系统接入对电力系统的冲击[1]。微电网集分布式发电系统、负荷及储能与一体，通过合理的控制能够尽量减少分布式发电系统随机性、波动性对电力系统的影响[2]。

近年来，基于可再生能源分布式发电系统的微电网技术发展迅速，通过合理的调度和控制，使微电网在电网运行中扮演重要角色。文献[3]针对多源微电网系统，设计了一种微电网控制策略实现了微电网运行模式切换以及孤岛下切增负荷的建模仿真。文献[4]设计了一种自适应调节下垂洗漱的微电网控制策略。文献[5]针对微电网运行特性，设计了一种用于削峰填谷调度的微电网控制策略。文献[6]设计了一种基于坐标旋转虚拟阻抗的微电网控制策略，实现了功率解耦和分配的准确性。

本文设计了一种基于风力发电系统、太阳能发电系统、固体燃料电池以及储能的微电网系统。通过分布式电源的恒功率控制实现微电网系统的并网运行。最后通过matlab仿真验证本文所构建微电网系统运行的可行性和可靠性，为微电网的开发利用提供了一种可行方案。

1 分布式发电系统

1.1 风力发电系统

风力发电系统一般由风力机、传动系统、发电机和桨距角控制系统四部分组成，风力发电系统结构图如图1所示。

图1 风力发电系统结构图

风力机风能捕获的过程直接决定了风力发电系统的风能利用效率。风速恒定情况下，风轮产生的机械功率如式（1-3）所示：

其中，Pwt为风轮捕获的风能；ρ为空气密度；R为风轮扫过的面积；v为风速；λ为叶尖速比（风轮叶尖线速度和风速的比值）；β为叶片浆距角； Cρ(λ,β）为风能转换效率；Ωl为风速的转速。

1.2 光伏发电系统

光伏发电系统由光伏阵列、逆变器和控制器组成，如图2所示。光伏阵列实现光电转换；逆变器实现交直流变换；控制器实现光伏电池的MPPT、逆变器端的恒功率输出。

光伏电池板的输出的功率和温度、日照强度的关系可以用式（4-6）来描述。

图2 光伏发电系统示意图

其中，Ppv(t)为光伏电池在光照强度G(t)时的输出功率；Gstc、Tstc、Pstc为标准测试环境下的光照强度、光伏温度和最大输出功率；k为温度系数。T(t)为t时刻光伏电池表面温度；Vw为风速，Tair(t)为任意时刻的温度值；Tmax，Tmin为温度的最大值和最小值；tp为时间点。

1.3 固体燃料电池

SOFC由燃料燃烧处理模块、电池发电模块和能量储存回收模块组成。它以天然气为燃料，空气经过压缩器压缩进入预热器预热，通入电池的阴极。阴阳极气体在燃烧器中发生一定的电化学反应，电池发电模块工作，使电池发出电能，同时，由于电化学反应是放热反应，产生的热量能再加热燃烧器中没有完全反应的气体，使之充分反应，提高利用率。

2 微电网运行控制

微电网控制的目标是缓解分布式电源的接入对大电网的冲击，保证用户的用电质量。在微电网并网运行时，网内分布式电源采用P-Q恒功率控制。在该种控制方式下，电压和频率由大电网提供。但考虑到微电网需要一定的无功功率控制能力，在无功功率设定值时，要减少微电网中各分布式电源之间、微电网和大电网之间的无功功率交换。保证微电源的输出功率恒定。P-Q控制框图如图3所示。

图3 P-Q控制框图

实现P-Q控制，需要采集网侧逆变器输出端电流，由锁相环提取网侧的相位信息并对三相电压电流进行派克变换。在外环功率环中，根据（7）式的关系由设定的参考功率给内环电流环提供电流参考；在内环电流环中，三相电流的dq分量与参考电流做差进行PI调节，通过电压前馈补偿和交叉耦合补偿，输出控制信号Pmd、Pmq，进而驱动SPWM波发生器驱动逆变器。

3 微电网并网运行控制仿真分析

3.1 微电网系统参数配置

本文在Matlab/simulink环境下建立模型，如图4所示。其中，微电网内部电源由蓄电池、SOFC、风力发电、光伏发电四个部分并联组成，微网内部负载为图中RLC1。在并网模式下，微电网经过隔离变压器后与电压等级为35kV的大电网连接。在该模式下，微电网内部电压频率由大电网支撑，保持稳定，有功功率和无功功率能得到有效控制，微电网输出功率稳定。

图4 微电网模型

（1）蓄电池：设定其标准电压为380V，额定容量为50Ah，初始SOC为90%。图5为直流母线端电压，初始阶段存在超调量，快速调节后稳定在额定电压。

图5 蓄电池直流端电压

（2）固体氧化物燃料电池：额定功率为40kW，额定电压650V，额定电流51.5A。

（3）光伏发电：该模块采用了MPPT扰动算法，实时采集光伏阵列的电压电流，跟踪光伏发电的最大功率电，其仿真模型如图6所示。设定其日照为1000w/m2，温度为25℃。

图6 MPPT最大功率跟踪模块仿真模型

（4）风力发电：设定值风速为12m/s，风轮机额定功率为10kW。

3.2 仿真分析

在并网模式下微电网内所有分布式电源都采用恒功率控制模式，恒功率控制模式成为了整个微电网的主要控制策略。PQ控制模块仿真模型如图7所示。

图7 P-Q控制模块仿真模型

将微电网各组成部分连接成完整的并网系统，仿真时间为0.1s，网内负载完全成阻性为40kW，在0.06s时突加负载（P=10kW,Q=3.6kVar），0.08s对负载进行切除，PCC处三相电压波形如图8所示，波形稳定性好，由于并网时，电压频率都有大电网提供，所以保持不变。图9为光伏发电输出功率波形，MPPT算法能够快速跟踪到最大功率，P-Q控制策略能够稳定最大功率持久输出。微电源的有功功率和无功功率能够随着负荷切换进行相应的调整变化，如图10所示，并保持稳定，验证恒功率控制策略的正确性。

4 结论

微电网是缓解分布式发电系统接入冲击的有效方法，本文通过分析不同分布式发电系统的运行特性，讨论分布式发电系统的控制策略及控制方法，分析微电网不同运行方式下分布式电源的控制方式，并通过仿真验证了一种基于风光储微电网并网控制策略的可行性，为分布式电源的开发利用以及微电网的安全稳定运行提供了一种借鉴。

[1]余贻鑫,栾文鹏.智能电网的基本理念[J].天津大学学报,2011,44(05): 377-384.

[2]鲁宗相,王彩霞,闵勇,等.微电网研究综述[J].电力系统自动化,2007,31(19):100-107.

[3]毕大强,牟晓春,任先文,等.含多微源的微电网控制策略设计[J].高电压技术,2011,37(3):687-693.

[4]郑永伟，陈民铀，李闯，等.自适应调节下垂系统的微电网控制策略[J].电力系统自动化,2013,37（7）：6-11.

[5]黄秀琼，鲁籍元，牛焕娜，等.用于主网削峰填谷调度的风/光/储微电网控制策略[J].中国电力，2013,46（2）：87-92.

[6]王瑞琪，程艳，孙树敏，等.基于坐标旋转虚拟阻抗的微电网控制与性能分析[J].电力系统保护与控制，2014,4（12）：78-86

Microgrid operational control strategy under grid-connected mode

Chen Yongjie1, Wang Bin2, Peng Tao1
(1.State Grid Jiangsu Electrical Power Company, Taicang power supply bureau, Suzhou Jiangsu,215400; 2. State Grid Jiangsu Electrical Power Company Operation & Maintenance Branch, Suzhou Jiangsu,215000）

The secure and steady operation of microgrid is the key problem with the high penetration of distribution generation, although microgrid has obvious advantages in the connectional control of distribution generations. The paper analyzes the operation characteristics of different distribution generation, such as wind generation, PV and SOFC. Distribution generation connected into microgrid through the inverter with a flexible control strategy between the PQ or VF control mode. A microgrid and inverter control mode are build in the matlab/simulink, the results show that the proposed control strategy is efficient and microgrid can operate under different load level.

Microgrid;Grid-Connected Control;PQ Control Strategy

图8 PCC处三相电压波形

图9 光伏输出功率

图10 并网模式下功率的波形