孤岛模式下混合微电网改进下垂控制

王树东 ，邱进亮 ，丁 汀 ，黄 涛 ，酒 康

（1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，兰州 730050；2.甘肃省工业过程先进控制重点实验室，兰州730050；3.兰州理工大学 电气与控制工程国家级实验教学示范中心，兰州 730050；4.中国市政工程西北设计研究院，兰州 730050；5.78156部队，兰州 730050）

在现代微电网中，电力电子接口的部署可以集成不同类型的分布式发电装置DG（distributed generation）为所连接的负载供电，使电网获得了更好的可控性和电能质量的提高[1]。交流微电网AC-MG具有利用现有交流电网基础设施的优势，但需要复杂的控制策略以保证系统的稳定性。直流微电网DC-MG相比与AC-MG，一方面提高了效率、可靠性、安全性、冗余度，并降低了成本[2]，另一方面无功功率以及频率控制的消除使直流微电网控制简单。针对分布式电源、储能装置和负载的各自特点，具备交/直流微电网各自优点的交直流混合微电网具有良好的发展前景[3-4]。

目前，已经对混合微电网的规划、潮流、稳定性和电能质量进行了大量的研究，然而对互联变流器IC的控制方法研究较少。IC的控制策略主要有集中式和分散式2种。集中式控制策略所需数据通过宽带通信链路传送到控制中心。但是基于通信基础设施的控制方法会导致成本的提高和系统可靠性的降低，从而阻碍了集中式方法的实际运行。相反，在AC-MG和DC-MG中以分散的方式单独控制变量具有成本低，易于扩展等优势，最典型的分散式控制策略是下垂控制[5]。

文献[6-8]中AC-MG均采用P-f下垂特性，而该控制策略只有在假设负载和电源之间的互连阻抗是纯感性时才有效。对此，文中提出一种混合AC/DC微电网的电压和频率控制的改进方法。

1 微电网的控制

混合微电网的典型结构如图1所示。IC将2个微电网连接在一起并调节着子网间的双向功率流动。当交流微电网的功率过剩，有功功率可以从交流子网流向直流子网，反之亦然。IC不仅可以控制AC-MG和DC-MG之间的有功功率传输，还可以为AC-MG提供无功功率。

图1 混合微电网的典型结构Fig.1 Typical structure of hybrid microgrid

1.1 AC-MG的控制

文献[9]建立了基于传统下垂特性的控制策略控制MG中的每个电源。如图2所示，以交流电源形式表示电压源逆变器 VSI（voltage source inverter），连接互连阻抗，终端电压为V∠0，有功功率、无功功率流为

式中：Pac，i和 Qac，i分别为第 i个交流电源产生的有功功率、无功功率。E∠δ为由VSI产生的电压幅值和相位角；Z∠θ为线路阻抗的大小和相位角。

图2 连接到VSI的线路功率流Fig.2 Line power flow connected to VSI

考虑到线路阻抗相位角的不同，可以采用不同的下垂控制。在架空线路的情况下，线路阻抗几乎为一个纯感性负载，θ＝90°，因此采用P-f和Q-V下垂控制，有功功率影响系统频率，无功功率影响电压幅值。而在低压电缆中，相角θ接近于零，该线路几乎为电阻性线路[10]，宜采用P-V和Q-f下垂控制。故文中提出 P-Uac，P和 Q-Uac，Q下垂控制策略。 Uac，P和Uac，Q分别定义为交流微电网单位化有功、无功功率控制指数。电压和频率信号的单位化可根据下列公式得到：

式中：fac，pu，Vac，pu分别为AC-MG单位化频率标幺值、电压；Umax为允许电压最大值； fac，max为频率允许最大值；fac和Vac分别为交流侧频率、电压；Δ f为频率允许变化范围；ΔU为电压允许变化范围；Vdc，pu为DC-MG单位化电压标幺值；Vdc为直流侧电压。

根据AC-MG中的电源，提出现有电源的最大发电功率比来确定有功和无功功率调度。传统下垂控制公式为

改变下垂系数 KP，i和 KQ，i， 使得频率和电压的偏差限制在允许的范围内。根据下列公式可获得下垂系数：

式中：Pac，max，i，Qac，max，i分别为交流电源的最大有功 、无功功率发电能力。

1.2 DC-MG的控制

因为DC-MG没有无功功率，频率和相位的考虑，DC-MG的控制过程较为简单，所以建立的下垂策略仅控制电源之间的有功功率分配。下垂特性为

式中：Udc，P为直流微电网单位化有功功率控制指数；Pdc，j为第 j个直流电源产生的有功功率；Pdc，max，j为直流电源最大有功功率发电能力。

2 IC功率控制系统设计

2.1 IC有功功率控制

根据所提出的P-Uac，P和Q-Uac，Q下垂特性控制交流电源。AC-MG内电源采用的式（1）（2）被改写为

控制指数可通过下列方程计算：

式中：Pac，max，t，Qac，max，t分别为第t个交流电源的最大有功、无功发电容量。它适用于AC-MG中的任何类型的接口阻抗，可以确定通过IC的有功功率传输量。对于纯感性线路 Uac，P和 Uac，Q被确定为频率和电压信号。 相反，在电阻线中 Uac，P与Uac，Q被确定为电压和频率信号。从方程（11）可以看出，Uac，P取决于线路阻抗的相位角，AC-MG中总无功功率与总有功功率之比，以及单位化的电压和频率值。

对于提出的策略，测量IC端子的电压和频率足以控制交流和直流子网。对IC交流侧测量的参数进行单位化处理，然后代入方程（11），便可计算出有功功率控制指数Uac，P。类似地，在DC-MG中，通过测量的电压信号并进行单位化处理求得相应的有功功率控制指数Udc，P。期望的有功功率控制指数为

如果 Uac，P=Udc，P=Udes，P，IC 不进行功率传输。 在Uac，P>Udc，P的情况下， 功率从 AC-MG 向 DC-MG 传输。 相反，在 Uac，P

2.2 IC的无功功率控制

无功功率仅涉及IC的交流侧，可传输的无功功率被限制在IC的剩余容量内，IC的最大无功功率为

式中：SIC，n为 IC 的额定视在功率；PIC，ac为 IC 的有功功率。

IC在交流侧的无功功率支持会引起交流子网的电压和频率的变化。IC无功功率的支持会提高电压幅度，同时降低系统频率，如图3所示。

图3 IC无功功率变化对交流子网电压和频率的影响Fig.3 Influence of reactive power variation of IC on voltage and frequency of AC subnet

所提出的无功功率控制指数为

所提出的主要控制方法如图4所示。基于IC端子处的电压和频率信号的标幺值及所提出的下垂特性，计算AC-MG和DC-MG两者的有功功率控制指数；根据式（14）确定通过IC传输的有功功率，将操作点引向相互连接的子网间的期望协调。同样，根据式（16）确定无功功率控制指数来提供无功功率支持。在确定ΔPIC和ΔQIC之后，有功功率和无功功率的变化输入在图4所示的控制回路中，通过调节转换器输出电压并限制通过IC的传输电流。

图4 IC主控制框图Fig.4 IC master control block diagram

3 系统仿真

根据图1所示交直流混合微电网结构，搭建了仿真模型，进行时域仿真，以评估所提出的控制策略的性能。其中

交流微电网额定频率f=50 Hz；

最大允许频率fmax=52 Hz；

最小允许频率fmin=48 Hz；

直流侧额定电压Vdc=360 V；

交流侧额定电压Vac=220 V；

直流侧最大允许电压Vdc，max=396 V，最小允许电压 Vdc，min=324 V；

交流侧最大允许电压Vac，max=240 V，最小允许电压 Vac，min=200 V。

3.1 提出的下垂策略与传统方法的性能比较

为了评估所提出策略的性能，在t=2 s时，ACMG的有功功率需求从40 kW增加到80 kW；ACMG的无功功率需求假设为20 kVar。此外，在t=4 s时，DC-MG的功率需求从20 kW增加到50 kW。图5显示了AC-MG和DC-MG中微电源的发电曲线。

由图可见，在2种控制方法中，MG中的任何负载变化都影响2个MG中的发电情况，随着AC-MG的有功功率需求的变化，DC-MG适当地参与响应以满足增加的负荷，由图5（b）可见所提出的控制策略使相互连接的MG之间进行了更高效的功率共享。

图6显示了随着负载的变化，AC-MG和DCMG中电压的标幺值以及AC-MG的频率标幺值。而图7显示了AC-MG和DC-MG两者的有功功率控制指数。由图7可见，当负载发生波动时，经过一定时间后AC-MG和DC-MG获得了相等的有功功率指数。由此验证所提出的策略可以准确进行有功功率分配。

图5 有功功率曲线Fig.5 Active power curve

图6 单位化的电压和频率Fig.6 Unit voltage and frequenc

图7 有功功率控制指数Fig.7 Active power control index

如前所述，下垂控制的主要目的是根据其额定容量分配AC-MG和DC-MG在供电任务中的总负载。可以通过每个MG电源的发电功率与额定功率的比值评估该问题。图8验证了所提出的下垂控制策略，使AC-MG和DC-MG按各自的额定功率分担负载。

图8 发电功率与额定功率的比值Fig.8 Ratio of generating power to rated power

3.2 所提出的无功功率控制的性能

通过采用IC的无功功率支持可以进一步提高混合微电网的性能。假设AC-MG的基本负载为50 kW。在t=2 s时，AC-MG的有功功率需求增加到80 kW，随后在t=4 s时降至20 kW。在这2种情况下，DC-MG中的负载保持30 kW恒定。因此，除了有功功率控制指数外，无功功率控制指数也应用于测试系统中。如图9所示，反映了IC无功功率的参与；如图10所示，IC无功功率的参与引起AC-MG的单位化电压和频率信号的标幺值相等。证明IC无功功率的参与提高了MG的电压质量。

图9 IC的无功功率参与Fig.9 Reactive power participation of IC

图10 AC-MG和DC-MG中的电压和频率标幺值Fig.10 Voltage and frequency scales in AC-MG and DC-MG

4 结语

文中为混合微电网中的有功和无功功率控制提出了一种改进的下垂控制策略；提出了有功和无功功率控制指数，实现了针对交流子网中所有线路阻抗都适用的方法；提出了无功功率控制指数，利用IC的剩余容量对AC-MG提供无功功率支持。结果表明，通过IC对AC-MG和DC-MG的单位化功率控制指数进行均衡可以较好地完成功率分配任务，并提高了电能质量。