基于VSC 控制的微电网对等控制策略

朱鹏鹏，张钦臻

（上海电力大学 电子与信息工程学院，上海200090）

引言

在当今的能源结构与电力传输背景下，分布式发电技术因其灵活性、经济性与高效率等特点，已经在国内外得到了相当广泛的应用。毫无疑问，以分布式发电技术为支撑的微电网将成为大型电网的有效补充，共同推动智能电网的实现进程。

其实分布式发电并不是一个全新的概念，如今广泛互联的大型电网也都是由早期各自分散的电力系统逐渐并网构成。但随着世界范围内几次大规模的停电事故后，集中供电的可靠性已经不再能满足人们的用电需求[1-2]。二十世纪九十年代，对于分布式发电的研究成果大量涌现。分布式电源一般是容量较小（50MW 以下）、分散布置在用户附近的发电装置。它的安装位置相对灵活，能够更好地适应不同的用户需求以及一次能源环境，此外还能提高供电的可靠性。但同时，分布式电源单机的接入成本也相对更高，控制上相较于传统的发电机也更为困难。IEEE P1547 对于分布式电源并网的标准有相关的规定：分布式电源需要在电力系统出现故障时迅速退出运行。这与引入分布式电源的初衷又背道而驰，因此，微电网的概念就应运而生[3-4]。

微电网是由电源、储能装置、负荷、检测保护与控制装置等汇集构成。对于大电网来说，微电网是一个可控可调度的负荷；对于用户来说，微电网是能实现特殊要求的定制电源。它既可以与电力系统联网运行，也可以在电网出现故障或者必要时与主网断开转为孤岛模式。在接入时，不再对各个具体的微电源做要求，而是对于与大电网的公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）提出准入标准。

目前，国内外对于微电网技术的研究主要在于以下方面[5-6]：微电网的并网控制与多分布式电源协调控制；微电网的孤岛检测与孤岛状态下控制；微电源的优化配置；微电网及含微电网配电系统的电能质量优化；微电网经济运行的相关调度；安全与保护技术等。

本文主要研究微电网的微电源控制技术，并在基于对等控制的基础上阐述PQ 与Droop 控制的原理，最后通过仿真验证在由两种控制方法的逆变器接口微电网中负荷接入与并离网切换时电能质量的参数优化。

1 微电网组成与控制技术

1.1 微电网结构

图1 是当下欧洲主要研究采取的微电网结构[7]。包括低压网络与不同种类的负荷、微电源，以及分层管理控制系统。微电网通过微电网中央处理器（MGCC）实现经济性管理与控制功能，属于顶层控制；通过负荷控制器（LC）与微电源控制器（MC）来实现各个负荷与微电源的本地控制。微电源一般是包括电力电子元件的小型机组，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏发电设备与飞轮、蓄电池等储能设备。

图1 微电网典型结构

从结构上看，微电网是电源、负荷、储能与控制系统集合而成的单一可控单元。不同于简单的分布式发电系统，微电网一般存在两种常态化的运行方式，即并网运行模式与孤网运行模式。

1.2 微电网控制技术

根据独立运行模式的不同，目前研究上提出的微电网控制方法主要是集中控制、分散控制与混合控制策略三种。

集中控制将微电网划分为元件层、控制层与配网层，通过通信网络将微电网中不同元件的信息都采集到中央处理器，通过控制层解决运行与控制问题；分散控制是指各微电源之间采用本地信息实现控制目标而不需要借助于通信网络，对等控制就属于分散控制；混合控制目前学术上主要是通过多代理技术来实现，目前尚待研究。

微电网中的分布式电源虽然多种多样，但大部分的微电源都需要通过电力电子接口并入网络。目前对于并网逆变器的控制策略主要是恒功率控制（PQ）与下垂（Droop）控制。

下面将基于微网层面的对等控制策略对并网逆变器的两种控制方法进行详细论述。

2 主电路模型与控制策略分析

电压源型逆变器（VSC）在微电网中应用十分广泛。微电网中VSC 接口的微电源所使用的主电路一般如图2所示。包括通过直流源表示的分布式电源，使用正弦脉宽调制（sinusoidal PWM，SPWM）的逆变器，RLC 滤波器，线路的阻抗以及与交流母线相连接的PCC。

图中，Udc为分布式电源的等效直流源，U˙I为逆变器输出的交流电压，I˙f为逆变器输出电流，Rf、Rg是滤波器与线路的等效电阻，Lf、Lg是滤波器与线路的等效电感，Cf是滤波器的等效电容，U˙F是负荷侧电压、为PCC 处电压电流。

图2 逆变器接口微电网主电路

2.1 PQ 控制

逆变器的PQ 控制是指VSC 根据给定的参考功率输出有功和无功功率。其输出电流值的改变是由VSC 控制其交流侧电压来控制，从而控制输出功率，同时通过锁相环（Phase Locked Loop，PLL）技术来获得微电网的频率支撑。

PQ 控制型VSC 的电路与控制框图如图3 所示，采用功率外环和电流内环双闭环控制结构。根据图3 可得到ABC 坐标系下VSC 输出电压方程：

图3 PQ 控制电路与控制框图

输出电流以逆变器输出方向为参考正方向，通过派克变换将式（1）转换到dq 轴同步旋转坐标系下为

其中，ω 是工频下电角速度。转换过程中出现了dq交叉耦合项，后续控制中可通过前馈补偿消除。

通过将旋转坐标系的d 轴与电网电压轴线固定重合，进行恒功率派克变换，VSC 的输出功率方程可表示为

其中，u=ud，是电网电压d 轴分量。若忽略线路上电压降，将（3）式代入（2）式可得到

根据式（4）可进行控制器的设计，通常采用PI 控制器。

2.2 Droop 控制

下垂控制是模拟发电系统功频静特性的一种控制方法。当系统频率改变时，控制系统调节VSC 输出的有功功率按其功频特性变化，同时，负荷功率也随之改变。最终在控制系统Droop 特性和负荷本身调节效应的共同作用下达到新的功率平衡。其主电路与控制框图如图4。

图4 Droop 控制电路与控制框图

Droop 控制通过微调VSC 输出的电压和频率来应对负荷的功率需求，同时维持系统的稳定。其核心思想是功率在多个并联VSC 之间根据设定的下垂曲线分配。功率下垂系数与电压下垂系数表示为式（5）。

其中，Pmax为VSC 在最大下降频率时允许输出的最大有功功率，Pn为VSC 在额定频率下输出的有功功率，fmin为系统允许的最低频率，fn为微电网额定频率，un为VSC 输出无功为0 时的电压值，umin为微电网最低允许电压。

3 仿真验证

文中在MATLAB Simulink 环境下基于对等控制搭建微电网的负荷切换与并离网模型，验证上述理论的可行性。

仿真所使用的微电网结构如图5，其中VSC1 使用PQ 控制，VSC2 使用Droop 控制。实验所使用的主电路参数如表1，控制系统使用的详细参数见表2。

图5 仿真微电网结构

图6 PQ 控制框图

表1 主电路参数

表2 控制系统参数

3.1 并网恒功率控制

图7

对于采用PQ 控制的VSC1，在初始时刻打开S2、S4、S5、S6，设定参考有功和无功功率分别为10kW 与0kvar。在2s 时，关合开关S4，即接入10kW 的负载2。在5s 时，更改设定参考功率为50kW/0kvar。

控制框图如图6，仿真结果见图7（a）、（b）。

3.2 负荷切换与离网控制

对于Droop 控制的VSC2，在初始时刻打开开关S1、S3、S4、S6，也就是处于并网状态并接有25kW/0kvar 的负载3。在4s 时打开PCC 点开关，转入孤网状态，在6s 时关合开关S6，接入负载4。

仿真结果如图7 所示。

3.3 结果分析

从图7（a）可以看出，由VSC 的功率控制调节算法可以很好地保证逆变器在短时间内根据设定的功率调节输出电流的大小。同时，图（b）说明PQ 控制算法能保证逆变器在并网模式下对指定功率的追踪，并且在逆变器指令功率阶跃的过程中有良好的动态响应，逆变器输出的功率纹波小，能很好地满足设计要求。

可以看到在图（c）中，4s 前处于并网状态时，VSC2 除了向负载3 输出有功功率，还向母线输出功率。在进入孤网状态后，VSC2 按负载3 功率需求输出功率；在6s 并入负载4 后，按负载总需求输出功率。频率偏移范围始终在0.5Hz 以内，满足低压配电网安全要求。在4s 离网后不再向母线输送功率，因此频率上升，在6s 负荷增加后，下垂特性与负荷的功频特性共同调节，使得频率稳定在50Hz。

4 结束语

目前，微电网的实际应用与理论研究已经步入了一个新的阶段。本文主要是对现在的不太详述的微电网控制模型做了较细致的理论推导。

后续计划的研究内容是使用神经网络与一些智能控制策略对现有的一些问题进行推进解决，如电能质量的进一步优化，在应对不平衡负荷与非线性负荷时微电源输出电压的谐波问题，以及通过强化学习神经网络来实现微电网的无监督控制的可行性等。