丁曉薇，匡洪海，鄭麗平，汪 寶，李圣清

(湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412000)

基于下垂控制的微網(wǎng)并網(wǎng)主動同步控制策略

丁曉薇，匡洪海，鄭麗平，汪 寶，李圣清

(湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412000)

為了加強微網(wǎng)與電網(wǎng)并網(wǎng)的可靠性，實現(xiàn)孤網(wǎng)切換至并網(wǎng)運行的平滑性，以對等控制體系下的微網(wǎng)為背景，針對微網(wǎng)與電網(wǎng)同步問題，提出了基于下垂控制的主動同步控制策略。該方法在傳統(tǒng)下垂控制上增加了功率給定，實現(xiàn)了微網(wǎng)的有功與無功功率、電壓與頻率間獨立解耦，通過三相鎖相環(huán)(sampled phase-locked loop，SPLL)輸出電網(wǎng)電壓幅值和相位，實現(xiàn)了電網(wǎng)電壓同步；通過下垂控制輸出積分，得到微網(wǎng)接口逆變器電壓相位，再利用比例積分(proportional integral，PI)調(diào)節(jié)器進行無差控制，從而實現(xiàn)微網(wǎng)并網(wǎng)運行前的幅值、頻率和相位主動同步。最后在Matlab/Simulink環(huán)境下進行了仿真，仿真結(jié)果表明了該控制策略的有效性和可行性。

微網(wǎng)；下垂控制；主動同步；逆變器

0 引言

微網(wǎng)屬于小型低壓發(fā)配電網(wǎng)絡(luò)，由負荷、微電源、蓄能裝置和控制系統(tǒng)組成，通過公共連接點(point of common coupling，PCC)可實現(xiàn)孤網(wǎng)運行和并網(wǎng)運行的切換[1]。隨著微網(wǎng)并入電網(wǎng)的容量不斷提高，頻率、幅值和相角的同步問題更是受到了全球?qū)W者的關(guān)注[2]。

微網(wǎng)與電網(wǎng)同步是保證微網(wǎng)并網(wǎng)運行穩(wěn)定的重要前提[3]。孤網(wǎng)運行時下垂控制通過一次調(diào)壓、調(diào)頻，其輸出電壓相位、頻率與幅值均會與電網(wǎng)電壓偏離，因此，微網(wǎng)母線電壓與電網(wǎng)電壓在并網(wǎng)前要進行主動同步[4]。文獻[5]給出了3種并網(wǎng)方法: 主動同步、被動同步和停機轉(zhuǎn)換。其中，主動同步通過控制機理主動調(diào)節(jié)微網(wǎng)與電網(wǎng)電壓的同步追蹤，快速且有效地解決主動同步問題[6]。

文獻[7]提出一種微網(wǎng)孤網(wǎng)運行時電壓-頻率的控制策略；文獻[8]為解決直流母線電壓穩(wěn)定問題，提出了基于下垂控制法的逆變器控制策略，利用逆變器改變頻率來調(diào)節(jié)輸出有功功率，改變電壓幅值來實現(xiàn)輸出無功功率，但由于微網(wǎng)中的分布式電源(distributed generation，DG)在并網(wǎng)運行時采用下垂控制需要向電網(wǎng)持續(xù)進行功率輸出，難以解決主動同步問題，因此本文對下垂控制進行了改進。文獻[9]提出基于虛擬功率的下垂控制策略，將實際的有功和無功功率轉(zhuǎn)換為虛擬功率；文獻[10]在文獻[9]的基礎(chǔ)上，提出基于虛擬頻率-電壓的下垂控制，而此方法要求微網(wǎng)中并聯(lián)逆變器達到相同轉(zhuǎn)換角，可行性比較低。因此，為更好實現(xiàn)微網(wǎng)安全穩(wěn)定并入電網(wǎng)，本文提出適用于下垂控制的微網(wǎng)并網(wǎng)主動同步控制策略，將主動同步控制產(chǎn)生的相角運行至下垂控制中并達到同步，再進行孤網(wǎng)至微網(wǎng)并網(wǎng)模式運行的平穩(wěn)切換。

1 微網(wǎng)控制

微網(wǎng)在大電網(wǎng)體系中被稱為“模范公民”，具有能夠為電網(wǎng)提供輔助操作的特點。典型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出非工頻能量通過整流成直流能量，再通過逆變器逆變成工頻能量后，供給負荷使用和并網(wǎng)需求。其中蓄電池、負荷和電網(wǎng)相聯(lián)，微網(wǎng)內(nèi)3條饋線中，饋線A和B接重要負荷，饋線C接普通負荷，當電網(wǎng)發(fā)生故障時，斷開靜態(tài)開關(guān)，微網(wǎng)切換至孤網(wǎng)模式運行，微網(wǎng)中饋線A上和饋線B上的重要負荷供電無間斷，從而保證了供電可靠性。

圖1 典型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical microgrid structure

1.1微網(wǎng)的單元級控制

單元級控制主要針對逆變器作為接口的DG，逆變器的控制方法有：下垂控制、恒壓恒頻控制(V/f控制)和恒功率控制(PQ控制)。

下垂控制是DG接口逆變器模仿傳統(tǒng)同步發(fā)電機，其中電壓幅值和頻率要讓檢測逆變器輸出的有功和無功功率來進行調(diào)節(jié)，每臺DG都能讓負荷功率得到合理分配。

1.2微網(wǎng)的系統(tǒng)級控制

系統(tǒng)級控制分為主從控制和對等控制。主從控制主要是由單臺或多臺DG做主控電源，從屬單元由其他電源進行控制。當微網(wǎng)處于主從控制時，要主動為從動提供電壓和頻率參考，系統(tǒng)級電壓調(diào)節(jié)太依賴于主控單元，該控制降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

對等控制指微網(wǎng)中每臺DG均平等控制，各單元沒有從屬關(guān)系，能利用本地信息進行控制。文獻[11]中提出了“即插即用”的功能，而在微網(wǎng)中只有對等控制能實現(xiàn)這一功能。

文獻[12-13]中微網(wǎng)系統(tǒng)級采用對等控制、逆變器單元級采用下垂控制，驗證了微網(wǎng)在孤網(wǎng)和并網(wǎng)兩模式下能實現(xiàn)平穩(wěn)切換。本文基于采用對等控制體系的改進下垂控制器設(shè)計，來研究微網(wǎng)并網(wǎng)的主動同步控制問題。

2 微網(wǎng)控制器設(shè)計

2.1下垂控制策略

下垂控制的工作原理與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)頻率的一次調(diào)頻相似，逆變器單元通過下垂控制得到輸出電壓幅值和頻率，然后各自反向微調(diào)達到系統(tǒng)有功和無功功率的合理分配。

本文以Pf/QV的下垂控制為研究基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)下垂控制策略上增加了功率給定控制，其中關(guān)于Pf/QV的下垂特性式為：

(1)

式中：m、n分別為Pf/QV的下垂特性系數(shù)；fn為電網(wǎng)額定頻率；Pn為DG接口逆變器在額定頻率下輸出有功功率；U0為輸出無功功率為0時的電壓幅值；P、Q分別為DG輸出有功和無功功率。其中，m和n為：

(2)

對應的下垂特性曲線如圖2所示。

圖2 下垂特性曲線Fig.2 Droop characteristic curve

圖3 對等控制下的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Microgrid structure under peer to peer control

當DG輸出有功功率P較大時，利用P-f的下垂特性增大輸出頻率，減小其輸出P；當DG的輸出P較小時，則特性減小輸出頻率，從而使其輸出P增大。同理，對DG輸出無功功率Q，經(jīng)反復調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)達到最小環(huán)流點。

2.2對等控制

微網(wǎng)的對等控制如圖3所示，每臺DG通過線路阻抗Zlinen并聯(lián)運行，微網(wǎng)通過PCC處開關(guān)與公共配電網(wǎng)連接，當并網(wǎng)開關(guān)斷開或閉合時微網(wǎng)分別運行在孤網(wǎng)或并網(wǎng)模式下，靜態(tài)開關(guān)與電網(wǎng)相連，微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，下垂控制器中參考電壓的幅值和頻率均與電網(wǎng)電壓額定值相等。

2.3主動同步控制

微網(wǎng)在孤網(wǎng)模式下運行時，DG帶負荷運行，其輸出電壓幅值和頻率可能與其額定值有一定偏差，所以，微網(wǎng)并網(wǎng)前要縮小并網(wǎng)點兩端的差值來避免并網(wǎng)運行時產(chǎn)生的電流沖擊。當電壓頻率、相角和幅值都達到并網(wǎng)主動同步參數(shù)要求時，微網(wǎng)就能與電網(wǎng)穩(wěn)定并網(wǎng)[14]。

文獻[15]介紹了1種頻率和相角分時段調(diào)節(jié)的同步方法，為穩(wěn)定相角差，首先進行頻率的同步，再以固定的頻率擾動進行相角同步；文獻[16]提出1種在角頻率補償量中加入相角補償量的方法，通過控制角頻率來實現(xiàn)相位的同步。

圖4 主動同步控制原理Fig.4 Active synchronization control principle

本文結(jié)合以上同步方法提出了1種主動同步控制策略，控制原理框圖如圖4。電網(wǎng)電壓Ugrid的幅值Eg和相角qg由三相鎖相環(huán)(sampled phase-locked loop，SPLL)技術(shù)獲取，其幅值Eg與PCC處電壓做差后，通過PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)無差跟蹤電網(wǎng)電壓，所產(chǎn)生的信號與輸出無功功率為0時的電壓幅值U0相加后，再通過下垂控制中的功率給定控制技術(shù)，得到電壓幅值信號EDG；相位qg與微電源相角qDG做差后，通過PI調(diào)節(jié)器與下垂控制中的功率給定控制技術(shù)后，得到相位信號wDG。最后將信號EDG和wDG進行參考電壓合成后輸出。

啟動同步控制后，逆變器與電網(wǎng)電壓的頻率差通過PI調(diào)節(jié)器得到頻率補償量，輸出電壓頻率向電網(wǎng)電壓頻率靠近直到相同時，PI調(diào)節(jié)器輸出不再變化，即實現(xiàn)頻率同步[17]。

DG電壓和頻率PI同步控制方程為：

(3)

式中：Ug、fg分別為電網(wǎng)電壓幅值、頻率；UPCC、fPCC分別為微網(wǎng)PCC點端電壓幅值、頻率；kUP、kUI分別為電壓PI控制比例積分系數(shù)；kFP、kFI分別為頻率PI控制比例積分系數(shù)。

當頻率達到主動同步要求后，在PI同步控制環(huán)的作用下，頻率補償值為：

3 基于下垂控制的主動同步控制策略

圖5 基于Droop控制的微網(wǎng)并網(wǎng)主動同步控制框圖Fig.5 Active synchronization control of microgrid connected based on droop control

本文所采用的下垂控制對功率進行了改進并結(jié)合了主動同步控制，控制策略如圖5所示。該系統(tǒng)采用LC濾波器進行逆變器的輸出，采樣出三相電流ic和電壓U0，通過功率計算模塊得到逆變器輸出功率P、Q，再由下垂控制模塊輸出逆變器電壓的頻率f和幅值V，為電壓電流雙環(huán)控制形成參考電壓，之后將電壓電流雙環(huán)控制模塊產(chǎn)生的調(diào)制信號輸入到脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)模塊，來對逆變器輸出電壓進行控制。

在孤網(wǎng)向并網(wǎng)模式切換前，啟動主動同步控制，用于檢測是否達到并網(wǎng)要求。當檢測達到并網(wǎng)標準，公共耦合點PCC處電壓與電網(wǎng)電壓相等時，閉合并網(wǎng)開關(guān)，主動同步控制開關(guān)斷開，系統(tǒng)進入并網(wǎng)模式運行。

基于下垂控制的主動同步控制中，把電網(wǎng)電壓鎖相作為基礎(chǔ)，DG接口逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的主動同步追蹤原理如圖6所示，圖6中，q和w、qg和wg分別為DG接口逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位和角頻率，Δq為相位差，d-q坐標系以wg旋轉(zhuǎn)。

圖6 電壓主動同步原理圖Fig.6 Schematic diagram of voltage active synchronization

通過控制Uq趨于0來實現(xiàn)主動同步，Uq可按下式做同步坐標變換得出：

(6)

ω=ω0+ωsync-m(P-P0)

(7)

式中：Uoa、Uob、Uoc為逆變器abc三相輸出電壓。用PI控制器調(diào)節(jié)Uq與零參考，PI控制器輸出同步補償角頻率wsyn與下垂控制得到的角頻率按(7)式進行疊加，得出DG輸出電壓的角頻率參考值。

4 仿真分析

4.1仿真參數(shù)

本節(jié)對所提方法利用Matlab進行仿真分析，以圖5控制框圖為總體參考模型，取圖3中的DG1和DG2為微電源模型進行搭建。仿真參數(shù)設(shè)置為：微電源輸入直流電壓源800 V，額定輸出有功功率20 kW，輸出頻率50 Hz，輸出電壓幅值311 V；濾波參數(shù)Rf=0.01 Ω，Lf=0.6 mH，Cf=1 500 μF；載波頻率6 000 Hz；下垂系數(shù)m=0.000 01，n=0.000 3；PI參數(shù)KUP=10，KUI=100。負荷中，P1=20 kW，Q1=5 kvar；P2=20 kW，Q2=5 kvar；P3=10 kW，Q3=10 kvar。仿真驗證取2個參數(shù)相同的DG分別給本地及公共負荷供電，DG1和DG2分配模式如圖3所示。

4.2仿真分析與驗證

本文分別對低壓微網(wǎng)孤島運行時負荷切換、并網(wǎng)與孤網(wǎng)模式切換、加入主動同步控制的孤網(wǎng)到微網(wǎng)并網(wǎng)運行了仿真分析。

算例1：微網(wǎng)孤網(wǎng)運行，0.6 s切除公共負荷至1.2 s再投入公共負荷，繼續(xù)孤網(wǎng)運行，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 孤網(wǎng)運行的負荷切增Fig.7 Load shedding and increase of isolated grid operation

孤網(wǎng)運行時，2個DG因為參數(shù)設(shè)置相同，所以均分負載功率，并且DG由負載切增變化自動承擔對應功率。0.6 s切開公共負荷后，DG輸出的有功、無功功率均減小，系統(tǒng)頻率則有所增加；1.2 s投入公共負荷后，DG輸出的有功、無功功率均增大，系統(tǒng)頻率對應減小并恢復到負荷前孤網(wǎng)狀態(tài)。此過程的DG都采用下垂控制，實現(xiàn)了負荷變化功率的自動分配。

算例2：0.5 s前微網(wǎng)并網(wǎng)運行，0.5 s時與電網(wǎng)斷開并切換至孤網(wǎng)，1 s時微網(wǎng)重新與電網(wǎng)并網(wǎng)運行，孤網(wǎng)運行時DG都采用下垂控制。

由圖8(a)(b)可看出，0～0.5 s并網(wǎng)運行時，微網(wǎng)的負荷從電網(wǎng)收到部分有功功率，則0.5 s開始孤網(wǎng)運行后，DG輸出的有功功率均增大，以此補充有功缺額，所以圖8(c)看到0.5 s時刻系統(tǒng)頻率減小，說明下垂控制模型具有P-f下垂特性，且系統(tǒng)頻率減小幅度小于2%，使微網(wǎng)孤網(wǎng)時的頻率穩(wěn)定；并網(wǎng)運行開始后，微網(wǎng)向電網(wǎng)輸送無功功率；孤網(wǎng)運行后DG的輸出無功功率減小，圖8(d)中電壓幅值也相應增加，但其幅值較大，增加波動不明顯，說明下垂控制模型由Q-U下垂特性，使并網(wǎng)到孤網(wǎng)的切換運行中電壓得到了穩(wěn)定。

1 s時刻微網(wǎng)重新與電網(wǎng)并網(wǎng)，DG的輸出有功又減小，但輸出無功功率增加，系統(tǒng)頻率也相應增加，電壓幅值則有所減小但無明顯波動，大電網(wǎng)維持整個系統(tǒng)頻率和電壓并補充功率。微網(wǎng)由孤網(wǎng)切換到并網(wǎng)過程中，頻率與電壓都在規(guī)定的波動范圍內(nèi)，但因與額定值存在差距，有功、無功功率和圖8(e)中并網(wǎng)的瞬時電流在此過程中會有一定沖擊。

圖8 并網(wǎng)與孤網(wǎng)運行模式的切換Fig.8 Switching operation from connected-grid to isolated-grid mode

算例3：0～0.4 s微網(wǎng)孤網(wǎng)穩(wěn)定運行，0.4 s基于下垂控制的DG開始主動同步控制，0.6 s主動同步完成后切換至并網(wǎng)運行。

在主動同步控制時，微網(wǎng)與電網(wǎng)電壓的幅值和相位差在逐漸縮小，兩者大約在0.6 s完成同步，此時，微網(wǎng)開始并網(wǎng)。孤網(wǎng)運行時，DG分別承擔本地和公共母線上的負荷，圖9(a)(b)主動同步控制過程中，DG輸出功率因為下垂控制器的作用發(fā)生稍微波動；相比于未加入主動同步控制的微網(wǎng)并網(wǎng)，經(jīng)過主動同步控制后，DG的輸出電壓幅值和頻率值都恢復至額定，其輸出的有功、無功功率值也都恢復至額定，即等于本地負荷在額定電壓下消耗的功率值。

在微網(wǎng)與電網(wǎng)并網(wǎng)的瞬間，微網(wǎng)中DG輸出電壓沒有強烈變化，如圖9(c)也沒有很大的電流沖擊，驗證了本文所提出控制策略的有效性，同時也實現(xiàn)了微網(wǎng)并網(wǎng)的穩(wěn)定特性。

圖9 加入主動同步控制的孤網(wǎng)切換至并網(wǎng)Fig.9 Switching isolated to connected-grid with active synchronization control

5 結(jié)論

針對微網(wǎng)系統(tǒng)，首先理論分析了低壓微網(wǎng)與電網(wǎng)穩(wěn)定并網(wǎng)前所需的條件，即主要達到電壓幅值和頻率的主動同步，并提出了對應的控制策略。在理論分析基礎(chǔ)上，用Matlab/Simulink進行了仿真驗證。仿真結(jié)果證明，采用改進下垂控制的DG滿足P-f、Q-U特性，實現(xiàn)了負荷變化時的功率自動分配，使微網(wǎng)電壓和頻率都達到了要求，并確保了微網(wǎng)并網(wǎng)運行的穩(wěn)定。

基于下垂控制的主動同步控制策略在微網(wǎng)中的運行具有可行性，改進了微網(wǎng)中傳統(tǒng)控制策略的不足，進一步滿足現(xiàn)代微網(wǎng)和電網(wǎng)智能化的要求，實現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)前的主動同步。

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丁曉薇

(編輯 蔣毅恒)

ActiveSynchronizationControlStrategyforMicrogridBasedonDroopControl

DING Xiaowei, KUANG Honghai, ZHENG Liping, WANG Bao, LI Shengqing

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412000, Hunan Province, China)

To ensure the stability of the micro-grid with large-grid interconnection and realize isolated-net smooth switching to the grid, this paper proposes active synchronization control strategy based on droop control under the background of microgrid in peer-to-peer control system, according to the problem of the network synchronization with the grid. In this method, the power is given on the traditional droop control, and the active and reactive power of the microgrid and the decoupling between the voltage and the frequency are realized, the output voltage amplitude and phase are obtained by three-phase phase-locked loop (SPLL), which realizes the voltage synchronization of grid. The voltage phase of inverter at micro-grid interface can be obtained through the output integral by droop control, and then the PI controller is used for isochronous control, which can realize the synchronization of the amplitude, frequency and phase of the microgrid before the grid connected operation. Finally, the simulation is carried out in the Matlab/Simulink environment, whose result verifies the effectiveness and feasibility of the control strategy.

micro-grid; droop control; active-sync; inverter

TM 732

： A

： 2096-2185(2017)04-0029-07

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.04.005

湖南省自科基金項目(2015JJ009)；湖南省教育廳科研項目(15C0395)；湖南省教育廳開放基金項目(15K036)。

2017-06-13

丁曉薇(1992—)，女，通信作者，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)并網(wǎng)、新能源發(fā)電，13755051095@163.com；

匡洪海(1972—)，女，教授，博士，研究方向為新能源發(fā)電；

鄭麗平(1991—)，女，碩士研究生，研究方向為風力發(fā)電；

汪 寶(1992—)，男，碩士研究生，研究方向為分布式發(fā)電；

李圣清(1961—)，男，教授，博士，研究方向為電能質(zhì)量。