微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的主從控制策略研究

劉文

（廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006）

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的主從控制策略研究

劉文

（廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006）

為實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)多個(gè)分布式電源的協(xié)調(diào)控制，提出主從控制策略，即主分布式電源采用V-f控制，為微電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率；從分布式電源采用P-Q控制，使可再生能源得到充分應(yīng)用，從而使微電網(wǎng)孤島運(yùn)行具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能.MATLAB仿真結(jié)果表明，主從控制策略能使各分布式電源之間較好地協(xié)調(diào)，滿足了系統(tǒng)電壓和頻率的要求.

微電網(wǎng)；孤島運(yùn)行；主從控制策略；V-f控制；P-Q控制

2003年北美大停電、2008年1月我國(guó)南方多省因雪災(zāi)而大范圍停電等大面積停電事故，充分暴露了大電網(wǎng)的脆弱性.[1-2]微電網(wǎng)作為自洽系統(tǒng)，具有脫網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行的能力，能提高供電的可靠性.為了滿足負(fù)荷對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率的要求，跟蹤微電網(wǎng)中負(fù)荷的變化需要采取相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制策略，目前采用的協(xié)調(diào)控制策略主要有：主從站控制[3]、負(fù)荷—頻率二次控制[4]、連絡(luò)線(tie line)控制[5]、基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)控制和多微電網(wǎng)分層分布式控制[6].這些控制策略都能保證微電網(wǎng)孤島電壓和頻率的穩(wěn)定，但負(fù)荷—頻率二次控制需要大容量的存儲(chǔ)單元，連路線控制、多代理控制以及分層分布式控制需要安裝通信裝置.本文考慮經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，采用主從控制的孤島穩(wěn)定運(yùn)行策略，即將微型燃?xì)廨啓C(jī)這種功率可調(diào)的機(jī)組作為主電源，應(yīng)用恒頻恒壓控制方法時(shí)刻維持孤島運(yùn)行電壓和頻率穩(wěn)定，將太陽(yáng)能電池和風(fēng)力發(fā)電這類(lèi)間歇性發(fā)電機(jī)組作為從電源，采用P-Q控制方法讓其盡可能輸送能量，以達(dá)到最大化利用新能源的目的[7-10].

1 孤島主從控制策略

1.1 主電源逆變器V-f控制

圖1 V-f控制原理

圖2 V-f控制的結(jié)構(gòu)框圖

分布式電源的接口逆變器采取恒壓恒頻控制，這意味著不管分布式電源輸出功率如何變化，其輸出電壓的幅值和頻率維持不變，為微網(wǎng)的孤島運(yùn)行提供強(qiáng)有力的電壓和頻率支撐，并具有一定的負(fù)荷功率跟隨特性.如圖1所示，分布式電源輸出的有功功率從1P變化到3P、無(wú)功功率從Q1變化到Q3，其輸出的頻率始終為50 Hz，電壓幅值為額定值.

本文采用的V-f控制框圖如圖2所示，微電源采用V-f控制時(shí)，通過(guò)設(shè)定電壓參考值，實(shí)時(shí)采集逆變器端口電壓信息Va、Vb、Vc，在PI控制器的調(diào)節(jié)作用下，維持逆變器端口電壓的恒定；頻率由鎖相環(huán)產(chǎn)生恒定參考值，本文通過(guò)MATLAB/simulink環(huán)境中自帶鎖相環(huán)PLL模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率恒定的要求.對(duì)稱(chēng)三相電網(wǎng)電壓波形經(jīng)派克變換后僅含d軸分量Vd.當(dāng)電壓基準(zhǔn)值取三相對(duì)稱(chēng)電壓的相電 壓 峰 值 時(shí) ， Vdref,pu=1，Vqref=0.

這種控制方法只能用于微電網(wǎng)中容量較大的儲(chǔ)能裝置或配備儲(chǔ)能裝置的分布式電源，它相當(dāng)于無(wú)窮大母線，采用這種控制方法的分布式電源必須滿足系統(tǒng)負(fù)荷功率變化的需求.

1.2 從電源逆變器P-Q控制

逆變器接口的分布式電源采用P-Q控制，其控制目的是使分布式電源輸出的有功功率和無(wú)功功率等于其參考功率，控制方法的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示.為了更好地計(jì)算瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率，更好地讓輸出的有功功率和無(wú)功功率快速響應(yīng)參考給定的功率，本控制器將采樣的三相電壓和電流分別轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸下的電壓和電流，進(jìn)行派克變換所需的相角由主電源逆變器輸出電壓信號(hào)通過(guò)鎖相環(huán)（PLL）計(jì)算得到.

圖3 P-Q控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 P-Q控制原理

P-Q控制原理示意圖如圖4所示，L、C是三相濾波電感和濾波電容，R是濾波器為抑制振蕩而增設(shè)的阻尼電阻，V1是逆變器端口輸出電壓，V2是經(jīng)濾波器后的輸出電壓.

采用電壓源逆變器時(shí)，其輸入的調(diào)制信號(hào)用于控制逆變器端口輸出電壓，因此必須將參考電流控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為參考電壓控制信號(hào).由圖4可知，饋線電壓可以表示為：

將上式各量轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)dq0坐標(biāo)系，對(duì)應(yīng)的饋線電壓方程為：

式中ω為線性電壓、電流的頻率，與配電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)由電網(wǎng)頻率決定，孤島運(yùn)行時(shí)由下垂控制的分布式電源決定.

逆變器輸出功率在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的計(jì)算可以表示為：

在功率和電壓已知的情況下可求得電流值：

由式（4）可知，若給定參考功率Pref和Qref，測(cè)量獲得輸出電壓后便可以精確地計(jì)算出下級(jí)PI控制器的參考電流值Iref.將逆變器輸出電流參考值Iref分解為有功電流分量Idref和無(wú)功電流分量Iqref，得到電流環(huán)的dq軸參考值.

可得：

由式（4）、（5）可得功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制框圖如圖5所示.此控制框圖包含2個(gè)PI控制器.第1個(gè)PI控制器的作用：調(diào)節(jié)參考功率與實(shí)際測(cè)量輸出功率之間的差值，使輸出功率快速響應(yīng)參考功率，其次產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)控制所需的參考電流.第2個(gè)PI控制器的作用：調(diào)節(jié)參考電流與實(shí)際反饋回控制器的電流之間的差值，以達(dá)到產(chǎn)生零穩(wěn)態(tài)誤差、補(bǔ)充非線性擾動(dòng)的作用.為了降低孤網(wǎng)電壓對(duì)系統(tǒng)的影響，將電壓前饋控制引入電流內(nèi)環(huán)控制中，從而使從分布式電源輸出電壓能及時(shí)跟蹤主分布式電源電壓，保證輸出無(wú)零序分量且接近正弦波的電流.由于對(duì)多種擾動(dòng)不敏感，從分布式電源在不同時(shí)段、不同環(huán)境下都能按參考指令輸出理想的功率，增強(qiáng)了從分布式電源的靈活性.

圖5 功率和電流雙環(huán)控制框圖

2 仿真模型和分析

假定主分布式電源逆變器直流側(cè)電壓為700 V，從分布式電源直流側(cè)分別為650 V和600 V.載波頻率設(shè)為6 450 Hz，主電源LC濾波器參數(shù)L=15 mH、R=0.08 Ω、C=100 μF，從電源LC濾波器參數(shù)L=10 mH、R=0.08 Ω、C=100 μF.負(fù)荷額定線電壓為380 V，模型中所有節(jié)點(diǎn)電壓用標(biāo)幺值表示時(shí)，基準(zhǔn)電壓均為380 V.主電源PI調(diào)節(jié)器中KP=10、 KI= 500，從電源PI調(diào)節(jié)器中KP=5、KI=100.設(shè)置工況：t=0 s時(shí)所帶對(duì)稱(chēng)三相負(fù)荷P=20 kW、Q=0.5 kvar；t=0.2 s時(shí)所帶對(duì)稱(chēng)三相負(fù)荷增加為P=30 kW、 Q=1 kvar.從電源1給定參考有功功率0 s為8 kW，0.1 s降為5 kW，0.2 s升為9 kW，0.3 s降為8 kW，0.4 s降為7 kW，給定參考無(wú)功功率為0；從電源2給定參考有功功率0 s為4kW，0.1 s升為5 kW，0.2 s升為8 kW，0.3 s降為7 kW，0.4 s降為6 kW，給定參考無(wú)功功率為0.

由仿真圖7a）可見(jiàn)，采用此控制策略，孤網(wǎng)頻率基本保持在50 Hz左右，符合規(guī)定的頻率標(biāo)準(zhǔn)；由仿真圖7b）可見(jiàn)，當(dāng)負(fù)荷負(fù)載增加時(shí)，在主電源V-f控制器的作用下，孤網(wǎng)電壓幅值和頻率均保持不變，始終保持電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)，能很好地為孤網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率；由仿真圖7c）可見(jiàn)，采用主從控制策略，孤網(wǎng)能輸出較好的電流波形，并能很好地跟隨負(fù)荷變化；由仿真圖7d）和7e）可見(jiàn)，各從分布式電源都能很好地按照指令輸出相應(yīng)的功率，并能快速隨指令變化而調(diào)整，響應(yīng)過(guò)程平穩(wěn)；由仿真圖7f）可見(jiàn)，主電源也能及時(shí)調(diào)整，并很好地滿足負(fù)荷的功率需求；同時(shí)，通過(guò)仿真圖7d）、7e）、7f）、7g）可見(jiàn)，主電源輸出功率與2個(gè)從電源功率之和，剛好等于負(fù)荷總功率，說(shuō)明了此控制策略的可行性.

圖6 仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)的有益補(bǔ)充和分布式發(fā)電系統(tǒng)的有效利用形式，應(yīng)用于未來(lái)的電力系統(tǒng)可以節(jié)省投資、降低投資的風(fēng)險(xiǎn)，降低能耗、提高效能，提高電力系統(tǒng)的可靠性、靈活性和供電質(zhì)量.為了能夠較好地維持孤網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定，使輸出電流接近于正弦波，從電源應(yīng)很好跟蹤指令功率輸出以保證孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了微電網(wǎng)孤島狀態(tài)下主從控制策略系統(tǒng)，通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、響應(yīng)迅速、抗擾能力強(qiáng)、能讓從分布式電源不同時(shí)段根據(jù)指令輸出最大功率，達(dá)到了最大化利用可再生能源目的，增強(qiáng)了分布式電源的實(shí)用性.

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A Study of Master-slave Control Strategy in the Isolated Microgrid

LIU Wen
(Automation School,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

When an isolated microgrid runs,the essential problem needed to be solved is to achieve the coordination of multiple distributed power sources.In this paper,a master-slave control strategy is proposed,i.e.,theV-fcontrol method is used in master distributed power to provide a stable voltage and frequency for the microgrid andP-Qcontrol method is applied in the slaves,making full use of renewable energy.With this control strategy,the isolated microgrid can run steadily and with dynamic performance.Simulation shows that the control strategy proposed can coordinate these distributed powers and meet the need of the system voltage and frequency.

microgrid;islanding operation;master-slave control strategy;V-fcontrol;P-Qcontrol

?

TM727

A

1006-7302（2011）03-0056-05

2011-03-08

劉文（1985—），男，湖北仙桃人，碩士研究生，從事微電網(wǎng)運(yùn)行控制與保護(hù)技術(shù)的研究.