分層控制在微網(wǎng)中的應用研究

許守平，侯朝勇，王坤洋，惠東

（中國電力科學研究院，北京 100192）

在能源需求和環(huán)境保護的雙重壓力下，分布式發(fā)電技術(shù)獲得了越來越多的重視和應用。將分布式電源以微網(wǎng)的形式接入到大電網(wǎng)中并網(wǎng)運行，與大電網(wǎng)互為支撐，是滿足負荷增長需求、減少環(huán)境污染、提高能源綜合利用效率和供電可靠性的一種有效途徑[1-2]。微網(wǎng)是指由分布式電源、儲能系統(tǒng)、能量變換裝置、相關(guān)負荷和監(jiān)控系統(tǒng)、保護裝置集中而成的小型發(fā)電系統(tǒng)，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，既可與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可孤立運行[3]。

微網(wǎng)主要有2種應用模式：直流微網(wǎng)和交流微網(wǎng)。2種微網(wǎng)運行模式的特有結(jié)構(gòu)使其具有某些特有的功能，針對其結(jié)構(gòu)和功能，國內(nèi)外已經(jīng)提出了很多不同的微網(wǎng)管理架構(gòu)。微網(wǎng)由很多子系統(tǒng)組成，包括分布式發(fā)電、儲能系統(tǒng)、電力電子接口、分布式負荷和主電網(wǎng)等，在實際運行中需要解決的關(guān)鍵問題之一仍然是微網(wǎng)的控制問題，目前各國也都在這一問題上對微網(wǎng)的不同結(jié)構(gòu)及運行模式進行著各種探索研究[4-6]。本文通過對2種微網(wǎng)運行模式的分析，提出一種包含多個層次的分層復合控制策略，可以實現(xiàn)微網(wǎng)中每個分布式電源的對等控制和即插即用控制，并能形成一個自治的微網(wǎng)控制系統(tǒng)，完成微網(wǎng)的有效自我管理。

1 分層控制概述

微網(wǎng)中在同一個應用層存在多個分布式電源并聯(lián)運行的情況，這就需要復雜的通信方法和控制算法。而微網(wǎng)和電網(wǎng)之間的接口通常是采用電力電子逆變器進行并聯(lián)聯(lián)接，為避免產(chǎn)生環(huán)流，通常采用下垂控制理論，使并聯(lián)運行的接口逆變器能夠模擬傳統(tǒng)的發(fā)電機的虛擬慣性，通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值和頻率，從而達到各并聯(lián)逆變器之間功率的均衡分布。圖1是基于逆變器接口的微網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)。

圖1 基于逆變器接口的微網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of microgrid based on the inverter interface

在直流電源變換器并聯(lián)聯(lián)接的情況下，采用下垂控制方法應減去參照每個模塊輸出電壓產(chǎn)生的一部分輸出電流，因此，在這種控制環(huán)中需要補充一個虛擬輸出阻抗循環(huán)。這個循環(huán)也稱為自適應電壓點（AVP），它可以應用于低壓大電流條件下改善電壓調(diào)節(jié)模塊（VRMs）的瞬態(tài)響應。同時，下垂控制理論也要實現(xiàn)逆變器之間的電壓和電流分配的內(nèi)部調(diào)整，這種控制方法，也被稱為P-W和Q-E控制方法[7-8]。

盡管很多微網(wǎng)系統(tǒng)采用這種控制方法，但由于缺少上層控制，單純通過下垂控制來完成對每個分布式電源的有功和無功調(diào)節(jié)會對輸出電壓的幅值和頻率造成影響。為了解決這個問題，本文提出一種稱為次級控制的外部控制回路來修復微網(wǎng)的標稱電壓值，使微網(wǎng)重新達到穩(wěn)定狀態(tài)。最后為了實現(xiàn)微網(wǎng)和電網(wǎng)之間的穩(wěn)定和最優(yōu)化運行，又設計了第三級控制來完成。

根據(jù)上面的論述，本文提出的分層控制主要包括三層，即初級控制、次級控制和三級控制。在這種控制策略中，每一層獨立完成自己的控制任務并通過通信通道向下層傳達命令，并且在向下層傳達命令時不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

初級控制作為最底層控制，依靠下垂控制方法來實現(xiàn)，主要作為操作層運行，直接進行調(diào)節(jié)，完成對分布式電源的控制；同時，通過對輸出電壓的幅值和頻率的調(diào)節(jié)完成對各逆變器接口的分布式電源輸出的有功和無功分配，實現(xiàn)并聯(lián)的分布式電源的均衡和優(yōu)化。

次級控制通過向初級控制信號重新調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓幅值和頻率，使之重新達到平衡，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時該層控制還負責微網(wǎng)和電網(wǎng)的同步，減少微網(wǎng)對系統(tǒng)的沖擊。

三級控制主要控制微網(wǎng)和電網(wǎng)之間的功率流動，來實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定和經(jīng)濟運行。

2 分層控制在直流微網(wǎng)中的應用

直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)中的分布式電源、儲能裝置和負荷等均通過電力電子變換裝置連接到直流母線，然后再通過逆變器輸送到外部交流電網(wǎng)。圖3所示為2個并聯(lián)直流源的等效電路。直流微網(wǎng)相比于交流微網(wǎng)有自己的優(yōu)勢，比如不需要同步分布式發(fā)電機、沒有變壓器產(chǎn)生的涌流、無功功率、諧波電流和三相不平衡問題等[9]。而且，直流微網(wǎng)通過電力電子變換裝置可以向不同電壓等級的交流、直流負荷提供電能，分布式電源和負荷的波動可由儲能裝置在直流側(cè)進行補償。目前，人們主要把光伏模塊和燃料電池作為直流輸出單元[10]。

圖2 直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the DC microgrid

圖3 2個并聯(lián)直流源的等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit of two parallel-connected DC power supplies

應用于直流微網(wǎng)中的分層控制方法，主要包括3個控制層。

2.1 初級控制

本級控制主要靠內(nèi)部電流和電壓控制環(huán)來調(diào)節(jié)參考電壓，作為操作層運行，進行直接調(diào)節(jié)，完成對分布式電源的控制。同時，通過對輸出電壓的幅值和頻率的調(diào)節(jié)完成對各逆變器接口的分布式電源輸出的有功和無功分配，實現(xiàn)并聯(lián)的分布式電源的均衡和優(yōu)化。該層還包含一個內(nèi)部控制環(huán)，每個模塊的調(diào)節(jié)參數(shù)都集成在內(nèi)部控制環(huán)內(nèi)，包含電流、電壓、反饋、前饋、線性和非線性控制環(huán)，完成對輸出電壓的調(diào)節(jié)和電流的控制，同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

在這一層中，輸出電壓V*0可表示為：

式中，i0是輸出電流；RD是輸出電阻；Vref是無負載情況下輸出參考電壓。

假設εV是最大允許電壓誤差，那么RD和Vref則需要按照下面的公式設計：

式中，Vn是額定輸出電壓；imax是最大輸出電流。

因此，在2個逆變器器之間的電流分配為：Δi0=i01－i02，而又有：

該控制回路不僅允許逆變器之間并聯(lián)運行，而且還改善了輸出電壓的動態(tài)特性。但該控制環(huán)仍有潛在的固有負載電壓偏差。

2.2 次級控制

為了解決電壓偏差問題，提出了次級控制方法。VMG是相對于參考電壓V*MG而言微網(wǎng)系統(tǒng)意義上的電壓。這個誤差通過補償器傳送到微網(wǎng)系統(tǒng)所有的單元中來修復輸出電壓?？刂破骺梢愿鶕?jù)式（5）設計：

式中，kp、ki分別是次級控制補償器的控制參數(shù)。為了不超過最大電壓誤差，必須對ΔV0做出限定，然后，再對公式（1）進行修正，修正后的公式為：

為了連接微網(wǎng)系統(tǒng)和直流電源，必須測量直流電源的電壓，作為次級控制的參考值。經(jīng)暫態(tài)過程后，微網(wǎng)通過靜態(tài)旁路開關(guān)與直流電源相連。

在這種狀態(tài)下，微網(wǎng)與外部直流電源之間不存在能量交換現(xiàn)象。圖4為直流微網(wǎng)的初級和次級控制結(jié)構(gòu)圖。

圖4 直流微網(wǎng)的初級和次級控制結(jié)構(gòu)Fig.4 Primary and secondary controls of a DC microgrid

2.3 三級控制

一旦微網(wǎng)系統(tǒng)與直流電源相連，就可以通過改變微網(wǎng)內(nèi)部的電壓來控制功率。圖5為分層控制的三級控制結(jié)構(gòu)圖，通過測量靜態(tài)旁路開關(guān)的電流iG，然后與預定電流值i*G相比較，可以判斷出微網(wǎng)是吸收還是放出能量。三級控制的控制器可以按照式（7）進行設計：

式中，k′p、k′i是三級控制補償器的控制參數(shù)。同次級控制一樣，ΔV0也必須進行限定。依靠i*G的正負，可以判斷功率流是流入電網(wǎng)還是流出電網(wǎng)。

3 分層控制在交流微網(wǎng)中的研究

目前，交流微網(wǎng)仍然是微網(wǎng)的主要運行模式，其典型結(jié)構(gòu)如圖6所示，圖7為2個并聯(lián)逆變器的等效電路圖。

圖6 交流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of the AC microgrid

圖7 兩個并聯(lián)變流器的等效電路圖Fig.7 Equivalent circuit of two parallel-connected inverters

在交流微網(wǎng)中，分布式電源、儲能裝置等均通過電力電子裝置連接到交流母線，通過對公共聯(lián)結(jié)點（PCC端口）處開關(guān)的控制，實現(xiàn)微網(wǎng)并網(wǎng)運行和孤島運行模式的轉(zhuǎn)換[9-10]。同直流微網(wǎng)系統(tǒng)類似，在交流微網(wǎng)中的分層控制也分為三層。

3.1 初級控制

當2個或者2個以上的逆變器進行并聯(lián)時，就會出現(xiàn)循環(huán)有功和無功功率。初級控制主要通過對輸出電壓的頻率和幅值的調(diào)節(jié)來完成各逆變器接口的分布式電源輸出的有功和無功分配。本文中的初級控制主要應用下垂控制理論來完成內(nèi)部電壓電流環(huán)的指令，從而實現(xiàn)有功和無功的分配。下垂控制方法[5，8]可表示為：

式中，ω*、E*分別是輸出電壓的頻率和幅值；G（ps）、G（Qs）是頻率和幅值的下垂轉(zhuǎn)換系數(shù)。圖8和圖9分別表示在感性阻抗下的下垂控制特性和控制器框圖[11]。

圖8 感性阻抗下的下垂控制特性Fig.8 Droop control characteristics for inductive impedance

圖9 下垂控制器框圖Fig.9 Functional diagram of the droop control

在微網(wǎng)系統(tǒng)的孤島模式下不能用純積分電路，因為總負荷和總輸入電量不匹配。但是在微網(wǎng)并網(wǎng)模式下應用純積分器可以提高輸入的有功和無功功率的精度[12]。而且，這些控制目標都可以通過第三級控制得到。

初級控制還模擬了傳統(tǒng)發(fā)電機的虛擬慣性阻抗環(huán)，在這個環(huán)中輸出電壓可以表示為：

ZD（s）是虛擬輸出阻抗轉(zhuǎn)換系數(shù)公式，通常是為了保證線性頻率的感性特征。通過有規(guī)律地改變虛擬阻抗的值，可以控制熱交換運行。圖10和圖11分別是虛擬阻抗循環(huán)控制框圖和等效電路圖。這個控制環(huán)允許逆變器并聯(lián)運行。

圖10 虛擬阻抗循環(huán)控制原理Fig.10 Virtual impedance loop control priciple

圖11 虛擬阻抗循環(huán)控制等效電路圖Fig.11 Equivalent circuit of an inverter with the output impedance loop

3.2 次級控制

初級控制通過對頻率和幅值的調(diào)節(jié)完成了對逆變器輸出功率的分配，但是這將會引發(fā)頻率和電壓的波動。為了補償這個波動使頻率和幅值重新回到額定值，引入了次級控制方法。在本層控制中，監(jiān)測微電網(wǎng)中各分布式能源輸出電壓的頻率ωMG和幅值EMG，并和參考值ω*MG和E*

MG進行比較，得到誤差Δω和ΔE，這個誤差傳送到各分布式能源的控制器中，從而使各分布式能源的頻率和幅值回復到穩(wěn)定值。

考慮到電網(wǎng)的緊急狀態(tài)，次級控制應該在允許的范圍內(nèi)對頻率偏差進行修正。在我國，頻率偏差設定為±0.5 Hz[12]。

交流微網(wǎng)條件下，分布式能源的頻率和幅值復位控制器可根據(jù)下式設計：

式中，kpω、kiω、kpE、kiE是次級控制補償器的控制參數(shù)。在這種情況下，為了不超過頻率和幅值允許的最大偏差，Δω、ΔE必須進行限定。

在微網(wǎng)的并網(wǎng)運行過程中，次級控制不但要監(jiān)測主電網(wǎng)電壓的幅值和頻率，同時還要監(jiān)測主網(wǎng)和微網(wǎng)之間的相位，并下發(fā)給微網(wǎng)各個單元去和微網(wǎng)相位進行同步。當同步完成后，微網(wǎng)才可以通過靜態(tài)旁路開關(guān)與主網(wǎng)相聯(lián)。在同步過程中，微網(wǎng)和主網(wǎng)之間沒有能量交換。圖12是交流微網(wǎng)的初級和次級控制結(jié)構(gòu)框圖。

圖12 交流微網(wǎng)的初級和次級控制結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Primary and secondary controls of an AC microgrid

3.3 三級控制

在微網(wǎng)的并網(wǎng)運行模式下，可以通過調(diào)節(jié)微網(wǎng)電壓的頻率和幅值控制功率流。初級控制能夠完成對負荷突變的響應，次級控制可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，而為了提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和供需平衡，本文又提出了三級控制理論。具體的控制方法是按照最優(yōu)運行的目標或者操作員的強制指令，重新對分布式能源的功率進行分配。經(jīng)濟運行的最佳點是微網(wǎng)中所有的分布式電源的邊際成本相等。三級控制器可根據(jù)下式進行設計：

式中，kpP、kiP、kpQ、kiQ分別是三級控制補償器的控制參數(shù)。同樣的，Δω、ΔE也必須限定在允許的最大偏差值內(nèi)。圖13為交流微網(wǎng)的三級控制結(jié)構(gòu)框圖。

圖13 交流微網(wǎng)的三級控制結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Tertiary control and synchronization loop of an AC microgrid

然而，由于微網(wǎng)系統(tǒng)自身的分散特性，每個控制器必須具有根據(jù)本地信息進行自我調(diào)節(jié)的能力，盡量不依賴外部的信息。所以，三級控制大都還是依靠本地負荷情況和分布式能源自身的信息進行控制，同時接受來自上層的整體調(diào)度完成最優(yōu)化的運行管理。

4 實驗驗證與分析

本文構(gòu)建了一個有2臺逆變器的微網(wǎng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖14所示，每臺逆變器代表一個微電源，最大輸出功率為5 kW。

圖14 實驗用微網(wǎng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖Fig.14 Basic structure of the experiment microgrid system

初級控制和次級控制由DSP來完成，再通過串口和一臺PC機相連，三級控制由PC機完成。逆變器1的負荷為2.5 kW，逆變器2的負荷為1.5 kW，還有一個公共負荷為1 kW。

如圖15所示，整個微網(wǎng)運行在并網(wǎng)模式下，當6.5 s時，靠近逆變器2的負荷突然增加2 kW，此時系統(tǒng)總負荷達到3.5 kW，逆變器2隨即提高自己的輸出，實現(xiàn)對負荷的快速跟蹤；在18 s時，逆變器2斷開，此時原先逆變器2的本地負荷將由逆變器1和電網(wǎng)共同來承擔，逆變器1滿功率運行，同時需要電網(wǎng)補充剩下的2 kW。圖16表示頻率的波動，在并網(wǎng)模式下，穩(wěn)態(tài)運行時微電網(wǎng)頻率即為主電網(wǎng)頻率，所以基本是恒定值50.03 Hz。

圖17所示是從并網(wǎng)模式到離網(wǎng)模式下微網(wǎng)系統(tǒng)的變化。系統(tǒng)在并網(wǎng)模式下運行時，當10 s時，微電網(wǎng)與主電網(wǎng)斷開獨立運行，此時，逆變器1承擔了公共負荷；在18 s時，逆變器2斷開，所有的負荷均由逆變器1來承擔。圖18表示頻率的變化，由于下垂控制的作用，離網(wǎng)運行時，輸出功率增加，微電網(wǎng)的頻率將下降，到18 s時，由于逆變器2的斷開，頻率進一步下降來滿足輸出有功的需求，直至達到重新平衡。本地負荷增加，此時斷開逆變器2。

圖16 微網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)模式下頻率的波動圖Fig.16 Frequency transient response in the gridconnected mode

圖17 微網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)模式到離網(wǎng)模式下有功的波動圖Fig.17 Active power transient response from the gridconnected to islanded

圖18 微網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)到離網(wǎng)模式下頻率的波動圖Fig.18 Frequency transient response in the gridconnected mode

通過實驗并對構(gòu)建的整個微網(wǎng)系統(tǒng)的負荷變化和運行狀態(tài)分析，可知本文所設計的初級控制能迅速地完成負荷的跟蹤，次級控制能重新調(diào)整系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定運行點，使系統(tǒng)重新穩(wěn)定運行，三級控制能夠按照操作命令完成對負荷的分配，為分層控制在微網(wǎng)系統(tǒng)中的應用提供可靠的理論依據(jù)。本文沒有專門對微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行實驗研究，可留待以后進行分析。

5 結(jié)論

本文針對微網(wǎng)的特點，提出了一種適合微網(wǎng)的分層控制策略，并對提出的控制方法進行了闡述，設計了響應的控制器，構(gòu)建了實驗系統(tǒng)，對提出的控制方法進行了實驗驗證，結(jié)果表明分層控制對微網(wǎng)控制的有效性。但本文沒有對微網(wǎng)的經(jīng)濟性進行有效的評估，后續(xù)有必要對經(jīng)濟性進一步研究。應用這種分層復合控制方法可以控制和管理微網(wǎng)在直流或交流配電系統(tǒng)中的靈活利用，對我國微網(wǎng)系統(tǒng)的建設提供有價值的參考信息。

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