基于DIgSILENT平臺的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略仿真研究

荊江平，施偉成，杜煒凝，祁　明

(國網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇鎮(zhèn)江　212004)

A Simulation Study on Coordinated Control Strategy of Micro-grid Based on DIgSILENT PlatformJING Jiangping, SHI Weicheng, DU Weining, QI Ming

(Zhenjiang Power Supply Company of State Grid, Zhenjiang 212004, China)

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基于DIgSILENT平臺的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略仿真研究

荊江平，施偉成，杜煒凝，祁明

(國網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇鎮(zhèn)江212004)

0引言

微電網(wǎng)是指由分布式電源(分布式發(fā)電設備和儲能裝置)、能量變換裝置、相關負荷和監(jiān)控、保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠實現(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)。既可以并網(wǎng)運行，也可以孤網(wǎng)運行[1]。微電網(wǎng)和大電網(wǎng)通過公共連接點(point of common coupling，PCC)進行能量交換，雙方互為備用，從而提高了供電可靠性。

目前，國內(nèi)外關于微電網(wǎng)控制方面的研究已有大量文獻。文獻[2-5]利用虛擬阻抗、虛擬坐標變換等技術改進下垂控制策略，并結合PQ控制策略，解決了微電網(wǎng)離并網(wǎng)切換過程中的電壓波動、頻率波動、無功功率均分、逆變器輸出有功與無功的耦合等問題。文獻[6-9]對于含多類型分布式電源的微電網(wǎng)，利用集成孤島檢測、自動同期并網(wǎng)和保護測控等功能的中央控制器實時監(jiān)測電網(wǎng)信號來進行協(xié)調(diào)控制，利用多代理技術、分布式算法解決微電網(wǎng)、本地負荷以及主網(wǎng)之間的最優(yōu)能量交換問題，并從日前與日內(nèi)多時間尺度對微電網(wǎng)能量進行協(xié)調(diào)控制。文獻[10]基于同步發(fā)電機數(shù)學模型，研究了微電網(wǎng)多分布式電源的協(xié)調(diào)組網(wǎng)控制方法。文獻[11]研究了一種基于動態(tài)規(guī)劃法的分布式電源和電壓控制裝置間的協(xié)調(diào)控制策略。文獻[12]研究了一種分布式電源電壓電流混合控制方法，不僅降低了分布式電源并網(wǎng)逆變器的諧波電流，同時保證了在離并網(wǎng)切換時的動態(tài)性能較平滑。文獻[13-14]針對交直流混合母線微電網(wǎng)系統(tǒng)，分析了典型交直流混合母線微電網(wǎng)的拓撲結構與逆變器控制策略，研究了一種適用于多母線微電網(wǎng)離網(wǎng)運行時的分布式電源控制策略，包含諧振控制、下垂控制、負序阻抗控制，提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)切換過程中的穩(wěn)定性。文獻[15-17]對微電網(wǎng)分布式電源逆變器進行了多環(huán)反饋控制器的設計與研究，并研究了一種新型鎖相環(huán)用于確保微電網(wǎng)離并網(wǎng)運行模式的平滑轉化，減少了切換時的暫態(tài)影響。

縱觀國內(nèi)外高校及研究機構在分布式電源并網(wǎng)控制領域所做的工作，主要是對基于逆變器并網(wǎng)的分布式電源，其基本的控制策略是PQ控制、V/f控制和下垂控制，研究的重點是對控制器進行設計，來提高分布式電源并網(wǎng)運行的性能，同時降低分布式電源并網(wǎng)對大電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。本文針對一風、光、儲和可調(diào)負載相組合的實驗室微電網(wǎng)模型，在DIgSILENT平臺上仿真研究了一種微電網(wǎng)主從控制下的協(xié)調(diào)控制策略，并對該微電網(wǎng)4種運行工況進行仿真分析。

1微電網(wǎng)實驗室模型

如圖1所示為一實驗室微電網(wǎng)模型，它由可調(diào)負載、模擬線路、柴油機、光伏發(fā)電、風力發(fā)電、儲能裝置等構成。

圖1　實驗室微電網(wǎng)模型

可調(diào)負載輸入電壓為400V/50Hz，接線方式為三相四線制，阻性功率為68.33kW，感性與容性功率均為68.33kvar；模擬線路可調(diào)長度為0～250m(以50m為間隔)，正序阻抗為(0.008+j0.003 5)Ω/50m，零序阻抗為(0.010+j0.005 0)Ω/50m；柴油機以變頻器、三相異步電機、發(fā)電機模擬；光伏發(fā)電陣列由10串12并光伏組件構成，峰值功率為30kWp；風力發(fā)電由三相異步電機、永磁同步發(fā)電機模擬，最大并網(wǎng)功率為10kW；儲能裝置容量為75kWh，額定功率為50kW，可運行于恒功率或恒電流充放電模式。

2微電網(wǎng)運行及控制

2.1運行工況

微電網(wǎng)的運行工況包括并網(wǎng)狀態(tài)(Grid-On)、離網(wǎng)狀態(tài)(Grid-Off)、并網(wǎng)/離網(wǎng)切換狀態(tài)(On/Off)、離網(wǎng)/并網(wǎng)切換狀態(tài)(Off/On)，各工況之間轉換關系如圖2所示。

圖2　微電網(wǎng)運行狀態(tài)轉換圖

2.2控制策略

微電網(wǎng)控制策略可以概括為微網(wǎng)級和微源級的兩層控制體系，微網(wǎng)級的控制主要有主從控制策略和對等控制策略，而微源級的控制即分布式電源并網(wǎng)逆變器控制策略，包括PQ控制、V/f控制和下垂控制等。

在微電網(wǎng)采用主從控制策略時，主電源與從電源在并網(wǎng)運行時都作PQ控制運行，然而由于計劃孤島或故障造成非計劃孤島時，主電源必須提供全網(wǎng)電壓、頻率支撐，其控制策略需轉為V/f控制模式；同樣，當故障切除或系統(tǒng)下達并網(wǎng)指令時，主電源需要從V/f控制模式切換為PQ控制模式[18]。

基于d-q變換的前饋解耦PQ控制算法是目前應用于微電源并網(wǎng)的主流方法，它是包括功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方法。內(nèi)環(huán)電流控制參考信號id_ref、iq_ref由有功、無功功率指令解算得出，id_ref、iq_ref經(jīng)前饋解耦獲得電壓控制參考信號，以控制逆變器發(fā)出恒定功率。在三相平衡條件下，定義d軸與公共連接點(PCC點)電壓矢量重合，則uq=0，故可按如圖3所示前饋電流解耦PQ控制算法解算功率外環(huán)[19]。

圖3　前饋電流解耦PQ控制算法

忽略功率外環(huán)控制部分，該PQ控制算法的數(shù)學模型可描述為

(1)

式中：id、iq為逆變器輸出電流的d軸、q軸分量，ed、eq為逆變器輸出電壓的d軸、q軸分量，ud、uq為PCC點電壓的d軸、q軸分量，R、L為連接電抗器的等效電阻、電感。

當電流控制器采用PI控制時，ed、eq的控制方程則為

(2)

V/f控制策略是利用逆變器反饋電壓來調(diào)節(jié)交流側電壓來保證電壓的穩(wěn)定，常采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方法。電壓外環(huán)控制輸出電壓穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。V/f解耦控制方式與PQ解耦控制方式類似，其控制算法原理如圖4所示[20]。

圖4中的電壓、電流關系可由圖5表示，其中RLC電路為逆變器與大電網(wǎng)之間的耦合電路。

圖4　V/f控制算法原理圖

圖5　逆變器并網(wǎng)端口耦合電路

圖6　微電網(wǎng)離并網(wǎng)無縫切換協(xié)調(diào)控制策略

微電網(wǎng)的離網(wǎng)運行與并網(wǎng)運行之間的切換過程要求是無縫的，這要求主電源逆變器在PQ控制模式與V/f控制模式之間的切換過程應該是平滑的。為了獲得較為平滑的切換過程，設計主電源逆變器的協(xié)調(diào)控制策略為由功率環(huán)、電壓環(huán)、電流環(huán)構成的三環(huán)控制，通過模式選擇開關將PQ控制與V/f控制相統(tǒng)一，保證二者之間快速平滑切換，如圖6所示。

3DIgSILENT平臺建模

以圖1所示實驗室模型為基礎，忽略充電樁、擾動裝置、30kW柴油機，建立含風、光、儲及可變負荷的微電網(wǎng)仿真模型于DIgSILENT平臺，如圖7所示，其中穩(wěn)態(tài)潮流計算結果標示于各母線及支路處。該微電網(wǎng)采用主從控制策略，其中儲能裝置作為主電源。

圖7　含風光儲及可變負荷的微電網(wǎng)仿真模型

圖8　風力發(fā)電仿真模型

圖9　光伏發(fā)電仿真模型

風、光、儲各自的仿真模型分別如圖8～10所示，穩(wěn)態(tài)潮流計算結果也分別標示于各母線和支路處。永磁型風力發(fā)電機由高頻交流電先整流后逆變成工頻交流電；光伏陣列用受控電流源等效，并網(wǎng)拓撲為單級逆變器并網(wǎng)，其控制策略為Vdc-Q控制，根據(jù)MPPT跟蹤算法得到受控電流源的控制信號和逆變器直流側母線電壓的參考信號；蓄電池儲能裝置可用受控電壓源等效，并網(wǎng)拓撲采用前級DC/DC、后級DC/AC的兩級結構，逆變器控制策略為圖6所示三環(huán)控制策略，以保證PQ控制與V/f控制間的平滑切換，通過對直流變換器占空比的控制來實現(xiàn)充放電控制。

圖10　儲能裝置仿真模型

4仿真分析

4.1并網(wǎng)模式

微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式下，光伏發(fā)電、風力發(fā)電、儲能裝置均采用PQ控制策略。其中光伏發(fā)電、風力發(fā)電的參考有功功率由MPPT控制得到，參考無功功率設為零；儲能裝置的參考有功功率設為50kW，參考無功功率設為零。

仿真場景：以風、光、儲并網(wǎng)發(fā)電為仿真初始狀態(tài)，光照強度為1 000W/m2，環(huán)境溫度為25℃，風速為7.2m/s，此時光伏出力為30kW、風電出力為10kW、儲能出力為50kW；0.4s時刻9W02斷開，光伏發(fā)電脫網(wǎng)；0.6s時刻9W04斷開，風力發(fā)電脫網(wǎng)；0.8s時刻9W03斷開，儲能裝置脫網(wǎng)；1.0s時刻9W02閉合，光伏發(fā)電重新并網(wǎng)；1.2s時刻9W04閉合，風力發(fā)電重新并網(wǎng)；3s時刻9W03閉合，儲能裝置重新并網(wǎng)；3.6s時刻風速降為5m/s；4.0s時刻光照強度降為800W/m2；6.0s時刻光照強度降為600W/m2；8.0s時刻光照強度降為400W/m2。

仿真得到該場景下風、光、儲3個微電源的并網(wǎng)輸出功率波形如圖11所示。

由圖11(a)可見：在光伏發(fā)電和風力發(fā)電脫網(wǎng)或者輸出有功功率降低后，儲能裝置的輸出有功功率將有所增加；光伏發(fā)電MPPT輸出有功功率能反應隨光照的變化過程；風力發(fā)電MPPT輸出有功功率能反應隨風速的變化過程。光伏發(fā)電和風力發(fā)電從并網(wǎng)瞬間到穩(wěn)定輸出的動態(tài)過程如圖11(b)和11(c)所示。可見：光伏發(fā)電從并網(wǎng)到穩(wěn)定輸出需經(jīng)約0.24s的時間，且伴隨著強烈的震蕩過程；風力發(fā)電從并網(wǎng)到穩(wěn)定輸出需經(jīng)約1.8s的時間，動態(tài)過程較為平穩(wěn)。由此可見：旋轉型設備和靜止型設備在并網(wǎng)過程中的動態(tài)特性將有所不同；分布式電源需要裝設同期并網(wǎng)裝置，以降低并網(wǎng)過程中的沖擊，或導致并網(wǎng)不成功。

圖11　風、光、儲并網(wǎng)輸出有功功率波形

圖12　風、光、儲側并網(wǎng)點電壓幅值波形

仿真得到該場景下風、光、儲3個微電源側的并網(wǎng)點電壓波形如圖12所示。由圖12可見：光伏發(fā)電在脫網(wǎng)情況下的并網(wǎng)點電壓會急劇上升，且隨時間繼續(xù)增大；風力發(fā)電在脫網(wǎng)情況下的并網(wǎng)點電壓上升50%左右；儲能裝置在光伏發(fā)電、風力發(fā)電脫網(wǎng)時，并網(wǎng)點電壓會略有下降，在自身脫網(wǎng)時，并網(wǎng)點電壓恢復，并較三者并網(wǎng)時的電壓要略高；光伏發(fā)電、風力發(fā)電重新并網(wǎng)后，經(jīng)短暫的過渡過程，并網(wǎng)點電壓建立，但較三者并網(wǎng)時的電壓要低；儲能裝置重新并網(wǎng)后，三者的并網(wǎng)點電壓重新建立，該電壓較風、光并聯(lián)發(fā)電電壓略高，較儲能裝置脫網(wǎng)電壓略低；隨著光照強度、風速的降低，風、光并網(wǎng)輸出功率降低，故三者的并網(wǎng)點電壓也跟著降低。

仿真得到該場景下微電網(wǎng)并網(wǎng)點電壓幅值的波形如圖13所示。

由圖13可見：在整個仿真過程中，微電網(wǎng)并網(wǎng)點電壓幅值基本維持在額定電壓400V；在微電源脫網(wǎng)、并網(wǎng)過程及光照強度、風速變化過程中，該并網(wǎng)點電壓幅值均會有所波動。

圖13　微電網(wǎng)并網(wǎng)點電壓幅值波形

圖14　微電網(wǎng)注入功率波形

仿真得到該場景下微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的交換功率波形如圖14所示。由圖14可見：在整個仿真過程中，大電網(wǎng)向微電網(wǎng)注入的有功功率隨著微電源并網(wǎng)輸出有功功率的變化而變化，由光伏、風電并網(wǎng)瞬間的有功功率沖擊而導致大電網(wǎng)向微電網(wǎng)注入的有功功率也產(chǎn)生瞬時沖擊。

仿真場景：微電網(wǎng)在離網(wǎng)前，光照強度設為1 000W/m2，環(huán)境溫度設為25℃，風速設為7.2m/s，光伏發(fā)電、風力發(fā)電并網(wǎng)輸出有功功率由MPPT控制得到；儲能裝置并網(wǎng)輸出有功功率參考值設為24kW；微電源無功功率參考值均設為零；0s時刻9501斷開，微電網(wǎng)轉為離網(wǎng)運行，光伏發(fā)電、風力發(fā)電維持PQ控制，儲能裝置轉為V/f控制。

仿真得到該過渡過程中系統(tǒng)頻率、微電網(wǎng)并網(wǎng)點電壓幅值、微電源輸出功率、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)交換功率和微電源并網(wǎng)點電壓的波形如圖15所示。

圖15　微電網(wǎng)由并網(wǎng)切換到離網(wǎng)的暫態(tài)過程波形

由圖15可見：該過渡過程中系統(tǒng)頻率降低0.42%左右，經(jīng)約0.3s時間恢復；微電網(wǎng)并網(wǎng)點電壓由額定400V上升到404.4V左右；微電源并網(wǎng)點電壓由396.8V左右上升到404.4V左右；大電網(wǎng)向微電網(wǎng)注入功率驟降為零，功率缺額由作為主電源運行的儲能裝置提供，光伏發(fā)電、風力發(fā)電的并網(wǎng)輸出功率保持不變。

4.3離網(wǎng)模式

微電網(wǎng)在離網(wǎng)模式下，光伏發(fā)電、風力發(fā)電采用PQ控制策略，儲能裝置采用V/f控制策略。其中光伏發(fā)電、風力發(fā)電的參考有功功率由MPPT控制得到，參考無功功率設為零；儲能裝置的參考并網(wǎng)電壓設為400V，參考頻率設為50Hz。

仿真場景：以風、光、儲并網(wǎng)發(fā)電為仿真初始狀態(tài)，光照強度為1 000W/m2，溫度為25℃，風速為7.2m/s；0s時刻9501斷開，微電網(wǎng)離網(wǎng)運行；3.6s時刻風速降為5m/s；4.0s時刻光照強度降為800W/m2；6.0s時刻光照強度降為600W/m2；8.0s時刻光照強度降為400W/m2；9.0～10s時間內(nèi)，可調(diào)負載1以斜坡變化趨勢減少了50%有功功率。

仿真得到該場景下風、光、儲3個微電源的并網(wǎng)輸出功率波形如圖16所示。

圖16　微電源并網(wǎng)輸出功率波形

由圖16可見：微電網(wǎng)在離網(wǎng)瞬間，微電網(wǎng)的功率缺額由儲能裝置提供，重新建立功率平衡；風速、光照變化引起的并網(wǎng)發(fā)電功率減少部分也由儲能裝置提供；隨著負載功率的減少，儲能裝置的輸出功率也相應減少。

仿真得到該場景下微電源側并網(wǎng)點電壓幅值波形如圖17所示。

由圖17可見：微電網(wǎng)在離網(wǎng)瞬間，系統(tǒng)電壓升高；光照、風速變化時，系統(tǒng)電壓也將隨之震蕩；負載功率減小時，系統(tǒng)電壓降隨之升高；在整個仿真過程中，系統(tǒng)電壓幅值均在允許范圍內(nèi)。

仿真得到該場景下微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率波形如圖18所示，頻率基準值為50Hz。

由圖18可見：微電網(wǎng)在離網(wǎng)瞬間，系統(tǒng)頻率驟降0.42%左右，經(jīng)0.3s左右恢復；光照、風速變化使得光伏發(fā)電和風力發(fā)電輸出有功功率減小時，系統(tǒng)頻率也略有下降，經(jīng)稍短時間恢復；負載功率減小時，系統(tǒng)頻率略有上升；在整個仿真過程中，系統(tǒng)頻率均在允許范圍內(nèi)，且外界變化引起的微電網(wǎng)頻率波動最后都能恢復到額定頻率運行。

仿真場景：以離網(wǎng)運行15s時刻前的微電網(wǎng)狀態(tài)為初始狀態(tài)；15s時刻9501閉合，微電網(wǎng)轉為并網(wǎng)運行；光伏發(fā)電、風力發(fā)電維持PQ控制，并網(wǎng)輸出有功功率由MPPT控制得到；儲能裝置由V/f 控制轉為PQ控制，并網(wǎng)輸出有功功率參考值仍設為24kW。

仿真得到該過渡過程中系統(tǒng)頻率、微電網(wǎng)并網(wǎng)點電壓幅值、微電源輸出功率、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)交換功率和微電源并網(wǎng)點電壓的波形如圖19所示。

圖19　微電網(wǎng)由離網(wǎng)切換到并網(wǎng)的暫態(tài)過程波形

由圖19可見微電網(wǎng)由離網(wǎng)到并網(wǎng)的切換過程中：系統(tǒng)頻率產(chǎn)生了+0.4%左右的沖擊，經(jīng)0.27s左右的時間恢復到額定頻率50Hz運行；微電網(wǎng)并網(wǎng)點電壓迅速恢復到額定電壓400V；微電源并網(wǎng)點電壓也迅速恢復到396.8V左右；光伏發(fā)電、風力發(fā)電并網(wǎng)輸出有功功率保持不變，儲能裝置并網(wǎng)輸出有功功率迅速恢復到24kW，由此造成大電網(wǎng)向微電網(wǎng)注入功率迅速上升以維持系統(tǒng)功率平衡。

5結束語

由于微電網(wǎng)存在并網(wǎng)運行、并離網(wǎng)切換、離網(wǎng)運行、離并網(wǎng)切換4種運行工況，本文研究了一種主從控制下微電網(wǎng)離并網(wǎng)切換運行的協(xié)調(diào)控制策略，在DIgSILENT平臺上建立了含風、光、儲和可調(diào)負載的微電網(wǎng)模型，并基于此模型和微電網(wǎng)離并網(wǎng)切換運行協(xié)調(diào)控制策略仿真了微電網(wǎng)4種運行工況，仿真結果表明該協(xié)調(diào)控制策略基本能夠滿足微電網(wǎng)的正常運行要求。

本文對微電網(wǎng)4種運行工況的仿真也說明了微電源的非同期并網(wǎng)會對微電網(wǎng)產(chǎn)生功率沖擊的現(xiàn)象，故在實際工程中，需要對微電源加設檢同期并網(wǎng)裝置。另外，微電網(wǎng)的控制需要以微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)為前提，由能量管理系統(tǒng)給控制系統(tǒng)下達指令，以確保微電網(wǎng)最優(yōu)運行。

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荊江平(1987—)，男，碩士，助理工程師，研究方向為新能源發(fā)電和微電網(wǎng)運行與控制，E-mail：master_jing@126.com;

施偉成(1966—)，男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)調(diào)度運行與控制工作;

杜煒凝(1969—)，男，助理工程師，從事電力系統(tǒng)調(diào)度運行與控制工作;

祁明(1968—)，男，工程師，從事電網(wǎng)運行監(jiān)控工作。

(責任編輯：楊秋霞)

A Simulation Study on Coordinated Control Strategy of Micro-grid Based on DIgSILENT PlatformJING Jiangping, SHI Weicheng, DU Weining, QI Ming

(Zhenjiang Power Supply Company of State Grid, Zhenjiang 212004, China)

摘要：為了最大限度地發(fā)掘分布式電源在經(jīng)濟、能源和環(huán)境方面的優(yōu)勢，同時協(xié)調(diào)配電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，分布式電源通常以微電網(wǎng)的組織模式運行。本文針對一風、光、儲和可調(diào)負載相組合的微電網(wǎng)系統(tǒng)，研究了一種微電網(wǎng)主從控制下的協(xié)調(diào)控制策略，并基于DIgSILENT平臺對該控制策略下的微電網(wǎng)4種運行工況進行了仿真研究，以驗證該微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略的合理性和有效性。

關鍵詞：分布式電源；微電網(wǎng)；協(xié)調(diào)控制；仿真；DIgSILENT

Abstract：In order to maximize the distributed generation advantage in the economy, energy and environment, and to coordinate the contradiction between the distribution network and distributed generations at the same time, the distributed generations usually operate at the organization mode of micro-grid. In this paper, as to micro-grid system with combination of photovoltaic, wind power, storage device and adjustable load, a coordinated control strategy of the micro-grid is studied based on master-slave control. And four kinds of micro-grid operating statuses under the coordinated control strategy are simulated based on the DIgSILENT platform to verify the rationality and effectiveness of the proposed coordinated control strategy.

Keywords：distributed generation; micro-grid; coordination control; simulation; DIgSILENT

作者簡介：

收稿日期：2014-08-26

文章編號：1007-2322(2015)03-0019-09

文獻標志碼：A

中圖分類號：TM91