基于下垂控制的微電網(wǎng)并網(wǎng)仿真分析*

吳 飛，陳其工，高文根

（安徽工程大學(xué)安徽省檢測(cè)技術(shù)與節(jié)能裝置重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖 241000）

基于下垂控制的微電網(wǎng)并網(wǎng)仿真分析*

吳 飛，陳其工，高文根

（安徽工程大學(xué)安徽省檢測(cè)技術(shù)與節(jié)能裝置重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖 241000）

以下垂控制的微電網(wǎng)為研究對(duì)象，在Matlab／Simulink平臺(tái)上搭建了微電網(wǎng)仿真模型，分析了逆變器控制參數(shù)、負(fù)荷的變化對(duì)并網(wǎng)暫態(tài)過程的影響，提出了“負(fù)荷功率基準(zhǔn)點(diǎn)”的概念，并在大量仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定了微電網(wǎng)孤島正常運(yùn)行和最佳并網(wǎng)的負(fù)荷功率范圍，從而為微電網(wǎng)平滑并網(wǎng)提供重要參考。

下垂控制；負(fù)荷功率基準(zhǔn)點(diǎn)；并網(wǎng)；負(fù)荷功率范圍

微電網(wǎng)是一個(gè)由分布式電源、能量變換裝置、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷和監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。它具有高靈活性、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)自控制、保護(hù)和管理，同時(shí)可以有效地協(xié)調(diào)分布式電源與大電網(wǎng)之間的矛盾，因而成為未來電網(wǎng)發(fā)展的重要分支。此外微電網(wǎng)既可以孤島運(yùn)行，也可并網(wǎng)運(yùn)行，還可在兩種運(yùn)行方式之間進(jìn)行平滑切換［1，2］。

分布式電源的類型不同，在微電網(wǎng)中所起作用也可能不同，其逆變器也需要采取不同控制策略，常見的分布式電源的逆變器控制方法可分為：恒功率控制、恒壓控制、下垂控制［3］。由于下垂控制對(duì)通信系統(tǒng)的依賴小、可靠性高，且易于實(shí)現(xiàn)DG和負(fù)荷的即插即用以及微電網(wǎng)運(yùn)行模式的無縫切換，得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注［4－6］。

1 下垂控制原理

微電網(wǎng)中的分布式電源采用下垂控制策略時(shí)，其輸出可以按照預(yù)先給定的P－f和Q－U特性進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。下垂控制策略的主要優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)分布式電源的即插即用；同時(shí)，在微電網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)行模式切換時(shí)，可以保持控制策略不變，從而避免了控制策略的切換而影響微電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式切換為孤島模式時(shí)，只需斷開微電網(wǎng)并網(wǎng)開關(guān)，此時(shí)采取下垂控制策略的分布式電源可以自動(dòng)分擔(dān)微電網(wǎng)系統(tǒng)有功功率和無功功率的不平衡，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)孤島模式下的穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)微電網(wǎng)從孤島模式切換為并網(wǎng)模式時(shí)，同時(shí)可以直接閉合電力電子開關(guān)，分布式電源將根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行頻率和接入點(diǎn)的電壓調(diào)整輸出功率實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行［3］?，F(xiàn)將主要就下垂控制的原理及其控制器設(shè)計(jì)做一些討論。

下垂控制是描述模擬發(fā)電機(jī)組功頻靜特性的一種控制方法，其控制原理如圖1所示。

微電網(wǎng)系統(tǒng)中分布式電源初始運(yùn)行點(diǎn)為a，輸出功率為P0，無功功率為Q0，系統(tǒng)頻率為f0，系統(tǒng)電壓為U0。當(dāng)系統(tǒng)有功負(fù)荷突然增大時(shí)，有功功率不足，導(dǎo)致頻率下降；系統(tǒng)無功負(fù)荷突然增大，無功功率不足，將導(dǎo)致電壓幅值下降。反之亦然。逆變器下垂控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理為：當(dāng)系統(tǒng)頻率減小時(shí)，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)分布式電源輸出的有功功率按下垂特性相應(yīng)地增大，與此同時(shí)，負(fù)荷功率也因頻率下降而有所減小，最終在下垂控制系統(tǒng)和負(fù)荷本身調(diào)節(jié)效應(yīng)的共同作用下達(dá)到新的平衡，即到達(dá)新的平衡點(diǎn)b運(yùn)行。由圖1可以得到P－f及Q－U的下垂關(guān)系式：

或者

基于上面的分析可以看出下垂控制存在兩種控制方法：（1）通過調(diào)節(jié)輸出功率來控制電壓頻率和幅值，即P－f和Q－U的下垂控制；（2）通過調(diào)節(jié)頻率和幅值來控制功率的輸出，即f－P和U－Q的下垂控制。采用第一種控制方法來設(shè)計(jì)下垂控制器。

圖1 下垂控制原理

2 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型與參數(shù)設(shè)置

在Matlab／Simulink平臺(tái)上建立了如圖2所示的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，微電源經(jīng)三相電壓型逆變器逆變?yōu)槿嘟涣麟?，然后?jīng)過濾波器濾波，最后經(jīng)過線路、負(fù)荷、開關(guān)連接到大電網(wǎng)，微電源在孤島和并網(wǎng)模式下都采用下垂控制。

仿真初始參數(shù)設(shè)置如下，DG參數(shù)：Pn＝75 kW，Qn＝0 var，En＝311 V，fn＝50 Hz，Vdc＝800 V；濾波器參數(shù)：Rf＝0．02 Ω，Lf＝500 H，Cf＝1 400 μF；負(fù)荷參數(shù)：P1＝75 kW，Q1＝0 var。仿真時(shí)間為1 s，0．5 s時(shí)微電網(wǎng)從孤島狀態(tài)切換至并網(wǎng)狀態(tài)。其中Pn為微電源運(yùn)行在額定頻率下的輸出功率，Qn為微電源運(yùn)行在額定電壓下的輸出功率，En為額定電壓，fn為額定頻率，Vdc為直流電壓。

圖2 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

3 仿真分析

對(duì)微電網(wǎng)中某些參數(shù)對(duì)其并網(wǎng)暫態(tài)過程的影響進(jìn)行仿真分析與總結(jié)，根據(jù)圖2的所示的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，通過仿真來分析逆變器的控制參數(shù)、負(fù)荷等因素對(duì)微電網(wǎng)并網(wǎng)暫態(tài)過程的影響。需要說明的是，經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，參數(shù)的變化對(duì)電壓的并網(wǎng)暫態(tài)影響很小，限于篇幅，所以只討論參數(shù)變化對(duì)頻率的并網(wǎng)暫態(tài)過程的影響。

3．1 逆變器控制參數(shù)對(duì)暫態(tài)過程的影響

主要對(duì)微電源控制器中的參數(shù)的變化對(duì)并網(wǎng)暫態(tài)過程的影響進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如下：

圖3 m對(duì)暫態(tài)的影響

圖4 n對(duì)暫態(tài)的影響

圖5 kvp對(duì)暫態(tài)的影響

圖6 kvI對(duì)暫態(tài)的影響

圖7 kip對(duì)暫態(tài)的影響

m為P－f下垂系數(shù)，從圖3可以看出，在其他參數(shù)保持不變的情況下，m＝1e－5時(shí)，f在并網(wǎng)的暫態(tài)過程中能平滑過渡，隨著m的增大，在t＝0．5 s（也即并網(wǎng)瞬間）f的振蕩幅度越大，經(jīng)過大約0．1 s后開始趨于穩(wěn)定。

n為Q－U下垂系數(shù)，從圖4可以看出，在其他參數(shù)不變的情況下，隨著n的增大，在并網(wǎng)暫態(tài)及并網(wǎng)后，f都出現(xiàn)了微小的波動(dòng)，在電能質(zhì)量要求相對(duì)不高的情況下，可以允許發(fā)生。

kvp為電壓內(nèi)環(huán)控制的比例系數(shù)，從圖5可以看出，在其他參數(shù)不變的情況下，增大kvp，在沒有并網(wǎng)前f就出現(xiàn)了微小震蕩，隨著kvp逐漸增大，f的震蕩越劇烈，系統(tǒng)失穩(wěn)。

kvI為電壓內(nèi)環(huán)控制的積分系數(shù)，kip為電流內(nèi)環(huán)控制的比例系數(shù)，從圖6、7可以看出，在保持其他參數(shù)不變的情況下，增大kvI、kip，對(duì)f影響很小，可以忽略。

3．2 負(fù)荷的變化對(duì)暫態(tài)過程的影響

負(fù)荷采用恒功率負(fù)荷，下面將主要討論P(yáng)和Q的變化對(duì)并網(wǎng)暫態(tài)過程的影響。

圖8 P對(duì)暫態(tài)過程的影響

圖9 Q對(duì)暫態(tài)過程的影響

（1）負(fù)荷有功功率P的變化對(duì)并網(wǎng)暫態(tài)過程的影響。保持Q＝0 var，改變P，得到仿真結(jié)果圖8，從圖8中可以看出，當(dāng)P＝75 kW時(shí)，并網(wǎng)前的f為50 Hz，對(duì)并網(wǎng)暫態(tài)過程影響很小，也即在并網(wǎng)過程中實(shí)現(xiàn)了平滑過渡，此時(shí)負(fù)荷功率P正好等于微電源額定輸出功率Pn，所以規(guī)定負(fù)荷功率P＝75 kW“負(fù)荷有功功率基準(zhǔn)點(diǎn)”；當(dāng)P在75 kW基礎(chǔ)上逐漸增大，相應(yīng)地并網(wǎng)前的f小于額定頻率50 Hz，P增加越大，f減小越多，同樣P以75 kW為基準(zhǔn)減小，f的變化也有類似的情況；此外，并網(wǎng)前的f與50 Hz相差越大，并網(wǎng)的瞬間f震蕩越劇烈，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也變長(zhǎng)。

（2）負(fù)荷無功功率Q的變化對(duì)并網(wǎng)暫態(tài)過程的影響。保持P＝75 kW，改變Q，仿真結(jié)果見圖9，從圖9中可以看出，當(dāng)Q＝0 var時(shí)，并網(wǎng)前的f為50 Hz，對(duì)并網(wǎng)瞬態(tài)有微小的影響，從而實(shí)現(xiàn)了平滑并網(wǎng)，此時(shí)Q正好等于微電源額定輸出功率Qn，稱負(fù)荷功率Q＝0 var“負(fù)荷無功功率基準(zhǔn)點(diǎn)”；當(dāng)Q在0 var的基礎(chǔ)上增大，f會(huì)增大，當(dāng)Q在0 var基礎(chǔ)上減小，f會(huì)相應(yīng)減小，其在并網(wǎng)瞬間的震蕩程度與并網(wǎng)前f偏離額定頻率有關(guān)，f偏離越大，震蕩越劇烈；另外，對(duì)比圖8和圖9，偏離基準(zhǔn)點(diǎn)相同數(shù)值的P和Q，P使f偏離50 Hz的程度遠(yuǎn)大于Q，經(jīng)過大量仿真數(shù)據(jù)可以大致得出，10 kW（相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)增加或減少）使頻率減小或增大0．1 Hz，而需要容性60 kvar（相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)）才能使頻率減小0．1 Hz，需要感性無功80 kvar（相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)）才能使頻率增加0．1 Hz。因此在負(fù)荷無功相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)不大的情況下，可以忽略無功功率對(duì)負(fù)荷的影響。此次P－f和Q－U未實(shí)現(xiàn)完全解耦控制，是因?yàn)槲㈦娫吹哪孀兤鞯亩俗杩共⒎羌兏行裕?］。

以上主要對(duì)微網(wǎng)中逆變器控制參數(shù)、負(fù)荷的變化對(duì)切換過程中頻率的波動(dòng)影響進(jìn)行分析總結(jié)，可為微網(wǎng)系統(tǒng)的平滑并網(wǎng)提供重要的參考價(jià)值。

4 微網(wǎng)運(yùn)行的功率范圍

在孤島情況下，下垂控制的主要目的是維持系統(tǒng)的電壓、頻率在規(guī)定范圍內(nèi)，并根據(jù)負(fù)荷的需求調(diào)整功率輸出。當(dāng)微電源發(fā)出的功率能滿足負(fù)荷需求時(shí)，電壓頻率穩(wěn)定在額定運(yùn)行點(diǎn)；當(dāng)負(fù)荷功率超出微電源所能發(fā)出最大功率時(shí)，孤島時(shí)的電壓頻率就要上升（或下降），此時(shí)又分為兩種情形，一種電壓頻率雖然上升（或下降）但是在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行，另一種情形就是功率差額過大導(dǎo)致電壓或頻率下降幅度超出允許范圍，必須采取切負(fù)荷的措施來維持微電網(wǎng)的運(yùn)行。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證對(duì)重要負(fù)荷的持續(xù)供電，通常在第一種情形下，也可考慮切掉部分次要負(fù)荷，來保證微電源有足夠的備用容量［8，9］。

在并網(wǎng)的過程中，最佳并網(wǎng)條件是大電網(wǎng)電壓相角超前于微電網(wǎng)，幅值低于微電網(wǎng)，頻率高于微電網(wǎng)［10］，因此在并網(wǎng)前，使微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓、頻率、相角滿足一定的范圍即可實(shí)現(xiàn)平滑并網(wǎng)。

由此得到下垂控制的4個(gè)功率范圍（圖10）。A區(qū)域：孤島時(shí)系統(tǒng)電壓頻率穩(wěn)定在額定值，取額定電壓值為U＝311 V，f＝50 Hz，其邊界為有功功率、無功功率的最大值；B區(qū)域：滿足并網(wǎng)最佳標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定311 V≤U≤326．5 V，49．8 Hz≤U≤50 Hz；C區(qū)域：孤島系統(tǒng)電壓頻率偏離額定值，但是在規(guī)定允許范圍內(nèi)（滿足電能質(zhì)量要求），即280 V≤U≤326．5 V，49．5 Hz≤U≤50．5 Hz；進(jìn)入到區(qū)域D后，系統(tǒng)電壓頻率不能滿足規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，可以通過切負(fù)荷或增加負(fù)荷來實(shí)現(xiàn)孤島穩(wěn)定運(yùn)行，需要注意的是在切換的過程中可能由于交換功率過大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)直接失穩(wěn)。

圖10 下垂控制的功率范圍

基于一些參數(shù)進(jìn)行了大量仿真，得到了微電源負(fù)荷功率的大致邊界（表1）。

表1 下垂控制負(fù)荷功率范圍

基于下垂控制的微電網(wǎng)由于具有負(fù)荷的即插即用，因此在微電源額定功率不變的情況下，通過改變負(fù)荷來使電壓頻率達(dá)到并網(wǎng)的最佳范圍，從而實(shí)現(xiàn)平滑并網(wǎng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

主要對(duì)微網(wǎng)中逆變器控制參數(shù)、負(fù)荷的變化對(duì)切換過程中電壓和頻率的波動(dòng)影響進(jìn)行仿真分析并總結(jié)，可為微網(wǎng)系統(tǒng)的平滑并網(wǎng)提供重要的參考價(jià)值。另外，基于大量仿真數(shù)據(jù)，確定了微電網(wǎng)孤島正常運(yùn)行的功率范圍和并網(wǎng)的最佳功率范圍，為微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和順利并網(wǎng)提供重要依據(jù)。

［1］魯宗相，王彩霞，閔勇，等．微電網(wǎng)研究綜述［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（19）：100-107

［2］盛鹍，孔力，齊智，等．新型電網(wǎng)-微電網(wǎng)研究綜述［J］．繼電器，2007，35（12）：75-81

［3］王成山．微電網(wǎng)分析與仿真理論［M］．北京：科學(xué)出版社，2013

［4］GUERRERO J M，VASQUEZ J C，MATAS J，et al．Control Strategy for Flexible Microgrid Based on Parallel Line-interactive UPS Systems［J］．IEEE Trans Ind Electron，2009，56（3）：726-736

［5］鄭競(jìng)宏，王燕廷，李興旺，等．微電網(wǎng)平滑切換控制方法及策略［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（18）：17-24

［6］KATIRAEI F，IRAVANI M．Power Management Strategies for Microgrid with Multiple Distributed Generation Units［J］．IEEE Trans Power Syst，2006，21（4）：1821-1831

［7］楊俊虎，韓肖清，姚岳，等．基于Matlab／Simulink的下垂控制微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的仿真與分析［J］．電力學(xué)報(bào)，2012，27（1）：15-18

［8］王燕廷．微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤島運(yùn)行模式切換的研究［D］．哈爾濱：東北電力大學(xué)，2011

［9］李聰．基于下垂控制的微電網(wǎng)運(yùn)行仿真及小信號(hào)穩(wěn)定性分析［D］．成都：西南交通大學(xué)，2010

［10］嚴(yán)貴干，孟方旭，王巖，等．微電網(wǎng)并網(wǎng)理論的前提［J］．中國(guó)科技論文，2012，7（8）：652-656

Simulation and Analysis of Microgrid Interconnection Based on the Droop Control

WU Fei，CHEN Qi-gong，GAO Wen-gen

（Anhui Polytechnic University，Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices，Anhui Wuhu 241000）

Focusing on the microgrid based on droop control，this paper designs a simulation model of mirogrid on Matlab／Simulink．The influence of inverter control parameters and load change on the interconnection transient process is analyzed，the concept of“l(fā)oad power benchmark”is proposed，the normal operation of the microgrid in island and the best interconnection load power range is determined on the basis of a large number of simulation data，which provides important reference from smooth interconnection of microgrid．

droop control；load power benchmark；microgrid interconnection；load power range

TM615

A

1672－058X（2015）03－0025－06

10．16055／j．issn．1672－058X．2015．0003．006

2014－07－18；

2014－09－22．

國(guó)家自然基金項(xiàng)目（61172131）；安徽省科技攻關(guān)重大項(xiàng)目（1301022045）．

吳飛（1989－），男，江蘇泰州人，碩士研究生，從事微電網(wǎng)運(yùn)行與控制研究．