下垂控制下的微電源并入和退出運(yùn)行策略

張 帥，劉文紅，李 鋒，潘三博，闕春蘭

（1.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 200240；2.上海致遠(yuǎn)綠色能源股份有限公司，上海 201611）

下垂控制下的微電源并入和退出運(yùn)行策略

張 帥1，劉文紅1，李 鋒2，潘三博1，闕春蘭1

（1.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 200240；2.上海致遠(yuǎn)綠色能源股份有限公司，上海 201611）

為實(shí)現(xiàn)微電源在基于下垂控制下微電網(wǎng)中的“即插即用”和功率均分的目的，對(duì)微電源并入和退出微電網(wǎng)的過(guò)程進(jìn)行了研究。詳細(xì)地分析了微電源并入微電網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生環(huán)流的原因，并采用引入二次調(diào)頻技術(shù)的方法，消除了并入過(guò)程中出現(xiàn)的環(huán)流功率，縮短了系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間。同時(shí)，對(duì)微電源退出運(yùn)行的情況做出了分類(lèi)討論，對(duì)于負(fù)荷過(guò)重的情況，提出了利用一、二次調(diào)頻配合的控制方式，保證了微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的分級(jí)管理。利用MATLAB/Simulink仿真工具對(duì)設(shè)計(jì)的策略進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果驗(yàn)證了策略的合理性和可行性。

即插即用；下垂控制；二次調(diào)頻；環(huán)流；MATLAB/Simulink

分布式發(fā)電DG（distributed generation）技術(shù)通常指功率為1 kW至50 MW小型分散式、靠近負(fù)荷的發(fā)電單元[1]。DG接入了大量的清潔能源，且具有電源分散靈活就近供電、減少線損和輸配電建設(shè)維護(hù)、保障供電可靠性等優(yōu)勢(shì)。但由于風(fēng)電、光伏、微型燃?xì)廨啓C(jī)、蓄電池等分布式電源不易調(diào)節(jié)控制，且會(huì)對(duì)大電網(wǎng)頻率和電壓產(chǎn)生沖擊，故只能采取隔離、切機(jī)等簡(jiǎn)單操作來(lái)控制[2-3]。這種控制方式極大地限制了DG利用率。為解決上述問(wèn)題，電力系統(tǒng)領(lǐng)域引入了微電網(wǎng)（micro grid）這一概念。

微電網(wǎng)可以高效地將DG單元以并聯(lián)的形式接入現(xiàn)有的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，并且通過(guò)功率電力電子變流器，微電網(wǎng)可以靈活地運(yùn)行在并網(wǎng)和離網(wǎng)狀態(tài)[4]。根據(jù)微電網(wǎng)中各個(gè)微電源之間通信方式的不同，微電網(wǎng)系統(tǒng)可分為有通信線并聯(lián)和無(wú)通信線并聯(lián)兩種形式[5]。有通信線并聯(lián)結(jié)構(gòu)主要有集中控制、主從控制和分散邏輯控制等，該種結(jié)構(gòu)能夠更好地控制微電網(wǎng)的電壓、電流以及功率的輸出和分配，但該結(jié)構(gòu)對(duì)通信系統(tǒng)具有較高的依賴(lài)性，而且主控單元的故障將可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，這都極大地降低了微電網(wǎng)的可靠性[6-7]。為了避免上述問(wèn)題，以無(wú)通信線并聯(lián)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的下垂控制策略得到了廣泛地應(yīng)用。傳統(tǒng)的下垂控制是通過(guò)模擬大電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)的P/f（有功/頻率）特性曲線和Q/U（無(wú)功/電壓）特性曲線所得到的控制方式。該結(jié)構(gòu)控制下的微電網(wǎng)，各個(gè)并聯(lián)的微電源之間沒(méi)有通信線連接，通過(guò)自身的下垂曲線來(lái)調(diào)整輸出電壓的幅值和頻率，達(dá)到穩(wěn)定輸出功率的目的。由于下垂控制情況下微電源互相沒(méi)有影響，所以可以達(dá)到“即插即用”的效果，方便了系統(tǒng)的擴(kuò)容及微電源的切除，提高了系統(tǒng)的可靠性[8]。

關(guān)于微電網(wǎng)的下垂控制，主要研究方向集中在離網(wǎng)狀態(tài)下并聯(lián)的微電源對(duì)負(fù)載功率的均分，以及各微電源之間的環(huán)流抑制[9-10]，但是關(guān)于下垂控制模式下微電源的并入、退出過(guò)程還未有相關(guān)文獻(xiàn)加以研究。本文針對(duì)處于離網(wǎng)狀態(tài)下微電網(wǎng)，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于單相電壓源逆變器的下垂控制策略，并對(duì)微電源的并入、退出的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)不同策略的對(duì)比，制定出合理的方案，可以很好地實(shí)現(xiàn)微電源平滑地并入或退出，以及“即插即用”功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略

1.1 微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

本文研究系統(tǒng)如圖1所示，由3個(gè)微電源并聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)微電源均為單相DC-AC結(jié)構(gòu)。本微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)基于下垂控制，各微電源之間無(wú)通信互聯(lián)，各自按照設(shè)定的下垂曲線來(lái)對(duì)自身輸出的電壓和頻率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均分。DG3將作為并入、退出策略的研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)DG3進(jìn)行并入、退出動(dòng)作，觀察系統(tǒng)電壓、電流以及輸出功率的變化情況，并分析研究，提出合理的微電源并入和退出運(yùn)行的控制方法[11]。

圖1 微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of micro grid

1.2 下垂控制策略

微電網(wǎng)通常由不同的微電源構(gòu)成，在向負(fù)荷供電同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)功率均分，即輸出功率高的微電源承擔(dān)更多負(fù)載，輸出功率低的微電源承擔(dān)較少負(fù)載，以實(shí)現(xiàn)能量的最大利用[12]。在下垂控制策略的控制下，各個(gè)微電源會(huì)根據(jù)產(chǎn)生的有功功率和無(wú)功功率，來(lái)對(duì)其輸出電壓的幅值和頻率進(jìn)行控制，從而使系統(tǒng)在負(fù)荷或是輸出功率波動(dòng)時(shí)，均能找到平衡點(diǎn)來(lái)維持正常運(yùn)行。等效電路圖如圖2所示，假設(shè)系統(tǒng)由兩臺(tái)單相逆變器并聯(lián)構(gòu)成，DG等效為電壓源，且輸出電壓為E1和E2，公共點(diǎn)電壓為E，輸出阻抗為Z1和Z2，δ為微電源輸出端電壓與公共點(diǎn)電壓之間的夾角，θ為線路功率因數(shù)角。

圖2 下垂控制下的微電網(wǎng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of micro grid under droop control

由圖1可得DG1輸出的有功和無(wú)功功率為

設(shè)R=Z1cos θ，X=Z1sin θ，則進(jìn)一步得到

式（3）、（4）聯(lián)立可得

忽略線路電阻，即X?R時(shí)，忽略R值。同時(shí)，功角δ很小，有sin δ≈δ，cos δ≈1，將式（5）、（6）進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

由式（7）與式（8）容易看出，系統(tǒng)的電壓差和無(wú)功功率近似呈線性關(guān)系，而相位差與有功功率呈線性關(guān)系。電壓差的大小可以直接由輸出電壓幅值來(lái)調(diào)控，相位差則通常通過(guò)頻率調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，頻率與功角δ的關(guān)系如下：

控制特性曲線如圖3所示。

圖3 下垂控制特性曲線Fig.3 Characteristic curve of droop control

下垂控制曲線可表示為

式中：f0、E0、P0、Q0為系統(tǒng)中頻率、電壓、有功功率以及無(wú)功功率的額定值；f、E、P、Q為系統(tǒng)實(shí)際工作點(diǎn)的參數(shù)；m和n為下垂系數(shù)。據(jù)此設(shè)計(jì)出下垂控制器如圖4所示。

圖4 下垂控制器Fig.4 Droop controller

該種設(shè)計(jì)對(duì)微電源的輸出端電壓和電流進(jìn)行采樣，計(jì)算獲得有功功率和無(wú)功功率，再通過(guò)下垂控制獲得電壓、頻率的差值，與系統(tǒng)給定的額定值進(jìn)行運(yùn)算，從而獲得雙環(huán)控制所需要的參考電壓。

1.3 雙環(huán)控制策略

雙環(huán)控制器通常由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成。電壓外環(huán)作為雙環(huán)控制器的主環(huán)路，通過(guò)采樣逆變器交流輸出側(cè)的電容電壓，并與目標(biāo)電壓進(jìn)行比較，再將比較結(jié)果作為電流內(nèi)環(huán)的基準(zhǔn)值。電流內(nèi)環(huán)通過(guò)采樣逆變器輸出側(cè)的電感電流，并與電壓外環(huán)得到的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，并將結(jié)果作為正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）控制的調(diào)制波，最終生成絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。外環(huán)采用PI控制實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制，內(nèi)環(huán)只采用比例控制來(lái)提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度[13-14]。下垂控制器獲得的電壓幅值和頻率參數(shù)，作為雙環(huán)控制的參考值。雙環(huán)控制器如圖5所示，KP、KI為PI控制器參數(shù)，K為電流環(huán)增益，KPWM為PWM結(jié)構(gòu)等效增益，L和C分別為濾波電感和電容，Z為負(fù)載阻抗。

圖5 雙環(huán)控制器Fig.5 Double loop controller

2 微電源并入、退出微電網(wǎng)過(guò)程分析及方法

在微電網(wǎng)中，微電源的并入、退出運(yùn)行等過(guò)程都不可避免地會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)程，這些暫態(tài)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生電流、電壓沖擊，以及環(huán)流等各種對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定不利的影響[15]。研究如何實(shí)現(xiàn)微電源并入和退出過(guò)程的平滑過(guò)渡對(duì)提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。

2.1 微電源并入微電網(wǎng)過(guò)程分析

對(duì)于主從控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)，微電網(wǎng)電壓幅值、相位由主電源維持，其他微電源以電流源的形式并入微電網(wǎng)中，并入過(guò)程沖擊較小。但是對(duì)基于下垂控制模式下的微電網(wǎng)來(lái)講，各微電源都等同于電壓源，微電源在并入正在運(yùn)行的微電網(wǎng)時(shí)，由于電壓幅值和相位的不同步會(huì)引起整個(gè)微電網(wǎng)的失穩(wěn)，在并聯(lián)微電源之間產(chǎn)生有功環(huán)流和無(wú)功環(huán)流，造成微電網(wǎng)振蕩[6，16]。下面以?xún)蓚€(gè)微電源并聯(lián)運(yùn)行為例，結(jié)構(gòu)如圖2所示，對(duì)下垂控制下并入微電網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行分析。

E為公共點(diǎn)電壓，角度φ設(shè)為0；E1和E2分別為DG1和DG2的輸出電壓，與公共點(diǎn)電壓夾角為φ1和φ2；Z為公共負(fù)載阻抗，阻抗角為δ；Z1和Z2分別為DG1與DG2的輸出阻抗，阻抗角為δ1和δ2；負(fù)載電流記為I，兩臺(tái)微電源的輸出電流記為I1和I2。根據(jù)基爾霍夫電壓、電流定律可得

設(shè)流經(jīng)DG1和DG2的環(huán)流分別為ΔI1和ΔI2，假設(shè)微電源輸出電流由負(fù)載電流和環(huán)流電流共同組成[17]，且Z1=Z2=Z=R+jX，即δ1=δ2=δ，故有如下電流方程：

由式（12）、（13）聯(lián)立可得

由式（14）可以看出，微電源輸出電壓之間是否存在矢量差決定了系統(tǒng)中是否會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，同時(shí)，輸出阻抗大小也影響著環(huán)流大小，即輸出阻抗越大，環(huán)流越小。進(jìn)一步計(jì)算可得環(huán)流對(duì)系統(tǒng)輸出功率的影響。分別考慮電壓幅值與頻率對(duì)功率環(huán)流的影響，即DG1與DG2僅存在幅值差和僅存在相位差的兩種情況。

2.1.1 DG1與DG2輸出電壓僅存在幅值差

當(dāng)DG1與DG2的輸出電壓只存在幅值差時(shí)，即φ1=φ2=φ=0，輸出環(huán)流功率記為，ΔP為有功功率變化量，ΔQ為無(wú)功功率變化量，即

由式（16）、（17）可以看出，在微電源并入正在運(yùn)行的微電網(wǎng)過(guò)程中，若并入的微電源不能夠快速跟隨微電網(wǎng)的電壓變化，就會(huì)與微電網(wǎng)之間產(chǎn)生電壓差，導(dǎo)致功率環(huán)流出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的失衡。由于δ接近0，故此時(shí)的環(huán)流功率基本上為有功功率。因此，參考逆變器并入大電網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，可以通過(guò)檢測(cè)微電網(wǎng)電壓，在電壓過(guò)零點(diǎn)的時(shí)候并入微電源，使并入的微電源輸出電壓能夠較快地跟隨微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓變化，減少由于電壓幅值差所引發(fā)的功率環(huán)流。

2.1.2 DG1與DG2輸出電壓僅存在相位差

當(dāng)DG1與DG2的輸出電壓之間僅存在相位差時(shí)，即E1=E2=EDG，且φ1與φ2相差較小，故φ1-φ2≈0。環(huán)流電流表示為

該條件下輸出環(huán)流功率表示為

小額信貸對(duì)于弱勢(shì)群體有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。它不僅能夠使其地位有所提高，還能改善生活狀況。但是，現(xiàn)階段小額信貸自身的特殊性，使得我國(guó)從事小額信貸業(yè)務(wù)的貸款公司、機(jī)構(gòu)、銀行等面臨著稅收制度、身份定位等多種問(wèn)題。所以，應(yīng)該為小額貸款的發(fā)展提供良好的制度環(huán)境,使其利率能夠覆蓋風(fēng)險(xiǎn),并適當(dāng)定位小額貸款機(jī)構(gòu)的性質(zhì),讓其擁有貸款呆壞賬核銷(xiāo)自主權(quán),在保證其不非法集資、限制其外部性的前提下進(jìn)行制度創(chuàng)新,以滿(mǎn)足社會(huì)上普遍存在的大量需求。

由式（20）、（21）可以得出結(jié)論，在微電源并入正在運(yùn)行的微電網(wǎng)時(shí)，由于相位存在差值，導(dǎo)致了環(huán)流的產(chǎn)生。由于δ接近0，此時(shí)環(huán)流功率基本上為無(wú)功功率。因此，在微電源并入微電網(wǎng)之前采用鎖相環(huán)進(jìn)行預(yù)同步[18]，使微電源能夠跟隨微電網(wǎng)的相位變化，從而保證并入微電網(wǎng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大的相位差，減少環(huán)流的產(chǎn)生。

綜合以上分析，當(dāng)微電源并入正在運(yùn)行的微電網(wǎng)時(shí)，可以通過(guò)在微電網(wǎng)輸出電壓過(guò)零時(shí)并入來(lái)減少電壓差引起的功率環(huán)流，同時(shí)還需要在并入之前進(jìn)行預(yù)同步，以減少由于相位差所帶來(lái)的功率環(huán)流。但由于輸出阻抗Z值較小，且微電網(wǎng)不具有傳統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性，所以微電源之間較小的電壓差和相位差仍會(huì)產(chǎn)生較大的功率環(huán)流，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的所需時(shí)間較長(zhǎng)。

為解決以上問(wèn)題，在預(yù)同步和過(guò)零點(diǎn)并入的基礎(chǔ)上，本文將電力系統(tǒng)二次調(diào)頻引入微電源的并入過(guò)程，即在并入微電網(wǎng)的過(guò)程中，在檢測(cè)微電網(wǎng)電壓幅值、相位信息的同時(shí)，調(diào)整待并入微電源的下垂曲線，使并入瞬間注入微電網(wǎng)的電流為零，之后逐步調(diào)整下垂曲線，直至穩(wěn)定運(yùn)行。二次調(diào)頻過(guò)程如圖6所示，l0為穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)待并入微電源的額定下垂曲線，P0和 f0為待并入微電源的額定功率和額定頻率。由于微電源在并入微電網(wǎng)的過(guò)程中，輸出功率短時(shí)間內(nèi)迅速增大，在下垂曲線l0的一次調(diào)頻作用下，頻率、相位會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)，造成功率環(huán)流的產(chǎn)生。本文通過(guò)二次調(diào)頻的方式，使待并入微電源的輸出功率為零，頻率為額定頻率，即為下垂曲線l1，一段時(shí)間后調(diào)整至下垂曲線l2，以此類(lèi)推直至達(dá)到額定輸出功率，即下垂曲線l0。該策略既可以實(shí)現(xiàn)并入瞬間的零電流注入，又保證了并入過(guò)程中微電源之間不會(huì)產(chǎn)生相位差，從而大幅度地減少系統(tǒng)中的環(huán)流功率，使系統(tǒng)能夠快速平穩(wěn)地達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 微電網(wǎng)的二次調(diào)頻Fig.6 Secondary frequency modulation of micro grid

2.2 微電源退出微電網(wǎng)過(guò)程分析

對(duì)比微電源并入微電網(wǎng)過(guò)程，微電源退出運(yùn)行過(guò)程的主要問(wèn)題集中在某些微電源退出運(yùn)行后，微電網(wǎng)是否能夠繼續(xù)維持原有負(fù)載。在微電源退出運(yùn)行后，微電網(wǎng)有功、無(wú)功功率會(huì)隨之變化，系統(tǒng)的電壓和幅值就會(huì)按照下垂曲線進(jìn)行調(diào)整，若輸出功率缺額過(guò)大，則系統(tǒng)必須切除部分負(fù)載，來(lái)維持重要負(fù)載的正常運(yùn)行[19]。

通常，微電源并入過(guò)程都是計(jì)劃性的，即有計(jì)劃投入運(yùn)行，過(guò)程可控性較高。微電源退出運(yùn)行過(guò)程則有所不同，主要可分為計(jì)劃退出運(yùn)行和非計(jì)劃退出運(yùn)行兩種。計(jì)劃退出運(yùn)行是指系統(tǒng)主動(dòng)將選定的微電源切除，易于控制；非計(jì)劃退出運(yùn)行則是指某些微電源由于故障或是保護(hù)動(dòng)作所引起的突然退出，這種情況具有很大的偶然性和不可預(yù)知性，需要系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)時(shí)間和準(zhǔn)確的判斷能力，過(guò)程不易控制。在微電源退出運(yùn)行后，微電網(wǎng)存在兩種不同的運(yùn)行狀態(tài)，即負(fù)載正常和負(fù)載過(guò)重。負(fù)載正常是指某些微電源退出后，余下的微電源通過(guò)下垂控制能夠維持微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓幅值和頻率穩(wěn)定；相反，負(fù)載過(guò)重是指負(fù)載已經(jīng)超出了微電網(wǎng)下垂控制的可控范圍，若不及時(shí)切除部分負(fù)荷，微電網(wǎng)將會(huì)面臨嚴(yán)重的失衡。

對(duì)于微電源計(jì)劃退出運(yùn)行，控制過(guò)程較為簡(jiǎn)單，通過(guò)計(jì)劃可知微電網(wǎng)退出運(yùn)行后的負(fù)載狀態(tài)，可以提前對(duì)負(fù)載進(jìn)行管理。若為負(fù)載正常狀態(tài)，則可以直接將微電源切除；若為負(fù)載過(guò)重狀態(tài)，則可以通過(guò)計(jì)算，先將次要負(fù)荷切除至滿(mǎn)足穩(wěn)定運(yùn)行條件后，再將微電源退出運(yùn)行。

圖7 微電源退出情況下微電網(wǎng)一、二次調(diào)頻Fig.7 Primary and secondary frequency modulations when micro gererations are disconnected

系統(tǒng)由l0過(guò)渡到l1時(shí)，需要增發(fā)功率(P3-P1)，這部分功率可由與微電源并聯(lián)的蓄電池來(lái)提供，或由微電源自身的備用容量來(lái)提供。待微電源完全退出運(yùn)行后，系統(tǒng)將采用計(jì)劃退出運(yùn)行策略，按照負(fù)載的重要等級(jí)，由低到高依次進(jìn)行切除，同時(shí)改變下垂曲線，直至系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。采用此策略可保證在某些微電源突然退出運(yùn)行的情況下，系統(tǒng)能夠在保證頻率穩(wěn)定的前提下，更加合理地對(duì)負(fù)載進(jìn)行管理，盡可能保證為重要負(fù)荷供電。同時(shí)，由于該策略為系統(tǒng)提供了更長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間，可避免由于某些微電源的瞬時(shí)故障，而將負(fù)載誤切除[20]。

3 仿真分析

控制參數(shù) m=2×10-5Hz/W，Q/U下垂控制參數(shù)n=1×10-4V/var，濾波電感為10 mH，濾波電容為

仿真以圖1為例，DG1、DG2并聯(lián)，觀察DG3在并入和退出運(yùn)行時(shí)微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。DG1和DG2的額定有功功率為3 kW，無(wú)功功率為0 kvar，額定電壓峰值為311 V，額定頻率為50 Hz，P/f下垂200 μF，負(fù)載額定功率為12 kW，仿真時(shí)間設(shè)置為4 s，分別對(duì)微電源并入和退出微電網(wǎng)的情況進(jìn)行分析。

首先研究并入過(guò)程，開(kāi)關(guān)K初始狀態(tài)為斷開(kāi)，0.5 s時(shí)開(kāi)關(guān)閉合，DG3并入微電網(wǎng)。圖8為不采用二次調(diào)頻時(shí)，并入過(guò)程中微電源輸出電壓和有功功率的輸出情況。

圖8（a）中虛線表示DG3輸出電壓，重合的實(shí)線為DG1、DG2輸出電壓。選取0.5～0.6 s時(shí)段的電壓波形，可以看到DG1與DG2電壓基本重合，體現(xiàn)了雙環(huán)控制良好的穩(wěn)定性。并入微電網(wǎng)瞬間，DG3輸出電壓幅值高于其他微電源，且存在相位差，系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流功率。圖8（b）中實(shí)線表示DG1、DG2輸出功率，兩者基本重合均為5.5 kW，驗(yàn)證了下垂控制對(duì)負(fù)載具有良好的均分作用。虛線表示DG3輸出功率，并入過(guò)程由0 kW迅速增至9 kW，出現(xiàn)較大振蕩，且系統(tǒng)需要較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。

圖9為采用二次調(diào)頻后，微電源輸出電壓和有功功率的輸出情況。圖9是在圖8運(yùn)行情況的基礎(chǔ)上，為系統(tǒng)增加了二次調(diào)頻。對(duì)比圖8（a）與圖9（a）不難發(fā)現(xiàn)，二次調(diào)頻可以消除DG3并入瞬間產(chǎn)生的電壓幅值差和相位差，DG3輸出電壓能夠快速跟蹤DG1和DG2的輸出電壓。對(duì)比圖8（b）與圖9（b），由于二次調(diào)頻的作用，DG3在并入過(guò)程中不斷地調(diào)整下垂曲線，使輸出功率不會(huì)發(fā)生較大范圍的振蕩，峰值僅為5.5 kW，且能夠更加快速地使系統(tǒng)恢復(fù)到新的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，重新實(shí)現(xiàn)負(fù)載的均分。

關(guān)于微電源退出微電網(wǎng)的過(guò)程，本文主要對(duì)非計(jì)劃退出且退出后負(fù)載狀態(tài)為負(fù)載過(guò)重的情況進(jìn)行討論。假設(shè)初始狀態(tài)為DG1、DG2、DG3并聯(lián)運(yùn)行，共同為22.5 kW的負(fù)載供電，其他參數(shù)與并入微電網(wǎng)時(shí)情況相同。0.4 s時(shí)DG3退出運(yùn)行，系統(tǒng)采用二次調(diào)頻，不斷調(diào)整下垂曲線，使DG1和DG2改變輸出功率，以保證系統(tǒng)頻率維持在正常水平。0.5 s時(shí)切除2.5 kW次要負(fù)載，之后按照負(fù)載重要等級(jí)，在0.6 s和0.7 s時(shí)分別切除2.5 kW負(fù)載。每次切除過(guò)程均需要重新調(diào)整下垂曲線，使頻率維持在正常范圍。直到系統(tǒng)輸出功率和負(fù)載功率達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)后，停止負(fù)載切除和二次調(diào)頻，系統(tǒng)將依靠一次調(diào)頻使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖10為采用一、二次調(diào)頻時(shí)微電源退出微電網(wǎng)的狀態(tài)分析。

圖8 不采用二次調(diào)頻時(shí)微電源并入微電網(wǎng)狀態(tài)分析Fig.8 Analysis of the connecting process of micro generation to the micro grid without secondary frequency modulation

圖9 采用二次調(diào)頻時(shí)微電源并入微電網(wǎng)狀態(tài)分析Fig.9 Analysis of the connecting process of micro generation to the micro grid with secondary frequency modulation

圖10 采用一、二次調(diào)頻時(shí)微電源退出微電網(wǎng)狀態(tài)分析Fig.10 Analysis of the disconnecting process of micro generations from the micro grid with both primary and secondary frequency modulations

圖10（a）為退出過(guò)程中微電源輸出有功功率的變化情況，可以看出DG3退出運(yùn)行后，DG1和DG2在二次調(diào)頻的作用下改變輸出的有功功率。圖10（b）為微電源輸出電壓頻率波形，在微電源DG3退出運(yùn)行和切除負(fù)載的過(guò)程中，微電源輸出電壓頻率始終維持在微電網(wǎng)的允許范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

在下垂控制下微電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載的均分，但在微電源并入正在運(yùn)行的微電網(wǎng)時(shí)由于電壓幅值和相位之間的差值會(huì)引起較大的功率環(huán)流。通過(guò)詳細(xì)分析，本文將二次調(diào)頻技術(shù)引入到微電源的并入過(guò)程，顯著降低了并入暫態(tài)過(guò)程中的環(huán)流，使系統(tǒng)能夠快速地恢復(fù)到新的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，通過(guò)仿真對(duì)引入二次調(diào)頻技術(shù)前后的情況進(jìn)行了對(duì)比論證，驗(yàn)證了方法的合理性。同時(shí)，本文對(duì)微電源退出運(yùn)行的過(guò)程和退出運(yùn)行后系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行了分類(lèi)討論，將退出過(guò)程分為計(jì)劃和非計(jì)劃退出，將負(fù)載狀態(tài)分為負(fù)載正常和負(fù)載過(guò)重。對(duì)于非計(jì)劃退出運(yùn)行且負(fù)載過(guò)重情況設(shè)計(jì)了一、二次調(diào)頻配合使用下的控制策略，在保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的情況下，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的分級(jí)管理，提高了系統(tǒng)的可靠性。

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關(guān)于外文字符的字體

1 正體外文字母的常用場(chǎng)合

（1）計(jì)量單位和SI詞頭符號(hào)。

（2）數(shù)學(xué)式中的運(yùn)算符號(hào)和縮寫(xiě)號(hào)，如：微分號(hào)d，有限增量符號(hào)Δ，變分號(hào)δ，極限lim，行列式det，最大值max等。

（3）其值不變的數(shù)學(xué)常數(shù)符號(hào)：圓周率π，自然對(duì)數(shù)的底e，虛數(shù)單位i（電工中常用j）。

（4）量符號(hào)中為區(qū)別其他量而加的具有特定含義的非量符號(hào)和非變動(dòng)性數(shù)字符號(hào)角標(biāo)，如勢(shì)能EP，宏觀總截面Σtot；轉(zhuǎn)置矩陣AT等。

（5）儀器、元件、樣品等的型號(hào)、代號(hào)。

2 斜體外文字母的常用場(chǎng)合

（1）用字母代表的數(shù)、一般函數(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)符號(hào)等，如：x，y；ΔABC；f（x）；概率P，均數(shù)x。

（2）量符號(hào)和量符號(hào)中代表量或變動(dòng)性數(shù)字或坐標(biāo)符號(hào)的角標(biāo)字母，如：體積V，雷諾數(shù)Re，能譜角截面砌σΩ，E，能量Ei（i=1，2，3），力的x方向分量Fx。

（3）矢量和張量符號(hào)用黑斜體。

3 化學(xué)元素符號(hào)均為正體，且首字母大寫(xiě)

摘編于《中國(guó)高等學(xué)校自然科學(xué)學(xué)報(bào)編排規(guī)范》（修訂版）

Connecting and Disconnecting Strategies for Micro Generation Based on Droop Control

ZHANG Shuai1，LIU Wenhong1，LI Feng2，PAN Sanbo1，QUE Chunlan1
（1.School of Electrical Engineering，Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Ghrepower Green Energy Co.，Ltd，Shanghai 201611，China）

To achieve the function of“plug and play”and power-sharing in micro grid，the connecting and disconnecting processes of micro generations to the micro grid are studied.The theory of circulation current which is caused by micro generations is analyzed in detail.By using secondary frequency modulation，the circulation power is eliminated effectively，and the recovery time to steady state is also reduced.At the same time，different situations when the micro generations are disconnected to the micro grid are discussed.In the case of overload，the strategy of using both primary and secondary frequency modulations is proposed to cut off the loads according to their levels to avoid overloading，which can keep the frequency of micro grid stable.At last，the rationality and feasibility of these strategies are proved by simulation using MATALAB/Simulink.

plug and play；droop control；secondary frequency modulation；circulation；MATLAB/Simulink

TM464

A

1003-8930（2016）12-0049-08

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.12.009

張 帥（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)能量管理。Email：524362335@qq.com

劉文紅（1967—），女，博士，教授，研究方向?yàn)榉歉咚剐盘?hào)處理、時(shí)延估計(jì)技術(shù)。Email：liuwenhong@sdju.edu.cn

李 鋒（1966—），男，碩士、高級(jí)工程師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電技術(shù)、電力電子、高電壓技術(shù)。Email：13701846633@139.com

2014-11-06；

2016-04-06

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012BAH32F06）；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目（12YZ187）