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微电网控制系统设计研究

浅析微电网控制策略

学院：

电气与电子工程学院

年级：

2012级研究生

专业：

电力系统

姓名：

李林哲

学号：

20100290220113

任课教师：

程宏波

浅析微电网控制策略

摘要：

本文首先阐述了目前微电网的研究发展现状，对于当前微网控制中使用较多的各种控制策略进行了分析比较。

在此基础上提出了一种新型的微电网构成单元形式，并通过选取V/f控制作为仿真平台的控制方式，详细阐述了该控制方式的原理及数学模型的推导过程。

关键词：

微电网控制策略原理数学模型

Abstract:

Thisarticlefirstelaboratedthepresentdevelopmentofmicrogridresearch，analysisandcomparisonthecurrentmicronetworkcontrolintheresearchofcontrolstrategy。

Onthisbasisputforwardanewkindofmicrogridbasiccompositionunitform,throughtheselectionofV/fcontrolmodeofcontrolasthesimulationplatform,expoundedtheprincipleofthecontrolmethodandthederivationprocessofthemathematicalmodel.

Keywords:

MicropowergridControlstrategyprinciple

mathematicalmodel.

引言：

微网的控制技术是微网运行中的一个关键部分。

成熟的控制技术可以提高微网的运行灵活性和提供高质量的电能。

由于微网内部的电源多为可再生能源,不可控性强,电源容量小、数目多且分散，所以传统大电机控制方法将不再适用。

同时，微网内部的电源多通过电力电子装置连接到微网系统中，这对微网内部针对电力电子装置例如逆变器的控制也提出了更精确的要求。

因此，所有微网的特性都要求设计出针对微网自身的控制策略。

1、微电网的研究现状及基本构成单元

目前国内多在分布式发电和分布式储能上开展相关的研究，对微电网的研

究才刚刚开始，还未有明确的研究成果。

而微电网既可以联网运行，又可以孤岛运行，能保证在大电网故障情况下对用户供电。

微电网在满足多种电能质量要求和提高供电可靠性等方面有诸多优点，使它完全可以作为现有大电网的一个有益而又必要的补偿。

另外，我国“十二五”规划已将积极推动和鼓励可再生能源的发展作为中国的重点发展战略之一。

然而可再生能源容量小、功率不稳定、独立向负荷提供可靠供电的能力不强以及对电网造成波动、影响系统安全稳定的缺点将是其发展中的极大障碍。

如将分散的近距离范围内的分布式发电单元通过电力电子控制技术组成微电网，则可协调大电网与可再生能源单元供电的矛盾，充分发挥可再生能源的重要潜力。

因此微电网的特点适应中国电力发展的需求与方向，在我国有着广阔的发展前景。

图1微电网基本构成单元结构图

如上图所示：

分布式电源1采用PQ控制，蓄电池采用基于本地信息的V/f控制，对无功和有功进行补偿藉此来维持电压和频率的稳定。

2、微电网的各种控制策略

微电网在实际运行中需要解决的关键问题之一就是控制问题。

当微电网中的负荷或网络结构发生变化时，如何通过对微电网中各种分布式电源进行有效的协调控制，以保证微电网在不同运行模式下都能够满足负荷的电能质量要求，是微电网能否可靠运行的关键。

微电网的控制应该做到微电源自身根据本地信息对电网中的信息作出自主反应，例如对于电压跌落、故障、停电等，微电源利用本地信息自动转到独立运行状态，而不像传统方式一样由电网统一协调调度。

这就要求微电网能够对本地信息作出快速反应。

因此，CERTS提出微电网的控制应当保证：

（1）新的微电源的接入不对现有系统造成影响

（2）能够自主的选择运行点

（3）能够快速平稳地在并网和孤岛两种状态之间转换

（4）能够对有功、无功可以根据动态负荷的要求进行独立的控制

针对微电网的特点，目前各专家学者已提出了几种较为有效的微电网控制策

略，主要包括:

基于下垂特性的电压频率控制、PQ控制、主从站控制、基于多代理技术的控制等。

2.1下垂控制

该方法是基于电力电子技术的“即插即用”及“对等”的基本思想。

该控

制思想是根据微电网内的控制目标不同，选取类似传统发电机的下垂特性曲线作

为微电源的控制目标，通过利用有功与频率的下垂特性曲线将系统的不平衡功率

实时动态的分配给各个机组，从而确保孤岛下微电网内的功率平衡，该方法具有

简单、可靠等特点，能够通过改变其自身的频率和电压来增加或减小相应的功率输出，实现了工况改变时微电源之间变化功率的共享,保证了电压和频率的稳定性。

但是仅限微电源之间的协调控制，还没有考虑到系统电压与频率的恢复问题，即传统发电机的二次调频问题。

2.2基于功率管理系统的控制

该方法采用不同控制模块对有功、无功分别控制，很好地满足了微电网多种

控制的要求，尤其在调节功率平衡时，加入了频率恢复算法，能够很好地满足频

率质量的要求。

但该方法在微电网孤网运行，即使微小的扰动也会使微电网由于缺乏电压频率支撑而逐步失稳。

因而其在微电网并网运行时应用较多，而在微电网孤网运行时还需辅以其他控制方式。

其控制结构图如图2和图3所示：

图2有功控制环路

图3无功控制环路

2.3主从控制

主从站控制方式是指在微电网由于强制或计划与大电网脱离运行，工作在孤岛状态时，一个微电源以主站的方式运行在VSI模式提供参考电压和频率，其他微电源以从站的方式运行在PQ模式提供恒定出力。

该控制方式简单、易实行，并且对孤网运行时保证供电质量有较强的优势。

但该方法也有较多的局限性：

（1）其要求选择一个电源作为主站,来负责孤网时的电压频率的稳定问题。

该主站的选择有较大的限制性：

其一，其必须具备较快的出力调节能力；其二，

其必须具备足够大的出力。

（2）该方法对保证孤网运行下的电能质量具有一定的作用，但其不能实现使微电网运行在诸如电能质量、经济性、稳定性等多目标最优的状态，这与广义上的协调控制是不符合的。

2.4基于多代理的微网控制方法

该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网的控制系统，提供了一

个能够嵌入各种控制性能但又无需管理者经常出现的系统。

其主要的思路为：

微电网中各底层元件都作为独立的Agent运行，同时设定微电网Agent对这些底层Agent进行管理。

微电网Agent与上级电网Agent之间通过通信协调解决各Agent之间的任务划分和共享资源的分配，上级电网Agent负责电力市场以及各Agent间的协调调度，并综合微电网Agent信息做出重大决策，不同的Agent还保持一定量的数据通信以更好地保证各自决策的合理性。

其结构如图4所示：

图4多代理系统结构图

3、一种新型的微电网基本构成单元形式

当微电网中的负荷或网络结构发生变化时，如何通过对微电网中各种分布式电源进行有效的协调控制，以保证微电网在不同运行模式下都能够满足负荷的电能质量要求，是微电网能否可靠运行的关键。

针对这一问题，传统思路是随微电网运行方式不同而采取不同的控制策略，联网模式下分布式电源采用PQ控制，孤岛模式时采用V/f控制。

但这种方法存在运行模式切换时控制失败的可能性，并且使控制复杂化。

因此如何解决运行模式切换时的控制问题，成为了另一个难题。

本文提出了一种基于恒功率控制分布式电源和储能装置相结合的微电网基本构成单元形式，此微电网模型既可工作于联网模式，也可以运行于孤岛模式，在微电网运行模式切换时无需改变微电网中逆变器的控制策略。

图5分布式电源1的PQ控制结构图

图5中分别对有功和无功进行PI控制，得到d、q轴的电流基准，以此

实现对逆变器输出电流的控制，所控制的逆变器为电流型逆变器。

图中采用PI

控制也使稳态误差降为0，PLL锁相环的作用则保证逆变器的输出与电网保持同步。

V/f控制控制框图如下：

图6V/F控制结构图

在图6V/f控制中，采用多环反馈控制频率，当频率降低时，逆变器加大有功输出，而当频率增大时，减小有功输出；而电压控制省去了功率环直接采用PI控制得到了q轴电流基准。

因为V/f控制的分布式电源可以作为主控制单元来使用，所以它的容量大小是需要考虑的，这里加设了限幅控制，即对旋转坐标系下有功和无功分量进行限值控制，从而在一定范围内对有功和无功进行了限定。

PQ控制中亦可以加设此控制，此控制对象也限于电流型控制逆变器。

采用此控制策略的微电网在并网和孤岛运行两种运行模式进行切换时，分布式电源1和蓄电池的控制方式无需改变。

微电网并网运行时，恒功率控制分布式电源输出定值的有功和无功功率，因此时频率、电压由大电网决定，所以在稳定运行时储能装置亦保持恒定的功率输出。

微电网孤岛运行时，恒功率控制分布式电源依然输出恒定的功率，而此时储能装置通过补偿有功和无功来维持本地频率和电压水平不变，成为了微电网中的基准电源。

四、基于下垂特性的V/F控制

微电网内部各微电源和负荷都具有分散性的特点，基于微电网在受到大的扰动后系统内部的电压和频率支撑问题，建立了基于电压源型逆变器（VSI）的V/f控制策略，以确保该系统能够稳定运行微电网中。

并联发电单元的有功输出主要取决于其与系统输出电压的相位差，而并联发电单元的无功输出主要取决于其输出电压的幅值。

其关系如下式所示：

（1）

（2）

系统的有功功率下垂特性如图7所示

图7P-W下垂特性

逆变电源的输出电压幅值可以直接控制，由于频率信号方便检测，一般采用

频率控制代替相位控制。

因此在并联系统中可以借鉴电力系统中同步发电机控制

方法，引入有功功率和无功功率的调节作用。

这样，各并联单元就可以通过检测

各自的输出功率的大小，再根据自身容量将频率和幅值两个要素通过输出的P和Q进行控制，分别用来调节输出电压的幅值和频率。

其数学描述如下:

（3）

（4）

其中

表示第j个微电源的实际有功出力；

表示第j个微电源的最大有功出力；

表示微电源正常运行时的最小角频率；

、

表示所需调节的角频率以及有功；

（<0）表示功角特性曲线的斜率。

同理利用Q/V的下垂特性可知：

可以通过电压来控制微电源的无功出力。

其

数学描述为

（5）

（6）

其中，

表示第j个微电源的实际无功出力；

表示第j个微电源的最

大无功出力；

表示微电源正常运行时的最低电压；

，

表示所需调节的电压以及无功；

表示Q/V的下垂特性曲线的斜率。

上述四个式子所表示的功率控制器的具体结构如图8所示：

图8功率控制器结构图

五、微电网控制器的总体结构及控制单元的Simulink实现

该控制系统的结构如图9所示,其主要由锁相器PLL，dq变换单元，直流电压外环、交流电流内环和PWM调制器单元构成。

图9微电网控制器框图

其中输入信号

为通过功率控制器得到的电压，

为逆变器出口处电流,

为直流母线电压，

为直流母线的参考电压。

图中，锁相器PLL,dq变换单元用来实现输入信号由a，b，c坐标系向d，q，0坐标系的转换，其输出为交流电流内环的输入

，

。

直流电压外环用来控制变频器直流母线电压,其输出为电流环的d轴电流的参考值。

交流电流内环,用于反馈解藕电流控制,其输出值

，

，通过PWM调制器单元转换后作为逆变器的触发信号。

对于锁相器和dq变换单元其主要作用是用来实现对输入信号的dq变换，其

可以通过MATLAB直接调用。

为了控制变频器直流母线的电压，我们可以通过引入一个直流电压参考值

，取为I000V，使变频器直流母线电压稳定在I000V。

直流电压外环控制器的详细结构如图10所示：

图10电压外环控制

该控制器通过PI控制将直流母线的实际电压与参考电压的差值转换为交流

电流内环的参考输入

。

交流电流控制环,用于反馈解藕电流控制。

对于交流电流内环控制其输入为经过dq变换后得到的电流信号

以及直流外环提供的参考电流信号

。

对无功电流参考值本文取为0。

输入的dq轴电流信号与参考信号经过比较后通过PID控制转换为dq轴电压信号。

控制器结构如图11所示：

图11电流内环控制

最后利用得到的

，

以及系统功角经过PWM调制器可以转换为逆变器的触发信号V。

其中：

（7）

（8）

w为系统的角速度，Ф为系统电压的初始相角。

此信号再经三相离散PWM发生器转换为脉冲信号，用来触发逆变器。

总结：

本文首先详细阐述了目前微电网的研究发展现状，对于当前微网控制中研究较多的各种控制策略进行了分析比较，说明各种策略的优劣势及其适用条件。

在此基础上提出了一种基于恒功率控制分布式电源和储能装置相结合的微电网基本构成单元形式。

而后基于微电网在受到大的扰动后系统内部的电压和频率支撑问题，选取了V/f控制作为本仿真平台的控制方式，并详细阐述了该控制方式的原理及数学模型的推导过程，最后利用MATLAB/Simulink软件建立了基于电压源型逆变器的V/f控制策略的详细控制器模型。

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