一种微电网分布式电源的下垂控制策略*

当今社会，随着人们对电力能源需求的增大，越来越关注分布式电源发电方式.常见的如风能发电、太阳能发电、燃料电池发电等均属于分布式电源发电，与传统的火力发电方式相比，其具有污染小、能源利用率高、社会效益好等特点[1-2].但当前阶段分布式电源发电方式也存在着单机控制复杂、运行维护难等问题，制约其大规模发展[3].

微电网将多种分布式电源(distributed generation, DG)、储能装置、负载等整合在一起，同时配有完整的控制、保护、管理和监控装置，形成一个小型独立可控的发配电系统，在一定程度上减轻大电网与分布式电源的冲突[4].微电网具有并网、孤岛两种运行模式，微电网中的DG通过逆变器设备将电能输送到大电网，对DG的控制主要有主从控制、对等控制和分层控制，对逆变器控制策略主要有U/f控制、PQ控制和下垂控制[5].

微电网分布式电源协调控制问题，严重影响着其快速发展，是微电网实际运行中亟待解决的关键问题.国内外学者对微电网的控制策略开展了广泛研究.文献[6]采用PQ-U/f相结合控制策略对不同运行模式的微电网进行研究，并分析了DG特点及微电网的运行特性.文献[7]提出微电网开关模式控制方法，对并网、孤岛模式下的微电网进行研究，孤岛时部分DG采用下垂控制，对微电网的频率及电压进行调节；并网时所有DG均采用PQ控制，微电网频率及电压由大电网调节.文献[8]研究了不同运行模式的微电网，指出无论哪种运行模式，都要保证对微电网中各DG的有效控制，以维持整个微电网的U、f在合理的范围内波动.文献[9]分析了微电网不同运行模式的切换过程，提出下垂与倒下垂结合的控制方法，其优点是能较好地避免控制策略的切换问题，缺点是由孤岛模式切换到并网模式时调节时间过长.文献[10]主要研究了PQ控制和V/f控制的方法，采用主从控制策略对微电网进行了仿真，研究分析了电压及频率的变化规律.

本文针对微电网中多个分布式电源之间复杂协调问题，提出了一种下垂控制策略方法.该方法可实现微电网孤岛模式下增切负载时，对频率及电压的自动调节；而且微电网运行模式切换时，分布式电源不用改变控制方法，便能实现微电网运行模式的无缝切换.通过Simulink仿真结果，分析了微电网在孤岛、并网及运行模式切换时各分布式电源的频率、电压和功率变化规律，验证了下垂控制策略的正确性和可行性.

1 微电网基本结构

本文构建的对等控制微电网结构如图1所示.

分布式电源DG1、DG2为逆变型微电源，均采用下垂控制并以直流电源等效.Load 1、Load 2为恒功率负载，分别与DG1、DG2相连.Load 3为公共负载，连接在380 V公共母线上.开关K控制着微电网是否并网运行，当开关K闭合时，微电网通过变压器升压后并入10 kV的配电网运行.

分布式电源DG1、DG2采用下垂控制，整个微电网采用对等控制策略.

2 对等控制系统建模

微电网分布式电源的控制主要包括主从控制、分层控制和对等控制[11].

主从控制策略，要求微电网内的DG存在主控单元和从控单元，这种控制策略简单易行，但缺点在于过度地依赖主控单元，对其容量和性能要求比较高，在微电网运行模式切换过程中，存在控制策略的切换过程.

分层控制策略，通过上层的控制通信单元，实时地为其提供信息，实现不同DG、负载之间的信息通信，从而使微电网平稳运行.其优点在于能够实现多个微电网的优化运行，缺点在于太过于依赖通信手段.

对等控制策略，微电网内部所有DG都是对等的，主要依据DG接入系统点的本地信息进行控制，实现微电网“即插即用”功能[12].对等控制策略中的DG采用下垂控制，在微电网负载变化时，自动调节电压和功率，使得微电网稳定于新的工作点.其优点在于可以在微电网运行模式切换过程中不改变控制策略，缺点是电能质量无法有效维持.

本文主要研究下垂控制策略，通过设计下垂控制器，使用微电网分布式电源的下垂控制策略方法，可实现微电网增切负载、微电网运行模式切换时对分布式电源电压和频率的平滑控制.

2.1 下垂控制原理

所谓下垂控制，就是检测微电网中的多个DG输出功率的大小，解算DG的有功、无功功率，并依据P-f、Q-U下垂特性得出频率和电压的参考值，进而调节正弦控制信号，控制逆变器，以调节微电网系统的有功和无功功率[13-14].含有多个DG的微电网实质是含有多个逆变电源的并联系统.下垂控制原理如图2所示.

图2中，DG的输出电压为V，输出电流为iL；LC滤波器的滤波电感为Lf，滤波电容为Cf；负载阻抗为Z；经LC滤波器滤波后的电流为i0，电压为u0；流向LC滤波器的电流为为可控的正弦信号；Pn、U0、fn为实际给定的功率、电压、频率.

下垂控制过程中，首先测量模块采集到的经LC滤波器后的i0、u0；经功率计算模块后得出逆变器的P、Q，与实际给定的Pn、U0、fn进行对比，依据P-f、Q-U下垂特性得出参考值U、f；然后经电压合成模块计算出电压的dq轴分量udref、uqref，与滤波器的电流ic经过电压电流双环控制模块PI控制计算，得出所需的PWM调节信号最后对逆变器进行控制，使微电网达到动态平衡.

P-f、Q-U下垂特性曲线如图3所示.

如图3所示，微电网DG电压、频率是通过P-f、Q-U下垂关系曲线进行调节的，如当DG的输出P、Q分别降低，DG的运行平衡点由B点移向A点[15].

采用微电网分布式电源的下垂控制策略方法，能使微电网中的电压和频率自发动态调节，不用人为改变DG的控制方法，便能实现微电网运行模式的无缝切换.

2.2 下垂控制器设计

2.2.1 LC滤波器设计 在设计滤波器时，由于采用正弦调制方式的逆变器会产生谐波，所以应过滤掉谐波，以减少对系统的影响.

传统的L型滤波器结构简单，只能适用于较小的开关频率，若要达到微电网并网谐波的要求，相应的L型滤波器的电感值要足够大，但会导致滤波器控制难度的增加[16].由于LCL型滤波器在计算dq旋转坐标系中三相电压d、p轴分量的难度过大，所以，本文采用LC型滤波器，并串入较小的电阻以抑制其易发生振荡的缺点.

LC滤波器传递函数为：

(1)

式中：

谐振频率为

且

10fn≤fc≤fs/10，

(2)

式中:fn为基波频率，fs为载波频率.

依据式(1)、式(2)，对滤波器的参数进行设计.经过多次试验计算，参数设置为Lf=0.6 mH，Cf=1 500 μF，Rf=0.01Ω时，滤波性能较好.

2.2.2 功率控制器设计 功率控制器将滤波后的i0、u0作为输入量，计算得出瞬时有功、无功功率，经低通滤波器LPF得出对应的平均功率，与实际给定的Pn、U0、fn进行对比，依据图3下垂特性计算得出参考值电压U、频率f，再经过电压合成、dq转换后得出udref、uqref，最后输出到电压电流双环控制器中.

本文设计的功率控制器如图4所示.

由图4中下垂控制环节，可得关系式：

(3)

式中：m、n分别为P-f、Q-U下垂特性系数，fn为额定频率，Pn为DG额定有功功率，U0为DG初始电压幅值，P、Q为逆变电源实际输出有功、无功功率.

由图3下垂特性曲线关系可求得下垂特性系数：

(4)

式中:Pmax、Qmax为最大有功功率和最大无功功率；fmin、Umin为与Pmax、Qmax相对应的最小频率和最小电压幅值.

将DG逆变后的三相交流量，经Park公式变换成两相dq坐标系下的直流量，以实现PI控制器零稳态误差控制.

Park变换公式为：

开发基于IP控制技术的新海岸电台中控系统，并基于新系统改造广州和三亚海岸电台中控台，使其满足接入多个收发信台的功能。逐步改造各海岸电台收发信台，将收发信台中原基于硬交换的收发信设备更新为具有IP控制功能的设备。此外，将汕头、湛江、北海海岸电台的收发信台设备和南海收发信台的收发信设备接入广州海岸电台中控系统，将海口、八所海岸电台的收发信设备接入三亚海岸电台中控系统，实现两广地区和海南地区海岸电台中高频通信设备的深度融合。

(5)

2.2.3电压电流双环控制器设计 在设计电压电流双环控制器时，采用电容电流作为内环控制，电压作为外环控制的方式.这种设计方法，相比于电感电流作为内环控制，能较为直接、准确地反映出系统电压和负载的变化情况，快速调节系统，使其达到平衡[17].

由图2下垂控制原理图可知，LC滤波器电容电压、电感电流满足以下方程：

(6)

式中,为SPWM信号.即

依据式(6)，设计电压电流双环控制器结构如图5所示.

从图5中可以看出，电压电流双环控制器主要包括电压控制环、电流控制环和系统开环部分.电压作为外环控制，主要是稳定负载电压，提高稳态精度，Kup、Kui分别为比例、积分系数，采用PI控制.电容电流作为内环控制，比例系数为K，ic*、uc*为电容电流ic和负载电压uc的参考值.

电流内环的传递函数为：

(7)

其中，电流比例增益传递函数为：

(8)

在设计电容电流内环时，应使ic/i0的值在频带范围内尽量小，以减小滤波电容的影响.

电流内环的比例控制系数K，对系统的动态响应有直接影响.K值越大，动态响应越快，但过大的K值也会导致系统不稳定.经多次试验计算，当K=5时，系统有较快的动态响应及稳定性.

当比例控制系数K=5，在fn=50 Hz处，电压外环传递函数为：

(9)

式中：电压比例增益Gu(s)，逆变电源等效输出阻抗Z(s)分别为：

，

(10)

，

(11)

由式(10)、式(11)可以看出，采用下垂控制方法的逆变电源，Z(s)不仅与线路阻抗、滤波参数有关，也与控制参数Kup、Kui有关.

在高压电力系统中，由于线路阻抗远大于电阻，P-f、Q-U下垂特性恒成立，而在低压微电网中采用下垂控制，需保证线路的阻抗大于电阻，从而使下垂特性成立，所以设计控制参数Kup、Kui时，使逆变电源等效输出阻抗为感性.

设置K=5，fn=50 Hz，Kui=100，Kup从0.1渐变到1 000时，Z(s)频域响应曲线如图6所示.

由图6可以看出，以Kup为1处分界，小于1时，等效输出阻抗Z(s)呈阻性；大于1时，Z(s)呈感性.高频段呈阻性的Z(s)可以较好地抑制谐波，但也不能选取感性频段过宽的数值，综合考虑，本文选取Kup=10.

设置K=5，fn=50 Hz，Kup=10，Kui从1渐变到5 000时，Z(s)频域响应曲线如图7所示.

由图7可以看出，随着Kui的增大，Z(s)越呈阻性，Kui =1时，呈感性；Kui =5 000时，呈阻性.同样，为了有效抑制高频段谐波，不能选取感性频段过宽的数值，综合考虑，本文选取Kui =100.

综上，本文在设计电压电流双环控制器时，选取K=5，Kui =100，Kup =10，既能较好地抑制高频段谐波，又能使等效输出阻抗在50 Hz处呈感性，同时也符合P-f、Q-U下垂关系.

2.3 下垂控制器仿真模型构建

依据上文设计的下垂控制器，利用Simulink软件，构建下垂控制器仿真模型，主要包括三部分.下垂控制器仿真模型如图8所示.

图8中fn、Pn、U0为给定的额定频率、额定功率及电压幅值，IC为滤波器的反馈电流，Vabc为负载电压，Iabc为负载电流.

下垂控制器对逆变电源的电压、电流进行采集，通过DQ变换与功率计算模块、下垂控制和参考电压模块、电压电流双环控制模块计算后，得出所需的PWM调节信号对逆变器进行控制，使微电网达到动态平衡.

(1) DQ变换与功率计算模块

设计DQ变换与功率计算模块如图9所示.

LC滤波器的滤波电流IC、负载电压Vabc、负载电流Iabc，经dq变换功率计算得到瞬时有功、无功功率，通过低通滤波器得出平均有功、无功功率.

(2) 下垂控制和参考电压模块

设计下垂控制和参考电压模块如图10所示.

由上一模块输入的有功功率，依据P-f下垂特性，得出参考电压的频率；由无功功率，依据Q-U下垂特性，得出参考电压的幅值；将频率和幅值合成得出三相参考电压矢量，经dq变换得出电压的dq轴分量.

(3) 电压电流双环控制模块

设计电压电流双环控制模块如图11所示.

电压的dq轴分量输入电压外环比例积分(PI)控制器，与电流合成后输入电流内环比例(P)控制器中，经dq变化后得到正弦信号输入PWM Generator模块，经计算得出PWM控制信号，从而对逆变器进行控制，使微电网达到稳定状态.

3 仿真分析

3.1 下垂控制器仿真模型验证

为保证所设计对等控制微电网仿真模型的正确性，应先对下垂控制器仿真模型的正确性进行验证.本文设计下垂控制器模型的仿真算例如图12所示.

图中Load 1、Load 2为恒功率负载，系统运行前断路器Breaker断开，在系统运行0.3～0.6 s后闭合，将Load 2负载接入微电网，0.6 s之后断路器断开，将Load 2负载切除，系统仿真运行1 s.仿真参数设置如下：微电源VDC=800 V，fn=50 Hz，Pn=20 kW，U0=311 V；LC滤波器

Rf=0.01Ω，Lf=0.6 mH，Cf=1 500 μF；下垂控制器：m=10-5，n=3×10-4，K=5，Kup=10，Kui=100；负载P1=20 kW，Q1=10 kVar；P2=5 kW，Q2=5 kVar.

仿真结果如图13、图14、图15所示.

从图13～图15可以看出，0～0.3 s，DG只给负载Load 1供电，DG输出的有功、无功功率符合负载Load 1所消耗的有功及无功功率，输出电压、电流及系统频率较为稳定.0.3～0.6 s，断路器闭合，负载Load 2接入系统，DG输出的有功、无功功率增加，仿真图中，DG输出的电压及频率在一定范围内下降.0.6～1.0 s，切除负载Load 2，DG输出的有功、无功功率减小，仿真图中，DG输出的电压及频率升高到原值.

整个过程完全符合P-f、Q-U下垂特性，且电压及频率波动较小，具有较好的抗干扰能力，由此验证了本文所设计下垂控制器及其仿真模型的正确性.

3.2 微网负荷增切变化仿真

本文为实现微电网增切负载、微电网运行模式切换时对分布式电源电压和功率的平滑控制，采用微电网分布式电源的下垂控制策略方法，用Simulink软件对所构建的对等控制微电网仿真模型进行仿真分析，对方法的正确性和可行性进行验证.

对等控制微电网仿真模型参数设置如下.

微电源DG1：VDC =800 V，fn=50 Hz，Pn=20 kW，U0=311 V；LC滤波器1：Rf=0.01Ω，Lf=0.6 mH，Cf=1 500 μF；下垂控制器1：m=10-5，n=3×10-4，K=5，Kup=10，Kui=100，载波频率fs=6 kHz.

微电源DG2：VDC =800 V，fn=50 Hz，Pn=20 kW，U0=311 V；LC滤波器2：Rf=0.01 Ω，Lf=0.6 mH，Cf=1 500 uF；下垂控制器2：m=10-5，n=3×10-4，K=5，Kup=10，Kui=100，载波频率fs=6 kHz.

负载：P1=20 kW，Q1=5 kVar；P2=20 kW，Q2=5 kVar；P3=10 kW，Q3=10 kVar.

线路：380 V线路R1=R2=0.641 Ω/km，X1=X2=0.101Ω/km；10 kV线路R3=0.347 Ω/km，X3=0.236Ω/km.

对微电网进行负载增切仿真时，断路器开关K始终处于断开状态.系统开始运行时，开关K1和K2同时闭合，DG1和DG2为各自的负载供电，运行到0.3 s时负载Load 3接入到系统，运行到0.6 s时负载Load3从系统切除，系统仿真运行1 s.仿真结果如图16、图17、图18、图19所示.

从仿真图16～图19可以看出，DG1和DG2根据负载的变化自动承担相应的功率，由于负载Load 1和Load 2设置的参数相同，所以仿真结果中，DG1、DG2输出的有功、无功功率相同.运行到0.3 s时，Load 3接入系统，DG1、DG2输出的功率增大，系统频率和电压有所降低.运行到0.6 s时，系统切除Load 3，DG1和DG2输出的功率减小，系统频率和电压恢复到原值.

仿真结果表明，采用微电网分布式电源的下垂控制策略方法，微电网可对负载增切时的功率进行自发调节，可实现对分布式电源电压和频率的平滑控制.

3.3 微网运行方式切换仿真

对微电网的运行模式切换进行仿真，开关K1和K2始终闭合，负载Load 3接入系统中.系统开始运行时，断路器K闭合，微电网并网运行；运行到0.5 s时，K断开，微电网向孤岛模式转变；运行到1.0 s时，K闭合，微电网重新并网运行，系统仿真运行1.5 s.仿真结果如图20、图21、图22所示.

(1) 并网模式向孤岛模式切换

从仿真图20～图22可以看出，0～0.5 s微电网并网运行时，DG1、DG2从大电网中吸收部分有功功率；0.5 s切换到孤岛运行时，DG输出的有功功率增大以补偿有功功率的缺额，此时系统频率有所降低，所设计的下垂控制器完全符合P-f下垂特性，且系统频率波动较小，系统频率较为平稳.0～0.5 s并网运行时，DG1、DG2向大电网中输送部分无功功率；切换到孤岛运行时，DG输出的无功功率减小，此时系统电压有所增大，所设计的下垂控制器完全符合Q-U下垂特性，微电网电压波动较小.微电网由并网模式向孤岛模式切换时，电压和频率较为平稳.

(2) 孤岛模式向并网模式切换

从仿真图20～图22可以看出，0.5～1.0 s微电网孤岛运行，1.0 s时微电网重新并网，DG输出的有功功率减少，输出的无功功率增大，相应的系统频率有所增大，电压有所减小.微电网重新并网时，由于与额定值之间存在差距，导致孤岛模式向并网模式切换过程中，有功、无功功率产生一定冲击，需进一步改善其性能.在切换过程中，系统频率和电压均保持在波动容许的范围内，最终过渡到并网运行的稳定状态.与下垂与倒下垂结合的控制方法比较[9]，采用本文下垂控制策略方法的调节时间有所改善.

4 结论

本文针对微电网中多个分布式电源之间的复杂协调控制问题，提出了一种微电网分布式电源的下垂控制策略方法，该方法依据下垂控制原理，研究了P-f和Q-U下垂特性，设计了基于滤波器、功率控制器、电压电流双环控制器的下垂控制器，建立了下垂控制器的仿真模型及对等控制策略下的微电网仿真模型.最后，通过Simulink仿真，分析了微电网在孤岛、并网及运行模式切换时各分布式电源的电压和频率的变化规律.

仿真结果表明，采用微电网分布式电源的下垂控制策略方法，可对孤岛运行时微电网中多个分布式电源输出的功率进行自动分配，并实现系统电压和频率的自动调节，保证微电网的稳定运行；同时，可实现微电网运行模式切换时对电压和频率的平滑控制，实现两种运行模式的平稳切换.

下一步的研究方向是依据孤岛模式向并网模式切换时，有功、无功功率产生一定冲击进行详细分析，进一步改进下垂控制器模型以更好地实现对分布式电源电压和频率的平滑控制.