1、1微电网控制策略研究1. 分布式电源及其等效模型1.1 分布式电源的定义国际上关于分布式发电的定义较多，没有形成对分布式发电的统一定义，不仅不同国家和组织，甚至是同一国家的不同地区对分布式发电的理解和定义都不尽相同，以下是几种比较有代表性的：（1）国际能源署对分布式发电的定义为：服务于当地用户或当地电网的发电站，包括内燃机、小型或微型燃气轮机、燃料电池和光伏发电技术，以及能够进行能量控制及需求侧管理的能源综合利用系统；（2）美国公共事业管理政策法对分布式发电的定义为：小规模、分散布置在用户附近，可独立运行、也可以联网运行的发电系统；（3）丹麦对分布式发电的定义为：靠近用户，不连接到高压输电网，
2、装机规模小于10MW 的能源系统；（4）德国对分布式发电的定义为：位于用户附近，接入中低压配电网的电源。接入电压等级限制为 20kV，主要包括光伏、风电和小水电；（ 5）法国对分布式发电的定义为：接入低压配电网，直接向用户供电的电源。接入电压等级限制为 20kV，容量限制为 10MW，主要是热电联产、小水电和柴油机。综合以上几种定义的共同点，可以认为分布式电源指的是以新能源发电为主，容量较小且靠近负荷中心的发电设备，如小型风力发电机和光伏电池等。目前，微电网示范工程中的分布式电源主要包括柴油机、微型燃气轮机、小型水力发电机、小型风机、燃料电池和光伏电池，此外，还有少数的生物柴油机、液流电池、超
3、级电容、飞轮储能等。1.2 分布式电源的并网方式虽然各种分布式电源都可以接入微电网为负荷供电，但由于它们自身的一下特点和微电网对电能质量及供电可靠性的要求，各类分布式电源的并网方式不尽相同。小型水力发电机、鼠笼型异步风机和柴油机等小型常规发电机输出稳定，可直接并网。光伏电池、燃料电池和直流风机等直流分布式电源输出直流电，通常需要经逆变器接入交流微电网，这种并网方式称为直交式并网。微型燃气轮机和同步风力发电机输出幅值频率变化的交流电电气量,需要整流逆变后才能并网，这种并网方式称为交直交并网，对应的分布式2电源统称交直3交分布式电源。为了保证分布式电源的灵活性和可靠性，在微电网设计中主要采用经逆变
4、器接入的分布式电源，包括直流分布式电源和交直交分布式电源。另外，微电网设计中还加入了大量的储能装置，如蓄电池、超级电容和液流电池等，它们也需要经过双向逆变器与微电网连接。本文把直流分布式电源和交直交分布式电源统称为逆变型分布式电源(Inverter Basic Distributed Generation,下文简称 IBDG),并对其进行建模。1.3 分布式电源建模无论直流分布式电源，还是交直交分布式电源,为了使逆变器输入端电压满足要求（电压等级和电压稳定性要求） ，逆变器前端通常需要加入 DC-DC 变换器，因此逆变器前端可以看做直流稳压电源，IBDG 也就可以看做直流稳压电源和逆变器的串联
5、模型，如 图1 所示。IBDG 等效模型中的 PWM 逆变器为电压型逆变器，下文对逆变器的分析均针对电压型逆变器。A CD CabcD C直 流 稳 压 电 源 P W M 逆 变 器图 1 IBDG 等效模型图2. 逆变器常用的控制方法根据上文，IBDG 由直流环节经电压型逆变器并网，逆变器输出端的电压电流频率由逆变器的控制策略决定，电压的幅值由逆变器输入端直流电压和逆变器控制策略共同决定。因此，逆变器的控制策略在整个微电网控制中就显得尤为重要。常用的控制方法有 PQ 控制，VF控制和下垂控制。42.1 PQ 控制PQ 控制指的是逆变器输出的有功功率 P 和无功功率 Q 的大小可控，均可以根
6、据设定值输出。功率外环控制模块Pr e fid_r e fQr e f电流内环控制模块iq_r e fPm dPm q逆变驱动信号生成模块P W M逆变器触发信号电网d q变换模块ia, ib, ic瞬时功率计算模块idiquduqua, ub, ucidiqPQ电流测量电压测量图 2 PQ 双环控制框图PQ 双环控制框图如 图 2 所示。在逆变器与电网连接线上测量电流和电压，并对测定得值进行 dq 变换，dq 变换得到电压的 d 轴分量 ud 和 q 轴分量 uq，电流的 d 轴分量 id 和 q 轴分量iq。瞬时功率模块根据基于 dq 变换的瞬时功率计算方法计算时候逆变器输出的有功功率 P
7、和无功功率 Q，并将所得结果 P 和 Q 输出。功率外环控制模块根据有功功率的设定值 Pref和无功功率的设定值 Qref 以及逆变器输出的实时有功功率 P 和无功功率 Q 生成电流直轴分量参考值 id_ref 和交轴分量参考值 iq_ref 并输出。电流内环控制模块根据 id_ref，i q_ref，i d 和 iq，生成脉宽调制系数 d 轴分量 Pmd 和 q 轴分量 Pmq。逆变驱动信号生成模块根据 Pmd 和 Pmq 生成逆变器驱动信号驱动逆变器工作，使逆变器输出功率与设定值接近，从而实现了逆变器的 PQ 控制。5dKsTm a xm in qK+-PP r e f P+-QQ r e
8、 f Qm a xqsTdKd q 分 量 限 幅id _ r e fiq _ r e fm inP I 控制P I 控制id _ riq _ r图 3 PQ 外环控制框图PQ 双环控制包括 PQ 外环控制和电流内环控制。PQ 外环控制框图如dKsTm a xm in qK+-PP r e f P+-QQ r e f Qm a xqsTdKd q 分 量 限 幅id _ r e fiq _ r e fm inP I 控制P I 控制id _ riq _ r图 3 所示，逆变器输出的实时有功功率 P 与参考值 Pref 作比较得到差值 P ，实时有功功率 Q 与参考值 Qref 作比较得到差值
9、Q,对 P 和 Q 分别进行 PI 控制输出电流直轴分量参考值 idref 和交轴分量参考值 iqref。本文中，考虑到实际中逆变器均有限流环节，所以对参考电流进行了限幅控制。限幅控制通过中的 dq 分量限幅模块实现。6dKsTqK-idid _ r e f-iqiq _ r e fqsdP m dPm q+图 4 电流内环控制框图电流内环控制如图4 所示，i d_ref 和 id 差值通过比例积分控制输出脉宽调制系数 d 轴分量 Pmd，i q_ref 和 iq 差值通过比例积分控制输出脉宽调制系数 q 轴分量 Pmq。逆变驱动信号生成模块根据 Pmd 和 Pmq 以及 PWM 相关算法（本
10、文选择 SPWM 算法）生成逆变器驱动信号驱动逆变器开关管导通和关断，控制逆变器工作。PQ 控制下的逆变器，只要有功功率的设定值 Pref 和无功功率的设定值 Qref 设置得当，不超过逆变器的容量和最大允许电流，则逆变器输出的有功功率有功功率 P 和无功功率 Q 跟随设定值，因而实现了 PQ 控制。PQ 控制方式通过将有功功率和无功功率解耦，对电流进行控制。在微电网并网运行模式下，微电网内的负荷波动、频率和电压扰动均由大电网承担，各分布式电源不参与微电网频率和电压的调节，直接采用电网频率和电压作为支撑。综上，PQ 控制的优势在于，可以根据需要动态调节有功功率的设定值 Pref 和无功功率的设
11、定值 Qref，将其应用到光伏发电和风力发电等发电量不稳定系统中，可以最大限度地提高新能源的利用率。其缺点在于，采用该种控制方式的分布式电源并不能维持系统的频率和7电压。如果是一个独立运行的微网系统。则系统中必须有维持频率和电压的分布式电源。如果是与常规电网并网运行，则由常规电网维持电压和频率。2.2 V-f 控制V-f 控制即恒压恒频控制，指的是通过控制手段使逆变器输出端口电压的幅值 U 和频率 f 保持恒定。V - f外环控制模块Ur e fid_r e ffr e f电流内环控制模块iq_r e fPm dPm q逆变驱动信号生成模块P W M逆变器触发信号电网d q变换ia, ib,
12、ic瞬时功率计算模块idiquduqua, ub, ucidiqPU电流测量f锁相 环电压幅值计算模块ua, ub, ucua, ub, uc电压测量图 5 V-f 双环控制框图V-f 控制通常采用双环控制，双环控制框图如 图 5 所示。与上文中 PQ 双环控制一样，V-f 双环控制以同样的方法得到 id，i q 和 P。另外，V-f 双环控制通过锁相环测得系统频率 f，通过电压幅值计算模块得到逆变器出口处线电压幅值 U。V-f 外环控模块根据电压幅值的设定值 Uref、频率的设定值 fref、逆变器输出的实时有功功率 P、系统频率 f 和逆变器出口处线电压幅值 U 生成电流直轴分量参考值 i
13、d_ref 和交轴分量参考值 iq_ref 并输出。电流内环控制模和逆变驱动信号生成模块功能与上文 PQ 双环控制一样，不再赘述。81+qKsT（ ）1+sT（ ） 1+dsT（ ）+ -f f r e f f P r e f P -+UUr e f-d q 分 量综 合 限 幅id _ r e fiq _ r e f U图 6 V-f 外环控制框图V-f 外环控制框图如 1+qKsT（ ）1+sT（ ） 1+dsT（ ）+-ffr e f fPr e fP-+UUr e f-d q 分 量综 合 限 幅id _ r e fiq _ r e f U图 6 所示，频率设定值 fref 与实时系统
14、频率 f 差值 f 经 PI 控制输出有功功率参考值Pref，P ref 与逆变器输出有功功率 P 差值经比例积分控制输出电流参考值直流分量，电压额定值 Uref 和逆变器端口电压 U 差值 U 经比例积分控制输出电流参考值交流分量，电流参考值交直流分量经 dq 分量综合限幅模块进行幅值限制，输出 id_ref 和 iq_ref。V-f 双环控制的内环控制也是电流控制，与 PQ 双环控制中的电流内环控制方法一样，因此不再赘述。在微电网孤岛运行模式下，由 V-f 控制的 IBDG 调节微电网内的微电网频率和电压,维持微电网的频率和电压稳定。92.3 下垂（Droop）控制下垂（Droop）控制是
15、指通过控制逆变器实现与传统电力系统的频率一次调整相类似的调节特性。目前针对逆变器主要采用的下垂控制方法与传统的同步发电机调节相似，采用有功频率（Pf ）和无功电压（QV）的调节方式。逆变器的有功频率（Pf）的调节特性如图7 所示，当系统频率 f 下降时，逆变器输出的有功功率 P 增加；系统频率 f 上升时，逆变器输出的用功功率 P 减小。因此逆变器输出的有功功率 P 随着系统频率 f 变化而自动调节，以达到维持系统频率动态稳定的作用。显然这种调节是有差调节，与同步发电机的频率一次调整类似。fPP nP m a xf nf m a x0图7 有功频率（P f）调节特性逆变器的无功电压（QV）的调
16、节特性如 图 8 所示，当出口电压 U 下降时，逆变器输出的无功功率 Q 增加；出口电压 U 上升时，逆变器输出的无功功率 Q 减小。因此逆变器输出的无功功率 Q 随着出口电压 U 变化而自动调节，以达到维持出口电压 U 稳定的作用。显然这种调节是也是有差调节，与同步发电机励磁调节相类似。10UQ- Q m a xQ m a xU m i n0U0图 8 无功电压（Q V）调节特性3. DIgSILENT 仿真软件简介DIgSILENT 是德国 DIgSILENTGmbH 公司开发的一款电磁、机电暂态混合仿真程序，它适用于电力系统几乎所有领域，并提供了全面准确的分析功能。DIgSILENT 这
17、一名称来源于DIgital SImuLation and Electrical NeTwork。3.1 DIgSILENT 常用功能介绍DIgSILENT（以 14.0.512 为准）包含 11 个常用模块和 6 个附件模块。常用模块包括基本功能模块（包括潮流计算和故障分析） 、保护模块、配电网优化模块、谐波分析模块、最优潮流模块（包括无功功率优化和经济性调度功能） 、可靠性分析模块、状态估计模块、稳定性分析模块、电磁暂态模块和小信号稳定性（特征值分析）模块，附件模块包括动态参数识别、DSL 动态仿真语言加密、PSS/E 数据接口、IEC61970 标准 CIM 接口、IEC61968 标准CIM 接口和 OPC(过程控制的连接与嵌入)接口。下面针对一些常用功能进行详细介绍。1. 潮流计算DIgSILENT 可以描述复杂的单相和三相交流系统及各种交直流混合系统。潮流求解过程提供了 3 种方法以供选择：经典的牛顿拉夫逊算法、牛顿拉夫逊电流迭代法和线性方程法
