低压微网多逆变电源的综合控制策略设计

摘要：针对微电网通常是接入低压配电网的情况，分析了低压微电网输电线路与传统高压输电线路阻抗比的差异，对低压微网功率传输进行了理论修正.在此基础上采用不同的控制策略对低压微电网进行综合控制，联网模式下为了执行支撑本地电压和调节馈线潮流，微电源采用PQ控制策略；孤岛模式下为确保负荷能各自快速分担负载和电压频率稳定，微电源采用电压频率V/f下垂控制.为保证逆变器输出阻抗与线路阻抗相匹配，在逆变器控制策略中引入阻性虚拟阻抗，根据低压线路参数呈阻性的特点，对传统高压大电网下垂特性进行修正，通过旋转坐标正交变换矩阵，对电压频率V/f下垂控制进行了改进，使得传统的V/f下垂控制得以扩展应用于低压微网中.仿真验证分析，证明了低压微电网系统下设计的综合控制策略能够保证系统与运行的稳定性和可靠性.

关键词：低压微网；PQ控制；V/f下垂控制；阻性虚拟阻抗；旋转坐标；孤岛模式

中图分类号：TM91 文献标识码：A

为协调大电网与分布式电源间的矛盾[1]，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，近年来学者们提出了微电网（Microgrid）的概念[2-3].微电网是指由分布式电源（DG）、储能系统、负荷和保护装置汇集而成的配电网子系统.而与单纯的分布式电源（DG）相比，微电网更能充分发挥微电源的各项优势，并且实现微电源的大规模并网，同时可以向用户提供不间断电源（UPS）等服务.

微电网中的微电源包括光伏电池、风力发电机、燃料电池、微型燃气轮机、蓄电池和高速飞轮等等，通常情况下需要通过电力电子装置将其与常规配电网并网运行[4].对于像风力发电和光伏电池这样的微电源，其输出功率的大小受天气影响较大，发电具有明显的间歇性，这种微电源通常只发出恒定的有功功率或执行最大功率跟踪，一般采用定功率PQ控制；对于像微型燃汽轮机、燃料电池、蓄电池等微电源，控制比较容易实现，既可以按照给定的有功无功进行控制，又可以实现电压频率V/f下垂控制，其中电压频率V/f下垂控制可以用于保证微电网电压和频率的稳定性[5-6].

在微电网中，对逆变电源的控制策略研究大多是集中在电压幅值和频率下垂控制策略方面，通过该控制策略，各个逆变电源相互独立，在并网和孤岛运行时不需要进行控制模式的切换，避免了运行模式切换引起的换控制策略失败的可能.而针对微电网一般接入低压配网中，各个微电源与并联母线之间的线路阻抗主要是呈阻性[7]，而采用电感电流和电容电压的逆变器输出阻抗主要是呈感性，这样便使得逆变电源输出的有功和无功与逆变器输出电压的幅值、相位之间存在比较严重的耦合.

本文把逆变器输出的各种因素都考虑在综合等效线路阻抗中，先通过对传统高压大电网下垂控制[3]进行分析，采用旋转坐标的方法，对传统下垂控制进行了扩展，得到新的控制策略，在低压电网的情况，实现了有功功率和无功功率的解耦，能够有效地分担变化的负载要求，这样既能够提高系统功率分担的精度，同时也能够为系统提高电压及频率的支撑.并且根据综合等效线路阻抗一般呈阻感性，在逆变器控制策略中引入虚拟阻抗，并且合理设计逆变器控制参数，使得逆变器输出阻抗呈阻性时可以采用简单的有功调电压幅值，无功调频的下垂控制策略[8-9].

1低压微电网结构

微电网中的电源多为微型电源，即含有电力电子接口的小型机组（小于100 kW） ，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能单元.根据微电网概念，提出了典型的低压微电网基本结构如图 1所示.

图1所示的微电网整体呈辐射状结构，微电网由多个分布式电源系统组成，主要的微电源包括如光伏电池、燃料电池、风电机组等可再生的新能源以及储能装置、控制器、负荷等组成.其中微电网通过主分离器与外部电网连接，当外部系统发生故障或者外部电能质量不能满足微电网内用户的要求时，该分离器动作使微电网转入孤岛运行.在馈线侧则根据负荷的重要程度使用不同的供电方式.本文研究的微电网采用3个分散的DG单元和一个负荷通过线路和开关并联于母线上，在公共连接点（PCC）通过开关和升压变压器连接到10 kV配电网上.

2低压微网功率传输的理论修正

但是绝大多数微电源都是接于低压配电网中，而低压情况下线路参数主要呈阻性.由表1可知，在高压系统中线路阻抗以感性为主，然而微电网常常是接入低压配电网中，而在低压系统中线路阻抗近似呈现出纯阻性（R>>X）.表1给出了典型的线路参数以及各种典型的适合低压微网的传输常用导线参数.从表中可知：适用于低压微电网的导线阻抗比均大于1，说明其线路电阻不能忽略.因此，传统的下垂控制将会导致有功和无功功率控制耦合及系统稳定性相关问题，因此传统的下垂控制在低压微电网中不再适用.

3逆变电源控制器的设计

微电源的控制方式与其类型有关，对于采用电力电子逆变器的微电源来说，通常有3种控制方式：并网状态下的 PQ 控制，孤岛状态下的调速差droop控制[10-12]以及V/f下垂控制[13-14].采用传统发电机接入微网的控制方式与传统控制方式相似，作为微网大多采用微电源的形式.在并网模式下，要求储能系统能够平抑分布式电源的并网功率波动，减少功率波动对微电网系统的冲击，为此，一般采用PQ控制；在孤岛运行时能够提供微电网系统的电压和频率参考，且能合理地分担负荷的功率，维持整个系统的功率平衡，通常采用电压频率（V/f）下垂控制[15].

在图7中，以电感电流瞬时反馈控制为内环，以电容电压瞬时反馈控制为外环.输出电压与参考电压信号进行比较，所得的误差信号经过瞬时电压环PI控制器当作电流内环的参考给定值.逆变桥输出滤波电感电流与电流给定的参考信号相比较，得到的误差信号经过瞬时电流环PI控制器作为 SVPWM 调制电压信号.滤波电感电流内环的引入，使滤波电感电流成为可控的电流源，提高了系统的稳定性.同时，对包含在环内的扰动，能起到及时的调节作用，改善了系统性能.

4仿真分析

为了验证本文所提出的方法，搭建了共有3（n=3时）台逆变器的低压微电网系统如图1所示，微网中各逆变器的参数见表2和表3，根据微电源控制图和电路模型，利用MATLAB R2011a/Simulink进行了仿真分析，为了便于分析，将微电源用直流电压源代替.

由仿真波形图可知，采用V/f下垂控制方法的DG的输出电压频率在经过短时间的震荡后，其频率能够稳定在50 Hz，三相输出电压幅值能够恒定在其基准附近（本文仿真采用标么值，稳定在1附近）.当2 s时投入load3时，逆变器输出的有功功率和无功功率发生变化，发出的有功功率和无功功率均增大，相应地，逆变器输出电流增大，但能保持其电压稳定在基准值附近.由以上分析可知，采用本文提出的V/f下垂控制的DG输出的实时功率能够快速稳定有效地追踪系统内负荷的变化，从而维持孤岛系统内的电压和频率稳定.

5结论

微电网的基本运行依赖于各个微电源，微电网存在两种运行方式.本文在不同的运行模式下，设计了低压微电网逆变电源的综合控制策略.在联网的模式下，微电源采用PQ控制，使得微电源发出指定的功率，且能够保证不改变低压配电网的电压水平；在孤岛模式下，采用V/f下垂控制策略，根据低压线路参数呈阻性的特点，对传统高压大电网下垂特性进行修正，通过旋转坐标正交变换矩阵，对电压频率V/f下垂控制进行了改进，使得传统的V/f下垂控制得以扩展应用于低压微网中，并能保证当系统功率变化时微电源与负荷之间的功率平衡，而对受外界条件影响较大的微电源，即功率源型微电源依旧采用PQ控制.通过MATLAB/Simulink仿真，验证了控制策略的正确性与有效性，为后续工作奠定了基础.

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