使用电压_相角下垂控制的微电网控制策略设计

在 ＶＳＩ控制中通常使 用 电 压—频 率 下 垂 控 制 产 生参 考 电 压，该 方 法 又 称 为 Ｖ／ｆ 控 制 。 ［９－１１］ 如 果 用 电压—相角下垂控制 取 代 电 压—频 率 下 垂 控 制，可 以 使微电网孤岛运行 时 拥 有 更 好 的 运 行 频 率，因 而 为 文献［１２－１５］所采用。但 是 文 献 ［１２－１３］只 考 虑 了 微 电网孤岛运行的情 况，没 有 研 究 微 电 网 并 网 运 行 及 微电网运行模式的转 换；文 献 ［１４］在 微 电 网 运 行 模 式转换时没有采用 同 步 控 制 器，因 此 存 在 较 大 冲 击 电 流 的 可 能 ，无 法 实 现 无 缝 转 换 ；文 献 ［１５］只 研 究 了 分布式电源运行模 式 的 转 换，而 非 微 电 网 运 行 模 式 的转换。
图８中：ω＊ 为 配 电 网 角 频 率；ΔＵｍ 和 Δδ 分 别 为图１ 中 开 关 Ｋ５ 两 侧 的 电 压 幅 值 差 和 相 角 差，二 者分别通过包含限幅功能的比例—积分控制器和比 例控 制 器 作 用，使 图 ６ 中 的 Ｕ δ ， ｏｄｒｅｆ ｒｅｆ 和 ω 变 成 Ｕｏｄｒｅ′ｆ ，δｒｅ′ｆ 和ω＊ ，完 成 电 压 同 步。 在 此 之 后，开 关 Ｋ５可以闭合，微电 网 由 孤 岛 运 行 转 入 并 网 运 行，同 时同步控制器退出工作。
关键词：微 电 网 ；分 布 式 发 电 ；孤 岛 运 行 ；并 网 运 行 ；下 垂 控 制 ；电 压 源 逆 变 器 控 制 ；ＰＱ 控制
０ 引 言
微 电 网 将 微 电 源、负 荷 和 电 力 电 子 装 置 等 整 合 成一个独立可控的 小 型 发 电 系 统，在 充 分 发 挥 分 布 式发电（ＤＧ）优 势 的 同 时 又 能 克 服 其 给 配 电 网 带 来 的不利影响，利于新 能 源 和 可 再 生 能 源 发 电 的 大 规 模应用，成为近年来的研究热点 。 ［１－３］ 微电源 主 要 包 括 光 伏 电 池 、燃 料 电 池 、微 型 燃 气 轮 机 和 风 力 发 电 机 等 分 布 式 电 源 ，以 及 蓄 电 池 、超 级 电 容 器 和 飞 轮 等 储 能 装 置 。 微 电 网 既 可 以 并 网 运 行 ，也 可 以 孤 岛 运 行 ， 还可以在２种运行模式之间进行无缝转换 。 ［４－５］
ｕ＊ αβ
分
别
为
控
制
器
产
生
的
逆
变
桥
调
制
电
压
信
号
的
ｄｑ
轴分量和αβ 轴分 量；ω 为 角 频 率；θ 为 坐 标 变 换 角。
图４中：ｕｏｄ和ｕｏｑ分别为ｕｏ的ｄ 轴 和ｑ 轴 分 量； ｉＬｄ和ｉＬｑ分别为ｉＬ的 ｄ 轴 和ｑ 轴 分 量；ｉＬ＊ｄ 和ｉＬ＊ｑ分 别 为电感电流参考值的ｄ 轴 和ｑ 轴 分 量；ｕｄ＊ 和ｕｑ＊ 分 别为逆变 桥 调 制 电 压 信 号 的ｄ 轴 和ｑ 轴 分 量。 由 图４可以看出，通过对 Ｐｏ＊ 和 Ｑｏ＊ 进行解耦得到电感 电流参考值，其与电 感 电 流 实 际 值 的 差 值 经 过 前 馈 解耦 和 电 流 环 比 例—积 分 控 制 器 之 后，产 生 调 制 信 号 。 ［１７－１８］ ２．２ ＶＳＩ控 制 器 设 计
结合图２可以得到 ＤＧ 单元的输出功率为： 烄Ｐｏ＝２｜３Ｚ｜（ＵｏｍＥｍｃｏｓ（δ－δｅ－φ）－Ｅ２ｍｃｏｓφ） 烅 烆Ｑｏ＝２｜３Ｚ｜（－ＵｏｍＥｍｓｉｎ（δ－δｅ－φ）－Ｅ２ｍｓｉｎφ）
（１） 式中：Ｕｏｍ 和 Ｅｍ 分别为 ＤＧ 单 元 输 出 电 压 幅 值 和 母 线电压 幅 值；δ 和δｅ 分 别 为 ＤＧ 单 元 输 出 电 压 相 角 和母线电压相角；Ｚ 和φ 分别为线路阻抗和相角。
下垂 系 数 应 满 足 ｍ１ＳＮ１ ＝ｍ２ＳＮ２ ＝ｍ３ＳＮ３，ｎ１ＳＮ１ ＝ ｎ２ＳＮ２＝ｎ３ＳＮ３，其中 ＳＮ 为 ＤＧ 单元的额定容量 。 ［２１］
根 据 上 述 分 析，本 文 设 计 的 功 率 控 制 器 结 构 如
图６所示，其中参考频率ｆ＊ 在微电网孤岛运行时为 工 频 ，在 微 电 网 并 网 运 行 时 为 配 电 网 频 率 。
摘要：根据微电网的特点，对微电网２ 种 运 行 模 式 采 取 的 不 同 控 制 策 略 进 行 设 计。 微 电 网 孤 岛 运 行时，分布式发电单元采用电压源逆变器控制，使用电压—相角下垂控制实现按 预 定 比 例 分 配 负 荷 功率，该下垂控制较电压—频率下垂控制可以提供更好的频率支撑。微电网 并 网 运 行 时，分 布 式 发 电单元采用 ＰＱ 控制，按照功率设定值输出功率。通过设计对应电压—相角下垂控制的同步控制器 实现了微电网运行模式的无 缝 转 换。 利 用 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 对 微 电 网 运 行 模 式 转 换 和 微 电 网 孤岛运行时使用的２种下垂控制 进 行 对 比 仿 真 分 析，验 证 了 电 压—相 角 下 垂 控 制 策 略 的 可 行 性 和 有效性。
同步运行过程，使得 微 电 网 和 配 电 网 的 电 压 实 现 同 步，即电压幅值、相 角 和 频 率 能 够 达 到 一 致，这 需 要 使用同步 控 制 器 。 ［２３］ 本 文 设 计 的 同 步 控 制 器 结 构 如图８所示。
图 ８ 同 步 控 制 器 结 构 Ｆｉｇ．８ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
收 稿 日 期 ：２０１１－０５－１２；修 回 日 期 ：２０１１－０９－０７。 国家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 （“九 七 三 ”计 划 ）资 助 项 目 （２００９ＣＢ２１９７０６）。
电网的正常 运 行 。 ［６－８］ 本 文 主 要 考 虑 由 这 类 ＤＧ 单 元组成的微电网控制策略。
本文对微电网的２种运行模式采取不同的控制 策略。微电网孤岛运行时，ＤＧ 单元采用 ＶＳＩ控制， 使用电压—相 角 下 垂 控 制 产 生 参 考 电 压，为 微 电 网 提供电压 和 频 率 支 撑。 微 电 网 并 网 运 行 时，ＤＧ 单 元采用 ＰＱ 控制，输出指定功率。同时，设计了适用 于微电网同步运行 过 程 的 同 步 控 制 器，以 实 现 微 电 网运行模式的无缝转换。通过比较微电网孤岛运行 时使用的 ２ 种 下 垂 控 制 的 差 异，体 现 了 使 用 电 压— 相角下垂控制的优势。
电流环控制器结构如图４所示。
图 １ 微 电 网 结 构 Ｆｉｇ．１ Ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
２ 控 制 器 设 计
ＤＧ 单元结构如图２所示。
图 ４ 电 流 环 控 制 器 结 构 Ｆｉｇ．４ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
图２ ＤＧ 单元结构 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＤＧ ｕｎｉｔ
图２中：Ｕｄｃ为直流 侧 电 压；ｕｉ 和ｕｏ分 别 为 逆 变 桥电压和 ＤＧ 单元输出 电 压；ｉＬ，ｉＣ 和ｉｏ分 别 为 电 感 电流、电容电流 和 ＤＧ 单 元 输 出 电 流。 由 图 ２ 可 以 看出，直流侧电压由 分 布 式 电 源 和 储 能 装 置 经 过 电 力电子变换器后提 供，通 过 使 用 电 压 空 间 矢 量 脉 宽 调制 的 ［１６］ 逆变器输出三相交 流 电，由 微 电 网 运 行 模 式决定逆变器采用 ＰＱ 控制或 ＶＳＩ控制。 ２．１ ＰＱ 控制器设计
１ 微 电 网 结 构
本文研究的微电网结构如图１所示。该微电网 将３个分散的 ＤＧ 单元和１个负荷通过线路和开关 并联于母线１，在公共连接点（ＰＣＣ）通过开关 Ｋ５ 和 升压变压器连接到１０ｋＶ 配电网。
— ２９ —
２０１２，３６（５）
由图３可以看出，ＰＱ 控 制 器 主 要 由 功 率 计 算、锁 相 环、电流环控 制 和 坐 标 变 换 组 成，对 ｕｏ利 用 锁 相 环 技术得到ω 和θ。
由于微电网线路阻抗呈 现 阻 性［１９］，可 以 近 似 认 为 Ｚ≈Ｒ，φ≈０，当 相 角 差δ－δｅ 很 小 时，由 式 （１）可 以得到以下关系：
— ３０ —
· 绿 色 电 力 自 动 化 · 郜 登 科 ，等 使 用 电 压 －相 角 下 垂 控 制 的 微 电 网 控 制 策 略 设 计
３ 仿 真 分 析
３．１ 仿 真 参 数 ＤＧ 单元的参数如表１所示。
图 ６ 功 率 控 制 器 结 构 Ｆｉｇ．６ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
电压电流双环控制器结构 如 ［２２］ 图７所示。
第 ３６ 卷 第 ５ 期 ２０１２ 年 ３ 月 １０ 日
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１０２６．２０１２．０５．００６
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．５ Ｍａｒ．１０，２０１２
使用电压—相角下垂控制的微电网控制策略设计
郜 登 科 ，姜 建 国 ，张 宇 华
（电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市 ２００２４０）
微电源通过直流变换器或整流器产生直流电 后 ，再 通 过 逆 变 器 产 生 交 流 电 ，从 而 形 成 一 个 接 入 微 电网的 ＤＧ 单元。对于 其 中 的 逆 变 器 一 般 采 用 ＰＱ 控制或电压 源 逆 变 器 （ＶＳＩ）控 制，这 ２ 种 控 制 方 法 只需逆变器的当地信息即可实现。采用 ＰＱ 控制的 逆变器可以等效成 电 流 源，其 输 出 功 率 由 功 率 设 定 值 决 定 ，不 受 微 电 网 内 部 功 率 变 化 的 影 响 ，适 用 于 所 有的分布式 电 源。 采 用 ＶＳＩ控 制 的 逆 变 器 可 以 等 效成电压源，其输出 功 率 随 微 电 网 内 部 功 率 的 变 化 而 改 变 ，起 到 调 节 功 率 的 作 用 ，适 用 于 配 备 有 储 能 装 置的分布式电源。 微 电 网 并 网 运 行 时，可 由 配 电 网 为 其 提 供 电 压 和 频 率 支 撑 ；孤 岛 运 行 时 ，由 于 微 电 网 已经与配电网解列，必 需 有 一 定 数 量 的 采 用 ＶＳＩ控 制的 ＤＧ 单元为 其 提 供 电 压 和 频 率 支 撑，以 保 证 微
（３）
式中：ｕｏ＊ｄ和δ＊ 分别为 ＤＧ 单元输出电压 参 考 值 的 ｄ
轴分量和相角参考值（电压参考值的ｑ 轴分 量ｕｏ＊ｑ ＝
０）；Ｕｏｄｒｅｆ和δｒｅｆ分别为空载时 ＤＧ 单元输出电 压 参 考
值的ｄ 轴分量和相角参考值；ｍ 和ｎ 分别为电压幅
值下垂系数和相角下垂系数。
为使 ＤＧ 单元１至 ＤＧ 单元３ 在微电网孤岛运 行时依照其额定容量的比值按比例分配负荷功率，
烄Ｕｏｍ ＝Ｅｍ ＋２３ＲＥＰｍｏ
烅
δ＝δｅ 烆
－３Ｕ２ＲｏＱｍＥｏｍ
（２）
由式（２）可以看出，Ｕｏｍ 和δ 分 别 受 Ｐｏ 和 Ｑｏ 的
影响。采用电压定向控制 且 ［２０］ 引角下垂控制的规律为：
｛ｕ＊ ｏｄ
＝Ｕｏｄｒｅｆ
－
ｍＰｏ
δ＊ ＝δｒｅｆ ＋ｎＱｏ
本文设计的 ＶＳＩ控制器结构如图５所示。
图 ５ ＶＳＩ控 制 器 结 构 Ｆｉｇ．５ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＶＳＩ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
图５ 中：ｕｏ＊ｄｑ 为 ＤＧ 单 元 输 出 电 压 参 考 值 的 ｄｑ 轴分量。由图５ 可 以 看 出，ＶＳＩ控 制 器 主 要 由 功 率 计 算 、功 率 控 制 、电 压 电 流 双 环 控 制 和 坐 标 变 换 等 部 分 组 成 ，其 中 ω，θ 和 参 考 电 压 都 由 功 率 控 制 器 产 生 。
本文设计的 ＰＱ 控制器结构如图３所示。
图３ ＰＱ 控制器结构 Ｆｉｇ．３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＰＱｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
图３ 中：Ｐｏ 和 Ｑｏ 分 别 为 ＤＧ 单 元 的 输 出 有 功
功率和无功功率，Ｐｏ＊ 和 Ｑｏ＊ 为 相 应 的 功 率 参 考 值；
ｕｏｄｑ ，ｉＬｄｑ 和ｉｏｄｑ 分 别 为ｕｏ，ｉＬ和ｉｏ的 ｄｑ 轴 分 量；ｕｄ＊ｑ 和