微电网控制策略研究

微电网控制策略研究Last revision on 21 December 2020

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，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，对应的分布式电源统称交直

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模型，如所示。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。

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。

2.1PQ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，均可以根据设定值输出。

图2 PQ双环控制框图

PQ双环控制框图如所示。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u d和q轴分量u q，电流的d轴分量i d和q轴分量i q。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P ref和无功功率的设定值Q ref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i d_ref和交轴分量参考值i q_ref并输出。电流内环控制模块根据i d_ref，i q_ref，i d和i q，生成脉宽调制系数d轴分量P md和q轴分量P mq。逆变驱动信号生成模块根据P md和

P mq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。

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外环控制框图如所示，逆变器输出的实时有功功率P与参考值P ref作比较得到差值ΔP，实时有功功率Q与参考值Q ref作比较得到差值ΔQ,对ΔP和ΔQ分别进行PI控制输出电流直轴分量参考值i dref和交轴分量参考值i qref。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。

图4电流内环控制框图

电流内环控制如所示，i d_ref和i d差值通过比例积分控制输出脉宽调制系数d轴分量P md，i q_ref和i q差值通过比例积分控制输出脉宽调制系数q轴分量

P mq。逆变驱动信号生成模块根据P md和P mq以及PWM相关算法（本文选择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。

2.2V-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。

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i d，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U ref、频率的设定值f ref、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 d_ref和交轴分量参考值i q_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。

图6 V-f外环控制框图

V-f外环控制框图如所示，频率设定值f ref与实时系统频率f差值f经PI控制输出有功功率参考值P ref，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U ref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i d_ref和i q_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。

2.3下垂（Droop）控制

下垂（Droop）控制是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（P—f）和无功—电压（Q—V）的调节方式。

逆变器的有功—频率（P—f）的调节特性如所示，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。

图7有功—频率（P—f）调节特性

逆变器的无功—电压（Q—V）的调节特性如所示，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。

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这一名称来源于DIgital SImuLation and Electrical NeTwork。3.1DIgSILENT常用功能介绍

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（直接将所有模型作线性化处理）。在进行潮流

计算的同时，DIgSILENT 还有变电站控制、网络控制和变压器分接头调整控制可供选择。

2、故障分析

DIgSILENT 故障分析功能既可以分别根据IEC 909、IEEE std141/ ANSIe37. 5 以及德国的 VDE102标准进行，也可以根据 DIgSILENT自身所提供的综合故障分析方法进行。DIgSILENT故障分析功能支持几乎所有的故障类型（包括复故障分析）。

3、动态仿真

DIgSILENT软件提供的仿真语言(DIgSILENT Simulation Language-DSL)，使用户可以自定义模型：任何类型的静态/动态的多输入/多输出模型，例如电压控制器、PSS 等。该软件既可以进行短期（电磁）暂态仿真，也可以进行中期（机电）暂态仿真和长期暂态仿真。DIgSILENT几乎可以仿真各种类型的故障。仿真过程中的任何变量(包括DSL 所提供的) 都可以被观察，并可将其通过虚拟表计功能(VirtualInstrument - VI) 绘制成曲线图。此曲线图可以被保留，以便于与其他仿真过程进行比较。

4、谐波分析

DIgSILENT可以模拟各种谐波电流源和电压源，并提供计及集肤效应和内在自感的与频率相关的元件模型。在综合考虑网络中所有元件后，计算出三相谐波电压和电流的分布（非平衡谐波潮流），确定和分析谐波失真系数，并以合适的步长绘制网络频率响应图。

5、保护分析

DIgSILENT保护分析工具是该软件基本功能元件库的补充，它包含了许多额外的元件如 CT、VT、继电器等，同时还允许用户自定义保护方案。所有这些保护元件在静态、暂态情况下都能够使用。在所有可能的仿真模式如潮流分析、故障分析、机电暂态和电磁暂态等情况下这些保护元件都能够响应。

6、可靠性分析

DIgSILENT提供的可靠性计算将系统充裕性和安全性进行了综合考虑，主要包括三个方面：预想事故分析、发电可靠性估计和网络可靠性估计。

7、最优潮流计算

最优潮流计算是对基本潮流计算的有效补充。最优潮流计算主要采用内点法，并提供了多种约束条件和控制手段，其考虑的目标函数主要有最小网损、最小燃料费用、最大利润及最小区域交换潮流。

8、配网优化

DIgSILENT能够实现以下三种优化功能：电容器选址优化、解环点优化、电缆补强优化。电容器最优选址用于确定电容器在安装至配网时的最优位置、型号以及容量，使用梯度搜索或Tabu搜索方法。解环点优化能够在满足电网电压和负荷要求的同时通过改变网络拓扑最小化网损。电缆补强优化能够对过载电缆实现最经济有效的升级，针对给定的电缆成本和电压跌落限值能够自动选出相应的电缆。

9、低压网络分析

DIgSILENT 的低压网络分析使用户能够实现：根据连接到某一线路上的用户数量来定义负荷、考虑负荷的多样性、在进行潮流计算时考虑负荷多样性

并计算电压最大跌落值和最大支路电流、电压跌落和电缆负载率分析等。低压网络分析是 DIgSILENT软件的标准特征之一。

3.2DIgSILENT的三种操作模式

DIgSILENT的最大特点之一是数据库管理、高度的图形化操作和仿真语言三种操作模式相结合，用户既可以通过数据管理器在数据库中对电网组件或控制部分的数据进行输入和修改，也可以选择直接在图形窗口中进行电网绘制并进行数据的设置和修改，控制功能和仿真过程皆可以在图形窗口搭建模块和设置，也可以编程实现，三种模式相互结合，大大提高了软件的可操作性，为使用者提供了极大的便利。

1.图形窗口与元件模型库

DIgSILENT 提供了全面的电力系统元件的模型库，包括发电机、电动机、变压器、线路、动态负荷、并联设备（母线和开关设备）和控制器的模型，还有风电机组电气部分的模型如：双馈感应电机、变频器等都包含在已有模型库的标准元件中。

在图形窗口，使用者可以以拖拽方式使用元件模型库中的标准电气模型搭建电气连接图，完成电气网络的构建并完成部分电气参数的设置。

2.数据库

DIgSILENT通过数据库实现了数据的储存。它采用多用户数据库服务，每个用户只能通过各自的账号登陆，登录后只能对自己账号名下的Project进行操作而无权访问他人的账号。所有账号均可访问共同的数据库Library ，这样不仅方便操作，还保证了各用户的数据安全。Library里存储了以各种元件在

不同电压等级下的参数、部分元件的控制模块和常用的传递函数等。风速、机械传动系统、空气动力学部分及风电机组的控制系统都采用动态仿真语言 DSL 在软件中编写和创建，并存存放于DIgSILENT的数据库中。

3.DSL和DPL仿真语言

DIgSILENT不但有着丰富的模型库和各种内嵌的计算功能，而且还向用户提供了面向程序化过程的编程语言DPL (DIgSILENT Programming Language)和面向连续过程的仿真语言DSL( DIgSILENT Simulation Language，使用户能够方便的创建自定义的控制模型和计算功能。

DSL主要用来描述数学模型，比如控制器、控制对象等。用户可以根据需要，使用DSL创建一个新的动态控制单元，从系统中提取信号，然后经过信号的控制处理，将信号回馈回系统，从而使系统按照要求运行，类似于写传递函数。同其它仿真和编程语言相同，DSL拥有一套专门的语法。

DPL主要编写新的计算功能以分析电力系统的各种工作状态，实现电力系统运行仿真中的某些控制、动作之类的操作或事件，如用DPL在动态仿真时改变发电机的励磁电流。

4.DIgSILENT实例仿真

4.1逆变器PQ控制策略仿真

图 9 逆变器PQ控制策略仿真——电气接线图

在DIgSILENT搭建如所示的电气接线图，用来做PQ控制策略的仿真研究。逆变器直流侧经直流母线DC Bus接理想直流电源，交流侧接交流母线AC Bus，AC Bus另一侧与外部电网和负载Load连接。DC Bus额定电压设为1kV，

AC Bus 额定电压设为，Load 额定功率设定为=0.2L P MW ，=0.1MVar L Q ，外部电网以SL 节点模式输出，承担系统的频率和电压扰动。

图 10逆变器PQ 控制策略仿真——双环控制框图

根据上文章节的PQ 双环控制策略在DIgSILENT 中搭建双环控制框图如所示。PQ 测量模块测量逆变器输出有功功率P 和无功功率Q ，测得结果输入PQ 控制模块，PQ 参考值设置模块对有功功率参考值pref 和无功功率参考值qref 进行设定,PQ 控制模块是整个控制的核心，锁相环提供逆变器出口线电压相角余弦值cosref 和正弦值sinref ，电流内环控制使用DIgSILENT 自带模块，嵌套在逆变器模块内部，控制逻辑如上文章节的所示，参数设置如下：

K d =,T d =,K q =,T q =。

图 11 逆变器PQ 控制策略仿真——外环控制框图

图 12 PI 环节DSL 语言

图 13 d q Limiter DSL 语言

在DIgSILENT 中搭建的PQ 外环控制框图如所示，PI 调节模块和dq Limiter 通过编写DSL 语言实现，如和所示。PI 调节参数设置如下：K d =1,T d =,K q =1,T q =。

PQ 参考值设置功能通过编写DSL 语言实现,参考值p ref 和q ref 在仿真过程中可以按照需要进行更改。PQ 测量模块和锁相环模块均使用DIgSILENT 自带模块。

设p ref =,q ref =,设置仿真时间为2s,仿真模式选择电磁暂态(EMT)模式，对PQ 控制逆变器输出有功功率P 和无功功率Q 进行观测,结果如所示。从结果可以看出，逆变器在所用PQ 双环控制方法下能够按照设定值稳定输出结果，达到了预期效果。

图 14 PQ 控制策略下逆变器输出有功功率和无功功率

为了验证PQ 双环控制算法具有较快的响应速度，在仿真过程中动态改变有功功率和无功功率的设定值。0秒时，与上文一样，设p ref =,q ref =；秒时，同时减小有功功率和无功功率设定值，设p ref =,q ref =；秒时，同时增大有功功率和无功功率设定值，设p ref =,q ref =；秒时，减小有功功率并增大无功功率设定值，设p ref =,q ref =；秒时，增大有功功率并减小无功功率设定值，设p ref =,q ref =。PQ 控制逆变器输出功率跟踪设定值效果如所示，

从效果曲线可以看到，本文PQ 双环控制算法具有较快的响应速度，经定量测算，当有功功率设定值改变时，响应时间t P 约为秒；当无功功率设定值改变时，响应时间t Q 也约为秒。因此，本文所设计PQ 双环控制算法的响应速度能都满足工程要求。

图 15 PQ 控制逆变器输出功率跟踪设定值效果曲线图

4.2 逆变器V-f 控制策略仿真

图 16 逆变器V-f 控制策略仿真——电气接线图

在DIgSILENT 搭建如所示的电气接线图，用来做V-f 控制策略的仿真研究。逆变器直流侧经直流母线DC Bus 接理想直流电源，交流侧接交流母线AC Bus ，AC Bus 另一侧与负载Load 连接。DC Bus 额定电压设为1kV ，AC Bus 额定电压设为，Load 额定功率设定为=0.2L P MW ，=0.1MVar L Q ，V-f 控制逆变器承担整个小系统频率和电压扰动。

图 17逆变器V-f 控制策略仿真——双环控制框图

根据上文的V-f 双环控制策略在DIgSILENT 中搭建双环控制框图如所示。PQ 测量模块测量逆变器输出有功功率，测得结果输入V-f 控制模块，V 和f 参

考值设置模块对逆变器出口端线电压参考值Uref和频率参考值fref进行设定,V-f控制模块是整个控制的核心，锁相环提供逆变器出口线电压相角余弦值cosref、正弦值sinref和频率f，电流内环控制与PQ控制策略仿真一样，使用DIgSILENT自带模块，嵌套在逆变器模块内部，控制逻辑如上文章节的所示，参数设置如下：K d=,T d=,K q=,T q=。

图 18逆变器V-f控制策略仿真——外环控制框图根据上文所提出的控制原理在DIgSILENT中搭建的V-f外环控制框图如所示。比例积分环节的参数设置如下：K=1,T=10,K d=2,T d=,K q=2,T q=。

V和f参考值设置功能通过编写DSL语言实现,设置参考值U ref =,f ref

=50Hz。PQ测量模块和锁相环模块均使用DIgSILENT自带模块。

设置仿真时间为1s,仿真模式选择电磁暂态(EMT)模式，对V-f控制逆变器输出电压的线电压有效值、相电压波形和频率f进行观测，结果如和所示。

图 19 V-f控制策略下逆变器输出电压的线电压有效值和相电压波形

图 20 V-f控制策略下逆变器输出电压的频率f

从结果可以看出，逆变器在所用V-f双环控制方法下能够按照设定值稳定输出结果，达到了预期效果。

为了验证本文中基于V-f双环控制策略的IBDG能承担整个小系统频率和电压扰动，在仿真过程中动态投入和切除电动机负荷，观测V-f控制逆变器输出电压的线电压有效值U和频率f的变化情况。

图 21 逆变器V-f控制策略仿真——电气接线图（含电动机负荷）如所示，图中的电动机负荷额定功率为4kW，通过断路器的开合，控制电动机的投切，具体设置如下：0~秒时，电动机不投入运行；~秒时，电动机投

入运行；秒时，电动机退出运行。仿真时间设置为2秒，响应情况如所示和所示。

图 22 动态投切电动机负荷时，V-f 控制逆变器输出功率响应曲线

从可以看出，电动机在秒投入运行和秒退出运行时，逆变器输出功率快速响应，以维持系统有功功率和无功功率平衡。

图 23 动态投切电动机负荷时，V-f 控制逆变器输出电压响应

从可以看出，电动机在秒投入运行和秒退出运行时，逆变器输出电压的幅值和频率都有小幅度的波动，但逆变器快速响应，使逆变器输出电压的幅值和频率快速恢复。这就验证了，在逆变器容量范围内，本文中基于V-f 双环控制策略的IBDG 能够承担整个小系统频率和电压扰动，并且具有很快的响应速度。

5. 微电网计划孤岛运行仿真

由上文的分析可以知道， PQ 控制IBDG 能最大限度提高新能源利用率，但不能维持系统电压和频率稳定；Vf 控制IBDG 能够维持系统电压和频率稳定。结合两者的特点，设计微电网计划孤岛网络如所示。计划孤岛中，设计两台IBDG ，IBDG 1的逆变器用PQ 控制策略控制，IBDG 2的逆变器用V-f 控制策略控制。IBDG 1出口母线Bus 1上连接负载Load 1，其额定功率为：1=100k L P W ，1=50kVar L Q 。IBDG 2出口母线Bus 2上连接负载Load 3和电动机1，Load 3额定功率为：3=10k L P W ，3=5kVar L Q ，电动机1额定功率为

4kW 。Bus 1和Bus 2 分别经过1km 和500m 电缆连接到微电网公共母线上，电缆型号为BD-FPE AL2-4x5，单位电阻r 0 = Ω/km ，电位电感L 0 = km ，额定电流

为I N =。微网公共母线上连接负载Load 2和电动机2，Load 2额定功率为：2=100k L P W ，2=50kVar L Q ，电动机额定功率为4kW 。

图 24 微电网计划孤岛网络

设置仿真时间为2秒，负载Load 1、Load 2、Load 3整过仿真过程接入微电网运行；电动机1在秒投入运行,直至仿真结束；电动机2在秒投入运行，秒退出运行。观测母线Bus 1，Bus 2和微网公共母线的电压幅值，波形及系统频率。