微电网控制策略研究

(完整微电网控制策略研究微电控制策研

分布式电及其等效模1.1

分布式电的定义国际上关于分式发电的定义较多,没形成对分布式发电的统一定义，不仅不同国家和织甚至是同一国家的不地区对分布式发电的解和定义都不尽相同，下是几种比较代表性（1国际能源对分布式发电定义为：服务于当地户或当地电网的发电站包括内燃机、型或微型燃气轮机、料电池和光伏发电术,以及够进行能量控制及需求管理的能源综利用系统）美《公共事业管理政策法》对分布发电的定义为：小规、分散布置在用户附近可独立运行、可以联网运行的发电统；(3)麦对分布式发电的定:靠近用户，不接到高压输电网装机规模小于10MW的能源系统）德国对分布式发的定义为位于用户附近入低压配电网的电.接入电压等级限制为20kV,主要包括光伏、风电和小电）法国对分布式发电定义为：接入低压配网,直接向用户电的电源。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。综合以上几种定义的共同可以认为分布式电指的是以新能源发电主，容量较小且靠近负中心的发电设，如小型风力发电机光伏电池等.目前,微电示范工中的分布式电源主要包柴油机、微型气轮机、小型水力发机、小型风机、燃料电池和光电池，此外，还有少的生物柴油机、液流电、超级电容、轮储能等。1.2

分布式电的并网方式虽然各种分布电源都可以接入微电为负荷供电，但由于它自身的一下特和微电网对电能质量及供电可靠性要求，各类分布式电的并网方式不尽相同。型水力发电机鼠笼型异步风机和柴机等小型常规发电输出稳定,可接并网。光伏电池、料电池和直流风机等直分布式电源输直流电，通常需要经逆变接入交流微电网，这并网方式称为直—交式网。微型燃气机和同步风力发电机出幅值频率变化的流电电气量，需要整逆变后才能并网，这种网方式称为交-交网对应的布式电源统称交直1

(完整微电网控制策略研究交分布式电源.为了保证分布电源的灵活性和可靠，在微电网设计中主要用经逆变器接的分布式电源，包括直流分布式电和交直交分布式电源另外，微电网设计中还入了大量的储装置，如蓄电池、超电容和液流电池等它们也需要经过双向变器与微电网连接。本文把直流分式电源和交直交分布电源统称为逆变型分布电源(InverterBasicDistributedGeneration,下文简IBDG),并其行建模。1.3

分布式电建模无论直流分布电源，还是交直交分式电源，为了使逆变器入端电压满足求（电压等级和电压稳定性要求）,逆变器前端通需要加入DC—DC变换因此逆变器前端以看做直流稳压电源，IBDG也可以看做直流压电源和逆变器的串模型，如误未定义签所。IBDG等模型中的PWM逆变器为电压型逆变器下文对逆变器的分析针对电压型逆变器。DC

直流稳压电源PWM逆变图误!未定义签IBDG等效模型图逆变器常的控制方法根据上文由直流环节经电压型逆变并网逆器输出端的电压电流频率逆器的控制策略决定，电压的幅由逆变器输入端直流压和逆变器控制策略共决定。因此，变器的控制策略在整微电网控制中就显尤为重要。常用的控方法有PQ控,VF控和下垂制2.1

PQ制PQ控指的是逆变器输出的功功率P和功功率Q的小可控，均以根据设定值输出2

dd测量

(完整微电网控制策略研究测量PrefQref

i_refi_ref

PP

触发信号

PWM

PQii

q

ii

dq

dq

i,i,ibc

uduq

u,uc图错!未义签

PQ双环控制框图PQ双控制框图如图错误未义签所示。在变器与电网连接线上测量流电压，并对测定得值进行dq变换，dq变得到电压的d轴量和q轴分量u,电流轴分量和轴分量i。瞬时功率dqdq模块根据基于dq变换的瞬时率计算方法计算时候逆变输的有功功率和功功率Q并将所得结果P和Q输出外环控制模块据功功率的设定值和功功率的设定值Q以及逆变器输出的实时有功refref功率P和功功率生成流直轴分量参考值和交轴分量参考值i并输出。电内环控制模块根据d_refq_refi，i，i和i,生脉宽调制系数d轴量P和q轴分量P。变驱动信号生成模块根据P和P生d_refq_refdqmdmqmdmq成逆变器驱动号驱动逆变器工作，逆变器输出功率与设定接近，从而实了逆变器的PQ控K

PI控制PrefmaxP

+

eq\o\ac(△,P)

dsTd

i

min

i

分量限幅max

i

Q

+

eq\o\ac(△,Q)

K

qs

q

i

Qref

minK

PI控制

图错!未义签PQ外环控制框图PQ

双环控制包括

外环控制和电流内环控制。PQ

外环控制框图如3

(完整微电网控制策略研究K

PI控制PrefmaxP

+

eq\o\ac(△,P)

dsTd

i

min

i

分量限幅max

i

Q

+

eq\o\ac(△,Q)

K

qs

q

i

Qref

minK

PI控制

错误未定书所示，逆变器输出的时有功功率P与参考P作比较得到差值P，实有功功率Q与参考值Q作比较得到差refref值Δ对Δ和Q分别进PI控输出电直轴分量参考值i和交轴分量参考值i文中,考虑到实drefqref际中逆变器均限流环节，所以对参电流进行了限幅控.限幅控制通中分量限幅模块实现.K

i

d_refi

d

-

+

KT

P

i

q

-

+

KT

qq

P

i

q_refK

图1电内环控制图电流内环控制图1所i和差值通比例积分控制输出脉宽调系d轴分量P和i差值通过例积d_refdmdq_refq分控制输出脉调制系数q轴分驱动信号生成模块根据P和以相关算法本文选SPWMmqmdmq算法)生成变器驱动信号驱动逆变开关管导通和断，控制逆变器工。PQ控下的逆变器，只要有功率的设定值Pref和功功率的设定值Qref设置得当，不超过逆变的容量和最大许电流，则逆变器输的有功功率有功功率P和无功功率Q跟设定值因而实现了PQ控4

(完整微电网控制策略研究制。PQ控方式通过将有功功率无功功率解耦，对电流行制在电网并网运行模式下微电网内的负荷波动、率和电压扰动均由大网承,各分布式电源不参与微电网频率电压的调节，接采用电网频率和电压为支撑。综上,PQ控的优势在于，可以根据要动态调节有功率的设定值Pref和无功功率设定值Qref，将其应用到光发电和风力发电等发量不稳定系统中最大限地提高新能源的利用率缺点于，采用该种控制式的分布式电源并不维持系统的频率和电压如果是一个独运行的微网系统。则统中必须有维持频和电压的分布式电源如果是与常规电网并网行，则由常规网维持电压和频率。2.2

V-f控V-f控即恒压恒频控制，指的通过控制手段逆变器输出端口电压幅值U和率f保恒定。测量

测量Ureffref

Vf

i_drefi_qref

PmdPmq

触发信号

P

i

d

i

q

idiquduq

i,i,iabu,u,uabcfU

环幅值模块

u,u,uabcu,u,uabc

图2V-f双环控框图V-f控通常采用双环控,双环控制框图如图2所与文中PQ双环控制一样V-f双控制以同样的方法得到i，i和P。另外V-f双控制通过相环测得系统频率f，过电压幅值算模块得到逆变dq器出口处线电幅值—f外环控模块根据电压幅值的设定值U、频率的定值f、逆变器输出的实时refref有功功率P系频率f和逆器出口处线电压幅值U生电流直分量参考值i和交轴分量参值id_ref

q_ref并输出。电流环控制模和逆变驱动号生成模块功能与上文PQ双控制一样，不赘述。5

(完整微电网控制策略研究f

freff

1+）sT

ref

1+

T

）

id_refi

q_ref

△U

sT

ref图错!未义签

V—f

外

环

控

制

框

图

如f

freff

1+）sT

ref

1+

）

i

d_refiq_ref

△U

1+

sT

ref错未义签示频率设定值f与时系统频率f差f经PI控输出有功功率参考值P，P与逆变器出有功功率Prefrefref差值经比例积控制输出电流参考值流分量，电压额定值U和逆变器端口电压U差值经比例积分控ref制输出电流参值交流分量参考值交直流分量经dq分量综合限幅模块进行幅值限制i和id_refq_refV—f双控制的内环控制也是流控制与PQ双控制中的电流内环控方法一样,因此不再赘述。在微电网孤岛行模式由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率和电压稳定。2.3

下垂（）控制下垂（Droop）控制是指通控制逆变器实现与传统电力系统的频率一次整类似的调节特目前针对逆变器主采用的下垂控制方法传统的同步发电机调节似，采用有功频率（P-f)和无—电压(Q-V)调节方式.6

0(完整微电网控制策略研究0逆变器的有功频率（）的调节特性如图3所示当系统频下时，逆变器输的有功功率P增；统频率f上升时，逆变器输出用功功率P减。因此逆变器输出的有功率P随着系统频率f变而自动调节，以达到维持系统频率动态稳定的作用。然这种调节是有差调，与同步发电机的频率次调整类似。ff

fnmax0P

n

P

max

P图3有功频率P—f）调特性逆变器的无功电压Q—V)的调节特性如4所示，出口电压U下降时，逆变器输出的无功功率增加;出口压U上时，逆变器输出的无功功率Q减。因此逆变器输出的无功功率Q随出口电压U变化而自动调节以达到维持出口电压U稳的作用显这种调节是也是有差调，与同步发电励磁调节相类似.UUU

min-Q

max

0Qmax

Q

4无—电压Q—V）调节特性DIgSILENT仿真软件简介DIgSILENT是德国DIgSILENTGmbH公开发的一款电磁、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析功能。DIgSILENT这一名称来源于DIgitalSImuLationand7

(完整微电网控制策略研究Electrical。3.1

DIgSILENT常功能介绍DIgSILENT以14。512为准)包含11个常用模块和6个件模块常用模块包基本功能模块（包括潮流计算和障分析护模块、配网优化模块、谐波分析块、最优潮流块（包括无功功率化和经济性调度能)可靠性分析模状态估计模稳定性分模块电磁暂态模和小信号稳定（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（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流混合系统。潮流求解过程提供了种方法以供选择:经的牛顿—拉夫逊算法牛顿—拉夫逊电流迭代和线性方程法直接将所有模型作性化处理进行潮流算的同时DIgSILENT还变电站制、网络控制和变压器接头调整控制供选择。2、障分析DIgSILENT故分析功能既可以分别据IEC909、IEEEANSIe37.5以德国的VDE102标准进行,也以根据DIgSILENT自所供的综合故障分析方法进。DIgSILENT故分析功能支持几乎所有的故障类型包括复故障分析）.3、态仿真DIgSILENT软提供的仿真语言DIgSILENTSimulationLanguage用可以自定义型：任何类型的静/动的多输入/多输出模，例如电压控制器、PSS等。该软件既以进行短期(电磁）暂态仿真，也可进行中期（机电)暂仿真和长期暂态仿真。DIgSILENT几乎可以仿真各种类型的故障仿过程中的任何量包括DSL所提供的）都可以被观察并可其通过拟表计功（VirtualInstrument-VI）绘成曲线图此曲线图可以被保留以便于与其他仿真过程进比较。4、波分析DIgSILENT可模拟各种谐波电流源和压,提供计及集肤效应和在自感的与频率相关的元件模型。在综合考网络中所有元件后，算出三相谐波电压和电的分布（非平谐波潮流确定和分谐波失真系数，以合适的步长绘制网频率响应图。5、护分析DIgSILENT保护分析工具是该软件基本功能件的补充，它包含了许多额外的元件如CT、VT、继电器等，同时还许用户自定义保护方。所有这些保护元件在态、暂态情况都能够使用。在所有能的8

(完整微电网控制策略研究仿真模式如潮分析、故障分析、机暂态和电磁暂态等情况这些保护元件能够响应。6、靠性分析DIgSILENT提的可靠性计算将系统裕性和安全性进行了综合考虑，主要包括三方：预想事故分析、发电可性估计和网络可靠性计。7、优潮流计算最优潮流计算对基本潮流计算的有补充。最优潮流计算主采用内点法，提供了多种约束条件和控制手段，考虑的目标函数主要最小网损、最小燃料费、最大利润及小区域交换潮流。8、网优化DIgSILENT能够实现以下三种优化功能电容器选址化、解环点优化、电缆强优化。电容最优选址用于确定电器在安装至配网时的优位置、型号以及容量使用梯度搜索Tabu搜方.解环点优化能够在满足电电压和负荷要求的同通过改变网络拓扑最小网损电缆补强优能够对过载电缆现最经济有效的升，针对给定的电缆成和电压跌落限值能够自选出相应的电。9、压网络分析DIgSILENT的压网络分析使用户能实现：根据连接到某一线路上的用户数量来义荷、考虑负荷的多样性、进行潮流计算时考虑荷多样性并计算电压最跌落值和最大路电流、电压跌落和缆负载率分析等低压网络分析是DIgSILENT软件的标准特征之一3.2

DIgSILENT的种操作模式DIgSILENT的大特点之一是数据库理、高度的图形化操作和仿真语言三种操作式结合，用户既可以通过数管理器在数据库中对网组件或控制部分的数进行输入和修也可以选择直接在形窗口中进行电网制并进行数据的设置修改，控制功能和仿真程皆可以在图窗口搭建模块和设置也可以编程实现三种模式相互结合，大大提高了软件的操性，为使用者提供了极大便。1.

图形窗口与元模型库DIgSILENT提了全面的电力系统元的模型库，包括发电机、电动机、变压器、路动态负荷、并联设备(母线和开关备）和控制器的型，还有风电机组电气分的模型如：馈感应电机、变频器等都包含在已有型库的标准元件中。在图形窗口使用者可以以拖拽方式使用元件模型库中的准气模型搭建电气连接图电气网络的构建并完成分电气参数的设置。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9

(完整微电网控制策略研究陆，登录后只对自己账号名下的Project进操作而无权访问他人的账。有账号均可访问共同的据库Library，这样不仅方便操，还保证了各用户的数据全Library里存储以各种元件在不同电等级下的参数、分元件的控制模块和用的传递函数等。风速机械传动系统空气动力学部分及风机组的控制系统都用动态仿真语言DSL在件中编写和建，并存存放于DIgSILENT的据中3.

DSL和DPL仿真语言DIgSILENT不有着丰富的模型库和种内嵌的计算功能，而且还向用户提供了面程化过程的编程语言DPLProgramming）和面向连续过程的仿真语言DSL(DIgSILENTSimulationLanguage，用户能够方便的创建自定义的控制模型和计功。DSL主用来描述数学模型，比控制器、控制象.用可以根据需要，使用DSL创一个新的动态控制单元从系统中提取信号后经过信号的控制处理将信号馈回系统从而使系按照要求运行，类似于写传递数。同其它仿真和编语言相同，DSL拥有一套专的语法。DPL主编写新的算功能以分析电力系的各种工作状态，实现力系统运行仿中的某些控制、动作之类的操或事件，如用DPL在动态仿真改变发电机的励电流。

DIgSILENT实例仿真4.1

逆变器PQ制策略仿真图5逆器PQ控制策略仿——电气接线图在DIgSILENT搭如图5所示的电气接线图，用来PQ控策略的仿真研究。逆变直流侧经直流线DCBus接理想直流电源，交流侧交流母线AC，AC另一侧与外部电网和负载Load连接。额定电压设为1kV，ACBus额定电压设为0.4kV额定功率定为P,外部电网以SL节模式输出,L承担系统的频和电压扰动。10

(完整微电网控制策略研究图错误未义签逆器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图错误!未定义签所示.PQ测量模块测量逆变器输出有功功率P和无功功Q,测结果输入PQ控制模块，PQ参值置模块对有功功率参考pref和无功功率参考值qref进设,PQ控模块是整个控制的心，锁相环提供逆器出口线电压相角余值cosref和正弦值sinref流内控制使用DIgSILENT自模块,嵌套在逆变器块内部，控制逻辑如文章节2.1的图1所,参设置如下=0=0.1,K。4，T=0.1。ddqq图6逆变器PQ控制策略仿真——外环控制框图11

(完整微电网控制策略研究错!未义签

PIDSL错!未义签dq语在DIgSILENT中建的PQ外环制框图如图6所，PI调节模块和dqLimiter通编写DSL语实现如错!未义签和图错!未义签。所示PI调节参设置如下K=1=0.01,K=1,T=0.01.ddqqPQ参值设置功能通过编写DSL语言实现,参考值p和在仿真过程中可以按照需要进行更。PQrefref测量模块和锁环模块均使用DIgSILENT自带模。设p=0.20MW，q=0。10Mvar,设置仿真时间为2s，仿真模选择电磁暂态EMT）模式对PQ控逆变refref器输出有功功P和功率Q进行观测,结果如图错误未义签所从结果可以看出逆变器在所用PQ双控制方法下能够按照定值稳定输出结果，达到了期效果。图错误未义签

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仿过程中动态改变有功功率无功率的设定值。0秒时，与上文样设p=0。20MW，q。4秒，同时减有功功率和无功功率定值，设refrefp=0。18MW,q。08Mvar；0。8秒，时增大有功功率和无功功设值设p=0.22MW,q=0。refrefrefref12Mvar;1.2秒时,减有功功率并增大无功率设定值，设p=0。18MW,q=0。14Mvar；1。6秒时,增refref有功功率并减无功功率设定值，设p=0.24MW，q=0。08Mvar控逆变器输出功率跟踪设值果refref如图错!未定书。示从效果曲线可看到本文PQ双环控制算法具有较快的响应速度，经定量算，当有功功率设定值改变0.02MW时应时间t约为0.05秒当功功率设定值改变0.02MVar时应时间t也为秒PQ因此，本文所计PQ双环控制算法的响应速度能都满足工程要求。12

(完整微电网控制策略研究错!未义签

PQ控制逆变器输出功率跟踪设定4.2

逆变器V-f控制策略仿真7逆变器V—f在DIgSILENT搭建7所示的气接线图，用来做—f控策略的仿真研究。逆变器直流侧经直流母线DCBus接理想直流电源，交流侧接交流母线AC，AC另一侧负载Load连接.DC额定电压设为1kV,ACBus额定电压设为0.4kV，Load额功率设定为=0.2MW，Q=0.1MVar，V—f控逆变器LL承担整个小系频率和电压扰动。13

(完整微电网控制策略研究图错误未义签逆器控制策略仿真-双环制框图根据上文2。2的V—f双控制策略在DIgSILENT中搭双环控制框图如图错未定书。示。PQ测量模块测量逆器输出有功功率，测结果输入V-f控模块，V和参考值设置模块对逆变器出口端线电压参考值Uref和率参考值进设定，控制模块是整个制的核心，锁相环提供变器出口线电压相角余弦值、弦值sinref和率，电流内环控制与PQ控策略仿一样,使用DIgSILENT自带模块,嵌套在逆变器模块内，控制逻辑如上文章节2。1的图1所，参数设置如:K=0.6,T=0.01=0。6，T=0.01.ddqq图8逆器V—f控制策略仿真—外环控制框图根据上文2.2所提出控制原理在DIgSILENT中搭建V-f外控制框如图8所示。比例积分环节的参数设置如：K=1,T=10,K=2,T=2，T=0.002。14

(完整微电网控制策略研究V和f参考值设置功能通过编写DSL语言实现，设参考值U=0。4kV=50Hz.PQ测量模块和锁相refref环模块均使用DIgSILENT自模块。设置仿真时间1s，仿真式选择电磁暂态EMT)模式对V-f控制逆变器输电压的线电压有值、相电压波形和频率f进行观测，结如图错误未义签和图错误未定书。所示图错误!未定义签V—f控制策略下逆变器输出电压的线电压有值和相电压波形图错误未义签

控制策略下逆变器输出电压的频率f从结果可以看，逆变器在所用V—f双环制方法能够按照设定值稳定输结果，达到了期效果。为了验证本文基于—f双控制策略的IBDG能承担整个小系统率和电压扰动仿真过程中动态投入和切除电机负荷，观测V-f控制逆变器出电压的线电压效值和频率f的化情况。15

(完整微电网控制策略研究图9逆器V—f控制策仿真——电气接线图（含动负荷)如图9所，图中的电