孙孝峰 吕庆秋

（燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室 秦皇岛 066004）

1 引言

近几年，国内外学者广泛研究分布式发电技术[1-3]，分布式发电（DG）是指直接布置在配电网或负荷附近的发电设施，它们能够提供可靠、经济和高效的电能[4]。分布式电源包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏发电装置和风力发电机等。分布式电源结合储能设备（蓄电池、高速飞轮等）以及本地负载等可构成微型电网，微电网向关键负荷不间断地提供高质量电能[5,6]。微电网有两种运行模式：并网运行模式与孤岛运行模式。无论是并网模式还是孤岛模式，都需要对微网中的各个分布式电源进行有效地控制。由于微网内的分布式电源通常通过电力电子装置（如逆变器）接入常规电网，所以对逆变器控制的研究是分布式发电技术中的重要组成部分。

微网中逆变器的控制策略可分为两种：①主从控制策略：它需要将各分布式逆变电源的相关信息集中到控制中心，控制中心经分析计算后对各逆变器下发控制信息，这样它需要有相应的通信线路以传递信息；②分散控制策略：每个分布式逆变电源根据本地输出量进行独立控制，它不需要通信环节，实现了分布式电源的即插即用。相比而言，分散控制策略更有优势。在分散控制中采用下垂控制是常见的方法。很多文献直接把常规高压系统的下垂特性应用到了低压微网中，缺乏对其应用可行性分析[7]。文献[8，9]分析了逆变器输出阻抗受控制器参数的影响，在此基础上将高压系统的下垂特性应用于低压微电网中并行的分布式电源，并进行了多环反馈控制器设计，由于考虑逆变器等效输出阻抗问题，使调节器的设计变得复杂。

本文首先对下垂控制理论[10,11]进行分析，得出低压微电网逆变器应该采用有功电压（PV），无功频率（Qf）下垂控制，但由于PV 下垂控制为有差调节，本文提出一种改进的PV 下垂控制（NPV）。在控制环路中加入对频率和电压的前馈控制单元构成NPV 下垂控制，以提高并网逆变器的性能。

2 频率电压与负荷特性协调分析

图1 为逆变器并网示意图。图中，逆变器简化为一个电压源Us∠δ，通过阻抗为R+jX的连接线连到电网E∠0°上。

图1 电压型逆变器并网原理图Fig.1 Voltage source inverter connected to grid schematic

逆变器输出的有功P和无功功率Q分别为

联立式（1）和式（2）可得

对于低压微电网，导线电感一般较小，因此线路阻抗主要呈阻性，即XR≪，这种情况下X可以忽略，功率角δ也很小，即有sinδ=δ，cosδ=1，式（3）和式（4）就变为

因而可得到有功电压和无功频率的PV 下垂控制策略，见式（7）与式（8）。由图2 看出，该控制符合负荷调节特性，逆变器控制结构如图3 所示。

图2 PV 下垂控制曲线与负荷曲线Fig.2 Control and load curve of PV

图3 PV 下垂控制器Fig.3 Controller of PV

3 微电网逆变器频率电压协调控制

本文采用的低压微电网结构如图4 所示。微电网采用单母线结构，两个分布式发电单元分别为光伏（Photo Voltaic，PV）发电系统和燃料电池，分布式电源都带有储能装置。微电网经过智能静态开关（Intelligent static Bypass Switch,IBS[12]）连接到主网上，IBS 时刻监测主网侧与微电网侧电压，当主网发生故障时，IBS 断开，微电网孤岛运行为本地负载供电；当主网电压恢复后，IBS 闭合，微电网并网运行。

图4 仿真所采用的微电网结构Fig.4 Micro-grid structure used by simulation

微网主要有以下几种运行模式。

（1）联网运行模式：在这种模式下，微电网通过IBS 连接到主网上。通过下垂控制，微电网输出指定的功率。

（2）孤岛运行模式：在这种模式下，两个分布式电源分散分别为负荷供电，此时两个分布式电源均分负荷。

（3）从孤岛模式到联网模式的切换：微电网工作在孤岛模式，IBS 检测到主电网稳定运行无故障，此时可以进行并网操作。为减小并网时的冲击，当检测到微电网与主网相位差在一定范围内再闭合IBS 实现微电网并网运行。

（4）从联网模式到孤岛模式的切换：当主网发生故障时，IBS 断开，微电网孤岛运行。由于微电网中负荷不会与分布式电源并网时给定的额定功率严格相等，所以此时微电网内的电压的频率和幅值相对于额定值会有一定的偏移量，为了维持电能质量，这一偏移量要尽可能小。

从以上分析可以看出，微电网中的逆变器需要实现能量的并网传递，要满足负荷特性要求，而且在孤岛-并网两种模式及切换控制中，应具有同样控制特性。从以上的PV 控制曲线和负荷特性曲线可以看出PV 下垂控制可以实现逆变器输出的功率与负荷功率在一点上平衡，但其控制目标是功率，同时是有差调节，它对功率的平衡作用是以产生电压和频率的偏移为代价的，这必将影响系统频率、电压的稳态和暂态性能。为此将电压与频率的协调控制特性加入到系统的控制环中。

在NPV 下垂控制中，式（9）和式（10）中右面第二项实现了负荷变化时逆变器控制曲线的平移，使逆变器的输出电压和频率均在额定值上或是偏移很小，这一前馈控制起到了类似于传统发电机中的二次调整的作用。从图5 可以看出，NPV 下垂控制曲线满足负荷特性曲线要求，图6 所示为其控制结构图。

图5 NPV 下垂控制曲线与负荷曲线Fig.5 Control and load curve of NPV

图6 NPV 下垂功率控制器Fig6 Controller of NPV

4 仿真分析

基于图4 所示的微电网结构，采用PSCAD 软件对微电网逆变器控制策略进行对比仿真。其中两个逆变器的给定有功功率均为10kW，无功功率均为2kvar，总的负荷量为有功功率15kW，无功功率为零。

4.1 从孤岛模式到联网模式的切换

开始微电网孤岛运行，运行5s 以后，检测到微电网侧和主网侧相位差小于2°时IBS 闭合实现并网，仿真图如图7 所示。

图7 联网过程功率与频率特性Fig.7 The output power of inverters and the frequency of A point while connecting to grid

从图7 可以看出：从孤岛到联网切换时，PV 下垂控制有功功率存在一个正向的0.2kW 冲击波，无功功率存在正向0.3kvar 和反向1.6kvar的冲击波，而改进的NPV 下垂控制有功功率几乎没有冲击，无功功率存在一个0.5kvar的正向冲击不存在反向冲击波，NPV 下垂控制的并网冲击比PV 下垂控制小很多，且NPV 下垂控制的调节速度更快。稳态并网运行时NPV 下垂控制有功功率输出为9.25kW，PV下垂控制的有功功率输出为9.05kW，两者无功功率输出都稳定在2kvar，可以看出并网运行时NPV 下垂控制功率稳态误差比 PV 下垂控制要稍大，且NPV 下垂功率纹波较大。

4.2 从联网模式到孤岛模式的切换

当主网发生故障时，IBS 断开，微电网孤岛运行为本地负载供电。仿真波形如图8 所示。

图8 断网时，逆变器输出无功功率与A 点频率Fig8 The output power of inverters and the frequency of A point while disconnecting to grid

从图8 中可以看出，从联网到孤岛的切换几乎是没有冲击的，孤岛运行时NPV 下垂的有功功率输出为7.9kW，电压标幺值为1.017，PV 下垂控制有功功率输出为8.25kW，电压标幺值为1.036，二者的无功功率输出均为零，NPV 下垂控制逆变器输出频率为50Hz，PV 下垂控制的频率为49.85Hz。从而说明NPV 下垂控制能够在微网脱网前后维持电压和频率的稳定。

5 实验验证

逆变器是由三相IGBT 半桥电路以及LC 滤波电路组成，其中开关频率为20kHz。并网阻抗Z选为阻性，阻值为1Ω，逆变器电路如图9 所示。逆变器的给定有功功率650W，无功功率130var，总的负荷量为有功功率400W，无功功率为零。电路结构如图9 所示，实验中有功功率为P，无功功率为Q，逆变器端电压幅值Um，频率f都是通过DSP的DA 输出观测的，由于电压幅值和频率的偏差相对于额定值来说很小，为了能够明显的看到偏差量，令Um=Un+10(U-Un)，f=fn+50(f-fn)，则实验波形中电压偏移量为实际电压偏移量10 倍，实验波形中频率偏移量为实际频率偏移量50 倍。

图9 逆变器为接口的微电源并网结构图Fig.9 The micro-source interfaced by inverter connected to grid structure

从孤岛模式到联网模式的切换实验结果如图10 和图11 所示。从图10 可以看出：从孤岛到联网切换中PV 下垂控制有功和无功都存在较大冲击，而NPV 下垂控制有功功率和无功功率均无冲击。稳态并网运行时 NPV 下垂控制有功功率输出为600W，PV 下垂控制有功功率输出为590W，两者无功功率输出都稳定在128var，并网运行时NPV 下垂控制的稳态误差比 PV 下垂控制稍大一些，且NPV 下垂功率纹波较大。图11 中并网时NPV 下垂控制的电流没有冲击，而PV 下垂控制存在冲击，且稳态时NPV 下垂控制电流纹波比PV 下垂控制小。通过实验可以看出，NPV 下垂控制并网稳态运行情况下功率控制效果相对于PV 下垂控制较差，但从孤岛到联网暂态切换时NPV 下垂控制冲击更小，可以实现无缝切换。

图10 联网时，逆变器输出无功功率与频率Fig.10 The output reactive power and the frequency of

图11 联网时，逆变器输出电流Fig.11 The output current of inverters

从联网模式到孤岛模式的切换实验，结果如图12 和图13 所示。从图12 可以看出：从联网到孤岛的切换几乎是没有冲击的，孤岛运行时NPV 下垂的有功功率输出为 408W，电压的标幺值为 1.010 45，PV 下垂控制的有功功率输出为430W，电压的标幺值为1.022，两者的无功功率输出均为零，NPV下垂控制的频率为49.95Hz，PV 下垂控制逆变器输出频率为49.757Hz。图13 中稳态时NPV 下垂控制的电流纹波比PV 下垂控制要小。通过仿真和实验可以看出，在孤岛运行时NPV 下垂控制实现了电压和频率的二次调节，使微电网孤岛运行时电压和频率偏差很小，NPV 下垂控制的频率稳态误差更小。

图12 断网时，逆变器并网时输出无功功率与频率Fig.12 The output reactive power and the frequency of inverter while disconnecting to grid

图13 断网时，逆变器并网时输出电流Fig.13 The output current of inverters

6 结论

本文通过分析下垂控制，对微电网并网与孤岛运行及其切换进行仿真，结合实验得出低压微电网中，微电源采用PV 下垂控制可以实现微电网并网的能量管理，但它为有差调节，在孤岛运行中微电网的电压和频率存在较大的偏差。本文对PV 下垂控制进行改进，在控制环路中加入对频率和电压的直接调节单元，构成NPV 下垂控制。在并网与孤岛稳态运行以及两者之间暂态切换中，采用NPV 下垂控制可以实现微电源并网时的能量管理以及电压和频率的二次调节。NPV 下垂控制在并网稳态运行情况下功率控制效果相对于PV 下垂控制差一点，但它能使微电网从孤岛到联网之间暂态切换的冲击更小，可以实现无缝切换。在孤岛运行时NPV 下垂控制实现了电压和频率的二次调节，使微电网孤岛运行时电压和频率维持在额定值上，或偏差很小。

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