张 帅，刘文红，李 锋，潘三博，阙春兰

（1.上海电机学院电气学院，上海 200240；2.上海致远绿色能源股份有限公司，上海 201611）

下垂控制下的微电源并入和退出运行策略

张 帅1，刘文红1，李 锋2，潘三博1，阙春兰1

（1.上海电机学院电气学院，上海 200240；2.上海致远绿色能源股份有限公司，上海 201611）

为实现微电源在基于下垂控制下微电网中的“即插即用”和功率均分的目的，对微电源并入和退出微电网的过程进行了研究。详细地分析了微电源并入微电网时产生环流的原因，并采用引入二次调频技术的方法，消除了并入过程中出现的环流功率，缩短了系统恢复稳态所需的时间。同时，对微电源退出运行的情况做出了分类讨论，对于负荷过重的情况，提出了利用一、二次调频配合的控制方式，保证了微电网系统频率稳定，实现了负载的分级管理。利用MATLAB/Simulink仿真工具对设计的策略进行了对比研究，结果验证了策略的合理性和可行性。

即插即用；下垂控制；二次调频；环流；MATLAB/Simulink

分布式发电DG（distributed generation）技术通常指功率为1 kW至50 MW小型分散式、靠近负荷的发电单元[1]。DG接入了大量的清洁能源，且具有电源分散灵活就近供电、减少线损和输配电建设维护、保障供电可靠性等优势。但由于风电、光伏、微型燃气轮机、蓄电池等分布式电源不易调节控制，且会对大电网频率和电压产生冲击，故只能采取隔离、切机等简单操作来控制[2-3]。这种控制方式极大地限制了DG利用率。为解决上述问题，电力系统领域引入了微电网（micro grid）这一概念。

微电网可以高效地将DG单元以并联的形式接入现有的传统电力系统中，并且通过功率电力电子变流器，微电网可以灵活地运行在并网和离网状态[4]。根据微电网中各个微电源之间通信方式的不同，微电网系统可分为有通信线并联和无通信线并联两种形式[5]。有通信线并联结构主要有集中控制、主从控制和分散逻辑控制等，该种结构能够更好地控制微电网的电压、电流以及功率的输出和分配，但该结构对通信系统具有较高的依赖性，而且主控单元的故障将可能导致整个系统的崩溃，这都极大地降低了微电网的可靠性[6-7]。为了避免上述问题，以无通信线并联结构为基础的下垂控制策略得到了广泛地应用。传统的下垂控制是通过模拟大电网中发电机的P/f（有功/频率）特性曲线和Q/U（无功/电压）特性曲线所得到的控制方式。该结构控制下的微电网，各个并联的微电源之间没有通信线连接，通过自身的下垂曲线来调整输出电压的幅值和频率，达到稳定输出功率的目的。由于下垂控制情况下微电源互相没有影响，所以可以达到“即插即用”的效果，方便了系统的扩容及微电源的切除，提高了系统的可靠性[8]。

关于微电网的下垂控制，主要研究方向集中在离网状态下并联的微电源对负载功率的均分，以及各微电源之间的环流抑制[9-10]，但是关于下垂控制模式下微电源的并入、退出过程还未有相关文献加以研究。本文针对处于离网状态下微电网，设计了应用于单相电压源逆变器的下垂控制策略，并对微电源的并入、退出的暂态过程进行研究，通过对不同策略的对比，制定出合理的方案，可以很好地实现微电源平滑地并入或退出，以及“即插即用”功能。

1 系统结构及控制策略

1.1 微电网基本结构

本文研究系统如图1所示，由3个微电源并联构成，每个微电源均为单相DC-AC结构。本微电网结构基于下垂控制，各微电源之间无通信互联，各自按照设定的下垂曲线来对自身输出的电压和频率进行控制，实现负载均分。DG3将作为并入、退出策略的研究对象，通过对DG3进行并入、退出动作，观察系统电压、电流以及输出功率的变化情况，并分析研究，提出合理的微电源并入和退出运行的控制方法[11]。

图1 微电网基本结构Fig.1 Structure of micro grid

1.2 下垂控制策略

微电网通常由不同的微电源构成，在向负荷供电同时，能够实现功率均分，即输出功率高的微电源承担更多负载，输出功率低的微电源承担较少负载，以实现能量的最大利用[12]。在下垂控制策略的控制下，各个微电源会根据产生的有功功率和无功功率，来对其输出电压的幅值和频率进行控制，从而使系统在负荷或是输出功率波动时，均能找到平衡点来维持正常运行。等效电路图如图2所示，假设系统由两台单相逆变器并联构成，DG等效为电压源，且输出电压为E1和E2，公共点电压为E，输出阻抗为Z1和Z2，δ为微电源输出端电压与公共点电压之间的夹角，θ为线路功率因数角。

图2 下垂控制下的微电网等效电路Fig.2 Equivalent circuit of micro grid under droop control

由图1可得DG1输出的有功和无功功率为

设R=Z1cos θ，X=Z1sin θ，则进一步得到

式（3）、（4）联立可得

忽略线路电阻，即X≫R时，忽略R值。同时，功角δ很小，有sin δ≈δ，cos δ≈1，将式（5）、（6）进一步简化为

由式（7）与式（8）容易看出，系统的电压差和无功功率近似呈线性关系，而相位差与有功功率呈线性关系。电压差的大小可以直接由输出电压幅值来调控，相位差则通常通过频率调节来实现，频率与功角δ的关系如下：

控制特性曲线如图3所示。

图3 下垂控制特性曲线Fig.3 Characteristic curve of droop control

下垂控制曲线可表示为

式中：f0、E0、P0、Q0为系统中频率、电压、有功功率以及无功功率的额定值；f、E、P、Q为系统实际工作点的参数；m和n为下垂系数。据此设计出下垂控制器如图4所示。

图4 下垂控制器Fig.4 Droop controller

该种设计对微电源的输出端电压和电流进行采样，计算获得有功功率和无功功率，再通过下垂控制获得电压、频率的差值，与系统给定的额定值进行运算，从而获得双环控制所需要的参考电压。

1.3 双环控制策略

双环控制器通常由电压外环和电流内环构成。电压外环作为双环控制器的主环路，通过采样逆变器交流输出侧的电容电压，并与目标电压进行比较，再将比较结果作为电流内环的基准值。电流内环通过采样逆变器输出侧的电感电流，并与电压外环得到的基准值进行比较，并将结果作为正弦脉冲宽度调制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）控制的调制波，最终生成绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）的驱动信号。外环采用PI控制实现对输出电压的精确控制，内环只采用比例控制来提高系统动态响应速度[13-14]。下垂控制器获得的电压幅值和频率参数，作为双环控制的参考值。双环控制器如图5所示，KP、KI为PI控制器参数，K为电流环增益，KPWM为PWM结构等效增益，L和C分别为滤波电感和电容，Z为负载阻抗。

图5 双环控制器Fig.5 Double loop controller

2 微电源并入、退出微电网过程分析及方法

在微电网中，微电源的并入、退出运行等过程都不可避免地会产生暂态过程，这些暂态过程会产生电流、电压冲击，以及环流等各种对系统稳定不利的影响[15]。研究如何实现微电源并入和退出过程的平滑过渡对提高微电网系统的可靠性具有重要意义。

2.1 微电源并入微电网过程分析

对于主从控制的微电网系统，微电网电压幅值、相位由主电源维持，其他微电源以电流源的形式并入微电网中，并入过程冲击较小。但是对基于下垂控制模式下的微电网来讲，各微电源都等同于电压源，微电源在并入正在运行的微电网时，由于电压幅值和相位的不同步会引起整个微电网的失稳，在并联微电源之间产生有功环流和无功环流，造成微电网振荡[6，16]。下面以两个微电源并联运行为例，结构如图2所示，对下垂控制下并入微电网过程进行分析。

E为公共点电压，角度φ设为0；E1和E2分别为DG1和DG2的输出电压，与公共点电压夹角为φ1和φ2；Z为公共负载阻抗，阻抗角为δ；Z1和Z2分别为DG1与DG2的输出阻抗，阻抗角为δ1和δ2；负载电流记为I，两台微电源的输出电流记为I1和I2。根据基尔霍夫电压、电流定律可得

设流经DG1和DG2的环流分别为ΔI1和ΔI2，假设微电源输出电流由负载电流和环流电流共同组成[17]，且Z1=Z2=Z=R+jX，即δ1=δ2=δ，故有如下电流方程：

由式（12）、（13）联立可得

由式（14）可以看出，微电源输出电压之间是否存在矢量差决定了系统中是否会产生环流，同时，输出阻抗大小也影响着环流大小，即输出阻抗越大，环流越小。进一步计算可得环流对系统输出功率的影响。分别考虑电压幅值与频率对功率环流的影响，即DG1与DG2仅存在幅值差和仅存在相位差的两种情况。

2.1.1 DG1与DG2输出电压仅存在幅值差

当DG1与DG2的输出电压只存在幅值差时，即φ1=φ2=φ=0，输出环流功率记为，ΔP为有功功率变化量，ΔQ为无功功率变化量，即

由式（16）、（17）可以看出，在微电源并入正在运行的微电网过程中，若并入的微电源不能够快速跟随微电网的电压变化，就会与微电网之间产生电压差，导致功率环流出现，严重时会引起整个系统的失衡。由于δ接近0，故此时的环流功率基本上为有功功率。因此，参考逆变器并入大电网的经验，可以通过检测微电网电压，在电压过零点的时候并入微电源，使并入的微电源输出电压能够较快地跟随微电网系统电压变化，减少由于电压幅值差所引发的功率环流。

2.1.2 DG1与DG2输出电压仅存在相位差

当DG1与DG2的输出电压之间仅存在相位差时，即E1=E2=EDG，且φ1与φ2相差较小，故φ1-φ2≈0。环流电流表示为

该条件下输出环流功率表示为

小额信贷对于弱势群体有着重要的现实意义。它不仅能够使其地位有所提高，还能改善生活状况。但是，现阶段小额信贷自身的特殊性，使得我国从事小额信贷业务的贷款公司、机构、银行等面临着税收制度、身份定位等多种问题。所以，应该为小额贷款的发展提供良好的制度环境,使其利率能够覆盖风险,并适当定位小额贷款机构的性质,让其拥有贷款呆坏账核销自主权,在保证其不非法集资、限制其外部性的前提下进行制度创新,以满足社会上普遍存在的大量需求。

由式（20）、（21）可以得出结论，在微电源并入正在运行的微电网时，由于相位存在差值，导致了环流的产生。由于δ接近0，此时环流功率基本上为无功功率。因此，在微电源并入微电网之前采用锁相环进行预同步[18]，使微电源能够跟随微电网的相位变化，从而保证并入微电网时不会产生较大的相位差，减少环流的产生。

综合以上分析，当微电源并入正在运行的微电网时，可以通过在微电网输出电压过零时并入来减少电压差引起的功率环流，同时还需要在并入之前进行预同步，以减少由于相位差所带来的功率环流。但由于输出阻抗Z值较小，且微电网不具有传统电网的稳定性，所以微电源之间较小的电压差和相位差仍会产生较大的功率环流，系统恢复稳定运行的所需时间较长。

为解决以上问题，在预同步和过零点并入的基础上，本文将电力系统二次调频引入微电源的并入过程，即在并入微电网的过程中，在检测微电网电压幅值、相位信息的同时，调整待并入微电源的下垂曲线，使并入瞬间注入微电网的电流为零，之后逐步调整下垂曲线，直至稳定运行。二次调频过程如图6所示，l0为稳定运行时待并入微电源的额定下垂曲线，P0和 f0为待并入微电源的额定功率和额定频率。由于微电源在并入微电网的过程中，输出功率短时间内迅速增大，在下垂曲线l0的一次调频作用下，频率、相位会发生较大波动，造成功率环流的产生。本文通过二次调频的方式，使待并入微电源的输出功率为零，频率为额定频率，即为下垂曲线l1，一段时间后调整至下垂曲线l2，以此类推直至达到额定输出功率，即下垂曲线l0。该策略既可以实现并入瞬间的零电流注入，又保证了并入过程中微电源之间不会产生相位差，从而大幅度地减少系统中的环流功率，使系统能够快速平稳地达到稳定运行。

图6 微电网的二次调频Fig.6 Secondary frequency modulation of micro grid

2.2 微电源退出微电网过程分析

对比微电源并入微电网过程，微电源退出运行过程的主要问题集中在某些微电源退出运行后，微电网是否能够继续维持原有负载。在微电源退出运行后，微电网有功、无功功率会随之变化，系统的电压和幅值就会按照下垂曲线进行调整，若输出功率缺额过大，则系统必须切除部分负载，来维持重要负载的正常运行[19]。

通常，微电源并入过程都是计划性的，即有计划投入运行，过程可控性较高。微电源退出运行过程则有所不同，主要可分为计划退出运行和非计划退出运行两种。计划退出运行是指系统主动将选定的微电源切除，易于控制；非计划退出运行则是指某些微电源由于故障或是保护动作所引起的突然退出，这种情况具有很大的偶然性和不可预知性，需要系统具有较快的响应时间和准确的判断能力，过程不易控制。在微电源退出运行后，微电网存在两种不同的运行状态，即负载正常和负载过重。负载正常是指某些微电源退出后，余下的微电源通过下垂控制能够维持微电网系统的电压幅值和频率稳定；相反，负载过重是指负载已经超出了微电网下垂控制的可控范围，若不及时切除部分负荷，微电网将会面临严重的失衡。

对于微电源计划退出运行，控制过程较为简单，通过计划可知微电网退出运行后的负载状态，可以提前对负载进行管理。若为负载正常状态，则可以直接将微电源切除；若为负载过重状态，则可以通过计算，先将次要负荷切除至满足稳定运行条件后，再将微电源退出运行。

图7 微电源退出情况下微电网一、二次调频Fig.7 Primary and secondary frequency modulations when micro gererations are disconnected

系统由l0过渡到l1时，需要增发功率(P3-P1)，这部分功率可由与微电源并联的蓄电池来提供，或由微电源自身的备用容量来提供。待微电源完全退出运行后，系统将采用计划退出运行策略，按照负载的重要等级，由低到高依次进行切除，同时改变下垂曲线，直至系统恢复稳定运行。采用此策略可保证在某些微电源突然退出运行的情况下，系统能够在保证频率稳定的前提下，更加合理地对负载进行管理，尽可能保证为重要负荷供电。同时，由于该策略为系统提供了更长的响应时间，可避免由于某些微电源的瞬时故障，而将负载误切除[20]。

3 仿真分析

控制参数 m=2×10-5Hz/W，Q/U下垂控制参数n=1×10-4V/var，滤波电感为10 mH，滤波电容为

仿真以图1为例，DG1、DG2并联，观察DG3在并入和退出运行时微电网的运行状态。DG1和DG2的额定有功功率为3 kW，无功功率为0 kvar，额定电压峰值为311 V，额定频率为50 Hz，P/f下垂200 μF，负载额定功率为12 kW，仿真时间设置为4 s，分别对微电源并入和退出微电网的情况进行分析。

首先研究并入过程，开关K初始状态为断开，0.5 s时开关闭合，DG3并入微电网。图8为不采用二次调频时，并入过程中微电源输出电压和有功功率的输出情况。

图8（a）中虚线表示DG3输出电压，重合的实线为DG1、DG2输出电压。选取0.5～0.6 s时段的电压波形，可以看到DG1与DG2电压基本重合，体现了双环控制良好的稳定性。并入微电网瞬间，DG3输出电压幅值高于其他微电源，且存在相位差，系统产生环流功率。图8（b）中实线表示DG1、DG2输出功率，两者基本重合均为5.5 kW，验证了下垂控制对负载具有良好的均分作用。虚线表示DG3输出功率，并入过程由0 kW迅速增至9 kW，出现较大振荡，且系统需要较长时间达到新的稳定运行点。

图9为采用二次调频后，微电源输出电压和有功功率的输出情况。图9是在图8运行情况的基础上，为系统增加了二次调频。对比图8（a）与图9（a）不难发现，二次调频可以消除DG3并入瞬间产生的电压幅值差和相位差，DG3输出电压能够快速跟踪DG1和DG2的输出电压。对比图8（b）与图9（b），由于二次调频的作用，DG3在并入过程中不断地调整下垂曲线，使输出功率不会发生较大范围的振荡，峰值仅为5.5 kW，且能够更加快速地使系统恢复到新的稳定运行点，重新实现负载的均分。

关于微电源退出微电网的过程，本文主要对非计划退出且退出后负载状态为负载过重的情况进行讨论。假设初始状态为DG1、DG2、DG3并联运行，共同为22.5 kW的负载供电，其他参数与并入微电网时情况相同。0.4 s时DG3退出运行，系统采用二次调频，不断调整下垂曲线，使DG1和DG2改变输出功率，以保证系统频率维持在正常水平。0.5 s时切除2.5 kW次要负载，之后按照负载重要等级，在0.6 s和0.7 s时分别切除2.5 kW负载。每次切除过程均需要重新调整下垂曲线，使频率维持在正常范围。直到系统输出功率和负载功率达到新的稳定运行点后，停止负载切除和二次调频，系统将依靠一次调频使系统稳定运行。图10为采用一、二次调频时微电源退出微电网的状态分析。

图8 不采用二次调频时微电源并入微电网状态分析Fig.8 Analysis of the connecting process of micro generation to the micro grid without secondary frequency modulation

图9 采用二次调频时微电源并入微电网状态分析Fig.9 Analysis of the connecting process of micro generation to the micro grid with secondary frequency modulation

图10 采用一、二次调频时微电源退出微电网状态分析Fig.10 Analysis of the disconnecting process of micro generations from the micro grid with both primary and secondary frequency modulations

图10（a）为退出过程中微电源输出有功功率的变化情况，可以看出DG3退出运行后，DG1和DG2在二次调频的作用下改变输出的有功功率。图10（b）为微电源输出电压频率波形，在微电源DG3退出运行和切除负载的过程中，微电源输出电压频率始终维持在微电网的允许范围之内。

4 结语

在下垂控制下微电网能够实现负载的均分，但在微电源并入正在运行的微电网时由于电压幅值和相位之间的差值会引起较大的功率环流。通过详细分析，本文将二次调频技术引入到微电源的并入过程，显著降低了并入暂态过程中的环流，使系统能够快速地恢复到新的稳定运行点，通过仿真对引入二次调频技术前后的情况进行了对比论证，验证了方法的合理性。同时，本文对微电源退出运行的过程和退出运行后系统的状态进行了分类讨论，将退出过程分为计划和非计划退出，将负载状态分为负载正常和负载过重。对于非计划退出运行且负载过重情况设计了一、二次调频配合使用下的控制策略，在保证系统频率稳定的情况下，实现了负载的分级管理，提高了系统的可靠性。

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关于外文字符的字体

1 正体外文字母的常用场合

（1）计量单位和SI词头符号。

（2）数学式中的运算符号和缩写号，如：微分号d，有限增量符号Δ，变分号δ，极限lim，行列式det，最大值max等。

（3）其值不变的数学常数符号：圆周率π，自然对数的底e，虚数单位i（电工中常用j）。

（4）量符号中为区别其他量而加的具有特定含义的非量符号和非变动性数字符号角标，如势能EP，宏观总截面Σtot；转置矩阵AT等。

（5）仪器、元件、样品等的型号、代号。

2 斜体外文字母的常用场合

（1）用字母代表的数、一般函数及统计学符号等，如：x，y；ΔABC；f（x）；概率P，均数x。

（2）量符号和量符号中代表量或变动性数字或坐标符号的角标字母，如：体积V，雷诺数Re，能谱角截面砌σΩ，E，能量Ei（i=1，2，3），力的x方向分量Fx。

（3）矢量和张量符号用黑斜体。

3 化学元素符号均为正体，且首字母大写

摘编于《中国高等学校自然科学学报编排规范》（修订版）

Connecting and Disconnecting Strategies for Micro Generation Based on Droop Control

ZHANG Shuai1，LIU Wenhong1，LI Feng2，PAN Sanbo1，QUE Chunlan1
（1.School of Electrical Engineering，Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Ghrepower Green Energy Co.，Ltd，Shanghai 201611，China）

To achieve the function of“plug and play”and power-sharing in micro grid，the connecting and disconnecting processes of micro generations to the micro grid are studied.The theory of circulation current which is caused by micro generations is analyzed in detail.By using secondary frequency modulation，the circulation power is eliminated effectively，and the recovery time to steady state is also reduced.At the same time，different situations when the micro generations are disconnected to the micro grid are discussed.In the case of overload，the strategy of using both primary and secondary frequency modulations is proposed to cut off the loads according to their levels to avoid overloading，which can keep the frequency of micro grid stable.At last，the rationality and feasibility of these strategies are proved by simulation using MATALAB/Simulink.

plug and play；droop control；secondary frequency modulation；circulation；MATLAB/Simulink

TM464

A

1003-8930（2016）12-0049-08

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.12.009

张 帅（1987—），男，硕士研究生，研究方向为微电网能量管理。Email：524362335@qq.com

刘文红（1967—），女，博士，教授，研究方向为非高斯信号处理、时延估计技术。Email：liuwenhong@sdju.edu.cn

李 锋（1966—），男，硕士、高级工程师，研究方向为风力发电技术、电力电子、高电压技术。Email：13701846633@139.com

2014-11-06；

2016-04-06

国家科技支撑计划资助项目（2012BAH32F06）；上海市教育委员会科研创新资助项目（12YZ187）