張振良，李秀錦

(1.衡水供電公司，河北 衡水 053000；2.衡水桃城供電有限責(zé)任公司，河北 衡水 053000)

0 引言

隨著分布式發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，作為大電網(wǎng)的有益補(bǔ)充與微型發(fā)電裝置的有效利用形式，微網(wǎng)(microgrid)這一概念已經(jīng)引起各國學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-6]。美國電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS)給出的定義為：微網(wǎng)是一種由負(fù)荷和微型電源共同組成的系統(tǒng)，它可同時提供電能和熱量；微網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換，并提供必需的控制；微網(wǎng)相對于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等的要求[3]。微網(wǎng)具有獨(dú)立性、靈活性、交互性、經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)。

目前已有的微網(wǎng)僅為一些小型示范性工程或?qū)嶒?yàn)平臺，要真正應(yīng)用與推廣還有許多關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)問題亟待解決。國內(nèi)外已經(jīng)針對微網(wǎng)開展了多方面的研究工作，主要包括分布式電源模型分析、微網(wǎng)控制、微網(wǎng)孤島檢測與保護(hù)、微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性等方面工作[7-14]。

微網(wǎng)靈活的運(yùn)行方式與高質(zhì)量的供電服務(wù), 離不開完善的穩(wěn)定與控制系統(tǒng)，控制問題是微網(wǎng)研究中的一個難點(diǎn)問題。文獻(xiàn)[15]設(shè)計的聯(lián)網(wǎng)分布式電源(DG)綜合控制器采用直流電壓波動前饋補(bǔ)償?shù)拇夒p環(huán)PI控制結(jié)構(gòu)，積極配合原動機(jī)的調(diào)節(jié)，提高了電能質(zhì)量水平，但仍局限于單個分布式電源的仿真分析。文獻(xiàn)[16-17]對微網(wǎng)中DG的預(yù)同步和均流問題給出了解決方案，詳細(xì)分析了并網(wǎng)條件對并網(wǎng)質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)[18]總結(jié)了目前世界范圍內(nèi)的微網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r, 深入分析了微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室和示范工程的結(jié)構(gòu)和控制模式,依據(jù)國外微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室和示范工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)給出了對中國微網(wǎng)建設(shè)具有指導(dǎo)意義的建議。

以下在分析不同微源特性及其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)典的微網(wǎng)控制方法[3,5]在PSCAD/EMTDC中搭建微網(wǎng)等效模型進(jìn)行仿真，重點(diǎn)研究單主和多主控制策略下微網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定性，為將來微網(wǎng)控制策略應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)平臺奠定基礎(chǔ)。

1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)中的電源多為微電源(簡稱“微源”)，微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖1。在圖1中，微源由燃?xì)廨啓C(jī)、光伏電池、燃料電池以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成。光伏系統(tǒng)和燃?xì)廨啓C(jī)接入饋線1；燃料電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入饋線2。饋線通過主分隔裝置(通常是一個靜態(tài)開關(guān))與配電系統(tǒng)相連, 可實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)與并網(wǎng)運(yùn)行模式間的平滑切換，該開關(guān)點(diǎn)即PCC所在的位置。IEEE P1547.8(草案)規(guī)定在PCC處, 微網(wǎng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)必須滿足預(yù)定的規(guī)范。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在正常運(yùn)行方式下，饋線1 中發(fā)電容量大于正常負(fù)荷需求，潮流呈向上送的趨勢，饋線2中負(fù)荷需求大于發(fā)電容量，需系統(tǒng)給該饋線供電；饋線3中為一般負(fù)荷，基本由配電網(wǎng)供給，在緊急情況下亦可切除。

2 微網(wǎng)主從控制策略

微網(wǎng)的基本運(yùn)行依賴于各個微源，微源在聯(lián)網(wǎng)和孤島2種運(yùn)行狀態(tài)下的控制方式是不同的。微網(wǎng)控制應(yīng)當(dāng)保證：任一微電源的接入不對系統(tǒng)造成影響；自主選擇運(yùn)行點(diǎn)；平滑的與電網(wǎng)并列、分離；對有功、無功進(jìn)行單獨(dú)控制；具有校正電壓跌落和系統(tǒng)不平衡的能力。

2.1 控制方式

微網(wǎng)的主從控制模式是指微網(wǎng)的控制系統(tǒng)中某一個控制器為主控制器，其余為從控制器的控制方式，主要應(yīng)用于孤網(wǎng)運(yùn)行模式下[19]。對于大量采用電力電子逆變器的微網(wǎng)系統(tǒng)，通常有3種控制方式：聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下的恒功率(PQ) 控制方式，孤島狀態(tài)下的下垂(Droop)控制方式和電壓頻率(Vf)控制方式[16]。由于孤網(wǎng)運(yùn)行時，主網(wǎng)無法提供給微網(wǎng)電壓和頻率支撐，微網(wǎng)內(nèi)必須至少存在一個微源作為主微源(master)為微網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐。當(dāng)微網(wǎng)內(nèi)僅有一個微源作為master時稱為單主控制，master必須具有足夠大的容量來承擔(dān)功率差額，可采用Droop控制或Vf控制；當(dāng)微網(wǎng)內(nèi)有2個或2個以上微源作為master時稱為多主控制，master需采用Droop控制或考慮容量限制的Vf控制方式。

2.1.1 PQ控制

微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時，系統(tǒng)電壓和頻率由主網(wǎng)提供支撐，各個微源維持恒定出力。由給定的有功功率和無功功率參考計算出電流參考值進(jìn)行控制，等效控制圖見圖2。該控制方式需要系統(tǒng)中有維持電壓頻率的分布式電源。

圖2 PQ控制器框圖

2.1.2 Droop控制

下垂控制方式模擬傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的一次調(diào)頻特性，當(dāng)微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時，微源迅速按各自容量比例分擔(dān)負(fù)荷、抑制干擾。圖3給出了2個不同容量的微源下垂特性示意圖?？梢钥闯?，微源通過調(diào)整各自輸出電壓的頻率和幅值，使其降低到一個新的穩(wěn)定工作點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率的合理分配。如果微源的下垂斜率相等，則在穩(wěn)定后各微源的輸出功率相等；如果下垂斜率不相等，則斜率大的承擔(dān)功率小，斜率小的承擔(dān)功率大[16]。此控制方式一般用于分布式電源接入逆變器的控制。

(a) 有功功率-頻率 b) 無功功率-電壓

2.1.3 Vf控制

電壓頻率控制方式由下垂控制方式發(fā)展而來，通過設(shè)定電壓和頻率參考值，在 PI 調(diào)節(jié)器作用下實(shí)時檢測逆變器輸出端口電壓和頻率，并作為恒壓、恒頻電源使用，控制方式如圖4 所示[20]。如果存在2個Vf控制電源，則需要考慮其容量限制，否則會出現(xiàn)電源爭搶出力的情況。此控制方式一般用于在主從控制策略中主分布式電源的控制中。

圖4 Vf控制器框圖

2.2 控制過程

a. 當(dāng)檢測電源檢測到孤島或者電網(wǎng)主動從配電網(wǎng)斷開，進(jìn)入孤島運(yùn)行模式時，微網(wǎng)控制切換到主從控制模式，通過調(diào)整各個微源的出力來達(dá)到功率的平衡。

b. 當(dāng)微網(wǎng)負(fù)載變化時，首先由主電源自動根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)輸出電流，增大或者減小輸出功率；同時檢測并計算功率的變化量，根據(jù)現(xiàn)有的發(fā)電單元的可用容量來調(diào)節(jié)某些從屬單元的設(shè)定值，增大或減小它們的輸出功率；當(dāng)其他電源輸出功率增大時，主電源輸出相應(yīng)的自動減小，從而保證主電源始終有足夠的容量來調(diào)節(jié)瞬時功率的變化。

c. 當(dāng)電網(wǎng)中無可調(diào)用的有功或無功容量時，只能依靠主單元來調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)荷增加時，根據(jù)負(fù)荷的電壓依賴特性，可以考慮適當(dāng)減小電壓值；如果仍然不能實(shí)現(xiàn)功率平衡，可以采取切負(fù)荷的措施來維持微網(wǎng)的運(yùn)行。

2.3 影響因素

主從控制策略中主電源采用Vf控制法，其輸出的電壓是恒定的，要增加輸出功率，只能增大輸出電流，負(fù)荷的瞬時波動通常首先是由主電源來進(jìn)行平衡的，因而要求主電源有一定的容量；由于整個系統(tǒng)是通過主電源來協(xié)調(diào)控制其他電源，一旦主電源出現(xiàn)故障，整個微網(wǎng)就不能繼續(xù)運(yùn)行。主從法依賴于通信，因此通信的可靠性對系統(tǒng)的可靠性有很大影響，而且通信設(shè)備會使系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性增大。

2.4 對微網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

微網(wǎng)與配電網(wǎng)的不同故障點(diǎn)和電動機(jī)負(fù)荷的大小等因素會對微網(wǎng)的穩(wěn)定性造成影響[5]。

a. 當(dāng)配電網(wǎng)故障發(fā)生時，主控制單元的控制方法和響應(yīng)時間對微網(wǎng)穩(wěn)定性有重要影響；與大電網(wǎng)連接點(diǎn)的三相短路故障是影響微網(wǎng)穩(wěn)定的最嚴(yán)重故障，故障清除時間越短，微網(wǎng)越穩(wěn)定。

b. PQ控制方式和恒阻抗負(fù)荷對微網(wǎng)穩(wěn)定性沒有影響，通過低壓切電動機(jī)負(fù)荷和采用可以提高微網(wǎng)的穩(wěn)定性。

3 主從控制策略仿真分析

以圖1為微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，采用基于下垂特性的電壓頻率控制方式，在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型，對運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換時的微網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析。

3.1 單主控制

前5 s微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，4個微源全部為恒PQ控制策略，功率曲線如圖5所示，4個微源有功功率分別為52.5 kW、10 kW、40 kW、20 kW，MS1無功功率為25 kVar，主網(wǎng)向微網(wǎng)輸送功率9.8 kW、4 kVar；5 s后微網(wǎng)由于外部故障開始孤網(wǎng)運(yùn)行，此時MS1作為master轉(zhuǎn)為Vf控制，補(bǔ)償微網(wǎng)的功率差額9.8 kW、4 kVar，保證微網(wǎng)的電壓和頻率恒定，其他微源仍為恒PQ控制。15 s時主網(wǎng)故障清除，微網(wǎng)恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行，微源控制方式恢復(fù)至孤網(wǎng)前的恒PQ控制。

(a) 有功功率

(b) 無功功率

微網(wǎng)電壓、頻率和電壓相位差如圖6所示。由圖6(a)、圖6(b)可見，孤網(wǎng)和再并網(wǎng)瞬間，微網(wǎng)電壓和頻率均有小幅波動，但由于微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時未對相位進(jìn)行精確鎖定，微網(wǎng)再并網(wǎng)時頻率波動較大，電壓波動并不明顯。

(a) 電壓

(b) 頻率

(c) 電壓相位差

微網(wǎng)孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時8 s有功負(fù)荷突增9 kW的情況。微網(wǎng)功率、電壓、頻率如圖7所示?？梢娫贛S1的Vf控制方式下，負(fù)荷的突增并沒有破壞微網(wǎng)自身穩(wěn)定性。微網(wǎng)電壓和頻率在短暫波動后均迅速恢復(fù)穩(wěn)定。

(a) 有功功率

(b) 電壓

(c) 頻率

3.2 多主控制

微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時，4個微源全部為恒PQ控制策略，出力曲線如圖8(a)所示；5 s后微網(wǎng)由于外部故障開始孤網(wǎng)運(yùn)行，此時MS1和MS2作為master轉(zhuǎn)為Vf控制，考慮MS2的容量限制，MS2達(dá)到最大出力110 kW后轉(zhuǎn)變?yōu)楹鉖Q控制。兩微源補(bǔ)償微網(wǎng)的功率差額30 kW、14 kVar，保證微網(wǎng)電壓和頻率恒定；其他微源仍為恒PQ控制。15 s時主網(wǎng)故障清除，微網(wǎng)恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行，微源控制方式恢復(fù)至孤網(wǎng)前的恒PQ控制。

(a) 有功功率

(b) 無功功率

微網(wǎng)電壓、頻率和電壓相位差如圖9所示。由圖9(a)可見，電壓波動較為明顯。圖9(b)、(c)顯示孤網(wǎng)和再并網(wǎng)瞬間，微網(wǎng)頻率比3.1節(jié)中波動更大，微網(wǎng)和參考電壓相位差更大，這是由于微源容量的限制，導(dǎo)致其調(diào)節(jié)能力不足。

(a) 電壓

(b) 頻率

(c) 電壓相位差

4 結(jié)論

針對單主和多主的主從控制策略進(jìn)行了PSCAD/EMTDC環(huán)境下的仿真，仿真結(jié)果證明主從控制策略在孤網(wǎng)運(yùn)行時具有良好的負(fù)荷跟隨能力和穩(wěn)壓恒頻的性能，整個微網(wǎng)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的承受負(fù)荷沖擊的能力, 基于下垂特性的電壓頻率控制方式可實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時負(fù)荷在微源間的合理分配，且在孤網(wǎng)運(yùn)行期間可提供有效的電壓和頻率支撐，使電網(wǎng)和微網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性良好。單主控制更加簡單易行，但對微源容量有較高的要求。這為進(jìn)一步研究復(fù)雜微網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制理論和微網(wǎng)控制理論的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但上文仿真微源采用的是受控電流源模型，該微網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)模型僅適合于系統(tǒng)級控制策略的動態(tài)仿真分析。關(guān)于機(jī)電協(xié)調(diào)控制的研究還需搭建更為詳細(xì)的原動機(jī)模型，微網(wǎng)電壓、頻率的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)對微網(wǎng)運(yùn)行模式的影響也需要進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張建華,黃 偉.微網(wǎng)運(yùn)行控制與保護(hù)技術(shù)[M].北京：中國電力出版社,2010.

[2] 時珊珊,魯宗相,閔 勇，等.微電源特性分析及其對微網(wǎng)負(fù)荷電壓的影響[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34(17):68-71.

[3] 魯宗相,王彩霞,閔 勇，等.微網(wǎng)研究綜述.電力系統(tǒng)自動化[J],2007,31(19):100-107.

[4] 王成山,王守相.分布式發(fā)電功能系統(tǒng)若干問題研究[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32(20):1-4.

[5] N.Jayawarna,X.Wu,Y.Zhang,et al.Stability of a Microgrid[C].The 3rd IET International Conference on(PEMD 2006).Dublin，Ireland,2006： 316-320.

[6] 王成山,肖朝霞,王守相.微網(wǎng)綜合控制與分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32(7):98-103.

[7] Edwards F.V., Dudgeon G.J.W., McDonald, J.R.,et al.Dynamics of Distribution networks with distributed generation[C].IEEE Power Engineering Society Summer Meeting.Washington，USA,2000，2：1032-1037.

[8] Kariniotakis G.N., Soultanis N.L., Tsouchnikas, et al.Dynamic Modeling of MicroGrids[C],International Conference on Future Power Systems.Amstordam,2005：1-7.

[9] Y.Zhu, K.Tomsovic.Development of Models for Analyzing the Load-following Performance of Microturbines and Fuel Cells[J].Electric Power Systems Research,2002,62(1)：1-11.

[10] AlHinai, Karl Schoder, Ali Feliachi.Control of Grid-connected Split-shaft Microturbine Distributed Generator[C].Proceedings of the 35th Southeastern Symposium on SystemTheory.Annapolis，MD,2003：84-88.

[11] Y.Q. Zhan, S.S. Choi, D.M. Vilathgamuwa.Using Quality Control Center to Improve Power System Stability[C].The 4th International Power Electronics and Motion Control Conference.xi'an，China,2004.3：1236-1241.

[12] IEA PVPS.Evaluation of Islanding Detection Methods for Photovoltaic Utilityinteractive Power Systems,Report IEA PVPS T5-09[EB/OL].http://www.iea.org,2006-09-07.

[13] Li Yunwei,Vilathgamuwa D.M.,Chiang P.L.Microgrid Power Quality Enhancement Using a Three-phase Four-wire Grid-interfacing Compensator[J].IEEE Trans on Intustry Applications,2005,41(6)：1707-1719.

[14] Baran M.E.,Markaby-El.Fault Analysis on Distribution Feeders with Distributed Generators[J].IEEE Transaction of Power Systems,2005,20(4)：1757-1764.

[15] 王志群,朱守真,周雙喜.逆變型分布式電源控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電力系統(tǒng)自動化,2004,28(24)：61-66.

[16] 張 濤.微型電網(wǎng)并網(wǎng)控制策略和穩(wěn)定性分析[D].上海：華中科技大學(xué).2008.

[17] 羅建中.分布式微型電網(wǎng)并網(wǎng)研究[D].湖南：湖南大學(xué)，2009.

[18] 王成山,楊占剛,王守相，等.微網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征及控制模式分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34(1)：99-105.

[19] 肖朝霞.微網(wǎng)控制及運(yùn)行特性分析[D].天津:天津大學(xué),2009.

[20] 馬 力.CCHP及其所構(gòu)成微網(wǎng)的運(yùn)行特性研究[D].天津:天津大學(xué),2008.