陳奇方，朱小蘭，張文青，舒海蓮，甄少嶼

（1.浙江省紹興新昌縣供電局，浙江 新昌 312500；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 210000）

基于Matlab/Simulink的分布式電源控制方法

陳奇方1，朱小蘭1，張文青1，舒海蓮2，甄少嶼1

（1.浙江省紹興新昌縣供電局，浙江 新昌 312500；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 210000）

微電網(wǎng)是一個(gè)由各種分布式電源及各類(lèi)負(fù)荷組成的微型電力系統(tǒng)，它將分布式電源納入了各級(jí)配電網(wǎng)，是解決未來(lái)能源問(wèn)題及利用可再生能源、綠色能源的重要途徑。然而微電網(wǎng)的形成以及能否順利在各運(yùn)行模式和相應(yīng)過(guò)渡模式下可靠運(yùn)行，必須建立在良好的控制性能基礎(chǔ)上。對(duì)于微電網(wǎng)的控制，首先要解決的又是分布式電源（DG）的控制。保證各分布式電源單體的良好控制，實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定供電，是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)可靠運(yùn)行的前提。

當(dāng)前對(duì)于不同類(lèi)型的分布式電源（DG）和控制要求，主要控制方法有：恒功率控制（PQ control）、恒壓恒頻控制（V/f control）和下垂控制（Droop control）。為驗(yàn)證這3種控制方法的實(shí)用性，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)并建立了獨(dú)自的仿真模型，并利用Matlab/Simulink仿真環(huán)境，通過(guò)仿真分析對(duì)應(yīng)算例，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)模型的實(shí)效性。

1 恒定功率（PQ）控制原理及建模仿真

1.1 控制原理及建模

PQ控制的原理是將P和Q解耦，對(duì)電流進(jìn)行控制，采用PI控制器使得穩(wěn)態(tài)偏差為零。其目的是利用逆變器的控制來(lái)確保各分布式電源輸出的P和Q保持恒定?？傮w框圖如圖1所示。

圖1 PQ控制總圖Fig.1 PQ control graph

Project Supported by the National Natural Science Fund（50807035）.

恒功率控制采用SPWM調(diào)制解調(diào)方法，主要是利用軟件鎖相環(huán)的電流（I）跟蹤控制，控制模塊放置在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下。恒功率控制模型主要包含3個(gè)模塊：dq變換與鎖相環(huán)、電流控制和功率控制。

以圖1虛線(xiàn)框圖模塊為基礎(chǔ)，建立恒功率控制模型，見(jiàn)圖2。

圖2 恒定功率（PQ）控制模型Fig.2 The PQ control model

依據(jù)圖1，在Matlab/Simulink中設(shè)計(jì)一個(gè)PQ控制的模型，用于檢驗(yàn)PQ控制的實(shí)效性，建立的仿真模型如圖3所示。模型中分布式電源為恒功率控制，仿真過(guò)程利用直流電源等值。Load為恒定功率負(fù)荷。在設(shè)計(jì)仿真總時(shí)長(zhǎng)為1 s、0.5 s時(shí)，恒定功率控制的參照P、Q產(chǎn)生突變。設(shè)置相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖3 PQ控制系統(tǒng)仿真Fig.3 Simulation of the PQ control system

表1 恒定功率控制模型相關(guān)參數(shù)Tab.1 Relative parameters of the constant power control model

1.2 仿真結(jié)果分析

PQ控制相關(guān)的仿真結(jié)果輸出如圖4所示。

圖4 PQ控制法仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of the PQ control strategy

由仿真結(jié)果圖4（a）、圖4（b）可以得知，分布式電源發(fā)出的P、Q在0.5 s時(shí)，同時(shí)由25 000 W和0 var增加到30 000 W和10 000 var，與PQ控制器設(shè)定的參照值對(duì)應(yīng)，由此說(shuō)明PQ控制模型比較好地控制了電源輸出的P、Q。由仿真結(jié)果圖4（a）、圖4（b）知，當(dāng)電網(wǎng)P、Q產(chǎn)生突變時(shí)，母線(xiàn)電壓U仍然保持基本恒定，頻率f起始有小幅波動(dòng)，波動(dòng)最大0.004 3 Hz，滿(mǎn)足f變化小于等于0.01 Hz的條件，隨之趨向于穩(wěn)定50 Hz。仿真結(jié)果顯示，本文所設(shè)計(jì)建立恒定功率控制模型具有較好的實(shí)效性。

2 恒壓恒頻（V/f）控制原理及建模仿真

2.1 控制原理及建模

恒壓恒頻控制的目的是，盡可能的使主要控制的微電源輸出的頻率（f）和電壓（V）保持穩(wěn)定，以保證孤島系統(tǒng)內(nèi)其余附屬微電源與負(fù)荷安全穩(wěn)定運(yùn)行。該控制策略是使用逆變器反饋V來(lái)調(diào)節(jié)交流側(cè)V以確保電壓V的基本穩(wěn)定，通常使用外環(huán)電壓V與內(nèi)環(huán)電流I雙環(huán)控制方法。外環(huán)電壓V控制能確保輸出電壓的穩(wěn)定，內(nèi)環(huán)電流I控制使得電流隨著系統(tǒng)電壓波動(dòng)而及時(shí)變化，提高抗干擾的能力。

如圖5所示，于dq坐標(biāo)系里，利用內(nèi)環(huán)電流I外環(huán)電壓V控制策略，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微電源輸出電壓V的跟蹤控制在dq變化過(guò)程中，頻率f保持恒定，以確保電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

圖5 V/f控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 The structure diagram of V/f control

圖5中，Rn、Cn、Ln分別為濾波電阻、濾波電容和濾波電感；Zn為負(fù)載阻抗；Vn為逆變器橋輸出電壓；iLn為輸出電流；un為負(fù)載電壓；iCn為濾波電容電流；iZn為負(fù)載電流；ion為流向饋線(xiàn)的電流為可控正弦調(diào)制信號(hào)。以圖5虛線(xiàn)框圖模塊為基礎(chǔ)，建立恒壓恒頻控制模型，見(jiàn)圖6。

圖6 恒壓恒頻（V/f）控制模型Fig.6 The V/f control model

恒壓恒頻控制模型分2個(gè)模塊，即u、i雙環(huán)控制模塊與dq變換模塊。該模型的輸入量包含：d、q軸的參照電壓、負(fù)載電壓Un和電容電流iCn，若設(shè)置d、q軸的參照電壓，即可獲得峰值為的三相對(duì)稱(chēng)電壓。同時(shí)得到輸出的6路PWM控制脈沖。

依據(jù)框圖6，在Matlab/Simulink中設(shè)計(jì)一個(gè)V/F控制的模型，用于檢驗(yàn)V/F控制的實(shí)效性，建立的仿真模型如圖7所示。模型中分布式電源為恒功率控制，仿真過(guò)程利用直流電源等值。Load為恒定功率負(fù)荷。設(shè)計(jì)仿真總時(shí)長(zhǎng)為2 s、0.5 s時(shí)，恒壓恒頻控制模型的電壓參照值發(fā)生突變，頻率保持不變。設(shè)置相關(guān)參數(shù)如表2所示。

圖7 V/f控制系統(tǒng)仿真Fig.7 Simulation of the V/f control system

表2 恒定電壓頻率控制模型相關(guān)參數(shù)Tab.2 Relative parameters of the V/f control model

2.2 仿真結(jié)果

恒壓恒頻控制相關(guān)的仿真結(jié)果輸出如圖8、圖9所示。

由圖8可以得出，仿真0～1 s時(shí)，母線(xiàn)電壓幅值由537.2 V下跌至440.1 V，這跟V/f控制器設(shè)定的參照值相符。由此可以得出所設(shè)計(jì)V/f控制模型對(duì)DG輸出電壓的控制效果是明顯的。由圖9可以得出，在母線(xiàn)電壓下跌的過(guò)程中，頻率f也出現(xiàn)了波動(dòng)，但波動(dòng)值小于允許范圍，由此看出，微電源若采取恒壓恒頻控制可以給微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行時(shí)提供較為穩(wěn)定的頻率支持。仿真結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)建立恒定功率控制模型具有較好的實(shí)效性。

圖8 恒壓恒頻控制線(xiàn)電壓Fig.8 The line voltage of the V/f control

圖9 恒壓恒頻控制電網(wǎng)頻率Fig.9 The frequency of the V/f control

3 下垂（Droop）控制原理及建模仿真

3.1 控制原理及建模

Droop控制方法的原理是各逆變器檢測(cè)輸出功率的大小，根據(jù)自身容量，通過(guò)頻率與電壓幅值來(lái)調(diào)節(jié)輸出的有功無(wú)功。各逆變器通過(guò)下垂控制得到輸出電壓頻率和幅值的指令值，然后微調(diào)其輸出電壓幅值和頻率達(dá)到系統(tǒng)有功和無(wú)功合理分配。這種自我調(diào)節(jié)過(guò)程一直持續(xù)到微電網(wǎng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的工作點(diǎn)。Droop控制結(jié)構(gòu)包含功率控制和電壓電流雙環(huán)控制，見(jiàn)圖10。

由圖11，建立模型：結(jié)合原理圖，建立基于Droop控制的小系統(tǒng)，來(lái)驗(yàn)證Droop控制的有效性。設(shè)計(jì)仿真算例如圖12所示。算例中DG為Droop控制，仿真中用直流源代替。負(fù)荷load1和load2都采用恒功率負(fù)荷。仿真總時(shí)間為1.5 s。在1.0 s時(shí)刻，切除load2。參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

圖10 Droop控制結(jié)構(gòu)圖Fig.10 The structure diagram of Droop control

圖11 Droop控制仿真模型Fig.11 Simulation model of the Droop control

圖12 Droop控制仿真模型Fig.12 Simulation model of the Droop control

表3 Droop控制算例參數(shù)設(shè)置Tab.3 Relative parameters of the Droop control case

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 Droop控制仿真結(jié)果Fig.13 Simulation results of the Droop control

從圖13（a）、圖13（b）看出，在1 s時(shí)刻切除load2，DG發(fā)出的有功和無(wú)功功率，分別從50 kW和10 kvar減少到40 kW和0；從圖13（c）、圖13（d）可以看出，母線(xiàn)的電壓略有下降，A相電壓幅值由310 V增加到312 V，頻率由50.21 Hz增加到50.32 Hz，最大波動(dòng)為0.004 Hz。由此可見(jiàn)，Droop控制模型滿(mǎn)足P-f和Q-V控制原理，并能保證電壓變化不大于5%，頻率變化不大于1%。仿真表明，所建立的Droop控制模型有較好的正確性和有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用Matlab/Simulink仿真環(huán)境，根據(jù)PQ、V/f和Droop 3種典型微電源控制方法的基本原理，建立了仿真模型。在分析原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真算例，驗(yàn)證了各模型的正確性和有效性。仿真結(jié)果表明：PQ控制可實(shí)現(xiàn)微電源有功和無(wú)功功率的指定控制；V/f控制實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷功率變化時(shí)不同微電源間變化功率的共享，且在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)能為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐；Droop控制模型能夠?qū)崿F(xiàn)功率共享并保證頻率和電壓的穩(wěn)定。所建立的模型可以用于分布式電源并網(wǎng)或接入微電網(wǎng)運(yùn)行控制問(wèn)題的研究，具有一定的通用性和拓展性。

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（編輯 董小兵）

Control Strategy of DG Based on Matlab/Simulink

CHEN Qifang1，ZHU Xiaolan1，ZHANG Wenqing1，SHU Hailian2，ZHEN Shaoyu1
（1.Shaoxing Xinchang Power Supply Bureau，Xinchang 312500，Zhejiang，China；2.Nanjing Nari Relays Electric Co.，Ltd.，Nanjing 210000，Jiangsu，China）

分布式電源控制是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)控制及可靠運(yùn)行的前提。利用Matlab/Simulink仿真環(huán)境，根據(jù)PQ、V/f、Droop3種典型微電源控制方法的基本原理，建立了仿真模型。在分析原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真算例，驗(yàn)證了各模型的正確性和有效性。仿真結(jié)果表明：PQ控制可實(shí)現(xiàn)微電源有功和無(wú)功功率的指定控制；V/f控制實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷功率變化時(shí)不同微電源間變化功率的共享，且在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)能為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐；Droop控制模型能夠?qū)崿F(xiàn)功率共享并保證頻率和電壓的穩(wěn)定。所建立的模型可以用于分布式電源并網(wǎng)或接入微電網(wǎng)運(yùn)行控制問(wèn)題的研究，具有一定的通用性和拓展性。

微電網(wǎng)；分布式電源；Matlab/Simulink；控制方法

The control strategy of DG has dominating effects on reliable operation of the microgrid.In this paper，three typical micro grid control strategies，namely PQ，V/f and Droop，are established in Matlab/Simulink respectively based on the principle of control strategies and conclusions are made accordingly.Effectiveness and correctness of the model established is verified through the simulation example.

microgrid；DG；Matlab/Simulink；control strategy

1674-3814（2015）04-0036-06

TM74

A

國(guó)家自然科學(xué)基金（50807035）。

2014-10-16。

朱小蘭（1964—），女，工程師，從事電力調(diào)度運(yùn)行方式管理工作。