微電網控制策略研究1. 分布式電源及其等效模型1.1 分布式電源的定義國際上關于分布式發電的定義較多，沒有形成對分布式發電的統一定義，不僅不同國家和組織，甚至是同一國家的不同地區對分布式發電的理解和定義都不盡相同，以下是幾種比較有代表性的：（1）國際能源署對分布式發電的定義為：服務于當地用戶或當地電網的發電站，包括內燃機、小型或微型燃氣輪機、燃料電池和光伏發電技術，以及能夠進行能量控制及需求側管理的能源綜合利用系統；（2）美國公共事業管理政策法對分布式發電的定義為：小規模、分散布置在用戶附近，可獨立運行、也可以聯網運行的發電系統；（3）丹麥對分布式發電的定義為：靠近用戶，不連接到高壓輸電網，裝機規模小于10mw的能源系統；（4）德國對分布式發電的定義為：位于用戶附近，接入中低壓配電網的電源。接入電壓等級限制為20kv，主要包括光伏、風電和小水電；（5）法國對分布式發電的定義為：接入低壓配電網，直接向用戶供電的電源。接入電壓等級限制為20kv，容量限制為10mw，主要是熱電聯產、小水電和柴油機。綜合以上幾種定義的共同點，可以認為分布式電源指的是以新能源發電為主，容量較小且靠近負荷中心的發電設備，如小型風力發電機和光伏電池等。目前，微電網示范工程中的分布式電源主要包括柴油機、微型燃氣輪機、小型水力發電機、小型風機、燃料電池和光伏電池，此外，還有少數的生物柴油機、液流電池、超級電容、飛輪儲能等。1.2 分布式電源的并網方式雖然各種分布式電源都可以接入微電網為負荷供電，但由于它們自身的一下特點和微電網對電能質量及供電可靠性的要求，各類分布式電源的并網方式不盡相同。小型水力發電機、鼠籠型異步風機和柴油機等小型常規發電機輸出穩定，可直接并網。光伏電池、燃料電池和直流風機等直流分布式電源輸出直流電，通常需要經逆變器接入交流微電網，這種并網方式稱為直交式并網。微型燃氣輪機和同步風力發電機輸出幅值頻率變化的交流電電氣量,需要整流逆變后才能并網，這種并網方式稱為交直交并網，對應的分布式電源統稱交直2交分布式電源。為了保證分布式電源的靈活性和可靠性，在微電網設計中主要采用經逆變器接入的分布式電源，包括直流分布式電源和交直交分布式電源。另外，微電網設計中還加入了大量的儲能裝置，如蓄電池、超級電容和液流電池等，它們也需要經過雙向逆變器與微電網連接。本文把直流分布式電源和交直交分布式電源統稱為逆變型分布式電源(inverter basic distributed generation,下文簡稱ibdg),并對其進行建模。1.3 分布式電源建模無論直流分布式電源，還是交直交分布式電源,為了使逆變器輸入端電壓滿足要求（電壓等級和電壓穩定性要求），逆變器前端通常需要加入dc-dc變換器，因此逆變器前端可以看做直流穩壓電源，ibdg也就可以看做直流穩壓電源和逆變器的串聯模型，如圖1所示。ibdg等效模型中的pwm逆變器為電壓型逆變器，下文對逆變器的分析均針對電壓型逆變器。圖1 ibdg等效模型圖2. 逆變器常用的控制方法根據上文，ibdg由直流環節經電壓型逆變器并網，逆變器輸出端的電壓電流頻率由逆變器的控制策略決定，電壓的幅值由逆變器輸入端直流電壓和逆變器控制策略共同決定。因此，逆變器的控制策略在整個微電網控制中就顯得尤為重要。常用的控制方法有pq控制，vf控制和下垂控制。2.1 pq控制pq控制指的是逆變器輸出的有功功率p和無功功率q的大小可控，均可以根據設定值輸出。圖2 pq雙環控制框圖pq雙環控制框圖如圖2所示。在逆變器與電網連接線上測量電流和電壓，并對測定得值進行dq變換，dq變換得到電壓的d軸分量ud和q軸分量uq，電流的d軸分量id和q軸分量iq。瞬時功率模塊根據基于dq變換的瞬時功率計算方法計算時候逆變器輸出的有功功率p和無功功率q，并將所得結果p和q輸出。功率外環控制模塊根據有功功率的設定值pref和無功功率的設定值qref以及逆變器輸出的實時有功功率p和無功功率q生成電流直軸分量參考值id_ref和交軸分量參考值iq_ref并輸出。電流內環控制模塊根據id_ref，iq_ref，id和iq，生成脈寬調制系數d軸分量pmd和q軸分量pmq。逆變驅動信號生成模塊根據pmd和pmq生成逆變器驅動信號驅動逆變器工作，使逆變器輸出功率與設定值接近，從而實現了逆變器的pq控制。圖3 pq外環控制框圖pq雙環控制包括pq外環控制和電流內環控制。pq外環控制框圖如圖3所示，逆變器輸出的實時有功功率p與參考值pref作比較得到差值p，實時有功功率q與參考值qref作比較得到差值q,對p和q分別進行pi控制輸出電流直軸分量參考值idref和交軸分量參考值iqref。本文中，考慮到實際中逆變器均有限流環節，所以對參考電流進行了限幅控制。限幅控制通過中的dq分量限幅模塊實現。圖4電流內環控制框圖電流內環控制如圖4所示，id_ref和id差值通過比例積分控制輸出脈寬調制系數d軸分量pmd，iq_ref和iq差值通過比例積分控制輸出脈寬調制系數q軸分量pmq。逆變驅動信號生成模塊根據pmd和pmq以及pwm相關算法（本文選擇spwm算法）生成逆變器驅動信號驅動逆變器開關管導通和關斷，控制逆變器工作。pq控制下的逆變器，只要有功功率的設定值pref和無功功率的設定值qref設置得當，不超過逆變器的容量和最大允許電流，則逆變器輸出的有功功率有功功率p和無功功率q跟隨設定值，因而實現了pq控制。pq控制方式通過將有功功率和無功功率解耦，對電流進行控制。在微電網并網運行模式下，微電網內的負荷波動、頻率和電壓擾動均由大電網承擔，各分布式電源不參與微電網頻率和電壓的調節，直接采用電網頻率和電壓作為支撐。綜上，pq控制的優勢在于，可以根據需要動態調節有功功率的設定值pref和無功功率的設定值qref，將其應用到光伏發電和風力發電等發電量不穩定系統中，可以最大限度地提高新能源的利用率。其缺點在于，采用該種控制方式的分布式電源并不能維持系統的頻率和電壓。如果是一個獨立運行的微網系統。則系統中必須有維持頻率和電壓的分布式電源。如果是與常規電網并網運行，則由常規電網維持電壓和頻率。2.2 v-f控制v-f控制即恒壓恒頻控制，指的是通過控制手段使逆變器輸出端口電壓的幅值u和頻率f保持恒定。圖5 v-f雙環控制框圖v-f控制通常采用雙環控制，雙環控制框圖如圖5所示。與上文中pq雙環控制一樣，v-f雙環控制以同樣的方法得到id，iq和p。另外，v-f雙環控制通過鎖相環測得系統頻率f，通過電壓幅值計算模塊得到逆變器出口處線電壓幅值u。v-f外環控模塊根據電壓幅值的設定值uref、頻率的設定值fref、逆變器輸出的實時有功功率p、系統頻率f和逆變器出口處線電壓幅值u生成電流直軸分量參考值id_ref和交軸分量參考值iq_ref并輸出。電流內環控制模和逆變驅動信號生成模塊功能與上文pq雙環控制一樣，不再贅述。圖6 v-f外環控制框圖v-f外環控制框圖如圖6所示，頻率設定值fref與實時系統頻率f差值f經pi控制輸出有功功率參考值pref，pref與逆變器輸出有功功率p差值經比例積分控制輸出電流參考值直流分量，電壓額定值uref和逆變器端口電壓u差值u經比例積分控制輸出電流參考值交流分量，電流參考值交直流分量經dq分量綜合限幅模塊進行幅值限制，輸出id_ref和iq_ref。v-f雙環控制的內環控制也是電流控制，與pq雙環控制中的電流內環控制方法一樣，因此不再贅述。在微電網孤島運行模式下，由v-f控制的ibdg調節微電網內的微電網頻率和電壓,維持微電網的頻率和電壓穩定。2.3 下垂（droop）控制下垂（droop）控制是指通過控制逆變器實現與傳統電力系統的頻率一次調整相類似的調節特性。目前針對逆變器主要采用的下垂控制方法與傳統的同步發電機調節相似，采用有功頻率（pf）和無功電壓（qv）的調節方式。逆變器的有功頻率（pf）的調節特性如圖7所示，當系統頻率f下降時，逆變器輸出的有功功率p增加；系統頻率f上升時，逆變器輸出的用功功率p減小。因此逆變器輸出的有功功率p隨著系統頻率f變化而自動調節，以達到維持系統頻率動態穩定的作用。顯然這種調節是有差調節，與同步發電機的頻率一次調整類似。圖7有功頻率（pf）調節特性逆變器的無功電壓（qv）的調節特性如圖8所示，當出口電壓u下降時，逆變器輸出的無功功率q增加；出口電壓u上升時，逆變器輸出的無功功率q減小。因此逆變器輸出的無功功率q隨著出口電壓u變化而自動調節，以達到維持出口電壓u穩定的作用。顯然這種調節是也是有差調節，與同步發電機勵磁調節相類似。圖8無功電壓（qv）調節特性3. digsilent仿真軟件簡介digsilent是德國digsilentgmbh公司開發的一款電磁、機電暫態混合仿真程序，它適用于電力系統幾乎所有領域，并提供了全面準確的分析功能。digsilent這一名稱來源于digital simulation and electrical network。3.1 digsilent常用功能介紹digsilent（以14.0.512為準）包含11個常用模塊和6個附件模塊。常用模塊包括基本功能模塊（包括潮流計算和故障分析）、保護模塊、配電網優化模塊、諧波分析模塊、最優潮流模塊（包括無功功率優化和經濟性調度功能）、可靠性分析模塊、狀態估計模塊、穩定性分析模塊、電磁暫態模塊和小信號穩定性（特征值分析）模塊，附件模塊包括動態參數識別、dsl動態仿真語言加密、pss/e數據接口、iec61970標準cim接口、iec61968標準cim接口和opc(過程控制的連接與嵌入)接口。下面針對一些常用功能進行詳細介紹。1. 潮流計算digsilent可以描述復雜的單相和三相交流系統及各種交直流混合系統。潮流求解過程提供了3種方法以供選擇：經典的牛頓拉夫遜算法、牛頓拉夫遜電流迭代法和線性方程法（直接將所有模型作線性化處理）。在進行潮流計算的同時，digsilent 還有變電站控制、網絡控制和變壓器分接頭調整控制可供選擇。2、故障分析digsilent 故障分析功能既可以分別根據iec 909、ieee std141/ ansie37. 5 以及德國的 vde102標準進行，也可以根據 digsilent自身所提供的綜合故障分析方法進行。digsilent故障分析功能支持幾乎所有的故障類型（包括復故障分析）。3、動態仿真digsilent軟件提供的仿真語言(digsilent simulation language-dsl)，使用戶可以自定義模型：任何類型的靜態/動態的多輸入/多輸出模型，例如電壓控制器、pss 等。該軟件既可以進行短期（電磁）暫態仿真，也可以進行中期（機電）暫態仿真和長期暫態仿真。digsilent幾乎可以仿真各種類型的故障。仿真過程中的任何變量(包括dsl 所提供的) 都可以被觀察，并可將其通過虛擬表計功能(virtualinstrument - vi) 繪制成曲線圖。此曲線圖可以被保留，以便于與其他仿真過程進行比較。4、諧波分析digsilent可以模擬各種諧波電流源和電壓源，并提供計及集膚效應和內在自感的與頻率相關的元件模型。在綜合考慮網絡中所有元件后，計算出三相諧波電壓和電流的分布（非平衡諧波潮流），確定和分析諧波失真系數，并以合適的步長繪制網絡頻率響應圖。5、保護分析digsilent保護分析工具是該軟件基本功能元件庫的補充，它包含了許多額外的元件如 ct、vt、繼電器等，同時還允許用戶自定義保護方案。所有這些保護元件在靜態、暫態情況下都能夠使用。在所有可能的仿真模式如潮流分析、故障分析、機電暫態和電磁暫態等情況下這些保護元件都能夠響應。6、可靠性分析digsilent提供的可靠性計算將系統充裕性和安全性進行了綜合考慮，主要包括三個方面：預想事故分析、發電可靠性估計和網絡可靠性估計。7、最優潮流計算最優潮流計算是對基本潮流計算的有效補充。最優潮流計算主要采用內點法，并提供了多種約束條件和控制手段，其考慮的目標函數主要有最小網損、最小燃料費用、最大利潤及最小區域交換潮流。8、配網優化digsilent能夠實現以下三種優化功能：電容器選址優化、解環點優化、電纜補強優化。電容器最優選址用于確定電容器在安裝至配網時的最優位置、型號以及容量，使用梯度搜索或tabu搜索方法。解環點優化能夠在滿足電網電壓和負荷要求的同時通過改變網絡拓撲最小化網損。電纜補強優化能夠對過載電纜實現最經濟有效的升級，針對給定的電纜成本和電壓跌落限值能夠自動選出相應的電纜。9、低壓網絡分析digsilent 的低壓網絡分析使用戶能夠實現：根據連接到某一線路上的用戶數量來定義負荷、考慮負荷的多樣性、在進行潮流計算時考慮負荷多樣性并計算電壓最大跌落值和最大支路電流、電壓跌落和電纜負載率分析等。低壓網絡分析是 digsilent軟件的標準特征之一。3.2 digsilent的三種操作模式digsilent的最大特點之一是數據庫管理、高度的圖形化操作和仿真語言三種操作模式相結合，用戶既可以通過數據管理器在數據庫中對電網組件或控制部分的數據進行輸入和修改，也可以選擇直接在圖形窗口中進行電網繪制并進行數據的設置和修改，控制功能和仿真過程皆可以在圖形窗口搭建模塊和設置，也可以編程實現，三種模式相互結合，大大提高了軟件的可操作性，為使用者提供了極大的便利。1. 圖形窗口與元件模型庫digsilent 提供了全面的電力系統元件的模型庫，包括發電機、電動機、變壓器、線路、動態負荷、并聯設備（母線和開關設備）和控制器的模型，還有風電機組電氣部分的模型如：雙饋感應電機、變頻器等都包含在已有模型庫的標準元件中。在圖形窗口，使用者可以以拖拽方式使用元件模型庫中的標準電氣模型搭建電氣連接圖，完成電氣網絡的構建并完成部分電氣參數的設置。2. 數據庫digsilent通過數據庫實現了數據的儲存。它采用多用戶數據庫服務，每個用戶只能通過各自的賬號登陸，登錄后只能對自己賬號名下的project進行操作而無權訪問他人的賬號。所有賬號均可訪問共同的數據庫library ，這樣不僅方便操作，還保證了各用戶的數據安全。library里存儲了以各種元件在不同電壓等級下的參數、部分元件的控制模塊和常用的傳遞函數等。風速、機械傳動系統、空氣動力學部分及風電機組的控制系統都采用動態仿真語言 dsl 在軟件中編寫和創建，并存存放于digsilent的數據庫中。3. dsl和dpl仿真語言digsilent不但有著豐富的模型庫和各種內嵌的計算功能，而且還向用戶提供了面向程序化過程的編程語言dpl (digsilent programming language)和面向連續過程的仿真語言dsl( digsilent simulation language，使用戶能夠方便的創建自定義的控制模型和計算功能。dsl主要用來描述數學模型，比如控制器、控制對象等。用戶可以根據需要，使用dsl創建一個新的動態控制單元，從系統中提取信號，然后經過信號的控制處理，將信號回饋回系統，從而使系統按照要求運行，類似于寫傳遞函數。同其它仿真和編程語言相同，dsl擁有一套專門的語法。dpl主要編寫新的計算功能以分析電力系統的各種工作狀態，實現電力系統運行仿真中的某些控制、動作之類的操作或事件，如用dpl在動態仿真時改變發電機的勵磁電流。4. digsilent實例仿真4.1 逆變器pq控制策略仿真圖 9 逆變器pq控制策略仿真電氣接線圖在digsilent搭建如圖 9所示的電氣接線圖，用來做pq控制策略的仿真研究。逆變器直流側經直流母線dc bus接理想直流電源，交流側接交流母線ac bus，ac bus另一側與外部電網和負載load連接。dc bus額定電壓設為1kv，ac bus額定電壓設為0.4kv，load額定功率設定為，外部電網以sl節點模式輸出，承擔系統的頻率和電壓擾動。圖 10逆變器pq控制策略仿真雙環控制框圖根據上文章節2.1的pq雙環控制策略在digsilent中搭建雙環控制框圖如圖 10所示。pq測量模塊測量逆變器輸出有功功率p和無功功率q，測得結果輸入pq控制模塊，pq參考值設置模塊對有功功率參考值pref和無功功率參考值qref進行設定,pq控制模塊是整個控制的核心，鎖相環提供逆變器出口線電壓相角余弦值cosref和正弦值sinref，電流內環控制使用digsilent自帶模塊，嵌套在逆變器模塊內部，控制邏輯如上文章節2.1的圖4所示，參數設置如下：kd=0.4,td=0.1,kq=0.4,tq=0.1。圖 11 逆變器pq控制策略仿真外環控制框圖圖 12 pi環節dsl語言圖 13 dq limiter dsl語言在digsilent中搭建的pq外環控制框圖如圖 11所示，pi調節模塊和dq limiter通過編寫dsl語言實現，如圖 12和圖 13所示。pi調節參數設置如下：kd=1,td=0.01,kq=1,tq=0.01。pq參考值設置功能通過編寫dsl語言實現,參考值pref和qref在仿真過程中可以按照需要進行更改。pq測量模塊和鎖相環模塊均使用digsilent自帶模塊。設pref =0.20mw,qref =0.10mvar,設置仿真時間為2s,仿真模式選擇電磁暫態(emt)模式，對pq控制逆變器輸出有功功率p和無功功率q進行觀測,結果如圖 14所示。從結果可以看出，逆變器在所用pq雙環控制方法下能夠按照設定值穩定輸出結果，達到了預期效果。圖 14 pq控制策略下逆變器輸出有功功率和無功功率為了驗證pq雙環控制算法具有較快的響應速度，在仿真過程中動態改變有功功率和無功功率的設定值。0秒時，與上文一樣，設pref =0.20mw,qref =0.10mvar；0.4秒時，同時減小有功功率和無功功率設定值，設pref =0.18mw,qref =0.08mvar；0.8秒時，同時增大有功功率和無功功率設定值，設pref =0.22mw,qref =0.12mvar；1.2秒時，減小有功功率并增大無功功率設定值，設pref =0.18mw,qref =0.14mvar；1.6秒時，增大有功功率并減小無功功率設定值，設pref =0.24mw,qref =0.08mvar。pq控制逆變器輸出功率跟蹤設定值效果如圖 15所示，從效果曲線可以看到，本文pq雙環控制算法具有較快的響應速度，經定量測算，當有功功率設定值改變0.02mw時，響應時間tp約為0.05秒；當無功功率設定值改變0.02mvar時，響應時間tq也約為0.05秒。因此，本文所設計pq雙環控制算法的響應速度能都滿足工程要求。圖 15 pq控制逆變器輸出功率跟蹤設定值效果曲線圖4.2 逆變器v-f控制策略仿真圖 16 逆變器v-f控制策略仿真電氣接線圖在digsilent搭建如圖 16所示的電氣接線圖，用來做v-f控制策略的仿真研究。逆變器直流側經直流母線dc bus接理想直流電源，交流側接交流母線ac bus，ac bus另一側與負載load連接。dc bus額定電壓設為1kv，ac bus額定電壓設為0.4kv，load額定功率設定為，v-f控制逆變器承擔整個小系統頻率和電壓擾動。圖 17逆變器v-f控制策略仿真雙環控制框圖根據上文2.2的v-f雙環控制策略在digsilent中搭建雙環控制框圖如圖 17所示。pq測量模塊測量逆變器輸出有功功率，測得結果輸入v-f控制模塊，v和f參考值設置模塊對逆變器出口端線電壓參考值uref和頻率參考值fref進行設定,v-f控制模塊是整個控制的核心，鎖相環提供逆變器出口線電壓相角余弦值cosref、正弦值sinref和頻率f，電流內環控制與pq控制策略仿真一樣，使用digsilent自帶模塊，嵌套在逆變器模塊內部，控制邏輯如上文章節2.1的圖4所示，參數設置如下：kd=0.6,td=0.01,kq=0.6,tq=0.01。圖 18逆變器v-f控制策略仿真外環控制框圖根據上文2.2所提出的控制原理在digsilent中搭建的v-f外環控制框圖如圖 18所示。比例積分環節的參數設置如下：k=1,t=10,kd=2,td=0.01,kq=2,tq=0.002。v和f參考值設置功能通過編寫dsl語言實現,設置參考值uref =0.4kv,fref =50hz。pq測量模塊和鎖相環模塊均使用digsilent自帶模塊。設置仿真時間為1s,仿真模式選擇電磁暫態(emt)模式，對v-f控制逆變器輸出電壓的線電壓有效值、相電壓波形和頻率f進行觀測，結果如圖 20和圖 20所示。圖 19 v-f控制策略下逆變器輸出電壓的線電壓有效值和相電壓波形圖 20 v-f控制策略下逆變器輸出電壓的頻率f從結果可以看出，逆變器在所用v-f雙環控制方法下能夠按照設定值穩定輸出結果，達到了預期效果。為了驗證本文中基于v-f雙環控制策略的ibdg能承擔整個小系統頻率和電壓擾動，在仿真過程中動態投入和切除電動機負荷，觀測v-f控制逆變器輸出電壓的線電壓有效值u和頻率f的變化情況。圖 21 逆變器v-f控制策略仿真電氣接線圖（含電動機負荷）如圖 21所示，圖中的電動機負荷額定功率為4kw，通過斷路器的開合，控制電動機的投切，具體設置如下：00.4秒時，電動機不投入運行；0.40.8秒時，電動機投入運行；1.2秒時，電動機退出運行。仿真時間設置為2秒，響應情況如圖 23所示圖 22和圖 23所示。圖 22 動態投切電動機負荷時，v-f控制逆變器輸出功率響應曲線從圖 22可以看出，電動機在0.4秒投入運行和1.2秒退出運行時，逆變器輸出功率快速響應，以維持系統有功功率和無功功率平衡。圖 23 動態投切電動機負荷時，v-f控制逆變器輸出電壓響應從圖 23可以看出，電動機在0.4秒投入運行和1.2秒退出運行時，逆變器輸出電壓的幅值和頻率都有小幅度的波動，但逆變器快速響應，使逆變器輸出電壓的幅值和頻率快速恢復。這就驗證了，在逆變器容量范圍內，本文中基于v-f雙環控制策略的ibdg能夠承擔整個小系統頻率和電壓擾動，并且具有很快的響應速度。5. 微電網計劃孤島運行仿真由上文的分析可以知道， pq控制ibdg能最大限度提高新能源利用率，但不能維持系統電壓和頻率穩定；vf控制ibdg能夠維持系統電壓和頻率穩定。結合兩者的特點，設計微電網計劃孤島網絡如圖 24所示。計劃孤島中，設計兩臺ibdg，ibdg 1的逆變器用pq控制策略控制，ibdg 2的逆變器用v-f控制策略控制。ibdg 1出口母線bus 1上連接負載load 1，其額定功率為：，。ibdg 2出口母線bus 2上連接負載load 3和電動機1，load 3額定功率為：，電動機1額定功率為4kw。bus 1和bus 2 分別經過1km和500m電纜連接到微電網公共母線上，電纜型號為bd-fpe al2-4x5，單位電阻r0