学术︱基于公共母线电压的微电网孤网运行下垂控制策略

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电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学）、许继电气股份有限公司的研究人员吴翔宇、沈沉等，在2015年第24期《电工技术学报》上撰文指出，在微电网孤网运行系统中，传统下垂控制策略大多将频率引入控制中，但是在以纯逆变器为接口的微电网中，系统功率的不平衡量难以通过频率直接反映。根据微电网公共母线电压幅值（V），以及d轴与q轴电压的比值（rat）同微电网系统有功和无功不平衡量之间的关系，设计了P-V、Q-rat下垂控制策略。

该控制策略能够使微电网在孤网运行时维持电压及频率稳定，并且使所有的分布式电源按照预先设定的下垂系数分配有功及无功功率。

微电网是一种可将各种小型分布式电源组合起来为当地负荷提供电能的低压电网。它具有并网和孤网两种运行模式，能提高负荷侧的供电可靠性。微电网在并网运行时，各分布式电源发出指定的有功及无功功率，负荷的增减由大电网进行平衡，系统的电压和频率也由大电网来维持稳定。但是当微电网转入孤网运行后，由于失去了大电网的支撑，系统的电压和频率必须由微电网自身来调节。

目前微电网孤网运行模式下主要的电压频率控制方法有主从控制和对等控制两种。主从控制是指微电网在孤网运行时由其中一个分布式电源作为主控制源，采用恒压恒频控制，负责维持系统的电压和频率稳定，其他分布式电源发出指定的有功及无功功率，系统的负荷变化由这个主控制源来进行调节[1]。

但是这种控制方法对主控制源要求较高，其容量必须较大且可靠性较高，一旦主控制源出现故障整个微电网系统就会崩溃。在对等控制方式下，微电网中各个分布式电源的地位是平等的，没有主与从之分，共同实现微电网中的负荷分配。下垂控制属于对等控制。

在传统大电力系统的频率和电压调节中，由于同步发电机的一次调频特性，系统有功功率平衡情况和系统频率有下垂关系，同时无功功率平衡情况和系统电压也有下垂关系。微电网中的分布式电源大多是通过逆变器同大电网相连接，通过推导逆变器发出的有功、无功功率同逆变器输出电压及输出阻抗的关系，人们发现在以逆变器为接口的微电网系统中同样存在有功与频率、无功与电压的下垂关系，基于这种关系的下垂控制可以使微电网在孤网模式下稳定运行，完成负荷分配[1-3]。

下垂控制的本质是根据逆变器发出的有功和无功来得到频率和电压的参考值，而倒下垂方法将这个过程倒过来，根据检测到的频率和电压得到有功和无功的参考值，可以将逆变器控制成为一个具有下垂特性的功率源[4,5]。由于微电网处于中低压配电网中，而低压线路的阻抗通常以电阻为主，此时有功P与电压V、无功Q与频率f的耦合关系更强。

文献[6,7]设计了P-V、Q-f下垂控制，用于微电网孤网运行中。但是这种方法与传统同步发电机一次调频不兼容，而且当逆变器使用LCL滤波器或通过变压器接入公共母线时又有可能使逆变器的输出阻抗以感性为主。

为了改变逆变器的输出阻抗特性，以便于统一使用P-f、Q-V下垂控制，文献[8,9]使用了构造虚拟阻抗的方法，可以将逆变器的输出阻抗人为设计成为感性。由于线路阻抗的存在，线路上各点电压不一致，因此在利用Q-V下垂关系进行控制时，会造成无功分配存在误差，文献[10,11]提出的补偿方法改善了无功负荷的分配效果。下垂控制的固有特点是属于有差调节，在稳态下存在电压和频率的偏差，文献[12,13]引入了PI控制，通过上下平移下垂曲线可以实现频率和电压的无差调节。

在传统下垂控制中，系统频率f往往作为一个控制变量。在传统大电力系统中，由于同步发电机的存在，系统的频率f由发电机转子的转速决定，并且转子具有很大的惯性，系统负荷的变化在暂态过程中可以由转子上的能量进行平衡。

但是当微电网中的分布式电源全部由逆变器接入电网时，由于逆变器直流母线电容上储存的能量有限，属于小惯性系统，而且系统的频率由控制器决定，因此分布式电源输出的功率是同系统频率解耦的，分布式电源不能像传统电力系统那样通过频率变化来反映功率的不平衡[14,15]。而且当微电网中多台逆变器同时参与系统频率调节时，容易造成系统不稳定。

本文所研究的微电网特指所有分布式电源均通过逆变器并入电网，通过对逆变器系统进行公式推导，发现负荷母线电压的幅值影响有功功率平衡，而d轴与q轴电压的比值影响无功功率平衡。

根据此关系，提出了一种基于电压的下垂控制方法，该方法将逆变器系统频率固定在50Hz，根据电压幅值-有功下垂曲线以及电压比值-无功下垂曲线得到有功以及无功的参考值，再通过PQ控制使得逆变器发出设定的功率，完成有功及无功负荷在各逆变器之间的合理分配。

该下垂控制策略突破了传统下垂控制中必须将频率引入控制中的限制，通过PSCAD/EMTDC仿真软件进行建模与仿真，验证了所提出控制策略的有效性。

图5  下垂控制总体结构

结论

本文提出了一种基于公共母线电压的下垂控制策略。首先针对一个典型的带LC滤波器孤立运行的逆变器，推导出了负荷电压幅值反映有功功率平衡，负荷电压d轴、q轴的比值反映无功功率平衡的结论；然后根据这一关系进行了微电网分布式电源下垂控制策略的设计。由下垂控制方程得到逆变器的有功、无功参考值后对逆变器进行PQ控制，使其发出的有功及无功跟踪参考值；最后以一个含两台逆变器的微电网系统为例进行了仿真，通过稳态运行及负荷投切时的仿真结果验证了所提出控制策略的有效性。

该下垂控制策略突破了传统下垂控制中必须将频率引入控制中的限制，能够保证微电网孤网运行时电压频率的稳定以及按照逆变器各自的容量大小来进行负荷的合理分配。

分布式发电与微电网（微信号：dggrid）

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