典型的微電網(wǎng)分層控制策略綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u21459典型的微電網(wǎng)分層控制策略綜述 111661.1引言 1145311.2微網(wǎng)逆變器建模與控制 154131.1.1三相逆變器建模 1287821.1.2逆變器控制方法 3150911.3微電網(wǎng)分層控制 7320491.4小結(jié) 91.1引言逆變器是光伏電池、蓄電池、燃料電池等直流分布式電源接入交流母線的接口，逆變器的控制策略直接關(guān)乎分布式電源的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也是微電網(wǎng)的基礎(chǔ)控制部分。本章首先建立了微網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型，介紹了適用于分布式電源的微網(wǎng)逆變器的三種控制策略：恒功率控制(控制)、恒壓/恒頻控制(控制)、下垂控制（控制），其中重點(diǎn)分析了下垂控制功率傳輸特性。此外，從更加安全可靠、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行微電網(wǎng)角度出發(fā)，引入了微電網(wǎng)的分層控制，本章突出闡述了側(cè)重本地分布式電源的一次控制層和側(cè)重微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的二次控制層，并介紹了各層的控制目標(biāo)，為后續(xù)一次控制層和二次控制層控制策略的研究設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。1.2微網(wǎng)逆變器建模與控制在交流微電網(wǎng)中逆變器是將直流（）變換成交流（）的一種常見電力變換裝置，按其直流側(cè)電源性質(zhì)不同可分為電壓源型逆變器（VSI）和電流源型逆變器（CSI），CSI的直流側(cè)常串有大電感，它有電流輸出、功率輸出功能，沒有電壓支撐功能；VSI的直流側(cè)并有大電容，具有電壓支撐功能，其控制更加靈活。本節(jié)將以VSI為基礎(chǔ)進(jìn)行建模分析，并介紹相應(yīng)的常用逆變控制方法。1.1.1三相逆變器建模如圖2-1所示為三相電壓源型逆變器原理圖。圖2-1三相電壓型逆變器拓?fù)鋱D由圖2-1可知，直流側(cè)并聯(lián)有大容量電容濾波以保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，通過(guò)控制六個(gè)橋臂的開關(guān)管依次開通和關(guān)斷將直流電壓調(diào)制轉(zhuǎn)換為交流電壓，但此交流電壓中存在有高次諧波，使用濾波器濾除這些諧波后便可得到質(zhì)量較好的正弦波電壓，可為本地負(fù)載供電亦或是并入交流電網(wǎng)。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)圖中LC濾波器的電感，，三相線路阻抗一致，即，。圖中，為逆變器輸出的三相電壓，為逆變器輸出的三相電流，為經(jīng)濾波后的輸出三相電壓，為經(jīng)線路電阻后的三相電壓，、為網(wǎng)側(cè)的三相電壓和電流。由電路原理知識(shí)可以得到逆變器的以下數(shù)學(xué)模型：由KVL得濾波器電感電壓回路方程： (1.1)由KCL得濾波器電容電流回路方程： (1.2)由KVL得線路電感電壓回路方程： (1.3)以上模型是abc三相靜止坐標(biāo)系下建立的，不利于進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，因此在這里進(jìn)行坐標(biāo)變換，將abc三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。對(duì)式（1.1）～（1.3）進(jìn)行恒功率正交派克（Park）變換可得： (1.4) (1.5) (1.6)式（1.4）～（1.6）中為dq軸的旋轉(zhuǎn)角速度；、為經(jīng)Park變換后的d、q軸分量；、為經(jīng)Park變換后的d、q軸分量；、為經(jīng)Park變換后的d、q軸分量；、為經(jīng)Park變換后的d、q軸分量；、為經(jīng)Park變換后的d、q軸分量；、為經(jīng)Park變換后的d、q軸分量。1.1.2逆變器控制方法從式（1.4）～（1.6）可知，d、q軸存在耦合關(guān)系，故逆變器需進(jìn)行解耦控制。不同的分布式電源適用于不同的逆變器控制策略，比較常用的是雙環(huán)控制系統(tǒng)，一般根據(jù)外環(huán)控制器的不同來(lái)將逆變器控制策略進(jìn)行分類，本節(jié)以正弦脈寬調(diào)制（）技術(shù)作為基礎(chǔ)，介紹控制、控制、控制。1）控制控制即恒功率控制，在此控制策略下當(dāng)逆變器所在微網(wǎng)系統(tǒng)的電壓、頻率在允許范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，DG輸出的有功功率和無(wú)功功率始終穩(wěn)定在設(shè)定值。控制由功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)是將有功、無(wú)功功率解耦后進(jìn)行控制，對(duì)參考電流進(jìn)行無(wú)靜態(tài)誤差快速跟蹤?？刂瞥?yīng)用于并網(wǎng)模型下分布式電源的逆變器，也適用于離網(wǎng)模式下的從控單元。在dq坐標(biāo)系下控制框圖可描述為圖2-2所示。圖2-2PQ控制框圖2）控制控制即恒壓/恒頻控制，在此控制策略下當(dāng)DG的輸出功率和系統(tǒng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，逆變器所接的交流母線電壓幅值和頻率始終保持某個(gè)恒定值不變?？刂朴珊銐?恒頻外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。外環(huán)通過(guò)調(diào)節(jié)DG輸出的有功、無(wú)功功率使頻率、電壓維持在設(shè)定的參考值，內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)同圖2-2類似，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電流的快速跟蹤。在dq坐標(biāo)系下控制框圖可描述為圖2-3所示。圖2-3V/f控制框圖3）控制控制即下垂控制，其基本思想是模擬發(fā)電機(jī)組的功頻特性，即通過(guò)和特性曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)各DG機(jī)組有功、無(wú)功功率的無(wú)互聯(lián)均分控制，并維持系統(tǒng)頻率和電壓的在穩(wěn)定值。下垂控制具有諸多優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需通信鏈路，能方便靈活的實(shí)現(xiàn)DG“即插即用”功能等，是微電網(wǎng)研究領(lǐng)域中最為常見的一種控制策略，同時(shí)也是本文的重點(diǎn)研究對(duì)象。下面以單臺(tái)分布式電源為例進(jìn)行下垂控制原理及功率傳輸特性分析，簡(jiǎn)單起見，用一個(gè)恒壓源代替分布式電源和逆變器，其后接RL阻抗來(lái)模擬等效阻抗，最后連至交流母線，具體等效電路如圖2-4所示。圖2-4單DG功率傳輸?shù)刃щ娐穲D圖中，是DG的輸出電壓，是電壓功角，是DG的等效阻抗，由逆變器輸出阻抗和線路阻抗兩部分構(gòu)成，是阻抗角，是交流母線電壓，是功率流，是有功功率，是無(wú)功功率。則根據(jù)潮流計(jì)算相關(guān)知識(shí)，單臺(tái)DG輸出有功、無(wú)功功率表達(dá)式如下： (1.7)為進(jìn)一步簡(jiǎn)化分析，可認(rèn)為逆變器輸出電壓與交流母線電壓間的電壓功角是一個(gè)很小的值，此時(shí)可取，，則式（1.7）變?yōu)椋? (1.8)微電網(wǎng)系統(tǒng)中的線路阻抗一般有強(qiáng)感性、強(qiáng)阻性、阻感性三種，對(duì)應(yīng)于有三種形式。當(dāng)?shù)刃ё杩篂閺?qiáng)感性，認(rèn)為，；當(dāng)?shù)刃ё杩篂閺?qiáng)阻性，認(rèn)為，；當(dāng)?shù)刃ё杩篂樽韪行匀员硎緸?，?jù)此，代入式（1.8）可得不同等效阻抗下的有功無(wú)功功率表達(dá)式，如表1.1所示：表2-1三種等效阻抗對(duì)應(yīng)的有功和無(wú)功功率表達(dá)式等效阻抗情況P、Q表達(dá)式強(qiáng)感性，強(qiáng)阻性，阻感性，由表2-1可進(jìn)一步對(duì)應(yīng)于感性、阻性、阻感性三種下垂控制策略，其中感性下垂控制是三者中控制效果最好的。從表中還可以看出，DG輸出有功、無(wú)功功率與電壓幅值、頻率有關(guān)，而頻率由于電壓功角有著直接的關(guān)系，所以下垂控制又可細(xì)分為頻率下垂控制和功角下垂控制。接下來(lái)，以最常見的同時(shí)也是本文后續(xù)將采用的基于和的感性頻率下垂控制進(jìn)行闡述。當(dāng)?shù)刃ё杩篂楦行詴r(shí)，由表2-1可知，DG輸出的有功功率的大小主要取決于，又與關(guān)聯(lián)；無(wú)功功率的大小主要取決于電壓差，因此感性頻率下垂控制可實(shí)現(xiàn)與、與這兩對(duì)關(guān)系間的解耦控制，基于和的感性頻率下垂控制是通過(guò)不斷調(diào)節(jié)和的大小來(lái)分別控制DG輸出電壓的頻率和幅值，以圖2-5所示的感性頻率下垂控制的功率特性曲線對(duì)此作具體說(shuō)明。圖2-5感性頻率下垂控制的功率特性曲線圖中，點(diǎn)為DG的初始運(yùn)行點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的初始頻率為，初始電壓幅值為，初始有功和無(wú)功功率為和。假設(shè)某一時(shí)刻系統(tǒng)的有功負(fù)荷突然增大，DG輸出有功功率的不足導(dǎo)致頻率的下降，此時(shí)DG按下垂特性調(diào)節(jié)輸出有功功率使其增大以滿足系統(tǒng)需求，由負(fù)荷調(diào)節(jié)特性可知負(fù)荷有功功率也因頻率下降而有所降低，最終DG穩(wěn)定運(yùn)行到一個(gè)新的平衡點(diǎn)，調(diào)節(jié)過(guò)程中，DG輸出有功功率增大到達(dá)，頻率下降，最終穩(wěn)定在，如圖2-5（a）所示。同理，若某一時(shí)刻系統(tǒng)的無(wú)功負(fù)荷突然增大，由特性曲線和負(fù)荷調(diào)節(jié)特性，最終DG穩(wěn)定運(yùn)行到一個(gè)新的平衡點(diǎn)，無(wú)功功率與電壓的具體關(guān)系如圖2-5（b）所示?；诤偷母行灶l率下垂控制是利用其下垂特性，再根據(jù)有功和無(wú)功功率的測(cè)量值來(lái)確定DG的輸出電壓幅值和頻率的參考值，最后送入電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)中形成軸調(diào)制量。其下垂控制方程可表述為： (1.9)式中，、為第個(gè)DG通過(guò)下垂控制環(huán)所形成的頻率和電壓幅值參考值，、為逆變器輸出頻率和電壓幅值的額定值，、分別為有功控制控制系數(shù)和無(wú)功下垂控制系數(shù)，、為DG額定有功和無(wú)功功率，、為DG輸出的實(shí)時(shí)有功和無(wú)功功率。基于和的感性頻率下垂控制的控制框圖如圖2-6所示。圖2-6感性頻率下垂控制的典型控制結(jié)構(gòu)1.3微電網(wǎng)分層控制為了賦予微電網(wǎng)智能性和靈活性，保證微電網(wǎng)更加經(jīng)濟(jì)、合理高效的運(yùn)行，J.M.Guerrero等人基于ISA-95標(biāo)準(zhǔn)提出了微電網(wǎng)分層控制思想[37]?，F(xiàn)階段，微電網(wǎng)的分層控制的研究均基于此，微電網(wǎng)分層控制架構(gòu)一般分為三層，下一控制層受上一控制層的監(jiān)管，并接受來(lái)自上一控制層提供的參考指令。微電網(wǎng)分層控制架構(gòu)如圖2-7所示，三層分別從保持穩(wěn)定運(yùn)行、提高電能質(zhì)量、提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)合理的控制微電網(wǎng)系統(tǒng)。圖2-7微電網(wǎng)分層控制架構(gòu)一次控制（）稱為第一層，主要是針對(duì)分布式電源本身進(jìn)行控制，不依賴于通信網(wǎng)絡(luò)，目的是維持分布式電源輸出電壓幅值和頻率在穩(wěn)定值，并按照需求均衡輸出功率。一次控制層的控制模式主要有主從控制和對(duì)等控制，主從控制中其中一個(gè)DG作為主控單元，其他DG則為從控單元，主控單元采用控制向系統(tǒng)提供參考頻率和電壓，從控單元采用控制向系統(tǒng)提供所需要的有功和無(wú)功功率，不參與系統(tǒng)電壓幅值和頻率的穩(wěn)定調(diào)節(jié)；對(duì)等控制模式一般指前文提到的下垂控制，此時(shí)系統(tǒng)中各DG的地位相同，無(wú)主次之分，即通過(guò)各DG的下垂控制方程不斷調(diào)節(jié)有功和無(wú)功功率在各DG間合理均勻的分配，同時(shí)能調(diào)節(jié)維持各DG電壓幅值和頻率穩(wěn)定，以滿足負(fù)荷實(shí)時(shí)變化所造成的功率變化。因DG采用對(duì)等模式中的下垂控制時(shí)易于實(shí)現(xiàn)“即插即用”功能，而更多地被學(xué)者們作為一次控制層進(jìn)行研究。二次控制（）稱為第二層，主要是針對(duì)微電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行進(jìn)行控制，目的是提高微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和電能質(zhì)量，包括：頻率和電壓幅值恢復(fù)至額定值、各DG間有功和無(wú)功功率的合理分配、諧波抑制及不平衡控制等。采用上述提到的下垂控制作為一次控制雖然可以使系統(tǒng)電壓幅值和頻率保持穩(wěn)定，但穩(wěn)定值非額定值，二者具有一定偏差，此時(shí)則需要頻率二次控制和電壓二次控制使頻率和電壓幅值恢復(fù)至額定值，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能。另外，頻率作為全局變量，僅僅通過(guò)一次控制中的頻率下垂控制便可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)DG間的有功功率按容量均勻分配；然而，DG輸出電壓是一個(gè)局部變量，加上各DG的等效阻抗往往不相同，僅靠一次控制中的無(wú)功下垂控制無(wú)法使DG間無(wú)功功率按容量大小均勻分配，這就會(huì)導(dǎo)致某些DG過(guò)載，并聯(lián)的DG間存在較大的環(huán)流，嚴(yán)重影響系統(tǒng)中電力電子設(shè)備的使用壽命，使系統(tǒng)運(yùn)行不可靠、效率低下。因此，需要無(wú)功二次控制起到均分無(wú)功功率的作用。此外，當(dāng)微電網(wǎng)含不平衡負(fù)載或非線性負(fù)載時(shí)，DG輸出電壓電流會(huì)存在不對(duì)稱情況或畸變情況，也需要二次控制來(lái)提升電能質(zhì)量。二次控制的實(shí)現(xiàn)常用集中式控制與分布式控制，本文重點(diǎn)基于分布式進(jìn)行控制策略設(shè)計(jì)。三次控制（）稱為第三層，也稱能量管理層，主要是按照調(diào)度需求和市場(chǎng)情況，制定合理經(jīng)濟(jì)的計(jì)劃來(lái)控制微電網(wǎng)與大電網(wǎng)、微電網(wǎng)間的實(shí)時(shí)運(yùn)行，目的是優(yōu)化微電網(wǎng)的能