摘 要：分布式电源包括分布式发电设备和分布式储能设备，且二者均有旋转型设备与静止型设备之分;其次，典型的分布式电源，包括光伏发电、风力发电、燃料电池发电、微型燃气轮机发电、蓄电池储能、超级电容器储能、飞轮储能和超导储能等，也具有各自不同的运行特性。本文首先从旋转型与静止型角度梳理了典型分布式电源的并网接口形式，其次针对通过电力电子变换器并网的接口形式，介绍了三种常见的控制策略，即PQ控制、V/f控制和下垂控制，并对其典型控制算法进行了仿真分析。

关键词：分布式电源;并网;接口;控制策略;仿真

中图分类号：TM61    文献标志码：A

Simulation study on control strategy of typical distributed power supply

JING Jiangping， QI Ming， SHI Weicheng， DU Weining

（Zhenjiang Power Supply Company of State Grid， Zhenjiang 212004， Jiangsu）

Abstract： Distributed power supply includes distributed power generation equipment and distributed energy storage equipment. And they are two parties of rotating equipment and static equipment. Secondly， the typical distributed power supply， including photovoltaic power generation， wind power generation， fuel cell power generation， micro-gas turbine generator， battery energy storage， super capacitor energy storage， the flywheel and the super conducting energy storage， also have different operating characteristics. This paper combs grid-connected interface of typical distributed power supply from the rotating and static perspective. And aiming at the interface through a power electronic converter， it introduces three kinds of common control strategies， namely， PQ control， V/f control and droop control， and then the typical control algorithms are simulated.

Keywords： Distributed Power Supply; Grid Connected; Interface; Control Strategy， Simulation

0 引言

由于分布式电源（Distributed Power Supply，DPS）具有投资小、清洁环保、供电可靠和发电方式灵活等优点，它作为利用可再生能源的理想形式得到了快速发展。DPS通常是指接入配电网的发电形式，如小型DPS接入400V低压配电网。DPS的种类繁多，大致可分为旋转型设备和静止型设备，不同的发电形式使得DPS的并网接口各异，且不同的运行特性又使得DPS并网控制策略的不一。

目前，从国内外的参考文献来看，DPS大多通过逆变器与电网接口，控制策略的研究也主要集中在对并网逆变器的控制方面。文献[1]引入了滑模变结构控制以减轻DPS对配电网产生的影响，并设置一定宽度的滞环带宽来消除滑模变结构控制中由于切换频率过高而带来的抖振问题。文献[2]对传统的P-f和Q-V下垂控制进行改进，实现了并网运行时基于下垂控制的间接恒功率控制方式。文献[3]提出了一种基于输入输出线性化的解耦控制策略，有效地解除了有功、无功电流分量的相互影响。文献[4]根据并网DPS的可控拟负荷外特性，设计了采用电流正弦脉宽调制调节方法的电压型逆变控制器。文献[5]从降低开关频率和改善系统输入电流谐波总畸变率的角度出发，设计了一种具有倍频效果的改进三态正弦电流滞环宽度的控制方法。文献[6]提出了基于带通滤波器的分序方法和分序控制策略，解决了四桥臂逆变器基于单同步旋转坐标的双环控制系统稳态性能差的问题。文献[7]研究了一种DPS并网的多目标优化控制策略，通过设置适当的补偿电流参考值，DPS的并网有功功率、无功功率和负载谐波电流将得到快速补偿。

本文从直流电源类型、拓扑结构等角度对静止型DPS的并网接口进行了归纳，并对旋转型DPS的并网接口从电机种类的角度进行了阐释。针对目前DPS大多通过逆变器与电网接口的控制策略，详细分析了基本的三种控制策略的原理，即PQ控制、V/f控制和下垂控制，并对其典型的控制算法进行了仿真分析。

1 并网接口形式

DPS包括分布式发电设备和分布式储能设备，二者都有旋转型与静止型之分，且具有各自不同的运行特性，故并网接口形式也将不同。

1.1 静止设备

1.1.1 按直流电源类型分类

光伏电池、燃料电池等发电设备和蓄电池、超级电容、超导等储能设备发出的都是直流电，需要经逆变器转换为交流电才能并网。按照直流侧电源类型的不同，可以分为电压源型逆变器和电流源型逆变器，如图1所示。

（a）电流源型并网逆变器                      （b）电压源型并网逆变器

图1 并网接口按直流电源类型分类

光伏电池、超导储能等具有电流源特性，一般通过电流源型逆变器并网;而燃料电池、蓄电池、超级电容等具有电压源特性，一般通过电压源型逆变器并网。

1.1.2 按拓扑结构分类

逆变器的拓扑结构种类很多，按照特性的不同，通常可以从变压器、功率变换级数的角度进行分类，如图2所示。

（a）双级无变压器型

（b）单级工频变压器型

（c）三级高频变压器型

图2 并网接口按拓扑结构分类

双级无变压器型逆变器逆变系统，首先将发电设备产生的直流电经Boost变换器（对于储能装置，应首先经双向DC/DC变换）升压后再经逆变器并网。单级工频变压器型逆变系统，首先将电源产生的直流电经逆变器变换成工频低压交流电，再通过工频变压器升压后并网。三级高频变压器型逆变系统，首先将电源产生的直流电经高频逆变后再经高频变压器和整流电路得到高压直流电，然后经逆变器和滤波电路与电网连接。

1.1.3 多DPS联合并网

对于光伏电池这类发电功率波动性电源，往往需要配合储能装置或具有功率调节能力的发电设备联合并网，以平抑其功率的波动。

常见的并网接口如图3所示，大致可分为通过直流母线并网和交流母线并网两类，在多DPS并网过程中，也可以混合使用直流母线和交流母线。

（a）通过直流母线并网

（b）通过交流母线并网

图3 多DPS联合并网接口

1.2 旋转设备

1.2.1 异步电机

异步型风力发电系统和双馈型风力发电系统是由风力机驱动异步电机发出交流电，再经电力电子变换器和变压器并网。常见的并网接口如图4所示。

（a）异步型

（b）双馈型

图4 风力发电系统并网接口

异步型风力发电系统根据并网电压的要求可以直接并网或通过变压器并网，双馈型风力发电系统的异步电机转子侧通过AC/DC和DC/AC变换器与定子侧共同并网，变压器也是根据并网电压的要求来选择。

1.2.2 永磁同步电机

直驱型风力发电系统由于采用了低速（多极）交流电机，因此在风力机和交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱，而成为无齿轮箱的直接驱动型。为了简化电机的结构，常采用永磁体励磁的永磁同步发电机，发出低频交流电。常见的并网接口如图5所示，AC/DC整流电路将低频交流电转化为直流电，DC/AC逆变电路将直流电转换为工频交流电。

微型燃气轮机直接驱动内置式高速永磁同步发电机，转速为50000r/min～120000r/min，高频交流电经过整流器和逆变器，转换为工频交流并网。常见的并网拓扑结构如图6所示。

图5 直驱型风力发电系统并网接口

图6 微型燃气轮机发电系统并网接口

1.2.3 永磁无刷直流电机

飞轮储能系统要求驱动飞轮的永磁无刷直流电机能够运行在电动、能量保持和发电运行三种运行状态，常见的并网接口如图7所示。

图7 飞轮储能系统并网接口

交流充电电源通过AC/DC整流电路得到直流电，双向能量变换器将直流电逆变为120°方波电流驱动电机;飞轮储能系统放电时通过DC/AC逆变器输出满足要求的交流电能，供给负载。若只考虑飞轮储能系统并网运行情况，它的并网接口如同直流电源经双向DC/DC和DC/AC双级变换与电网接口一样，只是在充电时，DC/AC工作于整流状态，放电时，DC/AC工作于逆变状态。对于所有经双向DC/DC和DC/AC变换器并网接口的储能装置，由于能量的双向流动，DC/AC均需在整流与逆变状态间切换。

2 并网控制策略

DPS大多通过电力电子变换器与电网接口，故对DPS的控制主要是对电力电子变换器的控制。常见的DPS并网变换器控制策略主要有恒功率PQ控制、恒压恒频V/f控制和下垂控制三种[8]。

2.1 恒功率PQ控制

在PQ控制模式下，无论频率和电压如何变化，控制器都将维持逆变器的输出功率为给定值。PQ控制策略的原理如图8所示。

（a）频率-有功下垂特性           （b）电压-无功下垂特性

图8 PQ控制原理图

如图8（a）所示，有功功率控制器将调整频率-有功下垂特性曲线，使DPS输出的有功功率维持在Pref附近;如图8（b）所示，无功功率控制器将调整电压-无功下垂特性曲线，使DPS输出的无功功率维持在Qref附近。

2.2 恒压恒频V/f控制

当DPS并网接口逆变器采用V/f控制时，不管输出功率如何变化，其输出电压和频率维持不变。V/f控制的原理如图9所示。

（a）频率-有功下垂特性           （b）电压-无功下垂特性

图9 V/f控制原理图

如图9所示，DPS输出的有功功率无论从PB变化到PC或PA，其并网电压的频率始终为50Hz;且DPS输出的无功功率无论从QB变化到QC或QA，其并网电压的幅值恒为额定值1.0pu。

2.3 下垂控制

下垂控制是模拟传统电网中发电机的运行特点，根据输出功率的变化控制输出电压和频率，使其跟踪下垂特性。但DPS的并网电压等级通常为中压10～35kV和低压400V，线路参数X/R很小，与大电网不一致，故分布式电源的下垂控制与大电网中的发电机下垂控制略有差异。

（a）功率传输示意图

（b）相位关系图

图10 功率传输关系图

如图10给出了分布式电源并网的功率传输关系图，从图中可以得出DPS输出功率的表达式为：

逆变电源输出电压的幅值可以直接控制，而其相位控制则是通过调节逆变单元输出角频率ωinv或频率finv来实现的，即：

根据线路参数特性，中低压、高压的功率传输表达式有所不同，从而下垂控制的表达式也有所不同。当线路阻抗中电抗远远大于电阻时，采用有功-频率（P-f）和电压-无功（Q-V）控制方式;反之采用有功-电压（P-V）和无功-频率控制（Q-f）反调差控制，如表1所示。根据线路的阻抗特性，选择正确的下垂控制方式才能实现有功无功的解耦控制。

表1 不同输出阻抗的下垂控制方式

假设两个DPS分别通过逆变器并网，其有功-频率特性和无功-电压特性曲线如图11所示，其无功-频率特性和有功-电压特性曲线如图12所示。

图11 P-f、Q-V下垂特性曲线

图12 Q-f、P-V下垂特性曲线

各并网DPS通过调整各自输出电压的频率和幅值，使其降低或升高到一个新的稳定工作点，从而实现输出功率的合理分配。若各DPS下垂特性的斜率都相等，则在稳定运行时各DPS的出力将相同;若各DPS下垂特性的斜率不相等，则稳定运行时斜率绝对值大的将承担小的功率，而斜率绝对值小的则要承担大的功率。因此，采用下垂特性的控制策略可以自动调节负载功率，但电压幅值和系统频率的稳态指标却无法得到满足。在理论上该下垂系数（斜率）可以设置为任意小的一个数值，但在实际工程应用中往往受到硬件的影响而不得不采取一个较折中的值[9]。

3 控制算法及仿真分析

3.1 PQ控制算法

基于d-q变换的前馈解耦PQ控制算法是目前应用于DPS并网的主流方法，它包括功率外环和电流内环的双环控制方法。内环电流控制参考信号id_ref、iq_ref由有功、无功功率指令解算得出，id_ref、iq_ref经前馈解耦获得电压控制参考信号，以控制逆变器发出恒定功率。在三相平衡条件下，定义d轴与PCC点电压矢量重合，则uq=0，故可按如图13所示前馈电流解耦PQ控制算法解算功率外环[10]。

忽略功率外环控制部分，该PQ控制算法的数学模型可描述为：

（9）

式中：id、iq为逆变器输出电流的d轴、q轴分量，ed、eq为逆变器输出电压的d轴、q轴分量，ud、uq为PCC点电压的d轴、q轴分量，R、L为连接电抗器的等效电阻、电感。

当电流控制器采用PI控制时，ed、eq的控制方程则为：

（10）

在Matlab/Simulink平台上搭建逆变器并网PQ控制仿真模型，控制回路如图13所示，主电路拓扑如图2（b）所示。仿真过程设置如下：0.2s时刻有功功率指令值增加，0.4s时刻无功功率指令值增加。仿真得到逆变器输出有功功率、无功功率、三相电压和三相电流如图14所示。

图13 前馈电流解耦PQ控制算法

（a）有功功率曲线                  （b）无功功率曲线

（c）并网三相电压                    （d） 并网三相电流

图14 逆变器PQ控制仿真图

由图14可见，逆变器输出有功功率和无功功率能够跟随指令信号，达到PQ控制目标。

3.2 V/f控制算法

V/f控制策略是利用逆变器反馈电压来调节交流侧电压来保证电压的稳定，常采用电压外环、电流内环的双环控制方法。电压外环控制输出电压稳定，电流内环改善控制系统的动态性能。V/f解耦控制方式与PQ解耦控制方式类似，其控制算法原理如图15所示[11，12]。

图15 V/f控制算法原理图

图15中的电压、电流关系可由图16清晰可见，RLC电路为逆变器与大电网之间的耦合电路。

在Matlab/Simulink平台上搭建逆变器并网V/f控制仿真模型，控制回路如图15所示，主电路拓扑如图16所示，逆变器左侧端口接直流电压源，并网端口接RLC三相负载。仿真过程设置如下：0.5s时刻负载有功功率增加，0.8s时刻负载无功功率增加。仿真得到逆变负载有功功率、负载无功功率、系统频率和负载三相电压如图17所示。

图16 逆变器并网端口耦合电路

图17 逆变器V/f控制仿真图

由图17可见，在负荷变化的情况下，系统频率和负载电压均能在额定范围内，维持恒压恒频运行。

3.3 下垂控制算法

如果负荷需要在各PQ控制的逆变器中平均分配，则逆变器PQ控制所需的功率参考量则不能直接给出，而是需要由（倒）下垂特性曲线得到。同样，下垂特性也可以用在V/f控制模式中，即电压和频率参考值由下垂特性曲线得到，此时负荷将根据下垂系数来分配[13]。

图18 下垂特性运用于PQ控制策略框图

图19 下垂特性运用于V/f控制策略框图

图18中倒下垂特性曲线可由下式得出：

（11）

式中：P0和Q0为额定有功功率和额定无功功率，V0和f0为系统额定电压和额定频率，kfp为P-f下垂曲线的斜率，kvq为Q-V下垂曲线的斜率。

图19中下垂特性曲线可由下式得出：

（12）

式中：P0和Q0为额定有功功率和额定无功功率，V0和f0为系统额定电压和额定频率，kpf为f-P下垂曲线的斜率，kqv为V-Q下垂曲线的斜率。

由以上分析可见：所谓的下垂控制或者倒下垂控制，只不过是在V/f控制或PQ控制上略做修改，将参考信号由给定值改成由（倒）下垂特性曲线解得，故控制的本质还是V/f控制或PQ控制。在此，故不再对这一控制算法进行真分析。

4 结语

静止型分布式电源主要通过电力电子变换器和变压器与电网接口，而旋转型分布式电源除电力电子变换器和变压器外，还需要通过异步电机、同步电机和直流电机等与电网接口。未来随着光伏发电和风力发电等间歇性、波动性分布式电源渗透率的不断提高，分布式电源对配电网的不利影响也将逐渐显现出来。为了协调二者之间的矛盾，通常分布式电源需要通过微电网组织模式与配电网接口，故在微电网中的分布式电源控制不仅仅只能考虑自身的并网控制策略，往往还要兼顾与其它分布式电源的配合，使得微电网的协调控制研究显得尤为必要。

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作者简介：

荆江平（1987-），男，硕士，助理工程师，从事新能源发电和微电网运行与控制研究。

祁明（1968-），男，工程师，技师，从事电网监控运行工作。

施伟成（1966-），男，高级工程师，高级技师，从事电力系统调度运行与控制工作。

杜炜凝（1969-），男，助理工程师，技师，从事电力系统调度运行与控制工作。