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厄惟皇
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1 2018 第 46 卷第1期 Vol.46 No.1 基于 DIgSILENT 软件的微电网平滑切换的研究文浩 1 惠宇翔 2 1.国网湖北省电力公司检修公司湖北武汉三峡大学电气与学院湖北宜昌摘要实现微电网并网/孤岛运行模式平滑切换是保证微电网安全可靠运行的前提介绍了微电网分布式电源逆变器的 P/Q 和 V/f 两种控制方式并在 DIgSILENT 仿真软件中对由 P/Q 控制型分布式电源和 V/f 控制型分布式电源组成的微电网进行了并网转孤岛模式的仿真研究实现了微电网平滑切换运行维持了系统的电压和频率的稳定关键词微电网 DIgSILENT 软件平滑切换中图分类号 TM571 文献标志码 A 文章编号 Research on Microgrid Smooth Switching Based on DIgSILENT Software WEN Hao1 HUI Yuxiang2 1 State Grid Hubei Electric Power Corporation Maintenance Company Wuhan China 2. College of Electrical Engineering and Three Gorges University Yichang China Abstract: Smooth switching between grid-connected mode and grid-isolated mode in microgrid is a precondition for ensuring the safe and reliable operation of the microgrid. This paper introduces the P/Q and V/f control method used in the distributed generation inverter for the microgrid and makes a simulation research on the microgrid composed of P/Q control and V/f control based distributed generation in changing the operation mode from grid-connected to grid-isolated based on DIgSILENT simulation software realizing the smooth switching of the modes and ensuring the voltage and frequency stability of the system. Key words: microgrid DIgSILENT software smooth switching 0 静态开关由微网内部的分布式电源和储能系统为引言自身负荷进行供电当故障解除后微电网将重新转全球传统能源日益枯竭人类对用电需求的不并网和并网转孤岛过程中的供电可靠性及供电质量为联网运行[7] 为了保证微电网在孤岛并网孤岛转断提高集合各分散的小容量分布式电源的微电网系统研究逐渐成为国内外研究的热点 [1-5] 微电网是指由分布式电源储能装置能量转换装置相关需要针对微网内部不同微源采用合适的控制策略 1 分布式电源逆变器控制方式负荷和监控保护装置汇集而成的小型发配电系统一个完整的微电网构成包括分布式微电源负 [6] 荷储能系统和配套的控制系统当微电网联网正常运行时其通过公共连接点 Point of Common Coupling PCC 与相应的配电网连接当所连接的配电网发生故障时微电网快速断开公共连接点和现代电力电子逆变技术飞速发展分布式电源 Distributed Generation DG 逆变器的控制方式也各式各样目前比较常用的是逆变器的双环控制在逆变器的双环控制中逆变器分为外环控制器和内环控制器外环控制器的作用是区别不同的控制目的然后生成相应的内环控制信号其动态相应较基金项目国家自然科学基金资助项目 Project Supported by the National Natural Science Foundation of China 慢内环控制器则是对控制目的进行精细调节动态相应较快在微电网中若采取简单的控制方式时 033

2 2018 第 46 卷第 1 期 Vol.46 No.1 可以根据控制目的的不同单独对逆变器进行外环调节下面将简单介绍两种比较广泛使用的逆变 [8-10] 器外环控制方式 1.1 P/Q 控制 P/Q 控制是指使分布式电源输出的有功和无功为给定的有功和无功参考值, 即与逆变器所连接的配电网的电压和频率在允许范围内时, 保持分布式电源的有功和无功输出为一定值 P/Q 控制的本质就是对分布式电源的有功和无功进行控制其原理如图 1 所示, 其中 P 为有功功率 (MW),f 为系统频率 (Hz),Q 为无功功率 (MVar),V 为系统电压 (V) 图 1 P/Q 控制原理 Fig.1 P/Q control principle 从图 1 中可以看出, 分布式电源在正常运行时于 A 点, 此时根据图 1(a) 得到其有功输出功率为 P ref, 系统的频率为 f 0, 根据图 1(b) 得无功输出功率为 Q ref, 微网与配电网连接处母线电压为 u 0 图 1(a) 得出当系统频率在 f 2 f f 1 时, 分布式电源输出的有功功率维持在给定的参考值 P ref; 图 1(b) 得出逆变器交流侧母线电压在 u 2 u u 1 时, 输出的无功功率维持在给定的参考值 Q ref 因此, 采用 P/Q 控制方式的分布式电源不能够维持系统的电压与频率, 往往被使用在并网模式下的微源和在孤岛模式下非主控电源中 1.2 V/f 控制 V/f 控制是指无论分布式电源输出的有功和无功怎么变化, 与逆变器所连接的配电网的电压和频率保持不变其原理如图 2 所示图 2 V/f 控制原理 Fig.2 V/f control principle 从图 2 中可以看出, 分布式电源正常运行于 A 点, 根据图 2(a) 可以得到分布式电源有功输出功率为 P 0, 与逆变器所连接的配电网的频率为 f 0 根据图 2(b) 可以得到无功输出功率为 Q 0, 与逆变器所连接的配电网的电压为 V 0 通过调节分布式电源输出的有功功率, 使系统频率稳定在给定的参考值 f 0, 通过调节分布式电源输出的无功功率, 使逆变器交流侧母线电压稳定在给定值 V 0 2 微电网平滑切换控制策略当微电网并网运行时, 由配电网控制微电网内部的电压和频率, 采用 P/Q 控制策略的分布式电源可以保其自身最大的发电功率分布式电源逆变器 P/Q 控制模式一般采用外环功率和内环电流控制, 最后输出具有调节分布式逆变器输出有功和无功的脉宽调制信号当所连接的配电网故障时, 微电网断开其公共连接点, 由并网转换为孤岛模式此时, 微电网的电压和频率由微电网内部的储能系 [11] 统进行调节作为微电网内可控的微源, 储能系统承担着维持微电网中电能质量, 保证其正常运行的作用, 所以储能系统所连接的分布式逆变器通常采用 V/f 控制策略 V/f 控制策略一般采用外环 V 和 f 内环电流的控制方式, 最后输出具有调节分布式逆变器输出电压和频率的脉宽调制信号此外, 在孤岛运行时, 其他微源均采用 P/Q 控制策略本文中微电网并网运行时, 其各微源和储能系统采用 P/Q 控制策略, 微电网内电压和频率完全由配电网提供支撑在微电网进行模式切换时, 微电网内储能系统的控制策略由 P/Q 控制转换为 V/f 控制, 以保证微电网切换过程的平滑过渡, 同时维持孤岛模 [12-14] 式下微电网的电压和频率恒定 3 算例仿真与分析 3.1 微电网单台逆变器 P/Q 控制仿真在 DIgSILENT 仿真软件中搭建微电网单台逆变器 P/Q 控制模型, 如图 3 所示, 分布式电源 ( 假定为直流电压源 ) 经 0.4 kv 交流脉冲宽度调制逆变器接入微电网的 0.4 kv 交流母线上, 其采用 P/Q 控制策略此外, 负荷 1 连接在 0.4 kv 交流母线上, 脉冲宽度调制负荷连接在 0.4 kv 交流脉冲宽度调制母线上分布式电源的额定有功功率设为 0.5 MW, 无功功率设为 0.1 Mvar (1) 微电网并网正常运行时的状态, 执行仿真的总时间为 8 s 仿真结果如图 4 和图 5 所示, 在微电网并网正常运行时,P/Q 控制型逆变器所接交流母线处输出有功功率保持为 0.5 MW, 输出的无功功 034

3 2018 第 46 卷第 1 期 Vol.46 No.1 率为 0.1 Mvar Fig.3 图 3 微电网单台逆变器 P/Q 控制模型 P/Q control model of a inverter for microgrid 图 6 P/Q 控制型逆变器所接交流母线处输出有功功率波形 Fig. 6 Output active power waveform at AC bus 图 4 P/Q 控制型逆变器所接交流母线处输出有功功率波形 Fig. 4 Output active power waveform at AC bus 图 5 P/Q 控制型逆变器所接交流母线处输出无功功率波形 Fig.5 Output reactive power waveform at AC bus 图 7 P/Q 控制型逆变器所接交流母线处输出无功功率波形 Fig. 7 Output reactive power waveform output at AC bus P/Q 控制方式可以使分布式电源输出的有功和无功为给定的有功和无功参考值, 即与逆变器所连接的配电网的电压和频率在允许范围内时, 保持分布式电源的有功和无功输出为一定值 3.2 微电网单台逆变器 V/f 控制仿真在 DIgSILENT 仿真软件中搭建微电网单台逆 [15-17] 变器 V/f 控制模型, 如图 8 所示, 分布式电源 ( 假定为直流电压源 ) 经 0.4 kv 交流脉冲宽度调制逆变器接入微电网的 0.4 kv 交流母线上, 其采用 V/f 控制策略此外, 负荷 1 和负荷 2 均连接在 0.4 kv 交流母线上,0.4 kv 交流母线不与外电网相连 V/f 控制分布式电源其额定电压设为 0.4 kv, 额定频率设为 50 Hz (2) 在 3 s 将微电网逆变器输出的有功功率和无功功率分别调到 0.6 MW 和 0.2 Mvar, 实现调度的功能仿真结果如图 6~ 图 7 所示,3 s 前逆变器输出功率的有功功率为 0.5 MW, 无功功率为 0.1 Mvar, 处于正常额定工作状态 3 s 时将微电网逆变器输出的有功功率和无功功率分别调到 0.6 MW 和 0.2 Mvar 后, P/Q 控制型逆变器所接交流母线处输出有功功率和无功功率经过小幅波动后, 保持了有功功率输出 0.6 MW 和无功功率 0.2 Mvar 的状态 Fig.8 图 8 微电网单台逆变器 V/f 控制模型 V/f control model of a inverter for microgrid 035

4 2018 第 46 卷第 1 期 Vol.46 No.1 微电网正常运行时的状态执行仿真的总时间为 15 s 仿真结果如图 9 和图 10 所示在微电网孤岛正常运行时 V/f 控制型逆变器保证了其所接交流母线处的点电压额定值 0.4 kv 和频率额定 50 Hz 稳定不变图 9 V/f 控制型逆变器所接交流母线处的频率波形 Fig.9 Frequency waveform at AC bus connected to V/f control based inverter Fig.10 图 10 DG 所接交流母线处的频率波形 Frequency waveform at AC bus connected to DG Fig.11 图 11 微电网主从控制模型 Master-slave control model of microgrid 图 12 P/Q 控制方式下逆变器所接交流母线处输出的功率波形 Fig.12 Output power waveform at AC bus connected to P/Q control based inverter 3.3 微电网主从控制平滑切换仿真微电网主从控制是指在微电网处于孤岛运行模式时其中一个分布式电源采取 V/f 控制其他分布式电源则可采用 P/Q 控制 [18] 目的是 V/f 控制单元实时监测微电网的运行情况并根据系统运行状态采取相应的调节手段通过通信线路向其他的分布式电源控制单元发布调节指令从而控制微电网中各分布式电源的输出实现微电网整体的功率平衡维持微电网的正常运行 [19-20] 在 DIgSILENT 仿真软件中搭建微电网主从控制模型如图 11 所示分布式电源 DG1 和 DG2 分别经 P/Q 脉冲宽度调制逆变器和 V/f 脉冲宽度调制逆变器接入微电网的低压母线上 P/Q 脉冲宽度调制逆变器采用 P/Q 控制方式 V/f 脉冲宽度调制逆变器采用 V/f 控制方式此外负荷 1 和负荷 2 均连接在低压母线上低压母线通过变压器与外电网相连微电网主从控制仿真案例在 5 s 的时候断开 PCC 处开关微电网孤岛运行仿真结果如图 12~图 13 所示 036 图 13 P/Q 控制方式下逆变器所接交流母线处电压和频率波形 Fig.13 Voltage and frequency waveforms at AC bus 由图 12 和图 13 可知在 5 s 时微电网由并网模式转孤岛模式 P/Q 控制型逆变器的有功和无功输出经小幅波动后保持了额定输出 V/f 则保证了整个过程的平滑切换维持了系统的电压和频率的稳定上述结果验证了微电网在单台逆变器的 2 种种不同的控制模式下的有效性建立的微电网也具有较好的稳定性最后针对微电网中多台逆变器设计了微电网主从控制并通过微网与外电网断开来验证控制的有效性

5 2018 第 46 卷第 1 期 Vol.46 No.1 4 结语本文在 DIgSILENT 软件仿真平台上, 对分布式电源逆变器 P/Q 和 V/f 2 种控制策略进行了模型搭建, 并建立了含有这两种控制方式的微源的微电网仿真结果证明基于该控制策略下的微电网能够实现运行模式的平滑过渡但该微电网的结构形式较为简单, 没有充分考虑微电网内各微源的特性, 如微源出力的间歇性和储能系统的充放电能力, 所以仍需做更进一步的研究参考文献 [1] 李明. 多微电网的协调控制及其通信系统 [D]. 成都 : 西华大学,2016. [2] 张岩. 微电网平滑切换控制策略的研究 [D]. 锦州 : 辽宁工业大学,2016. [3] 杨苹. 微电网平滑切换中变流器的控制策略仿真研究 [J]. 可再生能源,2015,33(11): YANG Ping. Simulation research on control strategy of con verter in smoothing switching of microgrid[j]. Renewable Energy,2015,33(11): [4] JENKINS N,STRBAC G. Impact of embedded generation on distribution system voltage stability[c]. London: IEEE Colloquium on Voltage Collapse,1997. [5] 艾欣, 金鹏, 孙英云. 一种改进的微电网无功控制策略 [J]. 电力系统保护与控制,2013,41(7): AI Xin,JIN Peng,SUN Yingyun. An enhanced reactive sharing control strategy of microgrid[j]. Power System Pro tection and Control,2013,41(7): [6] 王明玥. 微电网逆变器并网平滑切换控制策略研究 [D]. 长沙 : 湖南大学,2015. [7] 周杰. 基于改进的 TFN-AHP 的微网群规划综合评价研究 [D]. 长沙 : 湖南大学,2015. [8] 肖泽亮. 微电网平滑切换控制方法及仿真研究 [D]. 沈阳 : 沈阳工业大学,2015. [9] 黎旭昕. 微电网孤岛 / 联网及平滑切换控制技术研究 [D]. 南京 : 南京邮电大学,2015. [10] 郑天文, 陈来军, 梅生伟. 考虑时序配合的主从微电网平滑切换控制 [J]. 电器与能效管理技术,2014,(10): ZHENG Tianwen,CHEN Laijun,MEI Shengwei. Sequen tial coordination master- slave microgrid smooth switcho ver control[j]. Electric Energy Management And Technolo gy,2014,(10): [11] 高鹏. 微电网平滑切换控制及孤岛检测方法研究 [D]. 成都 : 西南交通大学,2014. [12] 李龙. 微电网功率分配及平滑切换方法研究 [D]. 成都 : 西南交通大学,2014. [13] 韩英慧. 微电网平滑切换的控制策略研究 [D]. 北京 : 北京交通大学,2014. [14] 王鹤. 含多种分布式电源的微电网运行控制研究 [D]. 北京 : 华北电力大学,2014. [15] 程世军, 孟杰, 王晓晖, 等. 风电 - 储能联合日运行优化调度模型 [J]. 电网与清洁能源,2014,30(4): CHENG Shijun,MENG Jie,WANG Xiaohui,et al. A joint daily operational optimization model for wind power and energy storage devices[j]. Power System and Clean En ergy,2014,30(4): [16] 武星, 殷晓刚, 宋昕, 等. 中国微电网技术研究及其应用现状 [J]. 高压电器,2013,49(9): WU Xing,YIN Xiaogang,SONG Xin,et al.research on microgrid and its application in China[J]. High Voltage Ap paratus,2013,49(9): [17] 唐磊, 曾成碧, 苗虹, 等. 交直流混合微电网中 AC/DC 双向功率变流器的新控制策略 [J]. 电力系统保护与控制, 2013,41(14): TANG Lei,ZENG Chengbi,MIAO Hong,et al. One novel control strategy of the AC/DC bi-directional power convert er in micro-grid[j]. Power System Protection and Control, 2013,41(14): [18] 黄文涛, 邰能灵, 范春菊, 等. 微电网结构特性分析与设计 [J]. 电力系统保护与控制,2012,40(18): HUANG Wentao,TAI Nengling,FAN Chunju,et al. Study on structure characteristics and designing of mi crogrid[j]. Power System Protection and Control,2012,40 (18): [19] 冯博豪, 余向阳, 明尧, 等. 基于主从控制微电网的状态跟随平滑切换控制策略 [J]. 电网与清洁能源,2017,33 (3): FENG Bohao,YU Xiangyang,MING Yao,et al. Control strategy of grid connected and isolated switching for master slave control[j]. Power System and Clean Energy,2017,33 (3): [20] 刘洋, 李献伟, 王伟, 等. 基于 HMFC 的交直流混合微电网控制策略研究 [J]. 供用电,2017,34(5): LIU Yang,LI Xianwei,WANG Wei,et al. Research on the control strategy of Hybrid AC/DC microgrid based on HM FC[J]. Distribution & Utilization,2017,34(5):38-43 ( 责任编辑钱文姝 ) 收稿日期 : 作者简介 : 文浩 (1986), 男, 湖北公安人, 大学本科, 主要研究方向为电力系统运行与控制 037

第 5 卷第 9 期 3 9 年月电力电容器与无功补偿 &+ 1 ) + ; & ).& &+ 1 & / ) 5 93 & 9 67893: + 99: 单相谐波补偿电流对直流侧电压和电流纹波的影响分析!"#$%&'!"#$%&' '& ( ')&+,& '(-./01 &

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