微电网控制方略研究1. 分布式电源及其等效模型1.1 分布式电源的定义国际上有关分布式发电的定义较多，没有形成对分布式发电的统一定义，不仅不同国家和组织，甚至是同一国家的不同地区对分布式发电的理解和定义都不尽相似，如下是几种比较有代表性的：（1）国际能源署对分布式发电的定义为：服务于本地顾客或本地电网的发电站，涉及内燃机、小型或微型燃气轮机、燃料电池和光伏发电技术，以及可以进行能量控制及需求侧管理的能源综合运用系统；（2）美国《公共事业管理政策法》对分布式发电的定义为：小规模、分散布置在顾客附近，可独立运营、也可以联网运营的发电系统；（3）丹麦对分布式发电的定义为：接近顾客，不连接到高压输电网，装机规模不不小于10MW的能源系统；（4）德国对分布式发电的定义为：位于顾客附近，接入中低压配电网的电源接入电压级别限制为20kV，重要涉及光伏、风电和小水电；（5）法国对分布式发电的定义为：接入低压配电网，直接向顾客供电的电源接入电压级别限制为20kV，容量限制为10MW，重要是热电联产、小水电和柴油机综合以上几种定义的共同点，可以觉得分布式电源指的是以新能源发电为主，容量较小且接近负荷中心的发电设备，如小型风力发电机和光伏电池等。
目前，微电网示范工程中的分布式电源重要涉及柴油机、微型燃气轮机、小型水力发电机、小型风机、燃料电池和光伏电池，此外，尚有少数的生物柴油机、液流电池、超级电容、飞轮储能等1.2 分布式电源的并网方式虽然多种分布式电源都可以接入微电网为负荷供电，但由于它们自身的一下特点和微电网对电能质量及供电可靠性的规定，各类分布式电源的并网方式不尽相似小型水力发电机、鼠笼型异步风机和柴油机等小型常规发电机输出稳定，可直接并网光伏电池、燃料电池和直流风机等直流分布式电源输出直流电，一般需要经逆变器接入交流微电网，这种并网方式称为直—交式并网微型燃气轮机和同步风力发电机输出幅值频率变化的交流电电气量,需要整流逆变后才干并网，这种并网方式称为交—直—交并网，相应的分布式电源统称交直交分布式电源为了保证分布式电源的灵活性和可靠性，在微电网设计中重要采用经逆变器接入的分布式电源，涉及直流分布式电源和交直交分布式电源此外，微电网设计中还加入了大量的储能装置，如蓄电池、超级电容和液流电池等，它们也需要通过双向逆变器与微电网连接本文把直流分布式电源和交直交分布式电源统称为逆变型分布式电源(Inverter Basic Distributed Generation,下文简称IBDG),并对其进行建模。
1.3 分布式电源建模无论直流分布式电源，还是交直交分布式电源,为了使逆变器输入端电压满足规定（电压级别和电压稳定性规定），逆变器前端一般需要加入DC-DC变换器，因此逆变器前端可以看做直流稳压电源，IBDG也就可以看做直流稳压电源和逆变器的串联模型，如Error! Reference source not found.所示IBDG等效模型中的PWM逆变器为电压型逆变器，下文对逆变器的分析均针对电压型逆变器图1 IBDG等效模型图2. 逆变器常用的控制措施根据上文，IBDG由直流环节经电压型逆变器并网，逆变器输出端的电压电流频率由逆变器的控制方略决定，电压的幅值由逆变器输入端直流电压和逆变器控制方略共同决定因此，逆变器的控制方略在整个微电网控制中就显得尤为重要常用的控制措施有PQ控制，VF控制和下垂控制2.1 PQ控制PQ控制指的是逆变器输出的有功功率P和无功功率Q的大小可控，均可以根据设定值输出图2 PQ双环控制框图PQ双环控制框图如Error! Reference source not found.所示在逆变器与电网连接线上测量电流和电压，并对测定得值进行dq变换，dq变换得到电压的d轴分量ud和q轴分量uq ，电流的d轴分量id和q轴分量iq。
瞬时功率模块根据基于dq变换的瞬时功率计算措施计算时候逆变器输出的有功功率P和无功功率Q，并将所得成果P和Q输出功率外环控制模块根据有功功率的设定值Pref和无功功率的设定值Qref以及逆变器输出的实时有功功率P和无功功率Q生成电流直轴分量参照值id_ref和交轴分量参照值iq_ref并输出电流内环控制模块根据id_ref，iq_ref，id和iq，生成脉宽调制系数d轴分量Pmd和q轴分量Pmq逆变驱动信号生成模块根据Pmd和Pmq生成逆变器驱动信号驱动逆变器工作，使逆变器输出功率与设定值接近，从而实现了逆变器的PQ控制图3 PQ外环控制框图PQ双环控制涉及PQ外环控制和电流内环控制PQ外环控制框图如Error! Reference source not found.所示，逆变器输出的实时有功功率P与参照值Pref作比较得到差值ΔP，实时有功功率Q与参照值Qref作比较得到差值ΔQ,对ΔP和ΔQ分别进行PI控制输出电流直轴分量参照值idref和交轴分量参照值iqref本文中，考虑到实际中逆变器均有限流环节，因此对参照电流进行了限幅控制限幅控制通过中的dq分量限幅模块实现图4电流内环控制框图电流内环控制如Error! Reference source not found.所示，id_ref和id差值通过比例积分控制输出脉宽调制系数d轴分量Pmd，iq_ref和iq差值通过比例积分控制输出脉宽调制系数q轴分量Pmq。
逆变驱动信号生成模块根据Pmd和Pmq以及PWM有关算法（本文选择SPWM算法）生成逆变器驱动信号驱动逆变器开关管导通和关断，控制逆变器工作PQ控制下的逆变器，只要有功功率的设定值Pref和无功功率的设定值Qref设立得当，不超过逆变器的容量和最大容许电流，则逆变器输出的有功功率有功功率P和无功功率Q跟随设定值，因而实现了PQ控制PQ控制方式通过将有功功率和无功功率解耦，对电流进行控制在微电网并网运营模式下，微电网内的负荷波动、频率和电压扰动均由大电网承当，各分布式电源不参与微电网频率和电压的调节，直接采用电网频率和电压作为支撑综上，PQ控制的优势在于，可以根据需要动态调节有功功率的设定值Pref和无功功率的设定值Qref，将其应用到光伏发电和风力发电等发电量不稳定系统中，可以最大限度地提高新能源的运用率其缺陷在于，采用该种控制方式的分布式电源并不能维持系统的频率和电压如果是一种独立运营的微网系统则系统中必须有维持频率和电压的分布式电源如果是与常规电网并网运营，则由常规电网维持电压和频率2.2 V-f控制V-f控制即恒压恒频控制，指的是通过控制手段使逆变器输出端口电压的幅值U和频率f保持恒定。
图5 V-f双环控制框图V-f控制一般采用双环控制，双环控制框图如Error! Reference source not found.所示与上文中PQ双环控制同样，V-f双环控制以同样的措施得到id，iq和P此外，V-f双环控制通过锁相环测得系统频率f，通过电压幅值计算模块得到逆变器出口处线电压幅值UV-f外环控模块根据电压幅值的设定值Uref、频率的设定值fref、逆变器输出的实时有功功率P、系统频率f和逆变器出口处线电压幅值U生成电流直轴分量参照值id_ref和交轴分量参照值iq_ref并输出电流内环控制模和逆变驱动信号生成模块功能与上文PQ双环控制同样，不再赘述图6 V-f外环控制框图V-f外环控制框图如Error! Reference source not found.所示，频率设定值fref与实时系统频率f差值∆f经PI控制输出有功功率参照值Pref，Pref与逆变器输出有功功率P差值经比例积分控制输出电流参照值直流分量，电压额定值Uref和逆变器端口电压U差值∆U经比例积分控制输出电流参照值交流分量，电流参照值交直流分量经dq分量综合限幅模块进行幅值限制，输出id_ref和iq_ref。
V-f双环控制的内环控制也是电流控制，与PQ双环控制中的电流内环控制措施同样，因此不再赘述在微电网孤岛运营模式下，由V-f控制的IBDG调节微电网内的微电网频率和电压,维持微电网的频率和电压稳定2.3 下垂（Droop）控制下垂（Droop）控制是指通过控制逆变器实现与老式电力系统的频率一次调节相类似的调节特性目前针对逆变器重要采用的下垂控制措施与老式的同步发电机调节相似，采用有功—频率（P—f）和无功—电压（Q—V）的调节方式逆变器的有功—频率（P—f）的调节特性如Error! Reference source not found.所示，当系统频率f下降时，逆变器输出的有功功率P增长；系统频率f上升时，逆变器输出的用功功率P减小因此逆变器输出的有功功率P随着系统频率f变化而自动调节，以达到维持系统频率动态稳定的作用显然这种调节是有差调节，与同步发电机的频率一次调节类似图7有功—频率（P—f）调节特性逆变器的无功—电压（Q—V）的调节特性如Error! Reference source not found.所示，当出口电压U下降时，逆变器输出的无功功率Q增长；出口电压U上升时，逆变器输出的无功功率Q减小。
因此逆变器输出的无功功率Q随着出口电压U变化而自动调节，以达到维持出口电压U稳定的作用显然这种调节是也是有差调节，与同步发电机励磁调节相类似图8无功—电压（Q—V）调节特性3. DIgSILENT仿真软件简介DIgSILENT是德国DIgSILENTGmbH公司开发的一款电磁、机电暂态混合仿真程序，它合用于电力系统几乎所有领域，并提供了全面精确的分析功能DIgSILENT这一名称来源于DIgital SImuLation and Electrical NeTwork3.1 DIgSILENT常用功能简介DIgSILENT（以14.0.512为准）涉及11个常用模块和6个附件模块常用模块涉及基本功能模块（涉及潮流计算和故障分析）、保护模块、配电网优化模块、谐波分析模块、最优潮流模块（涉及无功功率优化和经济性调度功能）、可靠性分析模块、状态估计模块、稳定性分析模块、电磁暂态模块和小信号稳定性（特性值分析）模块，附件模块涉及动态参数辨认、DSL动态仿真语言加密、PSS/E数据接口、IEC61970原则CIM接口、IEC61968原则CIM接口和OPC(过程控制的连接与嵌入)接口下面针对某些常用功能进行具体简介。
1. 潮流计算DIgSILENT可以描述复杂的单相和三相交流系统及多种交直流混合系统潮流求解过程提供了3种措施以供选择：典型的牛顿—拉夫逊算法、牛顿—拉夫逊电流迭代法和线性方程法（直接将所有模型作线性化解决）在进行潮流计算的同步，DIgSILENT 尚有变电站控制、网络控制和变压器分接头调节控制可供选择2、故障分析DIgSILENT 故障分析功能既可以分别根据IEC 909、IEEE std141/ ANSIe37. 5 以及德国的 VDE102原则进行，也可以根据 DIgSILENT自身所提供的综合故障分析措施进行DIgSILENT故障分析功能支持几乎所有的故障类型（涉及复故障分析）3、动态仿真DIgSILENT软件提供的仿真语言(DIgSILENT Simulation Language-DSL)，使顾客可以自定义模型：任何类型的静态/动态的多输入/多输出模型，例如电压控制器、PSS 等该软件既可以进行短期（电磁）暂态仿真，也可以进行中期（机电）暂态仿真和长期暂态仿真DIgSILENT几乎可以仿真多种类型的故障仿真过程中的任何变量(涉及DSL 所提供的) 都可以被观测，并可将其通过虚拟表计功能(VirtualInstrument - VI) 绘制成曲线图。
此曲线图可以被保存，以便于与其她仿真过程进行比较4、谐波分析DIgSILENT可以模拟。