灵活发电分布式电源的通用建模及控制技术研究概述
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徐州供电公司、南京供电公司的研究人员王紫钰、张玮亚、张可可、袁丁，在2017年第1期《电气技术》杂志上撰文指出，灵活发电分布式电源是一种基于多功能并网逆变器同时实现并网发电和其他智能功能的新型可定制电源。
其通用模型包括一次能源系统，输入变换器系统，输出变换器系统及输出滤波系统。功能级是输出变换器系统的核心，灵活发电分布式电源正是对功能级进行高级控制升级而出现的。
本文在对灵活发电分布式电源的通用模型分析的基础上，从灵活调度功能、智能辅助功能两个方面详述了灵活发电分布式电源的控制系统。最后对灵活发电分布式电源技术的发展方向进行了展望。
配电系统接入的分布式电源（DG）按照结构不同，一般有逆变型DG和同步机型DG两类。逆变型DG基于电力电子接口，运行方式灵活，可扩展性强，是DG的主要应用类型。
配电系统中DG以“集中-分散”的形式大规模接入，从经济性和技术可实现性考虑，利用逆变型DG高度可控的优点，构成基于灵活发电DG（flexibledistributed generation，FDG）的分布式电压控制格局，是实现配电系统智能化控制的有效途径。所谓FDG，是指基于多功能并网逆变器同时实现并网发电和其他智能功能的新型可定制电源[1]。
近年来，FDG的相关研究在技术和实用性上取得了长足的发展[2-6]。文献[4]提出一种基于FDG实现多能分布式发电系统灵活运行降低系统不确定性的优化方案。文献[6]提出了一种针对三相全桥多功能逆变器的多目标优化补偿策略，该策略基于突变理论，采用综合评估的方法，同时实现了改善电能质量和满足负载功率需求，并应用在实验平台中。
文献[7]提出了一种具有统一电能质量调节功能的多功能逆变器，可以补偿电压跌落、抑制电压暂升、补偿谐波和无功功率，同时适用于并网和孤岛运行模式。文献[8]提出了一种基于光伏的、结合统一电能质量调节功能、并网发电功能和电力中断补偿的FDG。
在利用FDG实现电能质量综合治理时，可能会因为容量问题导致无法完全补偿，因此文献[9]基于熵Shapely赋权的电能质量综合评估模型，提出了一种以实现并网点电能质量各项指标最优的优化补偿方案，在某些容量不足无法完全治理电能质量问题的情况下，实现有限容量的效益最大化利用。
本文将在对FDG通用结构分析的基础上，从灵活调度、智能辅助控制两个方面详述FDG的控制系统，并对FDG的发展方向进行展望。
1 FDG的通用结构
如图1所示，FDG的通用结构和逆变型DG类似，包括一次能源系统（光伏、风机和燃料电池等），输入变换器系统（DC-DC变换器及其控制器），输出变换器系统（DC-AC变换器及其控制器），输出滤波系统（L，LC，LCL等）。输出变换器系统的主要功能除了实现功率输出，还附加有更复杂的辅助功能。
图1 FDG的通用结构
2 输出变换器系统
FDG的输出变换器系统主要是指DC-AC并网逆变器，也是FDG实现的载体[9]，本节以常见的两电平三相并网逆变器为例[10]，对其控制系统进行详细介绍。
2.1 控制级—内环控制
电流内环控制是确保FDG并网电流精确和有效跟踪的必要环节。实现高质量的并网电流跟踪需要同步锁相环节和电流控制环节相互配合，共同完成，如图2所示。
图2 内环控制
1）同步锁相控制。
PLL是实现并网电流精确跟踪的重要辅助环节，通过检测电网基频信号的频率和相位生成电网同步信号。PLL的实现可以通过硬件或软件解决。硬件PLL通过过零比较实现对电网电压频率和相位的跟踪，响应速度受制于硬件芯片的能力，尤其受制于传感器、比较器和AD采样精度。因此，在实践中一般都是通过软件PLL解决。
在三相电网系统中，常用的PLL技术是同步坐标系锁相环技术（SRF-PLL）[11-13]。三相电网对称且无谐波的情况下，SRF-PLL能准确地检测电网基波信号的频率和相角。一个典型的SRF-PLL如图3所示。
图3 SRF-PLL原理图
然而，常规的SRF-PLL在应对电网电压不平衡、或者畸变的环境时存在较大的问题。为了抑制负序、谐波电流分量对输出频率和相位的影响，一般要求PI环节带宽较低，但是带宽越低，系统的响应速度也越慢，因此在实际应用中需要根据现场测试不断调整控制参数，达到性能指标的均衡。
近年一些出现了一些先进的锁相技术，包括基于变采样步长的[14]、基于自适应陷波器的[15]、基于前置过滤器的[16]等。
2）电流控制。
为了获得更好的并网电流跟踪性能及更快的响应速度和跟踪精度，电流内环调节十分重要，并网逆变器的内环电流控制可以在同步旋转坐标系（dq）、静止坐标系（αβ或abc）两类不同的坐标系中实现。
在同步旋转坐标系下基于电网电压矢量定向的电流内环控制在实施过程中需要对控制量进行多次坐标系变换，增加了控制系统的复杂性，占据了数字控制芯片有限的系统资源，当需要对除基频之外的谐波频率进行控制时，坐标变换和滤波环节的个数成倍增加，更由于过于复杂难以实现对负序电气量的控制。
同时，滤波环节的引入使得系统的动态响应能力大大下降，无法满足并网逆变器电流快速控制的现实需求。
因此，对于并网逆变器电流内环控制器的设计越来越多的采用基于静止坐标系的方案，尤以两相静止坐标系（αβ）下的电流内环控制方案应用最广[17]。在αβ坐标系下，各个控制量为交流量，如仍采用PI控制器将带来较大的系统误差，因此在αβ坐标系下通常采用比例谐振（PR）[18]，重复[19]、预测[20]、自适应[21, 22]、无源[23]控制器等等，
图4显示了一种对基频和谐波频次电流进行有效跟踪的电流内环控制方案。
图4 αβ坐标系下的电流内环控制框图
2.2 功能级——外环控制
功能级是FDG控制系统的核心，决定了FDG参与电网调度和主动控制的能力。本部分将从灵活调度功能、智能辅助功能（包括电网阻抗检测、网络阻抗重塑和双模运行等）两个方面详述FDG功能级的控制。
2.2.1 灵活调度功能
灵活调度功能是指FDG在确保功率输出的基础上，能够主动参与电网调度活动，实现自治运行和接收调度指令运行两种模式的灵活转变。FDG的恒功率（PQ）控制是成熟且在目前电网中非常主流的控制方式。
PQ 控制根据需要实现FDG有功功率和无功功率的指定控制，使得可调度FDG按照调度功率指令输出有功和无功功率，或者控制分布式可再生能源发电基于MPPT技术输出最大捕获功率。FDG采用PQ控制时，不管电网电压矢量如何变化，换流器输出的有功和无功功率不变，以给定的功率指令运行。
目前国家电网的标准是单个台区接入容量不大于6MW的DG可以直接接入10kV及其以下的配电网[24]，按照这个标准，未来的智能配电系统中会出现为数众多、分散接入的DG，对这些分散接入的DG进行集中通信调度困难重重。
为了解决这类问题，文献[25]提出了多代理控制的概念，多代理系统（MAS）是一种对工作条件的变化和周围过程的需求能够智能和灵活地响应的系统，一般由多个代理（agent）协同组成。MAS具有自治性自发性智能性及可通信性等特点，然而，MAS的实现需要对现有配电系统进行全面的升级改造，在DG快速增加的现实背景下存在一定的局限性。同时，MAS对网络有较高依赖性，网络控制的延时、丢包等问题都会使其可靠性降低。
传统电力系统中可调度的自治运行同步发电机给大规模分散DG并网提供了一种有效的解决思路。同步发电机不需要远端或者其他并网单元的信息即可根据电网的状态做出调整，可以独立地、自治地参与电网的调节。
基于此，出现了利用FDG模拟传统同步发电机的控制策略。能使FDG在功能上模拟发电机外特性的控制策略主要有两种。一种是下垂控制，一种是虚拟同步发电机控制。下垂控制模拟了发电机的下垂外特性，是一种简化的模拟方案。而虚拟同步发电机控制在FDG的外环控制中人为地引入了发电机的机械运动方程，将FDG的暂态过程变慢。
典型的虚拟同步发电机控制技术主要有荷兰能源研究中心和埃因霍温理工大学等合作的虚拟同步发电机(VSG)技术[26]、德国克劳斯塔尔工业大学的虚拟同步电机(VISMA)技术[27]和英国谢菲尔德大学钟庆昌教授的Synchronverter技术[28]。
1）PQ控制
恒功率（PQ）控制以逆变器输出的有功功率和无功功率为控制目标。一般来说，FDG的有功参考值Pref由系统需求和直流侧电压稳定共同决定。若直流侧串联输入变换器系统，则其可被视为完全可控的直流源，则Pref只需要考虑系统需求；若直流侧不能作理想化处理，如直流侧直接接入光伏、风机而缺少输入变换器系统时，则Pref还需考虑直流侧电压稳定或者MPPT[29, 30]。
为了确保FDG最大限度的有功输出，其无功参考值Qref一般设为0，即工作在单位功率因数状态，而当FDG拟实现灵活调度功能时，Qref会根据调度指令变化。
图5所示为一典型PQ控制框图，PQ控制的输出为电流内环控制的电流参考值。
图5 PQ外环控制
2）下垂控制
同步发电机的机端电压和频率与其输出无功和有功之间存在下垂特性。与传统同步发电机不同，基于电力电子接口的FDG不具备固有的下垂静态特性，但是得益于电力电子接口的高度灵活性，可以通过控制系统的设计实现FDG对于下垂特性的模拟。通过下垂控制可以实现多FDG并列运行、自治分配功率、支撑系统电压等。
在感性系统阻抗的条件下，当系统有功负荷突然增大时，有功功率不足，导致频率下降；系统无功负荷突然增大时，无功功率不足，导致电压幅值下降，反之亦然。因此存在两种基本的下垂控制方法：通过调节电压频率和幅值控制FDG输出功率（f-P & V-Q下垂控制），以及通过调节FDG输出的功率控制电压频率和幅值（P-f & Q-V下垂控制）。
前者通过测量系统的频率和FDG接入交流母线处电压的幅值，利用下垂特性，确定分布式电源有功功率和无功功率的输出参考值；后者通过测量FDG输出的有功功率和无功功率，利用下垂特性确定频率和电压幅值的参考值。本文给出P-f & Q-V下垂控制框图如图6。
图6 下垂外环控制
3）虚拟同步发电机控制
虚拟同步发电机控制方案的核心在于如何模拟同步发电机机械惯量，因此根据惯量控制的实现方式，虚拟同步发电机分为两类：电流源型虚拟同步发电机和电压源型虚拟同步发电机：
（1）电流源型虚拟同步发电机基于直接电流控制的并网策略，根据同步发电机的特性改变输出功率或者输出电流，对外表现为受控电流源。其转子运动方程主要体现在如何根据网侧频率的波动改变输出有功功率[26, 27]。
（2）电压源型虚拟同步发电机根据同步发电机数学模型改变逆变器的输出电压和频率，其外特性可视为受控电压源。其转子运动方程主要体现在功率波动时定子侧频率的变化[28]。
以上这些虚拟同步发电机的实现方案的共同之处是，利用数学模型近似表达同步发电机的运动方程。因此他们建模的精确度会随所采用的发电机模型的不同而不同，但是，这些方案的核心都是引入机械惯性。在下垂控制中附加低通滤波环节，也可以构造出惯性特性，文献[31]分析了这种构造机械惯性的方式和虚拟同步发电机构造机械惯性的方式在物理意义上是一致的。
2.2.2 智能辅助功能
1）阻抗重塑。
无论是下垂控制还是虚拟同步发电机等下垂控制的推广改进型控制，其功率输出体系建立的关键基础均是输出阻抗，可以说输出阻抗直接决定了FDG输出功率的精度和多台FDG之间功率输出的分配。因此FDG的另外一个智能辅助功能就是输出阻抗的重塑。输出阻抗重塑的方法主要有两种：
（1）对FDG电流内环参数进行调整，实现DG输出阻抗的改变。如文献[32]提出的一种通过参数设计实现输出阻抗为感性的策略。
（2）增加虚拟阻抗环节，实现FDG输出阻抗的改变。通过附加虚拟阻抗实现灵活的输出阻抗调整，不仅可以实现输出阻抗重塑为感性，也能将输出阻抗重塑为容性[33, 34]。
输出阻抗重塑除了能够改善功率输出效果，还可以实现FDG电能质量的主动和被动治理。主动治理是一种谐波补偿方案，即通过FDG输出阻抗的重塑实现减少网侧电流谐波的功能，被动治理是一种谐波阻尼功能，即通过FDG输出阻抗的重塑增加系统阻尼实现谐振抑制。
被动治理体现在通过调整输出阻抗，向系统提供必要的阻尼，以抑制可能出现的串/并联谐振现象。一般地，FDG输出阻抗呈现感性，系统的线路也呈现感性，而滤波电容等呈现容性，当系统电阻分量的阻尼不足时，很容易在这些电感、电容之间形成串并联谐振。通过改变FDG的外特性，使得FDG输出阻抗呈现电阻特性，向原本电感和电容因素复杂的配电系统提供更多的阻尼，实现谐波阻尼[35, 36]。
主动治理体现在通过调整输出阻抗，减小系统中谐波电流。通过重塑各个谐波频次的输出阻抗，实现指定次谐波频率下FDG较低的输出阻抗，使得更多的网侧谐波电流流向FDG，达到降低网侧电流谐波含量的目的[37-39]。
2）无缝切换能力。
FDG的智能化还体现在其具备孤岛并网无缝切换运行的能力。这种能力提高了FDG的高效性和灵活性，即在电网正常模式下，并网逆变器并网运行；当电网故障时，并网逆变器应该能孤岛运行，向本地关键负荷提供高质量的电能供给。
FDG的无缝切换能力主要有以下六种实现方案：
（1）混合电压电流控制方案：配置电压频率控制和功率控制双控制器，在系统运行状态切换时控制器也跟随切换，为了确保更加平滑的切换效果，可以配置高性能静态开关加速切换过程[40, 41]。
（2）下垂控制方案：系统运行状态切换前后均采用下垂控制器，为了确保更加平滑的切换效果，可以配置虚拟阻抗减小切换过程中电流突变的影响[42]。
（3）虚拟功率控制方案：
虽然FDG下垂控制可应用在孤岛和并网两种运行方式下，但是在两种运行方式下其控制参数是不能不改变的。孤岛下的控制参数不能很好的使用在并网运行方式下。基于虚拟功率的下垂控制方案可以克服以上缺陷，在孤岛和并网状态下无需调整控制参数[43]。
（4）虚拟同步发电机控制方案：虚拟同步发电机控制策略使得FDG外特性等效于传统发电机，这种控制方案同样也是一种下垂控制方案的推广控制策略[44, 45]。
（5）间接电流控制方案：引入FDG输出电容电压内环、网侧电流外环的间接电流控制器，这种控制策略主要针对带有本地负荷的FDG。
文献[46]提出通过控制电容电压调节网侧电流的间接电流控制方案，在切换过程中由于内环电容电压环节的调节可以确保无缝切换。但[46]所提出的间接电流控制不能直接控制FDG并网点电压，当FDG的本地负载是非线性负载时，并网点电压会产生较为明显的畸变，同时这种控制方案的网侧电流参考值的物理意义也不明确。
为了解决这个问题，文献[47]在网侧电流外环的输出部分增加一个限幅环节，当FDG转为孤岛运行时，由于网侧电流为零，此时外环控制的输出将在限幅环节的极限处，电流外环失去作用，此时FDG工作在单内环电压控制状态，实现了控制器无需切换的平滑控制过渡。
（6）电压电流统一控制方案：电压电流统一控制采用外环电压、内环电流双环控制为核心，为了实现并网时的恒功率控制，对外环电压控制的参考值输入环节做了改进，在参考值输入环节加入PI控制，当FDG转入并网运行时通过恰当的PI幅值限制使得输入参数达到饱和，使得并网时外环不起作用，而FDG通过单内环电流控制实现恒功率输出[48]。
综上，从功能级的角度来看，FDG的系统框图可以表述为如图7所示。相对于难以实现较大突破的硬件设计进步，FDG在功能上的创新更加突出和灵活多样。
图7 FDG输出变换器控制系统框图
3 小结
配电系统正经历由系统外单一电源供电向系统内多电源分布式供电的转变。DG的大规模接入，将会形成配电系统独特的“集中-分散”供电运行方式。然而，配电系统对DG多采用被动式的管理策略，不仅使配电系统面临严重的潮流不确定、电压快速波动等运行难题，还制约着DG渗透率的进一步提高。
因而，对DG进行FDG化升级是解决这些问题的有效途径。未来的研究不仅要着眼于FDG单体功能的拓展，更要充分利用FDG大量“集中-分散”接入配电系统的特点，研究集成动态电压控制功能的多FDG协调电压控制策略，这对提升系统电压控制速度，进一步提高DG渗透率有重要的意义。具体的可着眼于以下几个方面：
（1）研究基于FDG本地控制的分区电压控制方案，解决局部电压波动和不平衡问题。
（2）在配电网全局层面研究结合FDG快速调节能力和配电网原有电压控制设备的多时间尺度电压控制策略，解决配电网不同时间尺度下的电压控制难题。
（3）目前FDG的控制还缺乏与配电系统保护的配合，如何将FDG纳入到配电系统安全防御体系也将是未来研究的突破点。