微电网孤岛运行下的自整定模糊PID下垂控制器设计.doc

微网孤岛运行下的DG自整定模糊PID下垂控制器设计
目 录

电力系统分析作业一：微电网研究综述 1
1 微电网的提出 1
2 微电网的分类 2
3 微电网的控制 2
电力系统作业二：孤岛运行下DG采用自整定模糊PID下垂控制 3
1 自整定模糊PID下垂控制的提出 3
2 自整定模糊PID下垂控制器参数整定 4
3 模糊控制器的构建 5
作业三：仿真 6
1仿真结果 6
2 仿真结果分析 7
附录 8
参考文献 8

电力系统分析作业一：微电网研究综述
1 微电网的提出
目前一味地扩大电网规模显然不能满足要求。人们开始另辟蹊径，分布式发电被提上了日程。分布式发电具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安装地点灵活等多方面优点，有效解决了大型集中电网的许多潜在问题。人们才开始对分布式发电系统的潜在效益展开认真研究，并发表了许多研究报告和论文。分布式发电也称分散式发电或分布式供能，一般指将相对小型的发电装置(一般50Mw以下)分散布置在用户(负荷)现场或用户附近的发电(供能)方式。分布式电源位置灵活、分散的特点极好地适应了分散电力需求和资源分布，延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资，同时，它与大电网互为备用也使供电可靠性得以改善。分布式电源尽管优点突出，但本身存在诸多问题，例如，分布式电源单机接入成本高、控制困难等。另外，分布式电源相对大电网来说是一个不可控源．因此大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以期减小其对大电网的冲击。1EEE P1547对分布式能源的入网标准做了规定：当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。这就大大限制了分布式能源效能的充分发挥。
为协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，在本世纪初，学者们提出了微电网的概念。微电网从系统观点看问题，将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。
微电网依其灵活的配置结构和方便的运行方式在近年来得到广泛的研究，它能在提高电力系统的安全性和可靠性的同时，提高用户的供电质量和电网服务水平，促进了可再生能源分布式发电的应用。传统电网为电源到负荷的单向潮流供电方式，微电网的接入将改变这种运行特性，并对微电网接入点的电压、线路潮流、线路电流、电能质量、继电保护以及网络可靠性等都将产生影响。微电网的基本结构图如图一所示：

图1：微电网的基本结构
目前，交流微网仍然是微网的主要形式。交流微网的网架基本结构相似，大多采用辐射状网架，DG、储能装置等均通过电力电子装置连接至交流母线，通过PCC 处开关的控制，可实现微网并网运行与孤岛运行模式的转换。但交流网架结构与微电源容量及负荷对电能质量要求也密切相关，通常可以根据容量大小将交流微网系统分为三类：系统级微网、工商业区级微网以及偏远乡村级微网。
微电网中接在用户侧的分布式发电（DG），如光伏发电、风力发电等，很好地实现了新能源利用，节能减排，但存在发电间歇性、需要大电网支撑、需要建设相同的备用容量、外部故障失去分布式发电等缺点。DG与储能装置（ES）联合构成的分布式电源（DR），解决了新能源发电的间歇性。分布式能源（DER）在靠近用户侧生产电能和热能使新能源更充分利用，直接产生热能减少了电能转换热能的损耗，不仅解决了新能源发电的间歇性，也解决了DR与DER存在的缺点。微电网中的电源多为微电源，亦即含有电力电子界面的小型机组(小于100kw)，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置。它们接在用户侧，具有低成本、低电压、低污染等特点。微电网既可与大电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。它还具有双重角色：对于公用电力企业，微电网可视为电力系统可控的“细胞”，例如。这个“细胞”可以被控制为一个简单的可调度负荷，可以在数秒内做出响应以满足传输系统的需要；对于用户，微电网可以作为一个可定制的电源，以满足用户多样化的需求，例如，增强局部供电可靠性，降低馈电损耗，支持当地电压，通过利用废热提高效率，提供电压下陷的校正，或作为不可中断电源。由于微电网灵活的可调度性且可适时向大电网提供有力支撑。
此外，紧紧围绕全系统能量需求的设计理念和向用户提供多样化电能质量的供电理念是微电网的2个重要特征。在接人问题上．微电网的入网标准只针对微电网与大电网的公共连接点(PCC)，而不针对各个具体的微电源。微电网不仅解决了分布式电源的大规模接入问题，充分发挥了分布式电源的各项优势，还为用户带来了其他多方面的效益。
2 微电网的分类
微网的分类标准有很多，可以根据其复杂程度、功能、结构等进行划分。基于微网结构的微电网类型，根据微电源连接方式以及微网的控制方式将微网分为并联式结构微网和串联结构微网。根据交、直流微网网架结构以及供电特点的不同，将微网分为交流微网、直流微网和交直流混合微网。，通常可以根据容量大小将交流微网系统分为三类：系统级微网、工商业区级微网以及偏远乡村级微网。
3 微电网的控制
微电网的控制由微电网的结构分析可看到，微电网如此灵活的运行方式与高质量的供电服务，离不开完善的稳定与控制系统。控制问题也正是微电网研究中的一个难点问题。其中一个基本的技术难点在于微电网中的微电源数目太多，很难要求一个中心控制点对整个系统做出快速反应并进行相应控制，往往一旦系统中某一控制元件故障或软件出错，就可能导致整个系统瘫痪。因此，微电网控制应该做到能够基于本地信息对电网中的事件做出自主反应，例如，对于电压跌落、故障、停电等，发电机应当利用本地信息自动转到独立运行方式，而不是像传统方式中由电网调度统一协调。
3类比较经典的微电网控制方法：
1) 基于电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制思想”
根据微电网控制要求，灵活选择与传统发电机相类似的下垂特性曲线进行控制，将系统的不平衡功率动态分配给各机组承担，具有简单、可靠、易于实现的特点。但该方法没有考虑系统电压与频率的恢复问题，也就是类似传统发电机中的二次调整问题，因此，在微电网遭受严重扰动时，系统的频率质量可能无法保证。
2)基于功率管理系统的控制
该方法采用不同控制模块对有功、无功分别进行控制，很好地满足了微电网多种控制的要求，尤其在调节功率平衡时，加入了频率恢复算法，能够很好地满足频率质量要求。另外，针对微电网中对无功的不同需求，功率管理系统采用了多种控制方法，从而大大增加了控制的灵活性并提高了控制性能。
3) 基于多代理技术的微电网控制方法
该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网控制系统。代理的自治性、反应能力、自发行为等特点。”正好满足微电网分散控制的需要，提供了一个能够嵌人各种控制性能但又无需管理者经常出现的系统。但目前多代理技术在微电网中的应用多集中于协调市场交易、对能量进行管理方面，还未深入到对微电网中的频率、电压等进行控制的层面。
电力系统作业二：孤岛运行下DG采用自整定模糊PID下垂控制
1 自整定模糊PID下垂控制的提出
针对微电网孤岛运行时分布式电源(DG)所采用的传统电压／频率下垂控制方法的不足，提出了一种具有比例一积分一微分(PID)结构的改进下垂控制方法，并根据电压和频率的变化，使用模糊推理技术来优化相应参数；设计了一种自适应模糊PID下垂控制器，以进一步有效减小微电网孤岛运行时由于扰动所造成的电压／频率振荡。通过仿真计算验证了所提出的模糊PID下垂控制器设计的正确性和有效性。
系统电压和频率控制是微电网孤岛运行时需要重点解决的问题，目前所采用的控制方法主要包括：1）主从控制，即仅有一个或多个分布式电源(DG)提供参考电压和参考频率；2）对等控制，即采用下垂控制方法，利用有功功率一频率和无功功率一电压下垂曲线将微电网系统的负荷功率分配给各DG；4）多代理控制，将多代理技术与微电网控制相结合，利用代理的自治性、响应能力、自发行为等特点构建一个能够嵌入各种控制且无需管理者经常参与的系统。
目前微电网孤岛运行时研究和应用较多的是对等控制。有些采用通信线的方法来实现各DG之间的协调控制，但这些通信线限制了逆变器地理位置上的分布，同时也会给系统引入新的干扰。根据微电网的结构特点以及控制要求，无互联通信线的方法(如传统的下垂控制)则更适用于微电网中基于逆变器DG的控制。该类方法只需检测逆变器自身的输出，通过调整自身输出电压的频率和幅值来控制输出的有功功率和无功功率，进而实现并联DG之间功率分配的合理性和微电网的稳定性。但传统的下垂控制方法需采用低通滤波器来计算每个工频周期逆变器输出的有功功率和无功功率，存在响应速度慢的固有缺点，且由于下垂因子固定，使得在负荷变化时母线电压的幅值和频率波动较大。同时由于各逆变器输出连接阻抗值存在差异，从而很大程度上影响了无功功率分配的效果。有些分析了典型微电网中逆变器并联系统的有功环流和无功环流模型，并针对传统下垂控制时逆变器输出电压幅值和频率的不稳定问题，提出了改进的下垂系数自调节方法，减小了微电网负荷突变情况下母线电压幅值及频率的波动，但这种方法需要选择合适的控制参数才能较好地实现控制效果。有些针对传统逆变器无线并联系统稳态均流精度低和动态响应差等缺点，提出了基于传统无线并联下垂法的新型多环控制结构，在传统的双环控制结构中增加了负载电流和输出电压补偿环，但只能提高单台逆变器的性能。有些提出了带有修正项的下垂控制方法，能有效跟踪功率变化，优化了微电网内部的负荷分配，同时还可以防止微电网内部负荷变化引起的振荡，但这种方法中修正项的参数整定比较困难。本文针对目前下垂控制存在的电压幅值和频率波动较大以及下垂系数不易选取等问题，提出了一种具有比例一积分一微分(PID)结构，并使用模糊推理来进行参数整定的改进下垂控制器，建立了该控制器的数学模型，并给出了使用模糊推理进行参数整定的原理和具体实现方法。最后通过仿真计算对所提出的设计方法的正确性和有效性进行了验证。
模糊PID控制也称自整定模糊PID控制。其工作原理是：在常规PID控制的基础上，采用模糊控制逻辑推理方法来调整PID控制算法中的参数；但经过模糊推理得到的结果不是直接作为系统的输出。而是用该结果来整定PID控制的参数，再根据PID算法控制系统的输出。本文以下图微电网为例来说明控制器的设计。该微电网包含3个DG及其本地负荷，3个DG均采用逆变器接口并人微电网。

图2：微电网结构图

图3：逆变器的等效电路
图3是以电压源逆变器(VSC)为接口的DG与微电网之间的连接示意图。由图可见，逆变器通过一个解耦阻抗与微电网在公共连接点(PCC)处相连。
逆变器输出阻抗是高度感性的，即。根据微电网的并网运行和孤岛运行转换的特点，在传统下垂控制方法中加入有功功率和无功功率的设定值，得到下垂控制方程为：
（1）
（2）
式中：和分别为的额定有功功率和无功功率；和分别为逆变器输出电压的额定角频率和幅值；为逆变器输出电压幅值的轴分量；为逆变器输出电压的角频率；和分别为频率和电压的下垂因子。
本文提出了一种具有PID结构的新型功率分配控制器。这种控制器具有3个自由度，可以在调节静态下垂特性的同时改善系统的暂态特性。该新型下垂控制器可描述为：
（3）
（4）
式中：和在稳态负荷分配中起主要作用；和用以改善系统的动态性能；和行用以消除系统的稳态误差。当微电网内部负荷出现显著变化时，和以及和根据功率变化率的大小对下垂控制起到修正作用，确保系统的稳定性和良好的暂态响应特性，因此，，，也称为修正因子。
2 自整定模糊PID下垂控制器参数整定
模糊控制具有鲁棒性好、算法简洁等优点，对于非线性系统具有很好的适应性。因此，本文利用模糊控制进行PID控制器的参数整定。将式(3)和式(4)所示具有PID结构的新型电压幅值和频率下垂控制器加以改进，设计成能够自适应调节PID参数，，的模糊PID下垂控制器，由于，，和，，的整定方法是相同的，并且通过不同的比例因子量化以后模糊集合也是相同的，因此，本文后续部分将以，，分别代表上述2组参数中的3个参数。

图4： 模糊PID下垂控制系统原理图
PID控制的参数整定自整定模糊PID控制算法是利用模糊控制算法来优化传统PID控制。其核心技术就是优化传统PID。常规PID控制的控制算式为：在PID参数整定时，必须考虑到不同时刻比例系数。积分系数、微分系数。这3个参数的作用以及它们之间的耦合关系。针对不同的误差E和误差变化量，参数整定原则如下：
(1) 当E较小时，应取较大的和；以及适当的。避免系统在平衡点附近出现振荡。使系统具有良好的稳态性能。
(2) 当E中等大小时，应取较小的。及适当的，和。使系统具有较小的超调量。
(3) 当E较大时，应取较大的和较小的，使系统响应加快。
3 模糊控制器的构建

图5：模糊控制器
图5构建二输入、三输出的模糊控制器．以误差和误差变化量作为输入，PID控制的3个参数、、作为输出．当为0时，系统工作在最大功率点上。
，，，，的隶属度函数如图6所示。

图六：隶属度函数
作业三：仿真
1仿真结果
1）首先是编写2个输入，3个输出的隶属度函数；接下来的是模糊规则，一共49条。

图7：模糊控制器的建立

图8：隶属度函数的建立
根据49条模糊控制规则，模糊控制器进行PID控制3个参数，，的自适应调节。在Matlab模糊控制规律观察器里，所得结果经过重心法解模糊化后，解模糊用到得规则是取隶属度最大的那个数即MOM算法，得出相应的输出结果。
2)本文仿真了三相中一相电源的仿真图：

图9：没有本文控制方法设计的控制器的仿真图
图10：本文控制方法设计的控制器的仿真图
本文控制方法设计的控制器的三相的仿真图：

图11：本文控制方法设计的控制器的仿真图
2 仿真结果分析
本文提出的方法能通过实时调节PID控制参数来抑制系统暂态响应从而实现平滑的功率注入，因此系统更加稳定，输出波形也更加平稳。本文所提出的具有模糊PID结构的下垂控制器不仅能更精确平稳地在各DG之间分配负荷，同时在出现较大干扰时能较好地抑制系统电压幅值和频率的波动，保证了系统具有良好的动态特性和稳定性。

附录
参考文献
[1] 杨志淳，刘开培，乐健等． 孤岛运行微电网中模糊PID下垂控制器设计[J]． 电力系统自动化，2013， 37(12)．
[2] 李福东，吴敏．微网孤岛模式下负荷分配的改进控制策略[J]．中国电机工程学报，201l，31(13) 18—25．
[3] 肖俊明，祝海明，谭明等．自整定模糊PID算法在微电网MPPT中的应用研究[J]．中原工学院学报，2011， 22（6）．
[4] 袁越，李振杰，冯宇，等．中国发展微网的目的方向前景[J]．电力系统自动化，2010，34(1)59-63．
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[6] 刘金琨 著先进PID控制及其MATLAB仿真．电力电子出版社
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