蘇海濱，王 娜，李獻(xiàn)偉，穆春陽，劉江偉

（1．華北水利水電學(xué)院 電力學(xué)院，河南鄭州 450045;2．許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

微電網(wǎng)是指由分布式電源（Distributed Generation，DG）、儲(chǔ)能、負(fù)荷和保護(hù)裝置匯集而成的低壓配電子系統(tǒng)．微電網(wǎng)既可以與主配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以獨(dú)立運(yùn)行．并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)通過公共連接點(diǎn)（PPC）與主電網(wǎng)相連，并可以從主網(wǎng)吸收電能或向主網(wǎng)提供電能，當(dāng)主配電網(wǎng)中發(fā)生故障或出現(xiàn)較大擾動(dòng)時(shí)，微電網(wǎng)迅速與主配電網(wǎng)斷開，獨(dú)立向其內(nèi)部重要負(fù)荷供電．

筆者為了研究微電網(wǎng)在并網(wǎng)與孤島模式運(yùn)行條件下有功功率和無功功率的功率分配問題：通過變頻，得到良好的控制功角和電壓等級(jí);通過對(duì)變頻器頻率的控制及對(duì)能量流動(dòng)和功率角的動(dòng)態(tài)控制，來防止微電源和變頻器的過載，及保證在沒有聯(lián)絡(luò)的情況下變頻器能夠以預(yù)定的方式感應(yīng)負(fù)載變化，主要集中在微網(wǎng)逆變器的操作和控制上;將DG設(shè)備配置在靠近負(fù)載的地方，以提高電力供應(yīng)的可靠性和電能質(zhì)量．

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖1為含有2個(gè)DR的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的簡化框圖．該系統(tǒng)通過變壓器將主電網(wǎng)與每個(gè)微電源相連接，為所有負(fù)載傳送電功率，2個(gè)負(fù)載在2個(gè)DR附近，第3個(gè)負(fù)載在逆變器之間，孤島運(yùn)行時(shí)，可以測(cè)試各單元間的功率分配．

三相負(fù)載網(wǎng)絡(luò)是Y形連接，電阻和電感串聯(lián)，負(fù)載與總線的連接是4線制（三相線和一個(gè)中性線），DR通過一個(gè)變壓器串聯(lián)電感與本地支線連接．變壓器是三角—Y形，在三角側(cè)有逆變器．

圖1 系統(tǒng)簡化框圖

2 分布式電源

圖2為DR的基本框架與1個(gè)本地支線的連接，DR包含將直流轉(zhuǎn)換為交流的三相反相器、控制平臺(tái)、LC輸出濾波器、電抗器和變壓器．反相器包含絕緣柵門極晶體管（IGBT）開關(guān)，它是由控制器所產(chǎn)生的門信號(hào)來控制的［1］，在線電壓和電流供給控制器之前，將其進(jìn)行測(cè)量和調(diào)整，以做進(jìn)一步處理．

在三角形—Y形變壓器（將380 V降為220 V）的一次側(cè)，DR通過電感與支線相連接，在變壓器Y形側(cè)有4條支線，以便于單相負(fù)載與系統(tǒng)的連接．反相器開關(guān)頻率的波動(dòng)值通過一個(gè)LC濾波器進(jìn)行衰減，逆變器控制DR和電力系統(tǒng)中有功和無功功率的浮動(dòng)．有功功率P主要依靠功率角控制，無功功率Q主要依靠逆變器的輸出電壓來控制．

式中：V為變壓前的電壓;E為變壓后的電壓，也稱反饋電壓;δ為功率角，由式（1）知無功功率Q依賴于電壓的差．

圖2 微電網(wǎng)控制框圖

2．1 并網(wǎng)運(yùn)行控制分析

有功功率P和反饋電壓E是被控制量，假設(shè)這些量期望值為P0和E0，逆變器是由d－q空間矢量的時(shí)間積分來控制的［2］．

圖3為逆變器的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)中直接由逆變器控制的2個(gè)變量是磁通ψv的大小和相位，為矢量4，這種控制方式形成內(nèi)部控制環(huán)，可實(shí)現(xiàn)快速控制．交流系統(tǒng)電壓空間矢量是由瞬時(shí)電壓測(cè)量值得到的［3］．

圖3 逆變器控制框圖

理想的模式是用穩(wěn)定的正弦曲線信號(hào)代替由逆變器產(chǎn)生的電壓信號(hào)．由于所有開關(guān)的模型和它的開啟計(jì)劃是基于不需要執(zhí)行的開關(guān)矢量，因此，可以快速地用計(jì)算機(jī)模擬［4］，通過交流側(cè)相位角可以將相角差異轉(zhuǎn)換成逆變電源的相位角，則其三相電壓為：

2．2 孤島運(yùn)行控制分析

孤島運(yùn)行時(shí)，分布式電源主要是維持電壓并且提供額外的有功功率即并網(wǎng)時(shí)電網(wǎng)所提供的功率．電力電子接口的要求是：提供固定的功率和本地電壓調(diào)節(jié);利用存儲(chǔ)提供快速的負(fù)荷跟蹤;綜合功率－頻率下垂法，確保沒有通信時(shí)，孤島運(yùn)行中微電源之間的負(fù)荷分配［5］．

為了使設(shè)備之間的通信沒有明確的信號(hào)通信網(wǎng)絡(luò)，逆變器終端的頻率允許根據(jù)功率的需要而改變，當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)中有2點(diǎn)的工作頻率不相同時(shí)，將會(huì)增加頻率高的地方的功率輸出．這樣，這兩個(gè)頻率常常漂移到一個(gè)共同的中心值［6］，并且這個(gè)新的穩(wěn)態(tài)將會(huì)出現(xiàn)在一個(gè)比并網(wǎng)連接時(shí)更低的頻率．

圖4是下垂調(diào)節(jié)器的原理圖．這個(gè)調(diào)節(jié)器［7］有2個(gè)重要的特點(diǎn)：首先，當(dāng)接入交流電網(wǎng)時(shí)，它可以保持功率的任何期望值;其次，當(dāng)發(fā)生下降調(diào)節(jié)時(shí)，它慢慢形成一個(gè)接近于ω0的頻率．

圖4 功率－頻率下垂控制框圖

圖4中恒量m表示沒有頻率恢復(fù)環(huán)時(shí)頻率的下垂量．每個(gè)設(shè)備可獲得與它本身的額定功率成比例的額外功率限額，大的設(shè)備不管它們?cè)诠聧u運(yùn)行前的工作點(diǎn)如何，都要加入更多的功率［8］．這種控制通過消除網(wǎng)絡(luò)中一些重要分支的功率來得到新功率，這意味著本地發(fā)電須滿足本地需要．在變壓器中沒有功率流，這樣是為了減少系統(tǒng)中的輸電損耗．因此，m的系數(shù)是由孤島前本地設(shè)置點(diǎn)和孤島后新的設(shè)置點(diǎn)決定的．

圖5給出了當(dāng)只有2個(gè)設(shè)備時(shí)下降調(diào)節(jié)的特征線．

圖5 下垂特性線

頻率恢復(fù)期間，在分配新的電壓等級(jí)時(shí)，功率保持不變是很重要的［9］．功率下垂控制形成一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，這個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)在t=t1處，t1為所選開始點(diǎn)處有一個(gè)較低的頻率ω1，對(duì)應(yīng)每一個(gè)電源有不同的功率Pi（t1），當(dāng)每個(gè)電源的功率等級(jí)固定在Pi（t1）時(shí)，控制環(huán)為了給孤島系統(tǒng)一個(gè)接近于ω0的頻率，每一個(gè)電源頻率變化的速率必須相等，以保證電源間固定的功率角不變，即

當(dāng)t≥t1時(shí)，則轉(zhuǎn)換速率為

因?yàn)轭l率恢復(fù)環(huán)比下垂控制器慢，因此可假設(shè)

由圖4中積分可得

由式（6）—（9）可得

由式（8）可看出，在每個(gè)系統(tǒng)中增益ki'和ki″分別依賴于設(shè)置點(diǎn)P0i和P1i，如果一個(gè)設(shè)備改變了它的設(shè)置點(diǎn)，不需要與其他設(shè)備通信即可完成功率的分配．

3 仿真結(jié)果

3．1 孤島模式運(yùn)行

圖6—9是孤島運(yùn)行時(shí)，在DR1和DR2之間的三相平衡負(fù)載（負(fù)載12）階躍變化時(shí)的仿真波形，在孤島模式中，2個(gè)DR為微電網(wǎng)中負(fù)載提供所需的能量．圖6是通過分支L1和L2的功率流，L1表示公共設(shè)施網(wǎng)絡(luò)變壓器與DR1之間的連線，L2表示中間負(fù)載（2個(gè)DR中間）與DR2之間的連線．如圖6所示，由于DR是孤島模式，因此，DR1和DR2之間負(fù)載需要的變化是由2個(gè)DR根據(jù)它們的功率－頻率下垂特性來調(diào)整的［10］．圖7的DR有功功率輸出圖也證明了這點(diǎn)．圖8的DR無功功率輸出仿真圖中的無功功率輸出的變化，是為了調(diào)節(jié)它們的終端電壓．圖9的波形說明了在DR1和DR2之間，終端電壓變化是一個(gè)階躍變化．

圖6—9表明，當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，2個(gè)DR的輸出功率也增大以滿足新的功率需求，一旦接入新的負(fù)載，電網(wǎng)中電壓的相角就會(huì)變化．DR是用一個(gè)本地系統(tǒng)頻率值的瞬時(shí)變化和改變下垂特性來實(shí)現(xiàn)這個(gè)變化的，并最后增加它們的輸出功率．

3．2 并網(wǎng)模式運(yùn)行

圖10—13是在并網(wǎng)模式下，在DR1和DR2之間三相平衡負(fù)載（負(fù)載12）的階躍變化曲線．

在這種模式下，負(fù)載的能量需求由DR之間和公共電網(wǎng)共同承擔(dān)．圖10表明，由于DR是并網(wǎng)模式，DR1和DR2之間負(fù)載所需變化幾乎全部由公共電網(wǎng)所提供，公共電網(wǎng)功率－頻率下垂特性接近于水平，圖11也證明了每一個(gè)DR中都有明顯的功率輸出．圖12是在DR1和DR2之間負(fù)載階躍變化時(shí)，每一個(gè)DR無功功率輸出的仿真結(jié)果，無功功率輸出的變化是為了通過控制器作用來調(diào)節(jié)終端電壓，圖13的波形圖部分表明在DR1和DR2之間負(fù)載終端電壓變化是一個(gè)階躍變化．

4 結(jié)語

在孤島模式下，該微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)將一個(gè)常量輸出功率轉(zhuǎn)換成功率－頻率下垂特性．這個(gè)下垂特性利用微電網(wǎng)中頻率的瞬時(shí)變化，使得所有單元能夠調(diào)節(jié)它們的輸出功率，使其滿足電網(wǎng)中所缺少的限額．無論是否接入電網(wǎng)，通過無功功率－電壓下垂來調(diào)節(jié)總線電壓的大小，可實(shí)現(xiàn)功率的補(bǔ)償．

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