邵明燕，李曉磊，王曉燕，孫　冰，劉紀(jì)東（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南　250012）

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引入負(fù)荷電壓和電流前饋的V/f控制方法

邵明燕，李曉磊，王曉燕，孫冰，劉紀(jì)東
（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南250012）

摘要：為了穩(wěn)定離網(wǎng)模式下微網(wǎng)的頻率和電壓，以含有多種分布式發(fā)電的微網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出一種基于蓄電池的孤立微網(wǎng)的頻率電壓控制策略。針對(duì)傳統(tǒng)的V/f控制策略沒(méi)有考慮負(fù)荷結(jié)構(gòu)變化的問(wèn)題，蓄電池的控制基于V/f控制的思想，增加負(fù)荷電流和電壓的前饋，計(jì)及系統(tǒng)負(fù)荷結(jié)構(gòu)和參數(shù)的雙重變化。根據(jù)該控制方法建立詳細(xì)的蓄電池的充放電控制系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)的V/f控制策略進(jìn)行比較。同時(shí)，將該控制方法應(yīng)用于包含有多種分布式發(fā)電的微網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)孤島模式下不同系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行仿真和分析。仿真結(jié)果表明，引入負(fù)荷電壓電流前饋的V/f控制方法是有效的和實(shí)用的，該控制方法能快速調(diào)節(jié)離網(wǎng)模式下微網(wǎng)的頻率和電壓。

關(guān)鍵詞：微網(wǎng)；光伏發(fā)電；頻率電壓控制；蓄電池

0　引言

隨著分布式發(fā)電在電網(wǎng)中滲透率增加，其對(duì)電網(wǎng)的影響也進(jìn)一步加重。為了協(xié)調(diào)分布式發(fā)電與大電網(wǎng)之間的關(guān)系，CERTS率先提出微網(wǎng)的概念［1］。這是一個(gè)集多種分布式發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷于一體的微型電網(wǎng)，它可以提高電力系統(tǒng)用戶端的供電可靠性，并且可為電網(wǎng)到達(dá)不了的地區(qū)提供可靠電力［2-4］。微網(wǎng)可運(yùn)行于并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種方式下，在并網(wǎng)模式下，微網(wǎng)的頻率和電壓由大電網(wǎng)來(lái)支持。但處于離網(wǎng)模式下的微網(wǎng)，就面臨著系統(tǒng)發(fā)電和用電不匹配時(shí)頻率和電壓調(diào)整的問(wèn)題。解決這個(gè)問(wèn)題的一項(xiàng)措施是引進(jìn)蓄電池［5］。蓄電池充放電是基于電力電子變換設(shè)備的，它有很快的響應(yīng)速度，可快速充放電維持系統(tǒng)穩(wěn)定?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)微網(wǎng)的頻率電壓控制策略的研究很多，文獻(xiàn)［6］詳細(xì)說(shuō)明了4種基于下降參數(shù)的頻率電壓控制方法，包括開環(huán)的V/f控制策略，abc坐標(biāo)系下具有電壓反饋的控制策略，dq坐標(biāo)系下具有電壓反饋的控制策略，dq坐標(biāo)系下具有電壓、頻率反饋的控制策略。這幾種控制策略都是模擬傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中并聯(lián)同步發(fā)電機(jī)的頻率控制特性來(lái)自動(dòng)分配總的負(fù)荷，進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率，是對(duì)含有多個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的逆變器的微網(wǎng)的有效控制方法。文獻(xiàn)［7］提出一種引進(jìn)前饋技術(shù)的控制方法，但是只涉及一個(gè)微源，不涉及各微源的并聯(lián)運(yùn)行。實(shí)際的微網(wǎng)中大多數(shù)微源不可調(diào)度，對(duì)每個(gè)微源加儲(chǔ)能裝置又不經(jīng)濟(jì)，而蓄電池通過(guò)獨(dú)立逆變器與配電網(wǎng)母線相連，可有效地減少微網(wǎng)系統(tǒng)中儲(chǔ)能裝置的個(gè)數(shù)，又可達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率的作用。關(guān)于微網(wǎng)系統(tǒng)的建立與控制，不少學(xué)者都有研究，文獻(xiàn)［8］建立了包含風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及蓄電池的微網(wǎng)系統(tǒng)，仿真了孤島和并網(wǎng)兩種模式下的系統(tǒng)狀態(tài)，但是沒(méi)有詳細(xì)的控制策略的說(shuō)明。文獻(xiàn)［9］建立了包含多個(gè)電力電子接口的微源的微網(wǎng)系統(tǒng)，提出的功率管理系統(tǒng)為每個(gè)微源提供有功參考，達(dá)到分配負(fù)荷功率的目的，所提出的管理系統(tǒng)只是適合于可調(diào)度的微源。

針對(duì)目前電壓頻率控制未計(jì)及負(fù)荷的結(jié)構(gòu)變化，以及建立微網(wǎng)時(shí)未考慮微源發(fā)電的實(shí)際情況，為了更加符合實(shí)際的電力系統(tǒng)和快速調(diào)節(jié)微網(wǎng)頻率電壓，計(jì)及光伏發(fā)電的間歇性和隨機(jī)性，建立含有多種分布式發(fā)電的微網(wǎng)系統(tǒng)，建立詳細(xì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池的充放電及其控制系統(tǒng)，將負(fù)荷電流和電壓的前饋控制引入了基于傳統(tǒng)的電壓頻率droop控制的控制系統(tǒng)，對(duì)于負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化有更快的響應(yīng)。

1　微網(wǎng)系統(tǒng)控制策略

1.1微網(wǎng)系統(tǒng)分析

圖1所示為所研究的微網(wǎng)系統(tǒng)，包含光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電、蓄電池充放電系統(tǒng)以及負(fù)荷。

圖1　微網(wǎng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)可運(yùn)行于并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種模式，通過(guò)并網(wǎng)斷路器的通斷控制微網(wǎng)的運(yùn)行方式。研究離網(wǎng)模式下的微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率電壓控制方法。離網(wǎng)模式下的微網(wǎng)沒(méi)有大電網(wǎng)的支持，其頻率和電壓需要微源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。風(fēng)力發(fā)電輸出功率波動(dòng)性強(qiáng)，因此在其直流側(cè)加儲(chǔ)能裝置，以保證功率平滑輸出。燃料電池輸出功率受外界條件影響較小，可輸出恒定的功率。太陽(yáng)能取之不盡，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制目的是盡可能地發(fā)出功率，即采用最大功率跟蹤控制。光伏發(fā)電輸出功率隨著外界條件的變化而變化，當(dāng)外界條件變化時(shí)，光伏輸出功率有較大的波動(dòng)，勢(shì)必會(huì)引起孤立微網(wǎng)的頻率和電壓的波動(dòng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)是微網(wǎng)系統(tǒng)中可調(diào)度的發(fā)電裝置，通過(guò)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率和電壓。微源之間協(xié)調(diào)控制，使得離網(wǎng)模式下的微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略

微網(wǎng)在孤島模式下，發(fā)電和負(fù)荷隨時(shí)有大的干擾，當(dāng)系統(tǒng)中有功和無(wú)功功率出現(xiàn)不平衡時(shí)，系統(tǒng)中頻率和電壓將會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)崩潰。經(jīng)逆變器接入的儲(chǔ)能系統(tǒng)可承擔(dān)起系統(tǒng)中電壓和頻率的調(diào)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)中由droop控制獲得的電壓和頻率參考值，快速調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功無(wú)功出力，達(dá)到平衡功率的目的。蓄電池的主電路如圖2所示，其中Eeq、r為蓄電池的等效電壓和內(nèi)阻，isabc、ioabc分別為濾波前后的電流，L、C為濾波電感和電容，Zeq為等效負(fù)荷，系統(tǒng)中負(fù)荷為分散負(fù)荷，利用智能表傳輸數(shù)據(jù)先經(jīng)加法器后再輸入控制器，即等效的總負(fù)荷電流。

圖2　蓄電池主電路

由圖2可得

對(duì)式（1）進(jìn)行dq變換，得

為了有效減少負(fù)荷變化對(duì)系統(tǒng)電壓頻率帶來(lái)的干擾，可以引入負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性［7］。在傳統(tǒng)電壓頻率控制策略的基礎(chǔ)上引進(jìn)負(fù)荷電流和電壓的前饋，如圖3所示。

圖3　電壓頻率控制策略

圖3中，是無(wú)功功率、有功功率參考值，分別乘以下垂系數(shù)后產(chǎn)生電壓和頻率的參考值。傳統(tǒng)的電壓頻率控制是電壓偏差經(jīng)PI控制器后產(chǎn)生交軸電流參考值頻率偏差經(jīng)PI控制器后產(chǎn)生直軸電流參考值在此控制策略基礎(chǔ)上增加負(fù)荷電流和電壓的前饋，即分量。

由圖3可得

由電流控制電壓型變換器輸入輸出關(guān)系可知

時(shí)間常數(shù)T與PI控制器、PWM型逆變器以及LC濾波器的數(shù)學(xué)模型有關(guān)［10］，是一個(gè)很小的數(shù)值。

將式（4）、（5）兩側(cè)分別進(jìn)行拉氏變換并代入式（6）、（7）中得

將式（2）、（3）兩側(cè)分別進(jìn)行拉氏變換并將式（8）、（9）代入可得

T是一個(gè)很小的時(shí)間常數(shù)，因此G（s）-1≈0，即有

由方程（12）、（13）可見由于引入負(fù)荷電流和電壓的前饋?zhàn)饔?，母線d、q電壓只受Ed（s）、Eq（s）的影響，與負(fù)荷無(wú)關(guān)，負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性減少了對(duì)頻率和電壓的影響。

1.3微網(wǎng)中微源的控制策略

光伏發(fā)電輸出功率與運(yùn)行點(diǎn)電壓和電流有很大的關(guān)系。通過(guò)最大功率跟蹤策略控制光伏板的運(yùn)行電壓，使其運(yùn)行在最大功率點(diǎn)（Umax，Pmax）。采用的方法是電壓擾動(dòng)法，即給定一定的電壓擾動(dòng)ΔU，光伏板輸出功率變化量為ΔP，如果ΔU·ΔP＞0，則按照原來(lái)的擾動(dòng)方向繼續(xù)擾動(dòng)U，否則按照原來(lái)相反方向擾動(dòng)U。光伏板輸出的功率經(jīng)PWM逆變器輸出到用戶側(cè)，PWM逆變器采用傳統(tǒng)的電壓前饋解耦控制，即通過(guò)有功功率、無(wú)功功率的解耦，實(shí)現(xiàn)有功功率、無(wú)功功率分別由直軸電流id、交軸電流iq單獨(dú)控制。光伏發(fā)電系統(tǒng)總體控制策略框圖如圖4所示。

圖4　光伏系統(tǒng)控制策略

圖4中，idref=Pref/1．5usd，iqref=Qref/1．5usd，Qref設(shè)置為0。

風(fēng)力發(fā)電輸出的隨機(jī)波動(dòng)性更大，為了減少對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)的影響，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)添加儲(chǔ)能裝置，用于平滑風(fēng)功率的輸出。此時(shí)，風(fēng)力發(fā)電可以等效為一恒功率源［10］。燃料電池輸出功率比較穩(wěn)定，受外界條件影響較少，對(duì)微網(wǎng)影響也很小。風(fēng)力發(fā)電和燃料電池發(fā)出功率均控制為恒定值，不參與調(diào)頻。

2　微網(wǎng)系統(tǒng)仿真分析

2.1負(fù)荷變化情形蓄電池系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)圖3提出的控制策略，使用Matlab仿真軟件搭建如圖5所示的蓄電池及其控制模型，該系統(tǒng)運(yùn)行于離網(wǎng)模式下。系統(tǒng)相電壓有效值為220 V，系統(tǒng)額定頻率為50 Hz，在t=1 s時(shí)刻，負(fù)荷由電阻電感負(fù)荷變?yōu)殡娮桦姼须娙葚?fù)荷。模式1是引入負(fù)荷電流和電壓的情形，模式2是未引入負(fù)荷電流和電壓的情形。兩種模式的系統(tǒng)電壓頻率響應(yīng)對(duì)比如圖6～9所示。

圖5　蓄電池的控制策略

圖6　蓄電池有功功率出力

由圖6可以看出，模式1的有功功率輸出增加的速度明顯快于模式2的有功功率增加速度。導(dǎo)致模式1對(duì)應(yīng)的頻率基本沒(méi)有變化，模式2的頻率有較大的波動(dòng)，如圖7所示。由于增加了容性負(fù)荷，為穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，蓄電池發(fā)出的無(wú)功功率減少，如圖8所示。相對(duì)應(yīng)的，模式1較模式2電壓變化幅度更小，但兩種模式電壓變化均不大，如圖9所示?？梢姡捎谝M(jìn)負(fù)荷電流和電壓的前饋，系統(tǒng)頻率和電壓的響應(yīng)更加迅速，相比之下，對(duì)頻率的調(diào)節(jié)效果更加明顯。

圖7　系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

圖8　蓄電池?zé)o功功率出力

圖9　系統(tǒng)相電壓有效值

2.2負(fù)荷有功變化情形微網(wǎng)系統(tǒng)仿真分析

建立圖1所示的微網(wǎng)系統(tǒng)的Matlab仿真圖。系統(tǒng)參數(shù)為：?jiǎn)蝹€(gè)光伏板在溫度T=25℃，光照強(qiáng)度1 000 W/m2下，Voc=43．5 V，Isc=5．1 A，Vm=35 V，Im= 4．55 A，光伏發(fā)電系統(tǒng)由100個(gè)光伏板串并聯(lián)組成，即Pm=15 kW。燃料電池額定功率為50 kW，風(fēng)力發(fā)電額定功率為100 kW，母線線電壓為380 V，系統(tǒng)頻率為50 Hz，負(fù)荷1為130 kW，負(fù)荷2為100 kW。

負(fù)荷突變時(shí)控制策略仿真結(jié)果與分析。在t=1 s時(shí)刻，微網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷突然由130 kW增加到230 kW，并在t=2 s時(shí)刻負(fù)荷又減少為130 kW，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電以及燃料電池的逆變器采用的控制策略沒(méi)有調(diào)頻調(diào)壓作用，因此其對(duì)系統(tǒng)頻率變化沒(méi)有響應(yīng)，所發(fā)出功率不變，為此天氣狀況下所捕獲的功率。在t=1 s時(shí)刻，系統(tǒng)有功負(fù)荷增加，PG＜PL，蓄電池電壓頻率控制器動(dòng)作，功率輸出發(fā)生相應(yīng)變化，由-35 kW增加到65 kW，并最終穩(wěn)定于65 kW。同樣，在t=2 s時(shí)刻，PG＞PL，為平衡系統(tǒng)功率，蓄電池出力也發(fā)生相應(yīng)的變化，如圖10所示。頻率響應(yīng)如圖11所示，可見系統(tǒng)頻率沒(méi)有因?yàn)樨?fù)荷的突增而發(fā)生變化，說(shuō)明引入負(fù)荷電流電壓前饋的蓄電池的控制調(diào)節(jié)非?？焖?。微網(wǎng)母線相電壓有效值如圖12所示，在負(fù)荷突變時(shí)刻只有微小的波動(dòng)，并迅速恢復(fù)到220 V?？梢?，提出的頻率控制策略可有效、快速地調(diào)節(jié)孤立微網(wǎng)的頻率和電壓。

圖1　0各微源輸出功率

圖11　微網(wǎng)系統(tǒng)頻率

圖12　母線相電壓有效值

3　結(jié)語(yǔ)

建立包含有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池以及蓄電池的微網(wǎng)系統(tǒng)，提出一種調(diào)節(jié)孤立微網(wǎng)頻率和電壓的方法。由仿真結(jié)果可以看出，所提出的蓄電池的控制策略，將負(fù)荷電流和電壓引入減小了負(fù)荷變化對(duì)系統(tǒng)電壓頻率的影響，有效提高了蓄電池調(diào)壓調(diào)頻的速度，使得蓄電池可有效調(diào)節(jié)孤立微網(wǎng)的電壓和頻率。并且使用蓄電池經(jīng)獨(dú)立的逆變器接入系統(tǒng)并采用droop控制可為微網(wǎng)后續(xù)建設(shè)提供方便。

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邵明燕（1989），女，工程師，從事配電線路運(yùn)維檢修、配電網(wǎng)規(guī)劃工作；

李曉磊（1989），男，工程師，從事變電設(shè)備檢修工作；

王曉燕（1982），女，工程師，從事配電線路運(yùn)維檢修、配電網(wǎng)規(guī)劃工作；

孫冰（1988），男，工程師，從事配電線路運(yùn)維檢修、配電網(wǎng)規(guī)劃工作；

劉紀(jì)東（1969），男，技師，從事配電線路運(yùn)維檢修、配電網(wǎng)規(guī)劃工作。

V/f Control Strategy Introducing the Feed Forward of Voltage and Current

SHAO Mingyan，LI Xiaolei，WANG Xiaoyan，SUN Bing，LIU Jidong
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Abstract:To stabilize the voltage and frequency of the microgrid operated in islanded mode，a control strategy of voltage and frequency based on battery is proposed which sets as a research object an islanded microgrid containing kinds of distributed generators（DG）．In order to shoot the problem of traditional control of V/f that load structural changes is not taken into account，the control of battery introduces the voltage and current feed forward based on traditional V/f control strategy．According to this control method，the detailed charging/discharging system of battery is established and compared with traditional control scheme．At the same time，the proposed method is applied to an islanded microgrid and various states are simulated of searched microgrid．Simulation results demonstrate that the control strategy introducing the feedforward of voltage and current is valid and practical and can regulate the voltage and frequency rapidly．

Key words:microgrid；PV；V/f control；battery

中圖分類號(hào)：TM727；TM91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-9904（2016）02-0005-06

作者簡(jiǎn)介：