袁雪珺

(三峽大學，湖北 宜昌 443002)

微電網(wǎng)的PQ控制研究

袁雪珺

(三峽大學，湖北 宜昌 443002)

隨著能源問題和環(huán)境問題的日益突出，分布式發(fā)電不斷發(fā)展，然而分布式發(fā)電的大量接入對大電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊，因此微電網(wǎng)應運而生。微電網(wǎng)一般通過電力電子接口將微電源接入到網(wǎng)內(nèi)，這增加了微電網(wǎng)控制的靈活性，但由于系統(tǒng)慣性的減小，也增加了系統(tǒng)能量平衡和頻率穩(wěn)定控制的難度，因此，為維持微電網(wǎng)正常的運行，良好的控制策略是必不可少的。本文著重介紹了微電網(wǎng)的PQ控制原理。

微電網(wǎng)；PQ控制

1 微電網(wǎng)研究的背景意義及其發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 背景意義

隨著環(huán)境問題和能源問題的日益突出，世界各國開始紛紛為尋求更加環(huán)保節(jié)能的新能源發(fā)電方式而努力。近年來，具有環(huán)境污染少、能源利用率高及安裝地點靈活等優(yōu)點的分布式發(fā)電開始受到世界各國的關注，早在1999年國際熱電聯(lián)產(chǎn)機構(ICA)就曾預言“分布式發(fā)電將成為21世紀電力工業(yè)的發(fā)展方向?！?2001年，美國制定了分布式發(fā)電互聯(lián)標準IEEE—PI547/D08，并計劃使分布式發(fā)電在未來10～15年內(nèi)占整個美國發(fā)電量的10%～20%；德國在其《可再生能源法》中也規(guī)定，在未來的2020年，國家的分布式發(fā)電量將提高10%，占國家總發(fā)電量的20%；北歐一些國家則提出將分布式發(fā)電逐漸代替核發(fā)電的戰(zhàn)略目標；我國也正在大力發(fā)展分布式發(fā)電，提出到2020年，我國分布式發(fā)電總裝機量將達到3.17億千瓦，占我國總發(fā)電裝機容量的31.7%，到2050年，分布式發(fā)電總裝機量將超過9.6億千瓦，占總發(fā)電裝機容量的43%。由此可見，分布式發(fā)電將是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

接在用戶側的分布式發(fā)電( Distributed Generation，DG)，如光伏發(fā)電、風力發(fā)電等，很好地實現(xiàn)了新能源利用，節(jié)能減排，但存在發(fā)電間歇性、需要大電網(wǎng)支撐、需要建設相同的備用容量、外部故障失去分布式發(fā)電等缺點。DG 與儲能裝置(Energy Storage，ES)聯(lián)合構成的分布式電源(Distributed Resource，DR)，解決了新能源發(fā)電的間歇性。分布式能源(Distributed Energy Resource，DER)在靠近用戶側生產(chǎn)電能和熱能使新能源更充分利用，直接產(chǎn)生熱能減少了電能轉換熱能的損耗，解決了新能源發(fā)電的間歇性，DR 與 DER 同樣存在分布式發(fā)電的缺點。因此，急需另外一種發(fā)電方式來解決以上問題，隨著新型技術的應用，特別是現(xiàn)代控制理論及電力電子技術的發(fā)展，本世紀初微電網(wǎng)的概念被提出。

微電網(wǎng)(Micro-Grid，MG)是分布式發(fā)電的重要形式之一，MG很好地解決了 DG(DR 或 DER)的缺點。微電網(wǎng)是由微電源、本地負荷、儲能系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構成的小型電力系統(tǒng)，具有獨特性、多樣性、可控性、交互性和獨立性等特點。獨特性主要體現(xiàn)在，與大電網(wǎng)相比具有靈活的可調(diào)度性；多樣性主要體現(xiàn)在微電源的多樣性和負載的多樣性，微電源主要包括光伏發(fā)電、風力發(fā)電、燃料電池及微型燃氣輪機等，負載又可分為敏感性負載、非敏感性負載、可控性負載和非可控性負載等；可控性主要體現(xiàn)在根據(jù)不同的工況條件，微電網(wǎng)可以選擇不同的運行模式，完善的控制策略保證了微電網(wǎng)的可靠性和安全性；交互性主要體現(xiàn)在微電網(wǎng)可以在必要時為大電網(wǎng)提供有力支撐，同樣，大電網(wǎng)也可以向微電網(wǎng)輸送電能；獨立性主要體現(xiàn)在微電網(wǎng)可以獨立運行，為本地負載提供高質(zhì)量的電能。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，微電網(wǎng)的研宄己在美國、日本及歐洲等發(fā)達國家取得了重大成果，這些國家對微電網(wǎng)基礎理論的研宄已基本完成，并根據(jù)各自國家基本情況初步建立了微電網(wǎng)的示范工程。

2003年美國電力可靠性技術解決方案協(xié)會(CERTS)首次在《微電網(wǎng)概念》白皮書中提出微電網(wǎng)的概念，并對微電網(wǎng)的核心思想及關鍵技術做了詳細的概述，同時也對微電網(wǎng)的結構、控制、繼電保護及經(jīng)濟性運行等問題進行了闡述。

歐盟在綜合考慮了電力市場的自身需求、電能的安全供給以及環(huán)境的清潔保護等各方面因素，在2005年提出了建立“智能電網(wǎng)(Smart Grid)”的目標，并在2006年提出該目標計劃的技術實現(xiàn)方案。目前，歐盟主要資助和推進兩個微電網(wǎng)項目：Micro-Grids和More Micro-Grids，旨在通過拓展和發(fā)展微電網(wǎng)的概念增加分布式微電源的滲透率，并已初步形成微電網(wǎng)的運行、控制、保護、安全以及通信等基本理論，并相繼在德國、希臘、西班牙建立了不同規(guī)模的微電網(wǎng)實驗平臺及示范工程。

我國對微電網(wǎng)技術的研宄還處于起步階段，但在2007年的國家科技部“863計劃先進能源技術領域2007年度專題課題”中也包括了微電網(wǎng)技術，近年來，我國對微電網(wǎng)技術的研宄相繼展開，各高校單位都投入了大量的人力物力進行微電網(wǎng)的研宄。

就目前來講，我國對微電網(wǎng)的研究取得了一定的進展，但與歐美、日本等國家相比，我國在研究成果已及研究力量上與之仍然有較大差距，因此為促進我國微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，增強我國微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的競爭力，解決能源危機及環(huán)境問題，深入開展微電網(wǎng)關鍵技術的研究，對我國具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2 微電網(wǎng)及其控制方式

2.1 微電網(wǎng)的定義及基本結構

在各國對微電網(wǎng)的定義中，提出最早的也是最權威的定義是CERTS給出的：微電網(wǎng)是一種由微電源和負荷共同組成的系統(tǒng)，它可同時提供熱能和電能：微電網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負責能量的轉換，且提供必需的控制：微電網(wǎng)相對于大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的可控單元，并同時滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全的要求。其相應的微電網(wǎng)的結構如圖1所示。

圖1 CERTS提出的微電網(wǎng)的結構示意圖

微電源主要包括光伏發(fā)電、風力發(fā)電、燃料電池和微型燃氣輪機等，一般通過控制靈活的電力電子裝置連接到電網(wǎng)，對于交流微電源經(jīng)AC/DC把交流電能轉換成直流電能，然后經(jīng)并網(wǎng)逆變器DC/AC在控制器的控制下將直流電能轉換成工頻交流電能，對于直流微電源則直接經(jīng)并網(wǎng)逆變器DC/AC在控制器的控制下將直流電能轉換成工頻交流電能。在微電網(wǎng)中，為了向負荷供應高質(zhì)量的電能，微電源一般需要配備儲能裝置(蓄電池、超級電容、超級電感等)。微電網(wǎng)存在兩種非常典型的運行模式，正常情況下，微電網(wǎng)與常規(guī)電網(wǎng)并聯(lián)運行，稱為并網(wǎng)運行模式：當檢測出電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不能滿足負荷要求時，微電網(wǎng)將及時與常規(guī)電網(wǎng)斷開，處于孤島運行模式。無論微電網(wǎng)處于何種運行模式，都需要對其進行有效的控制，使電壓和頻率維持在允許的變化范圍內(nèi)。尤其是微電網(wǎng)運行在孤島運行模式下時，大電網(wǎng)不再提供電壓和頻率的支持，此時的控制將更加復雜。

2.2 微電網(wǎng)控制方式

同簡單的分布式發(fā)電系統(tǒng)不同，微電網(wǎng)一般應具備兩種常態(tài)運行模式，即獨立運行模式和聯(lián)網(wǎng)運行模式，微電網(wǎng)應能夠在這兩種常態(tài)運行模式下進行可靠的轉換。圖2給出了微電網(wǎng)各種運行狀態(tài)及其之間的相互轉化關系。微電網(wǎng)中存在多種能源輸入(光、風、氫、天然氣等)、多種能源輸出(電、熱、冷)、多種能量轉換單元(光/電、熱/電、風/電、交流/直流/交流)以及多種運行狀態(tài)(并網(wǎng)、獨立)，使其動態(tài)特性相對于單個分布式電源而言更加復雜。

圖2 微電網(wǎng)運行狀態(tài)

3 微電源并網(wǎng)逆變器PQ控制

3.1 微電網(wǎng)和并網(wǎng)逆變器的PQ控制

在微電網(wǎng)處于孤島運行模式時，作為從控制單元的分布式電源一般為PQ控制，負荷的變化主要由作為主控制單元的分布式電源來跟隨，因此要求其功率輸出應能夠在一定范圍內(nèi)可控，且能夠足夠快地跟隨負荷的波動變化。在采用主從控制的微電網(wǎng)中，當微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行狀態(tài)時，所有的分布式電源一般都采用PQ控制，而一旦轉入孤島模式，則需要作為主控制單元的分布式電源快速地由PQ控制模式轉換為V/f控制模式。

微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行依賴于各個分布式電源的有效控制，微電網(wǎng)中的分布式電源按照并網(wǎng)方式可以分為逆變型電源、同步機型電源和異步機型電源。其中，小型同步發(fā)電機的控制和并網(wǎng)技術已較為成熟，異步發(fā)電機的控制也較為簡單，大部分微電網(wǎng)的電源是基于電力電子技術的逆變型分布式電源，如光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池、微型燃氣輪機等類型的電源。對于逆變型分布式電源，分布式電源需要通過電能變換裝置并網(wǎng)運行。通常采用采用DC/AC變換，將直流電能變換成交流電能，通常稱為逆變器。

分布式電源的類型不同，在微電網(wǎng)中所起到的作用也可能不相同，其并網(wǎng)逆變器也需要采取不同的控制策略，這種控制策略的不同主要體現(xiàn)在逆變器的外環(huán)控制。常見的分布式電源并網(wǎng)逆變器的外環(huán)控制方法可分為：恒功率控制(PQ控制)、恒壓恒頻控制(V/f控制)、下垂控制(Droop控制)。PQ控制是使逆變器輸出的有功功率和無功功率等于參考功率，主要適用于風力、光伏等間歇性電源；V/f控制主要是控制逆變器輸出端電壓的幅值和頻率等于標準值，不論輸出功率如何變化，電壓的幅值和頻率不變。Droop控制是模擬同步發(fā)電機輸出的有功功率和電壓頻率、無功功率和電壓幅值的關系特性，人為使逆變器的輸出有功功率和電壓頻率、無功功率和電壓幅值呈線性關系，實現(xiàn)各個組成單元的對等控制。

采用PQ控制的主要目的是使分布式電源輸出的有功功率和無功功率等于其參考功率，即當并網(wǎng)逆變器所連接交流網(wǎng)絡系統(tǒng)的頻率和電壓在允許范圍內(nèi)變化時，分布式電源輸出的有功功率和無功功率保持不變。PQ控制的實質(zhì)是將有功功率和無功功率解耦后分別進行控制，其控制原理如圖3所示。

圖3 PQ控制原理

分布式電源系統(tǒng)的初始運行點為A，輸出的有功功率和無功功率分別為給定的參考值Pref和Qref時，系統(tǒng)頻率為f0，分布式電源所接交流母線處的電壓為u0。有功功率控制器調(diào)整頻率特性曲線，在頻率允許的變化范圍內(nèi)(fmin≤f≤fmax)，使分布式電源輸出的有功功率維持在給定的參考值；無功功率控制器調(diào)整電壓特性曲線，在電壓允許的變化范圍內(nèi)(umin≤u≤umax)，輸出的無功功率維持在給定的參考值。因此，采用這種控制方式的分布式電源并不能維持系統(tǒng)的頻率和電壓，如果是一個獨立運行的微電網(wǎng)系統(tǒng)，則系統(tǒng)中必須有維持頻率和電壓的分布式電源，如果是并網(wǎng)運行的微電網(wǎng)，則由常規(guī)電網(wǎng)維持電壓和頻率。

PQ控制方式外環(huán)為PQ功率控制環(huán)，內(nèi)環(huán)衛(wèi)電流環(huán)，其控制框圖如圖4、圖5所示。

外環(huán)PQ環(huán)可控制逆變器輸出的有功和無功等于參考值，內(nèi)環(huán)電流環(huán)跟蹤電流參考指令，得到的逆變器輸出電壓信號進人SVPWM進行調(diào)制。在PQ控制下，直流DC/DC采用直流母線電壓控制，控制直流母線電壓恒定，維持前后級的功率平衡。

3.2 PQ控制基本原理

在三相靜止坐標系(a，b，c)下，并網(wǎng)逆變器的輸出功率為：

P=u2ai1a+u2bi1b+u2ci1c

(1)

(2)

將其轉化為兩相旋轉坐標系(d，q)下的功率表達式為

P=u2di1d+u2qi1q

(3)

Q=u2qi1d-u2di1q

(4)

對于三相基波電壓u，在三相靜止坐標(a，b，c)下可表示為

(5)

上式利用dq變換公式，可得出三相基波電壓在(d，q)坐標下的表達式為：

(6)

由上式可以看出，在三相靜止坐標西(a，b，c)下三相電壓是耦合的，而轉換成旋轉坐標系后，兩坐標軸分量是相互獨立的，ud=Um，uq=0。

若設定逆變器輸出有功功率和無功功率分別為Pred和Qref，由(3)和(4)可得：

Pref=u2di1dref+u2qi1qref

(7)

Qref=u2qidref-u2di1qref

(8)

把式(6)代入式(7)和(8)可得：

(9)

(10)

由式(9)和式(10)可知，對并網(wǎng)逆變器輸出功率的控制就轉化為對逆變器輸出電流的控制，只要實現(xiàn)了參考電流的跟蹤，也就實現(xiàn)了對參考用功功率和參考無功功率的跟蹤。

4 總結

為了促進我國微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，增強我國微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的競爭力，解決能源危機及環(huán)境問題，可以采用PQ控制使分布式電源輸出的有功功率和無功功率等于其參考功率，令并網(wǎng)逆變器所連接交流網(wǎng)絡系統(tǒng)的頻率和電壓在允許范圍內(nèi)變化時，分布式電源輸出的有功功率和無功功率保持不變，從而控制分布式電源能夠正確的接入大電網(wǎng)，并保證大電網(wǎng)在接受分布式電源輸送的電能時保持安全可靠的狀態(tài)。

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Research on PQ Control of Micro-Grid

YUANXue-jun

(College of Electrical Engineering &New Energy of China Three Gorges University,Yichang,443002 China)

As the rising attention of environmental problem，distributed generation has been under consistent development.However，a large number of accesses of distributed generation would have a greater impact on large power grids.micro-grid emerges as the times require.micro-grid through the power electronics interface of micro-power connection to the grid of electricity，which increases the flexibility of micro-grid control.But because system inertia decreases，the difficulty of control of frequency stability and energy balance of the system increases.Therefore，in order to maintain normal operation of micro-grid,a good control strategy is essential.This article focuses on the PQ control of micro-grid.

micro-grid；PQ-control

1004-289X(2016)06-0001-05

TM71

B