曹瑩　高云峰

摘 要：微電網(wǎng)系統(tǒng)由多個(gè)小型分布式發(fā)電系統(tǒng)組成，可以解決其與大型電網(wǎng)連接后對(duì)大型電網(wǎng)的影響。微型電網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)，不僅可以與大型電網(wǎng)同時(shí)運(yùn)行，而且在電網(wǎng)系統(tǒng)受損或需要維修和保養(yǎng)時(shí)，并且能在斷開大電網(wǎng)之后繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)行，體現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定和靈活性。

關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電;電力電子變換電路;微電網(wǎng);控制技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，化石能源的緊缺問題和環(huán)境保護(hù)問題引起大家的關(guān)注。傳統(tǒng)的大電網(wǎng)模式在運(yùn)行中暴露出很多問題：如供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高、可靠性不強(qiáng)等。因此，人們也越來越多的重視和關(guān)注利用可再生清潔能源發(fā)電的分布式發(fā)電。分布式發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是：環(huán)境污染少、工作可靠性高、安裝便捷、能源利用率高，但大量的分布式電源接入對(duì)大電網(wǎng)帶來沖擊性，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成影響，同時(shí)還給電網(wǎng)的調(diào)度帶來不利。分布式電源對(duì)大電網(wǎng)來說，就是一個(gè)不可控電源。為協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式發(fā)電之間的矛盾，微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。

微電網(wǎng)是把分布式發(fā)電單元、控制裝置、儲(chǔ)能裝置、用戶負(fù)荷進(jìn)行有機(jī)的組合，使之形成一個(gè)單一的、微小的、可控的電力網(wǎng)絡(luò)。微電網(wǎng)不僅解決了分布式能源接入的問題，還充分利用了分布式能源的節(jié)能、環(huán)保、高效、靈活的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠?yàn)橛脩籼峁┎煌墓?yīng)需求和供電質(zhì)量。因此，微電網(wǎng)成為大電網(wǎng)的重要補(bǔ)充，也是智能電網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)控制系統(tǒng)包括配電網(wǎng)、變壓器、公共母線、微網(wǎng)并網(wǎng)開關(guān)、分布式發(fā)電單元，電力電子變換電路、儲(chǔ)能裝置及一般負(fù)荷，如圖1所示。一般分布式發(fā)電單元由太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池等組成，電力電子變換電路由DC——DC、DC——AC電路構(gòu)成，儲(chǔ)能裝置一般為蓄電池，一般負(fù)荷為實(shí)驗(yàn)負(fù)荷和本地負(fù)荷。當(dāng)公共母線上的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)閉合時(shí)，微電網(wǎng)處于并網(wǎng)狀態(tài)，這時(shí)，微電網(wǎng)將多余的電能送至配電網(wǎng)的各處，或當(dāng)微電網(wǎng)電能不足的時(shí)候，由配電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充，使得微電網(wǎng)和配電網(wǎng)進(jìn)行能量的交換，實(shí)現(xiàn)了能量的最大化利用。當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)故障需要維護(hù)或者電能質(zhì)量不符合要求時(shí)，將靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)斷開，微電網(wǎng)處于獨(dú)立運(yùn)行的狀態(tài)，由微電網(wǎng)自行向本地一般負(fù)荷供電，保證負(fù)荷持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。當(dāng)微電網(wǎng)電能不足，所有負(fù)荷無法同時(shí)運(yùn)行時(shí)，一般要切除二級(jí)負(fù)荷來保證一級(jí)負(fù)荷的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 電力電子變換電路設(shè)計(jì)

這里的分布式發(fā)電單元由光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電力電子變換電路包含DC——DC、DC——AC電路，如圖2所示。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的是不穩(wěn)定、比較低的直流電壓，必須首先經(jīng)過DC-DC穩(wěn)壓后，再經(jīng)過DC-AC，實(shí)現(xiàn)逆變，輸出穩(wěn)定的交流電送到母線上。為了最大限度利用資源，采用帶有MPPT跟蹤的功率控制方式，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出最大功率。

前級(jí)為DC——DC變換電路，作用使得光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電壓更穩(wěn)定，范圍更廣，提高對(duì)外界的適應(yīng)能力，并具有MPPT控制功能。DC——DC直流電路采用Boost型直流變換器。

MPPT具體控制方法：根據(jù)光伏系統(tǒng)輸出的電壓u和電流i，計(jì)算出功率P，送到MPPT模塊，計(jì)算出光伏陣列的輸出功率，通過MPPT算法找到光伏陣列的最大工作點(diǎn)，調(diào)節(jié)功率變換元器件使得光伏陣列的輸出功率保持在最大值。

后級(jí)DC-AC電路的作用是把前級(jí)DC-DC變換后輸出穩(wěn)定的直流電進(jìn)行逆變，轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)電壓同頻同相位的交流電，向本地的一般負(fù)荷供電，同時(shí)接入配電網(wǎng)，逆變電路還能保證公共母線電壓恒定。濾波電路采用LC濾波器，滿足并網(wǎng)諧波要求。

3 微電網(wǎng)的控制策略研究

當(dāng)微電網(wǎng)通過逆變器連接到大電網(wǎng)時(shí)，通過控制系統(tǒng)來控制和調(diào)節(jié)逆變器，而且微電網(wǎng)的運(yùn)行能力也是由控制系統(tǒng)決定的。孤島和并網(wǎng)兩種狀態(tài)是微電網(wǎng)主要的運(yùn)行狀態(tài)，在兩種不同的微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，采用不同的控制方法對(duì)逆變器進(jìn)行控制。目前，微電網(wǎng)逆變器的控制方式有三種：并網(wǎng)時(shí)功率控制（P/Q）為常用的方式、孤島運(yùn)行時(shí)則采用比較穩(wěn)定的恒壓恒頻控制（U/f）和下垂控制（Droop）。

3.1 PQ功率控制策略

微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，一般用P/Q來進(jìn)行控制的，通過給定的有功功率和無功功率的信號(hào)來進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，直到目標(biāo)值達(dá)到，同時(shí)大電網(wǎng)的頻率和電壓也將被跟蹤。系統(tǒng)原理圖如圖3所示，圖中的微電源為直流電源，Lf和Cf分別為濾波電感和濾波電容;Ri和Li分別為線路電阻和電感;逆變器的輸出電壓、輸出電流分別是Uik，Ilk，大電網(wǎng)的電壓為Ugk。

功率控制方法如圖4所示：有功功率在電網(wǎng)中的控制是需要調(diào)整頻率的下垂曲線，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率輸出值保持在參考值上下;而無功功率的控制是需要調(diào)整電壓的下垂曲線，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)無功功率輸出保持在參考值上下。微電網(wǎng)工作在B點(diǎn)，即正常運(yùn)行時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的頻率、電壓為額定值，系統(tǒng)電源的輸出功率與負(fù)荷消耗的功率基本平衡。若系統(tǒng)受外界影響，頻率升高，相應(yīng)的幅值也升高，系統(tǒng)的工作點(diǎn)就會(huì)由B點(diǎn)向A點(diǎn)移動(dòng)，雖然頻率增加了，但輸出的有功功率和無功功率保持不變;如果系統(tǒng)頻率降低，幅值也降低，系統(tǒng)的工作點(diǎn)就會(huì)由B點(diǎn)向C點(diǎn)移動(dòng)，頻率減小，但輸出的有功功率和無功功率也始終保持恒定狀態(tài)。

3.2 U/f控制策略

當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，一般采用U/f（電壓/頻率）控制策略，可以輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓和頻率，并且能夠讓系統(tǒng)的輸出功率滿足負(fù)載變化的需求。圖5為控制原理結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)的電壓和頻率進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)之后，得到的值和實(shí)際的測(cè)量值進(jìn)行比差，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，最后使得實(shí)際的電壓和頻率跟隨給定值變化，最終實(shí)現(xiàn)恒頻、恒壓的控制。

控制方法如圖6所示：正常運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)系統(tǒng)的工作點(diǎn)在A點(diǎn)，電壓、頻率為額定數(shù)值，對(duì)應(yīng)的輸出功率是有功功率P2）和無功功率是Q2，當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，工作中心點(diǎn)是由A點(diǎn)向C點(diǎn)移動(dòng)，輸出的有功功率和無功功率都變小，但系統(tǒng)中的電壓、頻率還是額定值，保持不變;當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，操作點(diǎn)從A點(diǎn)向B點(diǎn)移動(dòng)，輸出的有功功率和無功功率都變大，而系統(tǒng)電壓和頻率依然保持不變。因此，恒壓和恒頻（U/f）控制可以提供穩(wěn)定的系統(tǒng)和恒定的電壓和頻率。

3.3 下垂控制

通過下垂控制，得到了各個(gè)逆變器輸出的電壓和頻率值，各自反相微調(diào)，使得系統(tǒng)的有功功率和無功功率得到合理分配。原理框圖如圖7所示，整個(gè)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)，包括電壓電流雙環(huán)和一個(gè)功率環(huán)。具體控制方法如下：當(dāng)逆變器輸出的有功功率偏大時(shí)，調(diào)節(jié)頻率下垂特性，使得輸出頻率減小，進(jìn)而使得有功功率減小;當(dāng)逆變器輸出的有功功率偏小時(shí)，調(diào)節(jié)頻率下垂特性，使得輸出頻率增大，進(jìn)而使得有功功率增加;當(dāng)逆變器輸出的無功功率偏大時(shí)，調(diào)節(jié)幅值下垂特性，使得輸出幅值減小，進(jìn)而使得無有功功率減小;當(dāng)逆變器輸出的無功功率偏小時(shí)，調(diào)節(jié)幅值下垂特性，使得輸出幅值增大，進(jìn)而使得無功功率增加。

在實(shí)際系統(tǒng)中，微電源可以由光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、燃料電池等構(gòu)成，由于這些微電源的差異性比較大，因而在控制方式上必須采取不同的控制方法，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。一般來說，對(duì)于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)和燃料電池這些發(fā)電方式，可以采用下垂控制，對(duì)于光伏陣列，一般采用PQ控制。當(dāng)微電網(wǎng)工作在兩種模式之間的切換狀態(tài)時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)兩種模式的無縫切換、維持系統(tǒng)穩(wěn)定是控制的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

微電網(wǎng)的出現(xiàn)解決了分布式發(fā)電的接入問題，他在提高電系統(tǒng)可靠性、降低能耗和靈活性等方面又具有非常大的潛力。微電網(wǎng)既可以孤島運(yùn)行，又可以并網(wǎng)運(yùn)行，在惡劣天氣下，還能保證對(duì)用戶供電。微電網(wǎng)在滿足多種電能質(zhì)量要求和提高供電可靠性等方面有諸多優(yōu)點(diǎn)，使它完全可以作為現(xiàn)有電網(wǎng)的一個(gè)有益、必要的補(bǔ)償。

參考文獻(xiàn)：

[1]于文濤.智能微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].沈陽：沈陽理工大學(xué)大學(xué)，2012.

[2]吳忠強(qiáng).現(xiàn)代控制理論[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社2010.

[3]紀(jì)明偉.分布式發(fā)電中微電網(wǎng)技術(shù)控制策略研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[4]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[5]楊文杰.光伏發(fā)電并網(wǎng)與微網(wǎng)運(yùn)行控制仿真研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[6]陳達(dá)威，朱桂萍.低壓微電網(wǎng)中的功率傳輸特性[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，12.

[7]郭誠.微網(wǎng)逆變器的雙模式變換控制研究[D].安徽：安徽理工大學(xué)，2016.

課題項(xiàng)目：2019江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（課題編號(hào)：201910958002Y）的研究成果

作者簡(jiǎn)介：曹瑩（1972-），女，江蘇南通人，工學(xué)碩士學(xué)位，副教授，研究方向：新能源應(yīng)用技術(shù)和職業(yè)教育教學(xué)研究;高云峰，男，學(xué)生。