范東海

（國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)在新能源技術(shù)方面的研究取得了很大的成果，這為分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展以及分布式發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。微電網(wǎng)是由分布式電源、能量存儲(chǔ)裝置、負(fù)載以及控制裝置組成的微型電力系統(tǒng)。由分布式電源作為主要的能量來(lái)源，能運(yùn)行在并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式下。此外，還能夠提高當(dāng)?shù)氐墓╇姺€(wěn)定性和能源的利用率[1]。

1 微電網(wǎng)的概念

分布式發(fā)電系統(tǒng)與其附近的用電負(fù)荷按照一定的連接形式組合起來(lái)構(gòu)成了微電網(wǎng)。微電網(wǎng)的構(gòu)成主要包括了分布式電源、交流母線(xiàn)、DC/DC變換器、DC/AC變換器以及用電負(fù)荷等[2]，其組成形式如圖1所示。此外，微電網(wǎng)的運(yùn)行方式主要包括與電力系統(tǒng)配合運(yùn)行的并網(wǎng)和獨(dú)立運(yùn)行的離網(wǎng)兩種。

2 微電網(wǎng)模型的實(shí)現(xiàn)

由于微電源是分布式發(fā)電系統(tǒng)和微電網(wǎng)的能量來(lái)源，因此有必要研究分析火力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及光伏發(fā)電3種微電源，從而驗(yàn)證每種微電源的運(yùn)行可靠性。

圖1 微電網(wǎng)組成形式

2.1 火力發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制

圖2 火力發(fā)電系統(tǒng)基本組成

火力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成包括微汽輪機(jī)、永磁同步電機(jī)、整理單元、逆變單元以及濾波單元等，如圖2所示。其工作原理是由燃料驅(qū)動(dòng)微汽輪機(jī)工作，帶動(dòng)永磁同步電機(jī)發(fā)電，再經(jīng)過(guò)整流單元和逆變單元將頻率變?yōu)?0 Hz。火力發(fā)電系統(tǒng)的控制模型如圖3所示。當(dāng)火力發(fā)電系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采用PQ控制策略，能夠較容易地控制有功功率和無(wú)功功率。處于離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，不受電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，可以通過(guò)采用下垂特性曲線(xiàn)控制方法，從而取得較好的控制效果[3]。

圖3 火力發(fā)電系統(tǒng)總體控制模型

2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成包括風(fēng)機(jī)、永磁同步電機(jī)、整理單元、逆變單元以及濾波單元等，如圖4所示。

圖4 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本組成

其工作原理是由風(fēng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)工作帶動(dòng)永磁同步電機(jī)發(fā)電。由于風(fēng)速具有隨機(jī)性，導(dǎo)致電能參數(shù)也具有隨機(jī)性，因此同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能需經(jīng)過(guò)整流單元和逆變單元的變換才可以進(jìn)行并網(wǎng)或使用[4-5]。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制包括電機(jī)側(cè)變流器控制和電網(wǎng)側(cè)變流器控制兩個(gè)方面。其中，電機(jī)側(cè)變流器的控制目標(biāo)是保證電機(jī)側(cè)變流器的高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的跟蹤，即控制Q軸電流?？刂齐娏鞯墓綖椋?/p>

最大風(fēng)能跟蹤控制策略的控制框圖如圖5所示。

圖5 最大風(fēng)能跟蹤控制策略

電網(wǎng)側(cè)變流器采用基于比例諧振方法的控制策略，能夠有效跟蹤50 Hz交流信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中采用的是準(zhǔn)PR控制器，其傳遞函數(shù)為：

電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略能夠穩(wěn)態(tài)控制誤差信號(hào)，且易于實(shí)現(xiàn)。其控制框圖如圖6所示。

圖6 電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制

光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成包括光伏陣列、DC/DC變換器、DC/AC變換器、濾波單元以及MPPT控制單元等，如圖7所示。

圖7 光伏發(fā)電系統(tǒng)基本組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)中，需要通過(guò)DC/DC變換器提升光伏陣列的輸出電壓，通過(guò)DC/AC變換器將直流電變換為50 Hz的工頻交流電進(jìn)行并網(wǎng)或供給負(fù)荷使用。MPPT控制單元用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏陣列的輸出電壓，當(dāng)檢測(cè)到電壓和電流達(dá)到最大值時(shí)，以最大功率向蓄電池充電，從而保證光伏陣列、蓄電池以及負(fù)荷均處于最佳工作狀態(tài)[5]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)雖然可以通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備來(lái)維持電壓的穩(wěn)定性，但是會(huì)增加硬件投資成本，因此有必要通過(guò)軟件控制電壓的穩(wěn)定性，確保光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)[6-7]，其控制策略如圖8所示。

圖8 MPPT電壓控制策略

系統(tǒng)的外環(huán)是電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后，并網(wǎng)電流可以分解為有功和無(wú)功兩個(gè)正交分量。針對(duì)有功分量，比較MPPT控制單元輸出的電壓Um與實(shí)際直流電壓Udc并求和，再經(jīng)過(guò)PI控制器得到電流Idref，作為內(nèi)環(huán)有功電流控制的給定量。針對(duì)無(wú)功分量，比較交流電壓Vref與實(shí)際電壓Vrms并求和，再經(jīng)過(guò)PI控制器得到電流Iqref，作為內(nèi)環(huán)無(wú)功電流控制的給定量。經(jīng)過(guò)PI控制器比較將并網(wǎng)電流有功分量Id與給定量Idref并求和，最后經(jīng)過(guò)坐標(biāo)反變換得到調(diào)制波uabc。由此實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)能量由直流到交流的變換過(guò)程，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)于最大功率的跟蹤。

3 微電網(wǎng)的控制策略研究

3.1 微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)

微電網(wǎng)的運(yùn)行方式主要包括并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)運(yùn)行兩種，另外還存在一種切換運(yùn)行。微電網(wǎng)通常工作在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，較少時(shí)間工作在離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)[8]。并網(wǎng)運(yùn)行方式下，微電網(wǎng)與電力系統(tǒng)進(jìn)行能量交換。當(dāng)微電網(wǎng)的負(fù)荷過(guò)大時(shí)，除微電網(wǎng)自身發(fā)出的電能提供給負(fù)荷外，還需要電力系統(tǒng)提供剩余所需電能。當(dāng)微電網(wǎng)自身發(fā)出的電能還有盈余時(shí)，盈余的電能會(huì)輸送到電力系統(tǒng)供給其他負(fù)荷使用[9]。微電網(wǎng)的電壓和頻率都是由電力系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，采用功率控制方式運(yùn)行。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電能質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，微電網(wǎng)會(huì)從并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為離網(wǎng)運(yùn)行，微電源會(huì)跟蹤負(fù)荷的變化情況，提供所需要的功率。

3.2 微電網(wǎng)的控制策略

微電網(wǎng)的組成比較復(fù)雜，包括火力發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以及光伏發(fā)電系統(tǒng)，而且各系統(tǒng)的特性存在巨大差異[10]。例如，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，不易獲得恒定的功率，在其接入電力系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，需要以可靠的控制策略為保證，這種情況下的微電源稱(chēng)為間歇性微電源。而火力發(fā)電輸出的電能參數(shù)可以進(jìn)行有效控制，不僅能控制恒定功率，還能夠控制電壓和頻率，這種情況下的微電源稱(chēng)為可控微電源。

當(dāng)微電網(wǎng)工作在離網(wǎng)模式，獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，可控微電源作為主電源，采用V/f控制策略，用于給微電網(wǎng)提供所需的電壓和頻率。當(dāng)微電網(wǎng)的負(fù)荷出現(xiàn)變化，導(dǎo)致當(dāng)前的發(fā)電能力與負(fù)荷需求無(wú)法進(jìn)行有效匹配時(shí)，該策略能夠及時(shí)調(diào)節(jié)輸出，跟蹤負(fù)荷的需求，保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。其他微電源都是從電源，采用PQ控制策略，高效率利用能源。具體的控制策略如圖9所示。

圖9 微電網(wǎng)主從控制策略

火力發(fā)電系統(tǒng)作為該微電網(wǎng)的主控電源。當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采用PQ控制策略，由電力系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制提供微電網(wǎng)運(yùn)行所需的電壓和頻率；當(dāng)微電網(wǎng)處于離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采用V/f控制策略。由于火力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定，能夠快捷實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，因此在系統(tǒng)負(fù)荷不發(fā)生劇烈變化的情況下，能夠保證微電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在離網(wǎng)模式下。微電網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)論并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)還是離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，都采用PQ控制策略。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基于比例諧振算法跟蹤最大風(fēng)能，光伏發(fā)電系統(tǒng)基于MPPT策略跟蹤最大功率。

4 仿真測(cè)試

4.1 微電網(wǎng)仿真模型

為了有效驗(yàn)證微電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)性能，搭建了由火力發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以及光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成的微電網(wǎng)仿真模型，并采用主從控制策略進(jìn)行控制。

設(shè)置電網(wǎng)電壓的有效值為380 V，頻率為50 Hz，光伏發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)阻為0.05 Ω，濾波電感值L設(shè)置為10 mF。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，仿真初始t=0 s時(shí)刻的光強(qiáng)為600 W/m2，t=1 s時(shí)刻增加為1 000 W/m2。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，仿真初始t=0 s時(shí)刻的風(fēng)速為8 m/s，t=3 s時(shí)刻速增加為10 m/s。在火力發(fā)電系統(tǒng)，仿真初始t=0 s時(shí)刻的發(fā)電功率為8 kW，t=2 s時(shí)刻增加為15 kW。

4.2 仿真結(jié)果分析

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電源輸出功率的仿真結(jié)果如圖10所示，微電源有功功率和無(wú)功功率變化情況的仿真結(jié)果如圖11所示，微電輸出電壓和諧波分析如圖12所示。

圖10 微電源輸出功率

圖11 微電源有功功率和無(wú)功功率變化情況

圖12 微電輸出電壓及諧波分析

當(dāng)系統(tǒng)的風(fēng)力、光強(qiáng)以及火力發(fā)電功率等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)外界變化，逐步提升有功功率，而無(wú)功功率一直維持為零。經(jīng)過(guò)FFT分析輸出電壓，得到電壓諧波含量為1.91%，完全滿(mǎn)足并網(wǎng)技術(shù)的參數(shù)要求。

5 結(jié) 論

本文專(zhuān)門(mén)研究了包含多種微電源的微電網(wǎng)控制策略，具體包括多種微電源的工作原理和控制策略。以各種微電源的特性和控制策略為依據(jù)，總結(jié)出了微電網(wǎng)的主從控制策略?；鹆Πl(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)采用PQ控制策略，離網(wǎng)時(shí)采用V/f控制策略，而其他微電源一直采用PQ控制策略。此外，搭建了微電網(wǎng)仿真模型，進(jìn)行了并網(wǎng)模式下微電網(wǎng)的仿真研究。研究可知，微電網(wǎng)的主從控制策略具有較好的動(dòng)態(tài)特性，能保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。