微网控制（共9篇）
微网控制 篇1
随着经济的快速发展,能源供应持续紧张,合理开发使用高效清洁的绿色能源已成为解决未来能源问题的主要途径。如何有效利用可再生能源成为当前亟待解决的问题,分布式发电技术是未来世界能源技术发展的重要方向[1,2]。分布式发电(Distributed Generation,DG)通过将电能和热能的利用结合来提高能量的利用率,同时减少各种碳化物的排放,对环境负面影响小,而且又由于发电位置距离负荷距离比较近,故还可以减少电能源距离传输所带来的线损,提高电能质量和供电的可靠性。大电网与分布式发电结合,被国外许多专家学者认识是降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式[3]。
1 微网的基本概念
分布式电源位置灵活、分散、能与大电网互为备用,在一定程度上分担了输电线路上功率能量的流动,可以补充原有电网的能量流动限制。虽然分布式电源优点突出,但是分布式电源与电网也是相互作用,不同于普通的同步发电机,大电网往往限制和隔离分布式电源[4]。为了协调大电网与分布式电源,提出了微电网的概念[5]。
微网由用电设备和分布式电源共同组成,它同时可以提供电能和热量,使用电力变换器进行能量转化,提供必要的控制;对于电网而言是一个受控源,对于用户则是可定制电源。微网的基本结构如图所示,微网中包含多个分布式电源和储能系统,联合向负荷供电,整个系统对外是一个整体,通过隔离设备和大电网连接,微网的分布式电源可以是多种能源形式,如光伏发电,风力发电,微型燃气轮器和燃料电池等,还可以以热电联产或冷电联产形式存在,就地向用户提供热能,提高分布式电源的利用率[6]。
图中的虚线代表的是系统的控制线路,通过控制静态断路器和分布式电源发电,来保证微网系统稳定可靠运行。
微网灵活的运行方式和高质量的供电服务,离不开完善的稳定与控制系统。但微网中的微源个数太多,很难要求一个中心控制点对整个系统做出快速反应并进行相应控制,所以微网的控制应该能够给予本地信息对电网中的时间作出自主反应,如对于电压跌落、故障、停电等,发电机能够利用本地信息自动转到独立运行方式,而不是像传统方式一样要电网调度统一协调[7,8,9]。
2 微网控制策略
微网的控制应当保证:(1)任一微电源的接入不对系统造成影响;(2)自主选择运行点;(3)平滑地与电网并列、分离;(4)对有功无功进行单独控制;5、具有校正电压跌落和系统不平衡的能力。目前,微网常用的控制策略主要分为三种:主从控制法、对等控制法和分层控制法。
2.1 主从控制法
主从型控制法是将各个DG采取不同的控制方法,并赋予不同的职能。其中一个(或几个)作为主电源,来检测电网中的各种电气量,根据电网的运行情况来采取相应的调节手段,通过通信线路来控制其他“从属”电源的输出来达到整个微电网的功率平衡,使电压频率稳定在额定值。
主从控制策略主要用于孤岛运行时的微网。当并网运行时,微电网内的各个DG只需控制功率流的输出以保证微网内部功率的平衡。由于微网的总体容量相对于配网来说较小,因此电压水平和额定频率都由配网来支持和调节。而当微电网孤岛运行时,微网与配网连接断开,此时微网内部要保持电压和频率的额定值,就需要某个或者某几个电源担当配电网的角色来提供额定电压和频率。这个单元被称为主电源,或者参考电源。参考电源采用VF控制方法,输出额定电压和频率值,而其他的处于从属地位的DG根据需要采取PQ或者PV控制法,控制输出的功率和电压来维持微电网内部的功率平衡。
主从控制法的一般过程:
(l)当检测单元检测到孤岛、或者电网主动从配电网断开进入孤岛运行模式时,微电网控制切换到主从模式,通过调整各个DG的出力来达到功率平衡。
(2)当微电网负载变化时,首先由主电源自动根据负荷变化调节输出电流,增大或者减小输出功率;同时检测并计算功率的变化量,根据现有的发电单元的可用容量来调节某些从属电源的设定值,增大或减小它们的输出功率;当其他电源输出功率增大时,主电源的输出相应地自动减小,从而保证主电源始终有足够的容量来调节瞬时功率变化。
(3)当电网中无可调用的有功或无功容量时,只能依靠主单元来调节。当负荷增加时,根据负荷的电压依赖特性,可以考虑适当减小电压值;如果仍然不能实现功率平衡,可以采取切负荷的措施来维持微电网运行。
主从控制策略也存在一些缺点。首先,主电源采用V/f控制法,其输出的电压是恒定的,要增加输出功率,只能增大输出电流;而负荷的瞬时波动通常首先是由主电源来进行平衡的,因而要求主电源有一定的容量。其次,由于整个系统是通过主电源来协调控制其他电源,一旦主电源出现故障,整个微电网也就不能继续运行。另外,主从法依赖于通信,因此通信的可靠性对系统的可靠性有很大的影响,而且通信设备会使系统的成本和复杂性增大。
2.2 对等控制法
所谓对等控制顾名思义,各DG之间是“平等”的,不存在从属关系[10]。所有的DG以预先设定的控制模式参与有功和无功的调节,从而维持系统电压频率的稳定。对等控制策略基于droop法,分别将频率和有功功率、电压和无功功率关联起来,通过一定的控制算法,模拟传统电网中的有功、频率特性曲线和无功、电压曲线,实现电压、频率的自动调节而无须借助于通信。
有功和频率的关系曲线如图2所示,其中a和b分别指代两个DG。正常运行时,a和b均运行于额定频率w0,输出功率分别为Pa0和Pb0。当负载功率增加时,a和b的输出功率分别增加到Pa1和Pb1,同时系统频率从w0降到w1,系统在新的频率值下继续运行。同样地,当负载功率减小时,a和b的输出功率会以同样比例减小,同时系统频率也会升高到额定频率,甚至高于额定频率,整个过程是可逆的,从而当负载变化时,DG输出功率随着变化,使得频率在额定频率w0上下波动。
根据图中曲线可以写出功率-频率变化的动态方程:
其中,m为曲线斜率,ωmin是频率允许下降的最低值。
类似的,电压和无功的关系曲线如图3所示。
根据曲线可以写出如下方程:
其中,Ereq为额定参考电压值,Qmax是电源的无功输出容量,mQ为曲线斜率,恒为负。只有当注入无功为0时E0等于Ereq。
从上面的公式可以看出,采用对等型控制策略说,DG只需测量输出端的电气量,从而独立地参与到电压和频率的调节过程中,不用知道其他电源的运行情况,整个过程无须通信。而且,当某一个DG因故障退出运行时,其余的电源仍然能够不受影响地继续运行,系统的可靠性高。当需要增加新的发电单元时只需要对新的电源设置同样的控制策略,直接接入系统而不用对系统中的其他地方进行改动,实现“即插即用”,方便了系统扩容。
对等控制法的缺点:
1)由于负载瞬时变化,输出电压和频率同额定值之间总是存在一个小的误差,稳态误差不能达到0;
2)不能正确地调节非线性负载及线路造成的谐波分布;
3)低压配电网不同于输电网,输电网中,X>>R,频率主要受有功功率影响,电压主要受无功功率影响;而配电网中R>>X,线路阻抗的影响不可忽视,其对无功功率的影响也很显著,特性曲线下降法不能很好地解决;
4)三相系统中由于拓扑结构变化(如主动孤岛运行)引起的控制模式变化,对等法不是个很好的选择,尤其是当同时有线性和非线性负载时。
2.3 分层控制法
分层控制模式一般都设有中央控制器,用于向微网中的DG发出控制信息[11]。
日本微网展示项目包括Archi微网、Kyoto微网、Hachinohe微网等,提供了一种微网的2层控制结构,如图4所示。中心控制器首先对DG发电功率和负荷需求量进行预测,然后制定相应运行计划,并根据采集的电压、电流、功率等状态信息,对运行计划进行实时调整,控制各DG、负荷和储能装置的启停,保证微网电压和频率的稳定,并为系统提供相关保护功能。
在上述分层控制方案中,各DG和上层控制器间需有通信线路,一旦通信失败,微网将无法正常工作。文献提供了一种中心控制器和底层DG采用弱通信联系的分层控制方案,如图5所示在这一控制方案中,微网的暂态供需平衡依靠底层DG控制器来实现,上层中心控制器根据DG输出功率和微网内的负荷需求变化调节底层D G的稳态设置点并进行负荷管理,即使短时通信失败,微网仍能正常运行。
分层控制微网目前多集中于协调市场交易、对能量进行管理等方面,可提供较高的供电质量,是目前技术最成熟、同时也是应用最广的一种微网形式,对供电质量要求较高的地区可优先选用。
3 结论
随着智能电网的推广,越来越多的新能源并入电网,极大拓展了电力能源的来源。同时也提高了整个电网控制的复杂性,因此对于整个电网的控制也变得极为复杂。而智能微网的出现,可以较好地解决这个问题。本文综合分析了几种微电网的控制方案,对比了各个优缺点。虽然目前微网的实用化还存在着各种各样的困难,但微网在降低能耗以及补充电网不足方面的优点会促进专家学者的研究,微网的巨大潜力会凸现出来。
摘要：随着新能源的发展,智能微网也成了研究热点。本文首先介绍了微网概念提出的背景,及其基本结构和应用。而后对于微网常见的控制策略进行了分析总结。
关键词：微网,控制策略,分布式发电,主从控制,对等控制,分层控制
参考文献
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“微网”平台助力“指尖上创业” 篇2
有人说创业很容易，有人说创业很艰难。易是因为创业门槛降低了，难是因为创业初期路难行。如何将创业者扶上马，送一程？在互联网改变着人们思维模式的当下，互联网与政府公共服务的联接将大幅提升政府整体服务效率和水平，真正实现智慧民生。在这样的背景下，“桂林七星工商企业注册”微信平台应运而生。该平台创立于工商登记制度改革之初，目的是让服务大众创业跟上“互联网时代”的浪潮，改进对小微企业的公共服务，采取“互联网+公共服务”的模式，鼓励建设综合服务平台，为小微企业提供多元化服务，如人才培训、创业辅导、法律维权、技术服务、会展服务等，并运用大数据、云计算等信息化手段，促进服务体系互联互通、资源共享，立足职能整合资源，构建起对接群众和企业的服务“微网”，一年时间，微信的关注人数已达到1700余人。
为创业者提供一个“指尖平台”
KEKING：“股东会决议（设立）。”
七星工商企业注册：“已关键字回复。”
木棉花：“个体工商户怎么做年报？”
七星工商企业注册：“你好，请在对话框输入‘年报’二字即可获取年报操作视频、年报告知书和相应法律法规”。
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……
随着咨询人数的不断增多，“微网”创业平台也在渐渐发挥着它的重要作用。在现阶段，小微企业更容易成为“互联网+”的受益者。在帮助大众创业上，“七星工商企业注册”做足了线上线下文章。“感觉现在政府部门离我们越来越近了。”第一位通过微信平台获得名称核准的是一位在校大学生，他的网络科技公司是由8位在校大学生共同发起设立的。“有了文书模板下载，再也不会因为股东会决议和公司章程等材料不规范而反复折腾了。”不少申请人对此项服务竖起了大拇指。据统计，文书模板已为1700余人提供了服务。通过这样的平台建设，让广大民众直接享受到“微网”所带来的实惠与便利。
向目标群体传递实时政策
2月25日，是桂林市七星区试点推行的个体工商户同区集中登记的日子，桂林市南城百货有限公司负责商场专柜管理的黄小姐带了7份个体工商户的申请材料前来办理。新年前看到微信推送一则通知提到年后七星区率先试行集中登记，半信半疑的她在当天来到了政务服务中心，没想到以往要跑几个地方，现在材料可以一次性提交，在最短的时间内就可以办结。在工商窗口顺利登记后她颇有感触。
像黄小姐这样凭借微信了解相关政策后前来办理工商登记的人员并不在少数，无论是企业换照、年报公示，还是企业同城通办等各项政策都能及时地传递到企业、经营户、创业者等目标群体。“七星工商企业注册”除了及时传递桂林市工商局和七星区工商局的工作动态外，还设置了国家工商总局对“注册资本制度改革”的解读栏目以及国家工商总局门户网站的链接，同时设有“广西登记制度解读”链接和直接链接至企业信用信息公示系统首页的“年报及企业查询”，让创业者可以通过地方微信“听”到国家及自治区层面的官方解答。
“想创业，不知从何处下手;刚创业，又遭遇政策盲区，像个没头苍蝇四处乱转，着实让人心焦。现在好了，除了直接到政府有关部门服务窗口咨询这一渠道外，动动手指头就能找到‘解渴’的信息。‘微网’平台让广大创业者又多了个好帮手。”桂林电子科技大学毕业生小杨如是说。
社区电商的融合平台
桂林市七星区利用“微网”效应，发展处于“互联网+”顶峰的电商企业，借助这个平台优势，让电商加入进来实现互通，让电商实现发展飞跃，助力桂林市首家社区电商——桂林社区电商综合平台（即微链社区）建设，鼓励电商企业以民生服务为核心，为社区居民提供日常用品以及公共缴费等服务。七星区工商局为电商企业开辟注册登记绿色通道，为线下社区服务站的注册登记提供便捷服务，实现了线上虚拟与线下现实的衔接，让社区服务站成为个人虚拟中转站。2014年11月，桂林国家高新区管委会、七星区政府联合慧聪网打造的桂林高新健康生态产业带正式上线，七星区紧密围绕辖区政府经济建设重点工作，线上为“慧聪网——高新健康生态产业带”的电商平台建设提供企业数据支持，线下以推广利用电子商务发展特色农产品为抓手，通过进村入户宣传政策、提高窗口注册登记服务质量、扶持生态农业种植基地建设、帮扶农民专业合作社发展壮大等措施，全力促进特色生态农业发展。如今，高新区已有涉农企业、个体工商户及农民专业合作社1036户，桂林千烨农产品有限公司、桂林三金集团名下的金可保健品有限公司、桂林千山朝原生毛葡萄开发有限公司等100户优质企业强势入驻这一产业带电商平台。
3月25日，旨在打造桂北地区创业中心和企业营销总部基地的桂林电商谷在高新区正式揭牌运营。“桂林电商谷将成为高新区发展电子商务产业的主要基地，也是自治区级电子商务示范基地。”七星区工商局相关负责人介绍说。以桂林电商谷建设为契机，与重点电商企业加强联系，联合“微网”壮大发展电商产业，会同相关部门联合举办电商论坛，积极鼓励优质企业入驻电商谷。自运营以来，桂林电商谷已吸引了慧聪网、象翌、成都智客等知名电商企业以及银行、金融投资担保等服务机构入驻。
引领企业转型升级
一个好的创业平台，真正的价值不仅在于让企业、经营户“破茧”，还在于让他们“成蝶”。将平台资源与产业发展紧密相连，通过扶持创业让新生主体走好每一步来推动产业链的转型和发展，这才是打造创业服务“微网”的意义所在。
通过“微发布”，当前市场动态会定期推送到创业者的手机微信上，为市场主体发展提供经济参考，如一季度七星区市场主体情况分析、桂林电商谷的集聚作用、高新七星区初步形成电子商务集聚区的发展规划、高新技术产业园区前沿科技企业现状、农业市场主体多元化发展等，并通过示范引路推送典型案例来宣传引导企业转方式调结构，向更具竞争力行业和组织形式发展，如桂林市首家农民专业合作社联合社设立、工商服务大学生创业指导站成立、桂林市首家社区电商和农业电商上线等。
下一步，桂林市七星区工商局将积极与相关部门联系，形成帮扶创业合力，重点打造“指尖上的创业平台”，利用工商信息资源优势，整合企业资源，在微信上设立专门的板块为年轻创业者分享创业好点子、寻求创业好资源、找到创业好伙伴等，共同解决青年创业最关心的问题，通过“指尖一点”充分释放这股社会经济中最具活力的力量。
微网运行控制策略的研究 篇3
随着国民经济的发展,人们对能源的需求不断增长。仅以电力生产为例,当前电力生产仍以煤、天然气等不可再生资源作为主要生产能源,而国内的火力发电更是占发电总量的78%[1]。各国学者已经将目光对准了一种新型的发电技术:分布式发电(Distributed Generation,DG),以及由它带来的新型的电网形式:微网(Microgrid)[2]。微网由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成,是能够实现自我控制、保护和管理的自治小型发配电系统,它既可以与外部电网并网运行,也可以孤立运行,是智能电网的重要组成部分。
但由于DG基于电力电子接口接入微网,发电效率会受环境影响,电源稳定性较差,克服扰动的能力也较弱。特别是在微网孤岛运行脱离电网的支撑时,微网的稳定就成为关键问题。对微网而言,微网的控制应尽可能基于本地信息,因此如何协调微网中各DG并进行合理的控制是微网安全可靠运行的关键,也是微网关键技术所在[3]。
本文主要针对微网的DG控制,将电力电子逆变器的控制策略作为切入点,对目前DG控制的主要3种方法进行理论和仿真研究,在此基础上提出一套控制策略来实现微网的稳定控制。
1 微网结构
微网由若干分布式电源、负荷以及线路阻抗、开关等组成,并与配电网相连。各电源通过不同的控制方法并联入微网母线。一般微网至少含有一个稳定的组网DG,在微网的运行中起支撑作用DG单元通过各自的控制单元和静态开关与配电系统的母线(PCC)连在一起,同时连接各种负荷。静态开关可以灵活地控制电能的接收和输送,实现微网在并网和孤岛2种状态下的平滑切换。为保证微网孤岛状态运行的稳定性,通过控制各个负荷开关来切断一般负荷,保证重要负荷的供电。当微网由孤岛转为并网时,DG控制单元控制微网的频率、相位和电压幅值,使其达到并网的要求后再闭合静态开关连上配电网。
2并网运行
在分布式电源中,风力发电、光伏发电、温差发电等可再生能源发电都极易受环境的影响,本文将这类分布式电源称为并网DG[4]。由于DG输出功率受外界环境的影响很大,如果保证其功率稳定输出,则需要配备较大容量的储能装置,这样就大大提高了成本。针对并网DG这种特点,为使其在环境影响下发挥最大的发电效益,同时方便对这类DG的控制,采用P-Q功率控制法,通过调节电流使其跟踪参考电流实现其输出功率达到最大功率跟踪值[4]。为使研究变得简单明确,本文中使用直流电源代替并网DG,用恒功率值代替最大功率跟踪值
2.1 P-Q控制
逆变器输出电压U1为三相电压矢量,其表达式为:
式中:Um为相电压幅值。
对U1进行由abc坐标系下的基波正弦变量到dq0坐标系下的直流变量变换,其转换矩阵为T[5]:
则输出电压U1的dq0轴转换公式为:
可以看出在负载完全对称三相电压平衡运行的情况下,得到Uq为0,同时Ud为1个常数,这样dq0轴就解除了耦合关系。由于P-Q控制要求输入值为最大功率跟踪值(在本文已用固定值取代)Pref和Qref,在此基础上可得到逆变器的参考输出电流Iref为[6]:
由Iref的表达式可以看出,对逆变器输出电压的控制通过对输出电压的坐标变换转化为对输出电流的控制。同时P-Q控制器中的电流环控制对反馈的电流进行优化处理,加快跟踪的速率,达到更好的控制效果
3 组网运行
对于组网DG如微型燃气轮机、燃料电池等分布式电源而言,它们具有稳定性好、可调控性强的特点,在微网运行时处于主导支撑作用。在微网处于孤岛状态时对其采用V-f控制,通过V-f控制做出一定的动态响应,以保证微网内重要负荷的正常运行[7]。
3.1 V-f控制
V-f控制的目的是要控制DG单元发出的电压和频率,使其达到稳定的设定值。V-f控制主要由PLL虚拟锁相环、电压电流双环控制、dq0转换模块组成,其结构图如图1所示。
V-f控制是利用电网侧的反馈电压,经dq0变换后与参考控制电压比较,并利用滤波电感侧的反馈电流,通过电流电压双环控制使逆变器的输出电压达到参考电压,同时通过PLL虚拟锁相环稳定微网的频率,从而达到微网电压频率稳定输出的状态。相对于P-Q控制的电流环控制,V-f控制采用的电压电流双环控制由于输入了反馈的电流电压值,能很好地利用系统的状态信息,提高了系统的动态响应能力和稳态精度,同时也加强了系统应对扰动的暂态稳定性。
3.2 Droop下垂控制
Droop下垂控制是V-f控制的延伸,它基于微网的对等控制思想,假定微网中DG都是平等被调控的状态,不存在主从关系,适用于并联的几个组网DG在孤岛状态下的控制,也具备V-f的部分控制功能,同时Droop下垂控制基于电源的功率传输特性以及下垂特性,根据不同DG的下垂特性以及DG本身的功率容量,来实现其最主要的功能——合理分配功率,这是V-f控制所不具备的。通过合理分配各DG的输出功率,达到合理利用资源,提高微网运行效益的目的。
3.2.1 功率传输特性
功率传输特性,是指通过对微网从DG到负荷功率传输过程中潮流的特性进行分析,同时将低压线路的阻抗比进行简化,从而得到的传输特性。将微电网等效为一个含有微源的简化模型,如图2所示,其中PCC处为公共连接点。
图2中,E和U分别为逆变器的输出电压和公共母线的电压幅值,δ为输出电压相角;Z和θ分别为等效输出阻抗的幅值与相位。逆变器的功率输出方程为[8,9]:
式(5)和式(6)可简化为：
由式(7)和式(8)可以看出线路阻抗呈阻性,且P主要取决于电压差,Q主要取决于相角。由于式(8)中频率和相角的微分关系,在实际应用中,通常用f代替相角来控制有功。这样通过控制相角和电压,可以分别实现对P和Q的控制。
3.2.2 下垂特性
下垂特性是在功率传输特性的基础上,通过模拟传统发电机的下垂特性来实现并联的各个DG之间的功率控制。下垂控制利用分布式电源输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理而进行控制,实现各并联分布式电源输出功率的合理分配,下垂特性曲线见图3。
由图3可以得到DG的下垂特性公式为:
式中:Kp、Kq为有功和无功的下垂系数,其计算公式为:
式中:Pmax为DG允许输出的最大有功功率;Pn为DG的额定输出功率;U0为DG输出额定功率下的输出电压;Umin为DG允许输出的最小电压;f0为电网的额定频率;fmin为DG允许输出的最小频率;Qmax为DG允许输出的最大无功功率。
当DG的有功功率输出过多时,下垂控制将通过减小电压幅值来减小有功输出,反之则增加输出;同样对于无功功率通过减小其频率,相应减小其功角,从而达到减小无功输出的目的[10]。
Droop控制器的电压电流双环控制模块与V/f控制一样,实现孤岛下电压频率的稳定输出。功率控制模块包括瞬时电压电流的测量、瞬时功率的计算、下垂控制模块。通过采集测量点处的瞬时电压和电流,计算出DG瞬时输出功率,并通过平均值计算模块(Mean Value)得到逆变器输出的平均功率。将得到的平均功率作为下垂控制模块的输入功率,根据下垂原理得到参考的输出功率值。同时通过电压电流双环控制得到输出电压的控制信号、。整个Droop控制完成输出电压频率及输出功率的控制。其控制框图如图4所示。
图4中,加入PI控制以增加稳定输出电压的精度,同时输入的有功P、无功Q必须满足功率输入的范围条件:0
4 综合控制下微网运行情况
3种控制方法的优点和局限性如下:1)P-Q控制的优点是控制简单,易于实现,但其仅仅适用于并网DG;2)V-f控制的优点是控制较为简单,但也仅仅适用单个组网DG在微网孤岛下使用;3) Droop控制是V/f控制的一个扩展。为了实现孤岛下多个组网DG的功率合理分配,同时保证微网正常的电压和频率水平,涉及到多个组网DG的协调控制。Droop下垂控制根据不同DG的下垂特性,在保证其发出稳定电压和频率的同时,根据不同DG的发电容量合理分配功率,从而有效利用各个DG,达到资源最大化利用的目的。通过以上分析对比,本文提出的微网运行的综合控制策略就是将这3者结合起来,使微网无论在并网还是孤岛下都能够稳定运行。
4.1 微网模型建立
建立含有4个DG的微网模型,DG类型采用直流源,结合3种控制方法的优缺点采用如下控制策略:DG1一直采用控制,使其在功率输出最大状态下工作;DG2为微网稳定支撑电源,在并网时,采用P-Q控制,输出功率为设定值,孤岛后转为V-f控制,首先保证稳定微网电压和频率,其次保证功率输出;DG3和DG4都采用Drop下垂控制,在已有稳定电源保证微网运行的前提下,实现其各自的功率分配功能。其模型如图5所示,具体参数见表1、表2。
4.2 微网状态转换仿真
微网0.5 s前并网运行,0.5 s后转为孤岛,运行至1 s时再次转为并网。对应的仿真结果如下:
由图6中的a和b可以看出,微网在状态转换时母线电压保持稳定,虽然孤岛下跌落到300 V左右,但在允许范围之内,并网处电流在重新并网时有冲击电流,但时间很短,0.1 s恢复到正常水平。由图7中的c和d看出,DG3和DG4由于采用Droop下垂控制,在微网由并网转为孤岛时都增大了功率的输出,同时DG3发电容量小,其输出功率增幅较小,DG4发电功率大,其输出功率增幅大,符合Droop控制对于功率分配的控制。无功功率的输出在孤岛时都有所增大,在重新并网后又恢复到正常水平。由图6中的e看出,DG1由于采用P-Q控制,在微网转换过程中,一直输出稳定的有功功率3 kW,无功功率输出为零,整个功率输出的状况符合P-Q控制的控制要求。由图6f中可看出微网状态转换过程中频率较稳定,孤岛时有所跌落,跌落幅度很小,重新并网时又恢复到正常水平。
4.3 负荷投切仿真
微网孤岛下运行,0.5 s切除负荷3,1 s时再投入负荷3,其仿真结果如下:
由图7 a中可看出,微网在负荷3投切前后电压稳定在250 V左右,负荷切除后电压稍高,微网运行稳定。由图8中的b和c看出DG3和DG4在负荷3投切过程中的输出功率的变化情况:在负荷3切除时,DG3和DG4都减小了输出功率,其中DG4由于发电容量大,相应的减小幅度就大,DG3则减小不多;负荷3再次投入时输出有功又恢复到原来的水平。无功输出也一样,负荷3的切除减小了DG3和DG4的无功输出,负荷3投入后无功输出恢复到原来水平。表明DG3和DG4符合Droop下垂控制输出功率分配的要求。由图7中的d和e看出DG2由于采用V-f控制,在负荷投切的过程中同样也有功率的增减,在负荷切除时DG2相应减小输出功率,负荷投入后又增加到原来的水平,说明DG2在V-f控制下为保证微网运行时电压和频率的稳定,相应作出输出功率的调整。由图7f中可看出,微网在负荷3投切过程中的频率变化很小,在负荷切除时频率有小的跌落,负荷投入后又回升到原来水平,整个过程在允许的50±0.2Hz范围内波动。
4.4 孤岛下DG切投仿真
在微网孤岛运行时0.5 s断开DG2,1 s时重新接入DG2,其仿真结果如下:
由图8中的a看出微网在DG2切投过程中电压水平较稳定,虽然有波动但幅度不大,0.5 s前微网电压为210V,DG切除后电压跌落至200 V左右,1s时DG2重新投入后又恢复到原来的电压值。由图9中的b和c看出DG3和DG4由于采用了Droop控制,在0.5 s DG2切除时为使微网维持电压平衡,DG3和DG4都增大了输出功率,又根据Droop控制要求,DG4功率增幅较DG3大。在1 s DG2重新投入时两者的功率输出也回到了原来的水平。同样的无功输出也呈现出相同的规律。由图9中的d看出微网在DG2投切过程中,频率一直保持在比较稳定的状态,但由于DG2的切除,中间存在幅度较小的跌落,1sDG2投入后又迅速回到原来的状态。整个仿真结果显示微网在DG2切投过程中运行良好。
5 结论
本文研究了微网运行的3种控制策略。对微网各种变动状况下的运行情况进行仿真。从仿真结果可以看出,3种控制方法都能在保证其控制效果的基础上,通过电网侧的调节和自身控制调节,使微网处于较为稳定的运行状态。在微网并网运行时,P-Q控制可保证DG输出最大功率值,保证发电效率,同时保证微网电压电流和频率都处于稳定的状态;在微网孤岛运行时,P-Q控制依旧使并网DG保持设定的功率输出,而组网DG通过V-f控制和Droop下垂控制来进行微网扰动时的调节,V-f控制通过调节单个组网DG的输出功率使微网孤岛时电压频率处于设定的稳定状态,而Droop下垂控制在保持微网电压和频率稳定的基础上,依据不同DG的下垂系数对DG进行功率分配,达到最佳资源利用的目的。通过对仿真结果的分析说明3种控制方法结合起来可解决微网遇到的各种扰动问题,使微网保持稳定运行的状态。
摘要：主要研究了微网运行的3种控制方法。根据功率型电源发电功率受环境影响的特点,在并网时对其采用P-Q控制;对主控型电源,在孤岛运行时对其采用V-f控制;同时对同种多个并联电源采用Droop下垂控制。综合3种方法建立一个比较理想的控制策略来实现最终的控制效果,并建立简单微网模型,在Matlab/Simulink环境下进行微网并网、孤岛状态转换、负荷切投等不同工况的仿真,验证控制策略的有效性。
关键词：分布式电源,P-Q控制,V-f控制,droop下垂控制
参考文献
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微网控制 篇4
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微网控制 篇5
微网能够将不同种类的分布式电源和负荷纳入一个小电力系统中,实现统一的智能分配和管理,被认为是解决大规模新能源发电接入电网的有效途径,是近些年来分布式发电领域的研究热点[1,2,3]。
微网系统从结构上可以分为主从结构和对等结构两种[4,5]。在对等结构微网系统中,电压和频率由多台具有电压源特性的逆变器共同建立,这些逆变器一般采用下垂控制,来实现系统内变动负荷的均分。相比于主从结构,对等结构具有更好的冗余性和可扩展性,但是由于微网逆变器在孤岛模式下采用下垂控制等有差控制,系统的电压频率会随着系统负荷的增加而有所跌落,因此需要对电压频率进行恢复控制[6,7]。
微网可以工作在孤岛运行模式和联网运行模式,为了保障供电质量,需要微网系统具有在两种运行模式间平滑切换的能力。现有文献主要是针对微网逆变器的运行模式平滑切换进行研究[8,9,10,11],而微网系统平滑切换控制的研究相对较少。文献[12-13]给出了主从结构的微网系统预同步控制方法和并离网平滑切换方法。文献[14]给出了一种基于分散式控制的频率电压恢复控制和预同步控制方法,此方法中众多逆变器各自调节,可能会造成调节过程中功率分配不均以及系统低频振荡等问题。文献[15-16]采用背靠背的双向变换器作为微网与大电网之间的并网接口,但是这种接口不利于系统扩容,并且对并网接口逆变器的容量要求较高。文献[17]利用微网中逆变器的锁相环技术,实现微网相位向大电网同步,但是此方法较适用于分布范围较小的微网。综合来看,在对等控制的微网系统中,模式切换的难点是并网时需要协调多台逆变器调节系统的电压和频率向大电网同步,非计划孤岛发生时,需要考虑如何保证微网中的逆变器顺利过渡到孤岛运行模式,减小切换过程中的电压和电流波动。
本文所研究的微网采用对等控制结构,针对系统的运行模式平滑切换进行研究。微网中储能逆变器并离网均采用下垂控制,孤岛发生时逆变器无需切换控制算法,减小微网由联网运行切换到孤岛运行模式过程中的暂态响应。同时,提出基于分层控制和电压频率恢复控制的微网预同步控制方法,实现微网系统由孤岛运行向联网运行的平滑切换。从两个控制层次分别对逆变器的控制和微网的二次调频及预同步控制做了详细理论分析,并通过实验验证了本文方法的可行性与有效性。
1 对等结构微网系统的构建
对等结构微网系统一般采用分层控制,通常采用三层控制结构,第一层是微源控制层,第二层是微网控制层,第三层是能量管理层[18,19]。微源控制层是微网系统内各类微源的控制,包含建立系统电压频率的可调度微源控制和光伏发电、风电等不可调度微源的控制;微网控制层是对微网系统进行协调控制,用于电压频率恢复,保证微网的供电质量,同时利用预同步控制实现微网在孤岛模式和联网模式之间的平滑切换;能量管理层是从经济性角度,对微网的运行进行优化调度,保障微网长时期稳定经济运行。本文所研究的对等结构微网系统涉及其中的第一层控制和第二层控制,其结构如附录A图A1所示。
附录A图A1中微网系统由逆变器、中央控制器(MGCC)和智能断路器等主要设备组成。微网逆变器用于建立和支撑微网的电压频率,其直流侧连接各种微源,交流侧通过LC滤波器并联到微网交流母线。微网MGCC用于系统的数据采集处理以及实现系统二次电压频率控制、系统预同步控制和能量管理控制等。智能断路器安装在微网和大电网之间的公共连接点(PCC)处,用于对微网和大电网的电压、电流、频率、相位以及功率进行实时的采样分析,同时也可安装在微网系统的关键节点,辅助MGCC实现系统的协调控制。
2 微网逆变器控制策略
微网中包含多种微源,这里讨论建立微网电压频率的储能逆变器控制。与传统并网逆变器不同,储能逆变器既可以工作在并联模式,也可以在孤岛情况下工作于并联组网模式。本文储能逆变器主电路采用三相半桥结构,交流侧采用LC滤波器和△/Y型隔离变压器输出。为实现多微网逆变器共同建立微网系统电压频率的同时,还能够对微网系统中的负荷进行均分,微网逆变器的控制采用下垂外环,电压、电流内环的三环控制结构,控制结构框图如附录A图A2所示。电压、电流内环均采用dq坐标下的解耦控制结构,使输出电压无差跟踪下垂环节输出的电压参考值,同时还能够实现对逆变器输出阻抗的自由调节。另外考虑到低压配电网线路呈现阻感性,采用虚拟阻抗技术,以提高有功和无功功率的解耦度。
附录A图A2中逆变器瞬时有功和无功功率的计算公式为:
式中:Vod,Voq,Iod,Ioq分别为逆变器输出电压、电流的d,q轴分量。
计算得到的输出功率通过一阶低通滤波器滤波后作为逆变器下垂控制的反馈功率,滤波器表达式为:
式中:ωP为一阶低通滤波器的截止频率。
逆变器在微网孤岛和联网两种运行模式下都采用下垂控制。在微网孤岛运行情况下,要求并联的储能逆变器能对系统内的负荷进行按比例分配,共同支撑微网交流母线的电压和频率;在微网联网运行模式下,要求各台逆变器能够实现有功和无功功率的无差控制,所以下垂环节的设计需要兼顾到微网不同运行模式对储能逆变器控制的不同要求。下垂控制环节设计如附录A图A3所示。其中下垂控制表达式为:
式中:P0和Q0分别为下垂控制有功功率和无功功率参考值,逆变器中P0和Q0默认设置为0,在微网系统组网运行时,参考值也可以由MGCC根据二次调频或能量管理算法的计算结果下发给各台逆变器;ω0和E0分别为下垂环节的频率和电压参考值,一般按照系统的额定参数设置;ω 为系统运行频率;E为逆变器内电势;SM为微网运行模式标志位,此处用于控制无功下垂环节中积分项的投切,微网孤岛运行时SM为0,此时无功下垂环节积分项被切除,并联逆变器按照下垂系数担负无功负荷,联网运行时SM为1,无功下垂环节中引入积分项,使储能逆变器在并网运行情况下实现无功功率的无差控制;m为有功频率下垂系数;n为无功电压下垂系数;KQI为积分系数。
为实现有功功率的按比例分配,微网中逆变器(1,2,…,x)的有功下垂系数和功率参考需满足m1P01=m2P02=…=mxP0x,n1Q01=n2Q02=…=nxQ0x。
下垂环节的输出是电压内环的参考值,由于逆变器使用的旋转坐标系按照电压矢量定向,因此下垂环节输出的电压幅值E也就是电压内环的d轴电压参考值。另外有功下垂环节的输出是频率,对频率进行积分可得到输出电压的相位参考值。电压指令生成公式为:
式中:θ,Vdroopd,Vdroopq分别为下垂环节输出相位及电压指令的d,q轴分量。
附录A图A2中虚拟阻抗压降采用电感电流反馈值计算,如式(5)所示,虚拟阻抗取值方法在文献[20]中已做详细分析,本文不再赘述。
式中:Rv和Lv分别为虚拟电阻和电感;vvd和vvq分别为虚拟阻抗环节输出电压的d,q轴分量;id和iq分别为逆变器输出侧电感电流的d,q轴分量。
下垂环节输出电压参考值和虚拟阻抗压降之差即为电压内环给定值,如式(6)所示。
3 微网系统控制策略
3.1 电压频率恢复控制
下垂控制是一种有差控制方式,系统内有负荷的情况下,逆变器输出电压的频率和幅值就会沿着逆变器的下垂曲线自然下垂。因而为提高微网系统的供电质量,需要采用电压频率恢复控制。
本文的微网二次调频控制采用集中控制的方式,首先MGCC从各台逆变器或者关键节点处的智能断路器读取电压频率信号,计算出电压频率和幅值的反馈量,反馈量与电压频率幅值参考值之间的差通过二次调频控制算法计算后得到总调节功率,再按照各台逆变器的分配系数分配后分别下发给系统中各台调频逆变器,参与调频的逆变器按照MGCC下发的功率调节量调节下垂曲线,从而实现系统电压频率和幅值的恢复控制。MGCC中二次电压频率恢复控制结构框图如附录A图A4所示。
附录A图A4中,二次调频环节的控制函数如式(7)和式(8)所示。
式中:ΔPT和 ΔQT分别为二次调频调压控制环节输出的总调度有功和无功功率;αωi和αEi分别为二次调频、调压控制的功率分配系数,分配系数由逆变器下垂系数或优化算法结果决定;mj和nj为从逆变器读取的逆变器下垂系数;mopti和nopti为优化调度算法给出的调度分配系数;KsωP,KsωI,KsEP,KsEI分别为有功和无功环节比例—积分(PI)调节器的比例和积分系数;Δωpcc和 ΔEpcc分别为系统频率和电压幅值参考值与当前值的差值;ΔPi和 ΔQi分别为分配给逆变器i的有功和无功功率。
MGCC计算出各台逆变器的调度功率后,下发给逆变器,供逆变器对下垂曲线进行调节,下面将以第i台逆变器为例,分析其调节过程。
参与二次电压频率调整的第i台逆变器的调整过程如附录A图A5所示,附录A图A5(a)是二次频率调整过程示意图,实线是无二次调频时逆变器的下垂特性曲线,在微网孤岛运行带载时,逆变器i工作在运行点A处,分担的有功功率为Pi,输出频率为ωi,此时微网系统中所有逆变器的输出频率均下跌 Δω。在系统启动二次调频控制后,MGCC根据二次调频控制算法计算出第i台逆变器的调整功率 ΔP0i,调整过程中,逆变器的下垂控制表达式如式(11)所示。
通过调整下垂曲线的参考功率,使得各台逆变器的下垂曲线1向上平移,使系统的频率恢复到额定频率ω0处,下垂曲线移动到新的曲线2处,逆变器i工作在新的运行点B。由于系统内负荷的有功频率特性,在系统频率上升时,负载消耗的总功率也随之有所上升,所以系统最终工作在新的平衡点时,逆变器i输出功率Pi′略大于二次频率调整前的输出功率Pi,电压幅值恢复的过程与频率恢复过程相同,调整过程中,系统中第i台逆变器的无功下垂控制表达式为:
通过调整参与调压控制的各台逆变器的无功功率参考值,来实现对系统电压的调整,调节过程和上述的调频过程类似。
综上,一个完整的二次控制,需要MGCC和系统内的调频逆变器以及智能网关断路器等相互配合,电压频率信号采样工作由逆变器或者智能网关断路器完成,二次电压频率控制算法由MGCC运行,计算出的功率调度结果通过通信系统下发给参与二次调频调压控制的各台逆变器,逆变器按照这个调度功率来调节自己的下垂曲线,从而调节逆变器的输出功率,提高系统的电压和频率,最终可以使系统的电压频率恢复到设定值。
3.2 预同步控制
本文所使用的微网预同步控制以系统的二次电压频率控制为基础,通过调节二次电压频率控制环节的给定,来调节微网系统交流母线的电压幅值和相位,从而使系统的电压幅值、频率、相位向大电网的电压幅值、频率和相位同步,控制框图如图1 所示。
图1中,通过PCC的智能断路器对电网侧和微网侧两个端口的电压进行采样和锁相,计算出两个端口的电压相位差 ΔθMg和幅值差 ΔEMg,表达式为:
式中:EGrid,EMg,θGrid,θMg分别为电网和微网的当前电压幅值和相位。
MGCC从智能网关断路器读取 ΔθMg和 ΔEMg后,作为预同步控制的反馈信号,通过预同步控制环节的PI调节器,计算出预同步控制期间需要调整的系统幅值调节量 ΔEsyn和系统频率调节量 Δωsyn,如式(14)所示。
式中:KsynθP,KsynθI,KsynEP,KsynEI分别为预同步相位和电压幅值调节的比例和积分系数。
图1中,预同步控制器输出的 Δωsyn和 ΔEsyn与二次电压频率控制环节的电压频率参考值ωref和幅值参考值Eref之和作为二次电压频率控制的参考值,调整微网系统的电压幅值跟随大电网的电压幅值,同时通过调整微网系统频率的方式间接调整微网系统的相位,实现微网系统对大电网相位的跟踪,为保证微网系统的供电质量,预同步过程中对逆变器输出电压和频率的调整范围应约束在附录A图A5所示的两条点虚线之间的范围内。
当微网的幅值差 ΔEMg和相位差 ΔθMg在连续的一段时间中持续小于设定的阈值,MGCC即可判断微网预同步成功,并向微网逆变器和智能网关断路器发送并网指令,PCC的智能网关断路器合闸,微网完成预同步控制,实现孤岛运行模式向联网运行模式的平滑切换。幅值差和相位差的阈值需要满足IEEE Std 1547—2003标准的要求,同时考虑到并网瞬间要求电压闪变小于5%[21],根据文献[22]的推导,相位偏差应该小于2.86°,本文将并网条件设置为相位差小于2°,幅值差小于3V。
4 试验验证
为验证本文所提的微网系统预同步控制算法和微网系统运行模式的平滑切换能力,搭建了包含两台逆变器、一套MGCC、两台智能断路器和一组三相负载的微网实验系统。 逆变器按照额定容量100kVA设计,直流电压为600V,额定输出电压/频率为380V/50Hz,采用LC滤波器输出,滤波电感为0.35mH,滤波器电容为50μF,逆变器的详细参数见附录B表B1。逆变器控制器采用TI公司的TMS320F28335芯片,载波频率为6kHz,实验过程中逆变器1和2的有功下垂系数分别为4×10-6和8×10-6,无功下垂系数分别为0.000 4和0.000 8,三相负荷参数为36kW。
实验平台按照附录A图A1所示结构连接,两台逆变器经过模拟线路阻抗并联于PCC,系统中MGCC与逆变器之间通过以太网通信,通信周期设置为40ms。下面分别通过实验对本文分析的二次电压频率控制和并离网切换控制进行验证。实验过程中,系统的电压频率、幅值、相位等数据均由MGCC记录并存储于数据库中,根据记录数据,可以绘制频率、幅值、相位差和幅值差等波形。
二次电压频率控制实验:实验过程中,首先将两台逆变器设置为远程控制模式,由MGCC依次启动两台逆变器,然后启动MGCC中的二次电压频率恢复控制算法,待逆变器启动完成后,在相对时间9s时刻,MGCC控制智能断路器将36kW的三相负载接入微网交流母线,实验结果如图2 和图3 所示。实验结果表明,在加载瞬间,PCC电压的频率和幅值均有一定跌落,但因为拥有电压频率恢复控制,经过数秒后,PCC电压的频率和相电压幅值均恢复到设定值50Hz和220V处。
并离网切换控制实验:预同步并网条件设置为相位差小于2°,幅值差小于3V。实验过程中,首先使用MGCC控制两台逆变器启动,然后启动MGCC中二次调频算法,并在相对时刻大约8s时,控制负荷接入,在相对时刻大约24s时启动MGCC中的预同步控制程序。在微网预同步联网成功并实现并网功率可控后,直接手动断开PCC的并网开关,验证微网由联网运行向非计划孤岛切换的能力。实验结果如图4、图5和图6所示。
图4是预同步实验过程中的微网系统PCC电压的频率波形,图5和图6分别是预同步实验过程中大电网和微网PCC电压的相位差和幅值差波形。由实验结果可以看出,在启动MGCC中的预同步控制程序后,经过13s的预同步调节,微网和大电网之间的电压相位差和幅值差满足并网要求,在持续2s满足要求后,在相对时间39s时MGCC向PCC智能断路器发送合闸指令,智能断路器合闸,微网由孤岛运行切换到联网运行,实验结果表明了预同步控制算法的有效性。
在微网系统并离网切换控制实验过程中,采用录波仪记录实验波形,4个通道由上到下分别是电网电压波形、微网PCC电压波形、两台逆变器输出电流之和波形、微网并网电流波形,实验结果见附录B图B1和图B2。实验过程中两台逆变器输出功率波形见附录B图B3和图B4。附录B图B1是微网系统预同步并网瞬间的电压、电流波形。预同步并网过程中,为减小并网瞬间的电流冲击,在PCC并网开关合闸后,微网并网功率控制为零功率,10个控制周期后,切换为按照设定功率并网。由附录B图B1的实验波形可以看出,切换瞬间微网电压平稳,并网电流超调较小,实现了孤岛模式向联网模式的平滑切换。
由于本文所研究的微网中,微网逆变器孤岛和联网运行模式下均采用下垂控制,因此微网非计划孤岛发生时逆变器无需切换控制算法,减小了两种运行模式切换过程中的暂态响应。附录B图B2是微网非计划孤岛切换时的电压、电流波形,从图中可以看出,切换瞬间微网PCC电压稳定,逆变器输出电流基本无波动,微网系统顺利切换到独立带载的运行模式。
5 结语
微网可以工作在孤岛运行模式和联网运行模式,微网系统的并离网平滑切换控制是保证微网稳定运行和提高微网系统的供电质量的关键技术。
1)本文提出了逆变器并离网模式下均采用电压源特性的下垂控制策略,无需随着微网运行模式的切换而改变,减小了微网由联网运行切换到孤岛运行模式过程中的冲击。
2)从微网系统控制的角度,本文研究了基于分层控制的微网系统二次调频调压控制,在此基础上提出基于二次调频调压控制的微网系统预同步控制策略,减小了并网瞬间PCC的电流冲击,实现了微网系统由孤岛运行模式向联网运行模式的平滑切换。
通过实验验证了本文所提方法的有效性,未来将进一步研究微网系统控制参数的优化方法,以提高微网系统的性能。
本文在完成的过程中,受到台达基金电力电子科教发展计划重大项目(DREM2015002)和校博士专项科研资助基金(JZ2015HGBZ0487)资助,在此表示衷心感谢。
附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。
摘要：针对对等结构的微网系统,提出了一种在联网运行模式和孤岛运行模式下平滑切换的控制策略。首先,微网中储能逆变器在两种运行模式下均采用下垂控制方法,孤岛发生时逆变器无需切换控制算法,减小了两种运行模式切换过程中的暂态响应。其次,提出基于分层控制和电压频率恢复控制的微网预同步控制方法,实现了微网系统由孤岛运行模式向联网运行模式的平滑切换。给出了微网逆变器、微网系统二次电压频率恢复控制和预同步控制算法的详细理论分析,最后通过实验验证了所提方法的可行性和有效性。
微网多目标优化运行及控制策略 篇6
1 微网发展概况
在分布式发电供电系统中, 主要以微网的形式接入大电网并顺利运行, 与大电网互相支撑, 能有效地发挥分布式发电功能系统的功能。分布式发电其中最重要的形式是微网, 它是将一定区域内较分散的小型发电源进行组织形成一个微型的网络, 供本地区符合冷、热等。通过这样的方式, 微网可以与配电网以及大型电力网进行并联, 从而形成一个大型的电网与小型电网联合运行的系统, 可以独立地为当地的地区符合供电。这样的模式灵活高效, 提高了供电的可靠性, 另外, 微网通过单点接入电网中, 能有效地减少大量小功率分布式电源接入电网后造成对传统电网的影响。与此同时, 微网能将不同类型的小型发电源进行重新组合并供电, 使得小型电源拥有更高的利用效率。
2 微网多目标优化运行及控制策略
2.1 微网环保经济目标
在社会发展过程中要充分地利用各地的清洁以及可再生能源, 向用电“用户”提供更多的绿色电力, 实现我国的节能减排目标。但是要在满足符合需求的情况下, 对各台分布式电源进行合理地安排, 结合微网的发电成本以及排放成本等因素考虑, 从而实现微网的环保经济性。进行经济调度是电力市场稳定的重要因素之一, 为实现各发电企业间的公平竞争等, 实行经济调度, 对调度的方案与原则要进行模型化。经济调度要考虑降低发电的成本, 考虑购电的费用以及有害气体的排放量等多个方面。所以, 当地的相关电力企业要岁多个目标情况下的日负荷分配情况进行考虑, 以当地的实际情况为基础, 对各个目标进行动态的调整, 最终达到资源与设备间的最佳组合, 从而创造更大的经济效益。
2.2 微网低碳电力调度目标
目前, 全球正在变暖, 发展低碳经济是符合现代社会发展需要的。低碳经济的主要模式是实现低能耗、低污染以及低排放量, 主要达到高效使用能源, 促进清洁能源开发的作用。而二氧化碳的主要排放量来自于能源部门, 特别是电力行业每年会排放大量的二氧化碳气体。所以, 在发展低碳经济的时代背景下, 电力行业要积极响应号召, 积极发展绿色经济, 使得能源的转换与利用效率提高, 从而减少二氧化碳的释放, 对节配电网输入的功率和微网中分布式发电的输出功率进行调节, 从而实现功率间的平衡, 最终实现微网的多目标低碳电力目标。主要方式是考虑机组混合燃料、联合循环机组在环保限制的情况下如何进行有效的组合, 将建设成本与燃料成本最小化作为目标函数, 最终得到减少污染气体排放的长期发展方案。同时根据各个地区的网络参数、发电的成本以及污染排放的具体情况对其权数进行计算, 根据电网分区的相关原则, 优化各个地区的分布式发电网。
2.3 微网环流抑制策略的相关研究
为进一步提搞微网系统容量的可靠程度, 可以采用多台分布式发电机并联运行。因为输出电压、频率以及相应的参数会有差异, 运行过程中产生的较大环流会损坏逆变器, 所以, 要采取相应的措施对环流进行控制。对谐波环流产生的原因进行研究与分析, 建立防扰动的逆变器模型。通过对电压的单坏, 电压电流双环控制的比较, 能清楚地发现波形控制效果较好的瞬时值反馈控制对谐波性具有更好的抑制效果。
3 结语
综上所述, 社会对分布式发电的利用越来越广泛, 但是分布式电网受环境以及日照、风力影响比较大, 输出的功率具有随机性。所以, 要促进微网的环保经济运行, 需要在满足符合需求的基础上, 进行合理有效的输出, 从而使得整个微网发电的成本、排放成本以及总的成本降低。从各个方面促进微网多目标优化运行, 实现微网环保经济运行目标、微网低碳电力调度目标以及环流抑制状况。最终促使社会电力使用得到有效保障。
参考文献
[1]艾欣, 崔明勇, 雷之力.电力系统连锁故障研究综述[J].华北电力大学学报, 2014, 45 (02) :36-42.
[2]崔明勇, 艾欣, 雷之力.抑制多台分布式发电单元自治微网环流的主从控制策略[J].电网技术, 2014, 35 (04) :143-145.
光储直流微网控制策略的研究 篇7
1 光储直流微网概述与研究现状
1.1 光储直流微网的概述
当前, 我国的并网标准主要是以交流微电网为基础的, 但这种并网形式装置较多, 在操作方面的要求相对较高、组成结构复杂, 很容易出现故障, 除此之外, 其电压与频率也很难保持在一个相对稳定的数值范围内[1]。而交流微电网相对应的直流微网则可以弥补其应用方面的不足, 同时通过直流的配电方式, 以公用的直流母线为主要配送形式, 将系统中的所有分布式电源进行科学合理的连接, 形成一个相对容易控制的电网系统, 由并网逆变器来完成对整个并网的控制, 这种并网方式不仅减少了电网装置, 降低操作要求, 还能够节约资源, 降低损耗。
1.2 国内外研究现状
美国是最早提出“微电网技术”这一概念的国家, 其发展也相对较早, 当前, 美国的微电网技术已经在其未来电力系统的发展规划中占有非常重要的地位, 并在微电网技术的研究方面投入很多人力物力。除美国外, 欧洲与日本也都对微电网技术的应用与研究非常重视。相比而言, 我国在微电网技术方面的研究和应用相对较晚, 分布式发电技术还没有得到大规模普及, 然而, 我国目前正在加大对微电网技术的研究力度, 并已经取得了很大成效, 很多高校中对这一技术的研究工作正进行的如火如荼, 微电网技术在我国还有很广阔的发展前景。
2 光储直流微网的组成结构
光储直流微电网内部有很多个相对较小的单元组成, 每个单元中都包括光伏电池装置、单元铅酸蓄电池装置、直交流负载装置、大电网装置等几个部分组成, 其中光伏电纸装置主要由Boost变换器, 及升压变换器来控制;单元铅酸蓄电池装置主要由双向DC-DC变换器来控制;而整个微电网系统与大电网的连接则是通过DC/AC逆变器来完成的[2]。
3 光储直流微网的控制策略
3.1 孤岛运行控制策略
光储直流微电网的孤岛运行控制策略主要涉及光伏电池与蓄电池两种, 其中光伏电池需要完成MPPT与恒压两种控制, 而蓄电池则需要完成对Boost工作模式与稳压限流的两种控制。
在光伏电池板的工作模式下, 离线工作时普遍处于最大功率的工作模式, MPPT的常用算法主要有干扰动态监测法、维持电压恒定法以及电流导体递增法等三种方法, 普遍来讲, 干扰动态监测法的使用率相对较高。而恒压的工作模式通常处于蓄电池电量充足的情况, 通常使用对DC-DC变换器单向控制的方法, 使电网中直流母线中的电压保持相对稳定[3]。
在蓄电池的工作模式下, 其主要由双向DC-DC变换器来进行控制, 对两个开关相互控制与调节是实现电网预定功能的主要手段, 一旦电网中的能量流出现一定的变化, 便能够通过这种方法来实现平稳过渡, 即Boost工作模式的控制。与之相对应的, Buck工作模式的控制也就是上文所述稳压限流控制, 在蓄电池中导入一定的电压, 且需要对蓄电池充放电时的电流进行控制。
3.2 并网运行控制策略
光储直流微电网的并网运行控制策略主要也主要涉及光伏电池与蓄电池两种, 其中, 光伏电池需要完成MPPT方面的控制, 而蓄电池则需要完成充放电和并网逆变器两方面的控制。
在蓄电池工作模式下, 其充放电功率的计算可以有由蓄电池功率数值减去电网功率数值而得到, 通过对双向DC-DC变换器的使用, 来完成对两个开关控制下电流的相互输送。而DC/AC逆变器最主要的作用是将直流母线中的电压保持在一个相对稳定的范围内, 还要对并网的电流进行控制, 使其波形中不符合标准的波形得到有效降低。
而孤岛现象的产生原因主要是因为一些人为或自然因素造成电网暂时性的无法供电, 但光伏并网系统仍然能够维持一定范围内的供电, 形成孤岛。普遍意义上孤岛现象的产生有计划与非计划两种, 对其监测的方法也可分为主动与被动两种模式。如果判定为孤岛现象就一定要采取相应的离网控制策略, 以保证整个电网系统的正常运行。
4 结论
微电网技术是当前一种比较新型的电网技术, 而光储直流微网相较于交流电网在装置与操作等方面具有一定的优势, 比较适合在我国大规模应用与发展, 本文以光储直流微网的孤岛运行控制策略与并网运行控制策略的简要介绍为主, 以期微电网技术在未来的电网行业中能得到广泛利用。
参考文献
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[2]纪明伟, 陈杰, 栾庆磊.基于电流分解的微网功率控制策略研究[J].安徽建筑工业学院学报 (自然科学版) , 2014, 6 (22) :187-188.
微网控制 篇8
并网和孤岛双模式运行能力是微网实现其技术、经济性优势的关键。当微网根据情况需要独立运行或主网发生故障时,应迅速断开与主网的连接,转入孤岛运行模式;当主网供电恢复正常时,或根据情况需要微网并网运行时,将处于孤岛运行模式的微网重新联入公共电网。平滑切换是保证微网在两种运行模式间平稳过渡的关键技术。在模式转换过程中,需要采用相应的运行控制策略,以保证切换过程的平稳性。
微电源的控制策略不仅决定了微网在两种模式下的运行状况,也直接关系到运行模式的切换过程[1,2]。文献[3-4]提出双模式逆变器,并网运行采用PQ电流控制、独立运行采用V-f控制,符合微网运行需要,但电压控制与电流控制之间切换难度大,有切换失败的风险。文献[5-6]采用下垂控制,孤岛和并网两种模式下微电源控制策略不变,符合即插即用的特点,但没有考虑下垂控制对并网运行的适应性以及并网过程的冲击电流抑制。
采用下垂控制的逆变器在并网状态下输出功率会因电网电压、频率的波动而偏离下垂控制的额定运行点。电压偏移可能引起逆变器与电网之间大额的无功交换,占用逆变器容量,甚至引起过载。此外,热电联产(CHP)“以热定电”的并网运行方式需要控制微电源发出的功率[7]。为适应并网运行,本文在传统下垂控制器中增加了下垂额定点调节环,以稳定微电源功率输出。通过环路的投切实现并网PQ控制、孤岛下垂控制,两种模式下逆变器均为电压控制,容易实现切换。
孤岛运行时,微网的电压和频率都可能偏离主网,直接重合并网开关可能引起巨大的冲击电流,本文设计了逆变器预同步控制单元用于重新并网。通过合理的网络结构和电源、负载配置,以及适当的模式切换流程设计,微网能够实现良好的运行以及平滑的运行模式切换,本文提出的控制及切换方法通过仿真得到验证。
1 微网结构
本文讨论的微网结构如图1所示。
其中含有两台可控型微电源DG1和DG2(如燃汽轮机、燃料电池等),Load1和Load2为两组重要负荷,接于机端母线Bus1、Bus2,负荷峰值不超过本地微电源容量;Load3为非重要负荷,连于公共母线Bus3;微网通过PCC(Common Coupling Point)开关与电网380 V馈线相连。DG的控制模式以及各断路器开断由微网能量管理系统(EMS)调控。
2 微电源结构与控制
考虑在逆变器直流侧配有储能的情况下,通过原动机与储能元件的协调控制能够维持直流侧电压基本恒定[8],可用理想直流电源简化分析。微电源主电路及控制框图如图2所示。
2.1 孤岛下垂控制
下垂控制是一种逆变器无互联线并联控制技术,通过模拟同步发电机外特性对逆变器实施控制。在负载变动的情况下通过频率和电压的下垂进行有功、无功的合理分配,无需在逆变器之间设置高速的通信,类似于传统电网的一次调整过程[9]。
逆变器下垂控制方程为
式中:f*,U*为频率、电压控制量;f0,U0为下垂控制的频率和电压额定运行点;P0,Q0为有功、无功额定运行点;kP、kq分别为频率和电压下垂系数;P、Q为逆变器输出有功、无功的实时检测值。根据控制方程(2)设计下垂控制器如图3所示[10,11]。
2.2 并网PQ控制
微网并网运行时频率和电压取决于主网,采用下垂控制的微电源根据电网电压和频率的变化调整自身功率输出与电网达成平衡。电网电压降低时微电源增发无功,降低自身电压;电网频率降低时微电源增发有功,减小自身频率,反之亦然,这符合大电网的利益[12]。然而,当微电源电压额定值与电网电压差值较大时,需要发出或吸收大量无功才能与电网电压达到平衡,可能导致逆变器过载,甚至引起无功震荡。若增大下垂系数则可能引起系统不稳定。此外电网频率的波动也会引起微电源有功的偏移,仅仅依靠基本下垂特性对电压和频率的调节不能适应并网运行[13]。本文依据电网实际情况通过动态调整U0、f0参数来稳定逆变器功率输出,相当于上下平移下垂曲线,调整量由式(3)计算。
其中:ΔU0PQ、Δf0PQ分别为U0、f0的调整量;Kpi、Kii为调节器比例、积分系数。
图4为含有下垂额定点调节环和预同步控制的改进的下垂控制器。孤岛运行S2断开,为下垂控制;并网运行S2闭合,为PQ控制。
2.3 预同步控制
预同步单元用于控制逆变器输出电压跟踪外部电压,以降低并联合闸过程的冲击,确保并联顺利完成。包括幅值跟踪和相位(频率)同步,同样通过调整U0、f0实现,控制方程为式(4)。
其中:Δf0Synch、ΔU0Synch分别叠加到U0、f0上;θ、|U|分别为电压相位和幅值;下标inv、grid表示逆变器和电网;Kpi、Kii为比例积分系数。幅值和相位误差由图5所示的检测系统得到后送入图4所示的控制器,闭合S1启动预同步单元;断开S1退出预同步控制,并复位PI调节器。
3 微网运行模式的切换流程
由并网向孤岛的切换包含两种情况,一是出于系统需要的计划性孤岛,为主动切换;二是主网发生故障引起的PCC开关跳闸,为被动切换。对于主动切换,微网EMS可以选择有利时机以满足孤岛电能的供需平衡。被动切换属于突发事件,微网EMS事先并无相关信息,PCC开关跳开以后EMS应迅速向各微电源发出控制模式切换指令,若微电源容量不足则应采取低频减载。
孤岛向并网转换均为计划性切换,可按以下步骤进行:首先断开CB1、CB2使微网解列运行;确认CB1,CB2断开以后闭合CB3,然后分别启动微电源预同步控制完成并网,此过程公共母线会经历短时断电。
4 仿真算例与分析
本文运用Matlab/Simulink搭建了微网仿真平台,网络结构如图1所示,系统基本参数在表1中给出。
4.1 仿真算例1—由并网向孤岛切换及孤岛运行
工况描述:
t=1.0 s:微网处于并网运行,3条母线上负荷总量分别为Load1:15 k W+3 kvar,Load2:5 k W+1kvar,Load3:15 k W+3 kvar
t=1.45 s:故障致电网电压骤降,0.05 s后PCC开关CB3跳闸,微网进入孤岛状态,微网EMS向DG1和DG2发出控制模式转换指令,退出下垂额定点调节环,由PQ控制转为下垂控制;
t=1.7 s:微网频率低于允许下限49.5 Hz,表明微电源过载,低频减载切除Bus3上一组10 k W+2k Var负荷;
t=2.5 s:公共母线Bus3投入负载5 k W+1 kvar;t=3.0 s:仿真结束。
仿真结果如图6所示。
该算例属于被动切换,电网电压发生骤降以后,微电源电流增大,PCC开关迅速动作使微网进入孤岛,微电源由PQ控制转为下垂控制。采用下垂控制的微网孤岛状态下其频率能够反映出电源的负载状况,采用低频减载切除部分非重要负荷保持微网稳定运行,体现出对负荷分级管理的思想。孤岛运行时,微电源能够依据自身容量按比例合理分担负荷。突增负荷试验表明:负荷变化时微电源的调整过程仅需机端信息便能实现,是下垂控制的优点。
4.2 仿真算例2—由孤岛向并网切换及并网运行
工况描述:
t=0.5 s:微网孤岛运行,Load1:15 k W+3 kvar,Load2:5 k W+1 kvar;Load3:2.5 k W;
t=1.0 s:微网EMS发出并网指令,CB1、CB2断开,微网解列运行,Bus3失电。
t=1.1 s:微网EMS确认CB1、CB2断开,发出指令闭合PCC开关CB3,Bus3恢复供电;
t=1.2 s:微网EMS确认CB3闭合后向DG1、DG2发出指令启动预同步控制单元;
t=1.5 s:微网EMS确认预同步完成,发出合闸指令,CB1、CB2分别合闸。合闸后预同步控制单元退出,下垂额定点调节环投入,微电源转换为PQ控制。
t=2.0 s:电网电压由380 V突降为375 V,引起电源无功增大,经调整迅速恢复;
t=2.5 s:公共母线Bus3突加负载10 k W+3 kvar,逆变器维持功率输出,负载由大电网承担;
t=3.0 s:电网频率由50.0 Hz升高到50.1 Hz,引起电源有功增大,经调整迅速恢复;
t=3.5 s:DG1功率给定值由10 k W+0 kvar增加到13 k W+2 kvar;
t=4.0 s:仿真结束。
仿真结果如图7所示。由孤岛运行向并网运行的切换过程中,微网首先解列运行,对非重要负荷(公共母线)的持续供电有短时影响。而后,预同步控制单元发挥其电压跟踪与相位锁定的作用,从仿真波形可以看到,合闸过程的冲击很小,合闸前后各母线电压维持稳定,重要负荷的持续供电不受影响。
微网并网运行时,电网电压幅值和频率的波动会分别引起微电源输出无功和有功的波动变化,通过对下垂额定点的调整能够迅速抑制波动,稳定输出。通过仿真波形还可以看到,并网运行时微网负荷的变化由大电网承担,微电源可以按微网能量管理系统的指令调整自身的输出功率以满足运行需要。
5 结语
微网控制 篇9
关键词：微网,Q′-dU/dt控制,电压控制,补偿,功率控制,下垂控制
0 引言
在能源需求与环境保护的双重压力下,可再生能源分布式发电逐渐受到关注,包含分布式电源、负载、储能和能量变换装置等的微网研究很快成为国内外电气工程领域的最新前沿课题之一[1,2,3,4]。与常规的分布式电源直接并网相比,微网可灵活地将分布式电源与本地负荷组成为一个整体,通过柔性控制可以极大地降低分布式电源并网运行对电力系统的影响[5,6]。分布式电源主要通过灵活可控的电力电子装置与大电网相连,使得微网可以平滑过渡运行于并网和孤岛模式[7,8]。如何控制微网中多个电力电子装置间的协调运行、实现微电源之间功率的合理分配是实现微网稳定运行的关键[9,10,11]。当微网孤岛运行时,分布式电源主要采用分散控制方式根据本地相关信息进行独立控制。该控制策略的优点是不需要相应的通信环节就可以实现分布式电源的即插即用,灵活方便地组成微网。在分散控制中常采用的是功率下垂控制方法,即有功-频率和无功-电压下垂控制[12,13,14]。
鉴于分布式发电的复杂性和多变性以及下垂控制对并联运行的微电源之间等效输出阻抗的依赖,按照传统的功率下垂控制方法很难实现功率的精确分配。为了解决此类问题,目前国内外学者对传统下垂控制方法进行了改进。如在本地线路阻抗比很高的情况下采用反下垂控制[15];当线路阻抗中的电阻和电感均不可以忽略时采用功率解耦的方法精确控制输出功率,但这种方法的缺点是需要获得精确的线路参数[16,17];针对包含多个分布式电源的微网在孤岛运行模式下的功率分配问题,提出了一种下垂特性和平均功率相结合的控制方法[18];针对传统下垂特性控制方法的不足,增加P-δ下垂控制修正和Q-U下垂控制修正项,可有效跟踪功率变化的动态特性[19]。
本文针对孤岛运行模式下微网内部各个微电源之间的功率分配控制问题,提出了一种适用于低压微网的新型有功-频率(P′-f)和无功-电压微分(Q′-d U/d t)下垂控制方法。其中,为使改进控制策略可以应用于低压微网,将基于平面旋转变换的虚拟功率方法应用于功率解耦。Q′-d U/dt控制方法中,通过控制电压幅值变化率d U/d t来实现无功功率的精确分配,并提出基于d U/dt的电压补偿控制策略使电压保持在合理的稳定状态。最后通过实验仿真分析,验证了本文所提出的控制策略的正确性和有效性。
1 传统功率下垂控制
图1所示为微电源互联结构示意图,由2个微电源并联给负载供电,等效孤岛模式下的简单微网。本文在此基础上对微电源输出功率特性进行研究,微电源可通过低压线路与负载相连。
根据线路潮流公式,微电源i(i=1,2)出口处潮流可以写成:
其中, 为微电源i出口处的视在功率;Pi、Qi分别为微电源i出口处的有功功率、无功功率;Ui为微电源i出口处线电压有效值;δi为微电源i出口处电压相角;UL为负荷处线电压有效值,设负荷处的电压相角为0°;Ri+j Xi为微电源i所连线路阻抗;“*”表示复数共轭。
由式(1)可得:
进一步推算有:
在高压输电线路中,相角差主要是取决于有功功率,电压幅值差主要是取决于无功功率。考虑到微电源出口侧电压幅值可以直接控制,而其相角可以通过调节输出频率来实现,因此对于高压输电线路存在有功-频率(P-f)、无功-电压(Q-U)下垂特性,依据该下垂特性构造式(4)即可实现电源之间的功率调节。
传统有功-频率、无功-电压下垂公式为:
其中,foi、Uoi分别为额定频率、额定线电压;Poi、Qoi分别为额定频率、额定电压对应的有功功率、无功功率;kpi、kqi分别为传统有功-频率、无功-电压的下垂系数。
由以上分析可以看出,传统下垂控制仅考虑纯感性线路,在R/X阻感比值较大的低压微网中受到局限,不能有效地解决微电源之间功率的精确分配问题。
2 新型功率控制器设计
2.1 基于坐标变换的功率解耦
本文采用文献[15]中提出的虚拟功率解耦,使提出的功率下垂控制方法可以适用于低压微网。由于无法忽略电阻和电感中的任意一项,频率、电压幅值的调节同有功功率和无功功率耦合在一起,为此引入平面旋转变换矩阵T,将有功、无功进行解耦,变换后的有功P′i和无功Q′i为:
则由式(5)可得:
其中,Zi=Ri+j Xi为微电源i的输出阻抗。
由式(6)可以看出,相角差δi仅与虚拟有功功率P′i存在线性关系,电压幅值差ΔUi仅与虚拟无功功率Q′i存在线性关系。因此可建立适用于低压微网的虚拟有功-频率(P′-f)和虚拟无功-电压(Q′-U)下垂控制策略即可实现各微电源输出功率的有效调节。
2.2 改进的Q′-d U/d t下垂控制
即使在低压微网中有功-频率下垂控制影响有功功率分配的主要因素还是功率角,只要通过调节下垂特性使频率运行在合理范围,有功功率就可得到有效的分配,故本文主要讨论无功功率的精确分配问题。由于微电源间等效输出阻抗和下垂控制特性的影响,传统功率下垂控制不能表示出逆变器输出无功和其电压幅值之间的动态实时关系,不能使输出的无功功率经控制后达到期望值,因此提出了基于Q′-d U/dt的改进下垂控制。其中,基于d U/dt的电压补偿控制策略可以使电压幅值保持在合理的稳定状态。
图2所示为Q′-d U/d t下垂特性,为提高控制动态响应加入微分项,改进的无功-电压下垂控制表达式为:
其中,kqi为Q′-d U/dt下垂系数;d Uoi/d t为d Ui/d t达到的额定值,取为0;σ为调节时间t内具体的时间点;Q′oi为图2曲线中纵坐标为d Ui/d t=0时对应的Q′值;U*i为分布式电源逆变器的输出电压参考指令。
图2为图1中并联分布式电源的Q′-d U/d t下垂特性。假设输电线路类型相同,负荷与微电源1的距离比该负荷与微电源2的距离近,初始负荷无功功率QL′0分配到微电源1和2的功率分别为Q′1(t0)和Q′2(t0),即QL′0=Q′1(t0)+Q′2(t0)。当负荷无功功率由QL′0增加到Q′L时,因负荷与微电源1的距离较近,所以微电源1输出的无功比微电源2输出的无功多,即Q′1(t1)>Q′2(t1),此时无功功率的分配很不理想;通过Q′-d U/dt下垂控制后,微电源1和2输出的无功就稳定在点b和点d,此时Q′L=Q′1(t2)+Q′2(t2)。由于各微电源的d Uoi/d t最终值都相等,由式(7)可得:
在额定运行条件下无功功率的分配与下垂系数有关,故通过选择合适的下垂系数kqi,就可满足:
由式(9)知负荷无功功率在各微电源间得到了精确分配,且不会受微电源间等效输出阻抗的影响。
由图2知,所有微电源的额定电压微分值d Uoi/dt最终的稳定值都相同,但若d Uoi/d t值不为0时则输出电压不稳定,为使提出的改进控制策略不影响电压质量,本文提出一种电压补偿控制方法使电压达到稳定状态。其控制机理可表述为:
其中,KQres为电压补偿增益。
由式(10)和图3知,经Q′-d U/dt下垂控制后,系统运行于点e(t2时刻),但此时的d Ui(t2)/d t≠0,即电压处于不稳定状态。因此需要采用电压补偿控制使d Ui(t2)/d t为0,即在图3中将Q′-d U/d t下垂特性曲线向右移动使Q′oi(t3)=Q′i(t3)、d Ui(t3)/d t=d Uoi/d t=0,最终使输出电压达到稳定状态,使系统由点e运行于点f(t3时刻)。
因此,本文提出的改进下垂控制表达式为式(11)。
图4和图5分别是改进的Q′-d U/dt下垂控制器和功率控制器结构框图。图5中先由测得的微电源输出的瞬时电压和电流,变换到dqo坐标,计算得到微电源输出的瞬时有功p和瞬时无功q。然后通过低通滤波器得到其平均有功P和平均无功Q,再由坐标旋转得到虚拟有功功率P′和无功功率Q′,并与微电源的参考功率进行比较。最后通过改进下垂控制器,得到微电源滤波器端口输出的参考角频率、参考相角和参考电压,与三角载波进行比较,计算开关时间,驱动开关器件。使用平均功率进行调节可以使调节过程较为平稳。
3 小信号建模与分析
3.1 小信号建模
为了分析系统的动态性能,对系统进行小信号建模[17]。式(2)中的Pi和Qi都是将瞬态有功与无功功率经过低通滤波器而得到的,所以式(2)的小信号扰动方程为(设θ≈π/4):
其中,ωc为低通滤波器截止频率,这里取10 rad/s。
将式(5)代入式(12),可以得到:
式(6)表明,P′i、Q′i分别仅与δi、Ui相关,因此可以忽略 ,得:
将下垂控制表达式进行小扰动计算,得到:
由式(12)—(15)可以得到控制方程:
3.2 小信号建模分析
逆变器的电气参数如下:连线阻抗Z=0.2392Ω,输出侧电压U=381.5 V,电压初始相角δ=1.15°,负荷侧电压UL=380 V,稳态下垂系数kp=10-5Hz/W,瞬态下垂系数kdp=1.7×10-7W-1,稳态下垂系数kq=9.4×10-4V/var,瞬态下垂系数kdq=5.3×10-7V·s/var,电压补偿增益KQres=1 237.5。将参数代入控制方程,通过求解该式的根,分析改进下垂控制法中的系数变化对于系统稳定性与动态性能的影响。
下垂控制参数kp、kdp、kq、kdq和KQres的选择匹配能保持系统稳定运行,同时提高系统的动态性能。根据逆变器参数,由式(16)特征根的根轨迹图可以讨论这5个参数的选取,并考虑初始相位角δ对系统稳定性的影响,结果如图6所示。
如图6(a)所示,当kdq=7×10-5V·s/var、0≤kp≤9.4×10-5Hz/W时,一对共轭根λ1和λ2逐渐向负实轴靠近;但当kp>9.4×10-5Hz/W时,λ1和λ2移动到负实轴上并向相反方向移动;0≤kp≤10-3Hz/W时,特征根λ3一直处于负实轴远离虚轴移动;当0≤kdq≤7×10-5V·s/var时,3个特征根变化幅度较小。由图6(b)可知,较图6(a)不同的是,共轭根λ1和λ2的变化方向由逐渐靠近虚轴方向接近负实轴,而特征根λ3则是靠近虚轴方向移动。
由图6(a)、(b)的分析知,kp和kdp的变化对特征根分布影响较大,同时考虑kdq作用时对特征根影响相对较小。图6(c)、(d)主要分析kq变化对特征根分布的影响,并考虑有功下垂系数kp和kdp对其的影响。图6(c)中,当kp=10-4Hz/W、0≤kq≤6.3×10-3V/var时,特征根λ1和λ2都会从实轴按照箭头方向转移到虚轴,成为一对共轭根,此时系统的动态性能增加;当0≤kp≤10-4Hz/W时对特征根分布影响较大;由图6(d)知,kdq变化时特征根均有较大变化。
图6(e)、(f)主要是分析初始相位角δ和电压补偿增益KQres对系统性能的影响。在图6(e)中当δ变化时可明显分辨系统稳定性,即当δ增加到π/2附近时特征根进入不稳定区域。由图6(f)知,当0≤KQres≤3641.715时,刚开始时特征根λ1和λ2就由负实轴按箭头方向转移到虚轴成为共轭根,系统动态性能得到增加;当3641.715≤KQres≤4950时,共轭根λ1和λ2又移动到负实轴;特征根λ3向远离原点方向缓慢移动。
由上述方法分析可知,kdq对系统的动态性能的影响最小,对于一定变化范围的kp和kdp对应的根轨迹变化影响较小;kdp取不同值时对一定范围变化的kq对应的根轨迹变化影响也较小,而kp取不同值时kq对应的根轨迹变化影响较大,因此可以最先设定kdq。kp、kdp和kq的变化可以显著地影响系统特征根的分布。KQres的选择应考虑在提高电压补偿动态性能的同时减小系统的振荡。综合以上分析,kp、kdp、kq、kdq和KQres数值设定如上文所述。
4 仿真结果与分析
为验证所提出改进下垂功率控制方法的正确性和有效性,根据如图7所示的微电源互联系统在MATLAB/Simulink平台进行了仿真分析,验证所提出控制策略的有效性。
系统的频率为50 Hz,系统电压为380 V,传输线路以阻性为主,均为Zline=2+j 0.05Ω;DG输出阻抗R1+j X1=0.67+j 0.18Ω,R2+j X2=1+j 0.4Ω,R3+j X3=0.75+j 0.31Ω;负荷参数L1为1 333 W和666var,L2为666 W和333 var,L3为2 000 W和2 000var;输出滤波器参数,滤波电感Lf=3 m H,滤波电容Cf=1 500μH。下垂控制参数设置如表1所示,表中算例1、2的3个微电源参数均相同。
4.1 算例1
在该算例中通过设置不同的线路阻抗来验证改进下垂控制的性能。微电源DG1、DG2和DG3的容量此时相同,控制器的参数设置见表1,系统在0.5 s时控制策略由传统下垂控制切换为改进的下垂控制策略。由图8说明,即使微网并联系统的线路阻抗不一致,系统在0.5 s后无功功率的分配较传统下垂控制也得到明显优化;改进下垂控制后的电压水平得到提高,更接近系统要求电压380 V;由图8(c)知改进下垂控制后的电压变化率DG2较DG1和DG3大,这使得尽管在DG2连接阻抗较DG1和DG3都大的条件下,也可以让DG2输出的无功功率增大进而使系统无功功率分配效果得到改善。电压微分值最终因电压补偿控制策略调节无功初始值Qoi而让其达到理想值0,使输出电压达到稳定状态;图8(e)和(f)说明通过坐标变换后调节下垂系数有功功率就可得到精确分配且频率保持恒定。
4.2 算例2
在该算例中考虑极端情况,DG1未通过输出阻抗而是直接和负荷相连接,即R1+j X1=0+j 0Ω,其他参数设置同算例1。由图9可知,在该极端情况下,采用传统下垂控制时不仅出现功率分配严重失衡且DG2和DG3输出功率会出现负值,即出现环流现象,但经过改进下垂控制后DG2和DG3输出功率转为正值,有效抑制了环流并且使无功功率的分配得到明显改善;图9(c)说明通过电压补偿控制策略调节无功初始值Qoi使微电源的电压变化率转为正值,即通过调节微电源端电压上升使其输出的无功功率送至负荷侧,图9(b)中经过改进下垂控制后电压质量依然保持在较高水平。
4.3 算例3
在该算例中通过考虑各微电源容量和线路阻抗均不同的条件下,验证所提出控制策略的有效性,同算例2设置R1+j X1=0+j 0Ω,其他参数设置见表1。由图10可知,在极端情况下通过改进下垂控制使微电源并联系统无功分配效果明显改善,使无功功率可根据微电源容量成一定比例,且有效消除了无功环流,同时控制电压值在允许范围内。
为定量分析经过改进下垂控制后无功功率分配性能,引入无功功率分配误差,其计算公式如下:
由式(17)计算算例1、2和3经传统下垂和改进下垂控制后的无功功率分配误差,计算结果如图11、12所示。图11中各算例左侧部分为传统下垂控制引起的误差,右侧为改进下垂控制后的无功分配误差,则知当采用改进下垂控制时无功功率分配的误差相对传统下垂控制有了很大改善,这也说明了改进下垂控制方法的有效性。图12表示并联系统中线路阻抗比Z1/Z2变化时2种控制方法系统无功功率分配误差eQ12比较曲线,由图表明改进下垂控制方法相比传统下垂方法能有效克服因线路阻抗不匹配所引起的分配误差。
5 结论