孤岛控制

孤岛控制（共10篇）

孤岛控制 篇1

摘要：针对传统下垂控制受到微网线路阻抗特性等因素的影响难以实现功率精确分配的问题,提出一种适用于低压微网孤岛运行模式下的新型有功-频率(P′-f)和无功-电压微分(Q′-dU/dt)功率控制策略。该策略基于电压幅值变化率(dU/dt)的电压补偿控制方法来实现无功功率精确分配,同时可使系统电压保持在合理的稳定状态并保证相应的动态性能。小信号建模分析表明控制方程系数的匹配对系统瞬时响应影响较大,合理的参数设计有利于提高系统动态性能。对孤岛模式下不同的系统状态进行仿真和对比分析,验证了所提控制策略的有效性。

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

本文针对微网孤岛运行模式下的功率分配问题,提出一种新型有功-频率和无功-电压微分下垂控制方法,同时采用基于坐标变换的功率解耦使该方法可适用于低压微网。从理论上分析了控制参数对于动态性能的影响,并由此确定其参数选择方法。通过选择系统不同条件进行仿真,并与传统下垂控制方法在线路阻抗不匹配、微电源容量不同情况下进行对比,结果表明该方法在一般甚至极端条件下均可实现无功功率的精确分配,使电压保持在合理的稳定状态。

走出国语的“孤岛” 篇2

虽然，简化字和汉语拼音方案不是一个新话题，而是自晚清以来，进步的中国知识分子所共同关切的议题。但是，这个议题，在一九四九年以后的台湾，却成了一个政治上的禁忌。几乎有四十年的时间，在台湾听不到任何有关语文改革的意见。

李先生以学界领袖的身份，打破四十年来的沉寂，让大家理解到这个问题的存在，使我们身在海外，从事语文工作的人感到：台湾在语文改革的这个问题上，终于有了一个明白人！

一九四九年，国民党迁台以后，少数北来的“遗民”带动着岛上数百万的“南人”，学习“北语”。经过二、三十年的努力，成绩不可说不丰硕，但时至今日，那些早期“遗民”所带去的北语，因和“中原文化”隔绝得太久，他们当年地道的国语，经过四十多年的天翻地覆，而今看来，除了饶富“古意”之外，与今日之“京调”已有了一定的距离。譬如将“你和我”的“和”字，读如“汉”，就是这个“孤岛现象”的显例之一。

这个孤岛的绝缘现象，在最近几年已有了一定的改变。一方面是台语有渐由方言转化为“普通话”的趋势，而成为社会媒体的通用语言。从这个改变看来，似乎是国语的式微，也是“一语独大”的结束。但就另一方面来看，两岸互通以后，大陆的书籍、电视节目、流行歌曲大量地进入台湾，使国语的孤岛现象有了缓和。也是四十年来，台湾的国语首度有机会和它的发源地有了接触，而注入了来自源头的活水。从这一方面来看，却又是台湾国语新生的开始。

正因为有了这样的互动和比较，两岸语文的不同，成了近年来热门的话题。可以预卜的是：两岸语文的不同会随着交流的增加而减少。换言之，所有语文上的互通，其大方向是异中求同，而不是同中求异。

语言文字是文化中最保守的一部分。一个人成年以后，宗教信仰的改变是可能的，甚至于是常见的，但一个人成年以后，要改变其母语，几乎是不可能的。“少小离家老大回，乡音无改鬓毛衰。”贺知章的千古名句道尽了语言的保守和乡音的顽强。因此，在两种语文交会时，一方面是由异趋同；但另一方面，却又出现一种自觉或不自觉的“坚持”和“顽抗”。“乡音无改”是不自觉的，也是莫可奈何的，但坚持不用简体字或汉语拼音则是自觉的。

自觉的坚持和顽抗，有一部分是来自情绪上的尊严：“何以我必须从你？”也有一部分是来自文化上或道德上的“正统感”：举世滔滔，唯有我岛上两千万人，为中华文化之继绝，做艰苦卓越的圣战。这种心理充分反映在把“繁体字”叫做“正体字”这一事实上。别小看了这一字之别，它的微言大义却是显而易见的——两种字形的不同不在“繁”“简”，而是在“正”与“异”。

在此，我不得不指出：如果比较“早”的文字，就是比较“正”的文字，那么，对今日之简体字而言，繁体字固然是“正”体；然而相对于隶书而言，今日之“正”体，岂不就成了“异体”或“简体”了吗？而隶书相对于小篆而言，也一样难逃“简体”和“异体”的命运。

如果，我们不曾把甲骨文叫做“正体”，似乎也没有理由将现行的繁体字叫做“正体”。我相信一两百年以后的中国人看到现行的繁体字，很可能会说：“那是二十世纪中期以前的古体。”换言之，现行的繁体字不但不是中国现行文字中的“正体”，反而是“异体”——是中国文字发展演变中的一个“遗形物”。从全中国的人口来看，使用这个“遗形物”的“异体字”的人，也毕竟只有台湾和海外的“南渡遗民”。

从社会学的角度来看，边缘文化往往较中原文化来得更守旧。所以，我们在纽约和旧金山的唐人街还偶而能看到清末民初的婚嫁仪式。但我们不能因此就说唐人街的中国文化是比较正统的，或比较更“中国的”，恰恰相反的，那种清末民初的婚嫁仪式只不过是博物馆的一项陈列而已。

台湾和一部分海外的中国人坚持写繁体字，也不过是“礼失求诸野”的一个现代诠释。当年南渡后的“江左诸公”何尝不是陶醉在“正统”之中呢？

在许多反对使用汉语拼音方案的文章中，几乎都提到一点，即是用注音符号更能精确地反映出普通话的正确读音。我认为这种论调是无稽而且不相干的。注音符号也好，汉语拼音也好，都只是一种符号。一个分辨不出“在”和“菜”的人，看了zai、cai固然读不出正确的音来，看了ㄗㄞ和ㄘㄞ也一样搞不清“送气”和“不送气”的分别。正如同一个发不出英文th辅音的人看了“th”固然发不出，看了“θ”也一样不知究竟错在何处。

中国大陆的学童从小学汉语拼音，我并不觉得他们的发音比台湾学童的差；同样的，台湾的学童从小学注音符号，而他们的国语发音也很难说一定比大陆学童为强。

如果说一个人发音的好坏取决于音标，那么，某人英文发音不行，我们是不是能说：“他当年用韦氏音标，把发音都搞糟了，要是当年用了国际音标，他现在的英语可就字正腔圆了。”我们只要换个语言做为类比，就能看出这种论调的荒诞。

《荀子·正名》中“约定俗成”这四个字常被援引为语文发展的一个通则。这四字换一种说法，也就是在语文的使用上，随波逐流是正确的方向。大家怎么说，你就怎么说；大家怎么写，你就怎么写。做“中流砥柱”不是“别出心裁”，就是“闭门造车”。除了“古意盎然”以外，实在没有太多实用的意义。

“约定俗成”的另外一个意义就是语文的使用，必须向多数靠拢。《荀子·正名》的原文是“名无固宜，约之以命。约定俗成谓之宜，异于约则谓之不宜。”当然，台湾在语文符号的选择上，可以走自己的道路，但自己的道路是体现语文的特殊性，而不是一般性。用荀子的话来说，一般性是“宜”，特殊性是“不宜”。

台湾在语文符号的使用上坚持保有自己的特点，而无视于绝大多数汉藏语系同文同种的同胞所既有的一套系统，我怕这不但不是为自己争权利，争空间，而是画地自限，自绝于多数。

孤岛控制 篇3

由于采用了自换相的电压源换流器,柔性直流输电系统具备有功和无功功率独立控制、向弱电网和无源网络供电等传统直流输电系统不具备的功能[1,2]。柔性直流输电技术拓展了直流输电的应用领域,除了将其应用于传统电网互联,还可用于孤远电网和海上风电场等弱电网联网[3,4,5,6,7,8,9]。目前,国家电网公司正在浙江舟山建设世界首个五端柔性直流输电工程[10,11]。与主电网不同的是,弱电网工作情况复杂,电源输出不稳定,某些情况下还会变为无源网络。当连接至换流站的交流电网为有源网络时,换流站和同步发电机将并列运行,柔性直流输电系统将工作于联网模式下;当连接至换流站的交流电网为无源网络时,换流站将单独工作,柔性直流输电系统将工作于孤岛模式下。

矢量控制策略已成为柔性直流输电系统的常用控制策略,其特点是需要根据电网电压的同步相位进行矢量变换。当交流电网为有源网络时,换流站的控制器采用电流控制模式,矢量变换使用锁相环提供的交流电网的电压同步相位[12,13]。当交流电网变为无源网络时,锁相环将无法正常工作,控制器需要切换至电压控制模式,直接给定矢量变换的电压同步相位[12,14]。在实际运行中,弱电网的电源常会切除或投入,如风力发电机由于风速过低而停机、汽轮发电机因检修而停运等。随着交流电网工况的变化,换流站控制器的控制模式也需进行相应的切换。电网的工况由孤岛检测模块进行判断[10],但孤岛检测耗时耗力,且控制模式的切换也将给电网带来冲击。

为有效应对弱电网的复杂工况,亟须设计柔性直流输电系统在联网和孤岛运行模式下的通用控制策略。下垂控制是中小容量换流器在交流侧并联运行的一种常用控制方法[15,16]。在电压控制模式下, 换流站不需要锁相环即具备独立运行的能力。但此时的同步相位是直接给定的,柔性直流输电系统的换流站如何与其他发电机并列运行,仍是一个问题。 本文根据高压电网的特点,设计了高压大容量换流站的频率—有功功率的下垂控制,并将这种下垂控制与电压控制模式相结合,得到了适用于换流站联网和孤岛运行模式的通用控制策略。该控制策略可为舟山柔性直流输电工程等弱电网联网工程提供有效的换流站控制策略。

1换流站的建模与控制

双端柔性直流输电系统的结构如图1所示。换流站经高通滤波器及换流变压器和线路总电抗XL与交流电网相连。整流站C1与同步发电机G1所在的交流电网相连,逆变站C2则与同步发电机G2所在的交流电网相连 。为发电机机端电压为公共耦合点 ( point of common coupling , PCC ) 处的电压 。 系统的参数详见附录A表A1及A2 。

电压控制模式下,矢量控制器可分为内环电流控制器和外环电压控制器。内环电流控制器具有正常电流控制和故障电流限幅的功能;外环电压控制器则用于控制换流站输出的交流电压。在电压控制模式下,交流电压的同步相位是直接给定的,控制器的工作不需要锁相环提供同步相位,换流站具备独立运行的能力。由于电压控制模式已成为换流站向无源网络供电的常用控制方法[12],在此仅对其作简要介绍。

换流站的电路结构如图2所示。图2中,L和R分别为换流电抗的等值电感和等值电阻。高通滤波器在工频下基本为容性[14,17],其等值电容为C。

结合图2,换流站的电压和电流关系可表示如下:

式中:vabc和iabc分别为换流器输出的三相交流电压向量和电流向量;uabc和iLabc分别为PCC处输出的三相交流电压向量和电流向量。

对式(1)、式(2)分别进行dq变换,可得[12,14]:

式中:vd,vq和id,iq分别为换流器输出交流电压和交流电流的dq轴分量;ud,uq和iLd,iLd分别为PCC处输出交流电压和交流电流的d轴和q轴分量;ω 为角频率。

在矢量控制下,内环电流控制器和外环电压控制器分别表示如下[12,14]:

式中:vd*,vq*和id*,iq*分别为换流器输出交流电压和交流电流 的dq轴分量的 指令值;ud*和uq*为PCC处交流电压 的dq轴分量的 指令值;kp1,ki1, kp2,ki2均为比例—积分(PI)控制参数,其选取方法参见文献[12]。

通过对内环电流控制器设置电流限幅,可有效防止换流器由于过电流而导致的闭锁停运。电压控制模式的特点是dq变换的同步相位可由下式直接给定:

式中:ω*为交流电压角频率的指令值;θ0为初相位。

2下垂控制

当ω*取为交流电压角频率的额定值 时,换流站在交流侧等效为固定频率的交流电压源。该控制方式一般只适用于向无源网络供电的情况。当负荷增加导致电网频率降低时,若换流站的电压频率保持不变,则所有同步发电机将在换流站的作用下返回同步转速,换流器的定频控制与电网的二次调频之间存在冲突。

对于多个中小容量电压源换流器在交流侧并列运行的情况,频率—有功功率的下垂控制是一种常 用的控制方法。为使柔性直流输电系统的换流站在对无源网络供电的同时实现与其他同步发电机和换流站的并列运行,本文将下垂控制引入到大容量换流站的控制中。

2.1基本原理

高压输电网络的特点是其线路电阻远小于线路电抗[18]。忽略线路电阻后,换流站输出的有功功率可表示如下[2]:

式中:U为PCC处的交流电压幅值;E为所接交流电网的电压幅值;XL为PCC处与交流电网之间的等值线路电抗;δ 为PCC处的电压和交流电网电压的相角差。

由于交流电压幅值的正常变化范围较小,换流站输出的有功功率主要由δ 决定。该相角差可通过改变换流器的电压角频率来调节。当换流站的电压频率大于电网电压频率时,相角差δ 和换流站输出的有功功率逐渐增大;反之,则相角差δ 和换流站输出的有功功率逐渐减小。因此,换流站输出的有功功率与其电压频率直接相关。

2.2通用控制策略

频率—有功功率的下垂控制根据换流站输出的有功功率调节换流站电压角频率的指令值。换流站输出的交流电压角频率的指令值为:

式中:ω0为角频率的额定值;P*和P分别为换流站输出有功功率的指令值和实际值;Ud和Ud*分别为直流电压的实际值和参考值;r为调差系数,即单位功率变化所对应的角频率变化;PS为有功功率的计划分量;ΔPUd为直流电压的修正分量;k3为比例系数。

将式(9)代入式(7),可以得到dq变换的同步相位。假定负荷上升导致电网频率降低时,如果换流站的电压频率保持不变,换流站的输出功率将增加。但在下垂控制下,换流站的频率会相应降低,从而减小换流器输出的有功功率。根据频率和有功功率的下垂特性,负荷变化由换流站和同步发电机共同分担,换流站也参与到电网的一次调频中。

为实现换流站的直流电压控制,现引入直流侧的有功功率—直流电压下垂控制。当直流电压的实际值小于指令值时,换流站输出的有功功率指令值将降低;反之,换流站输出的有功功率指令值将增加,从而实现稳定换流站的直流电压。式(10)的引入将交流侧的频率—有功功率下垂控制和直流侧的有功功率—直流电压下垂控制结合起来。

图3为柔性直流输电系统的联网和孤岛运行通用控制策略的结构图。

由图3可见,换流站的频率指令值可根据换流站工况自动调节。通过对频率指令值进行限幅,可以限制在暂态过程中的频率越限。

3电网频率调节

以下将以双端柔性直流输电系统为例,将换流站的下垂控制和同步发电机的一次调频相结合,对电网的频率调节特性进行分析。

3.1联网运行频率调节

在初始工况下,各设备均处于计划或额定运行状态。整流站向逆变站输送计划功率为PS,有功功率指令值中的直流电压修正分量为0。整流侧电网和逆变侧电网的运行频率均为额定频率。

不失一般性,假定逆变侧电网负荷增加 ΔPL。 当系统频率达到稳态时,柔性直流输电系统的输送功率为Pf。根据式(9)和式(10),可得整流站和逆变站的频率—有功下垂控制方程如下:

式中:r*为换流站调差系数的标幺值;Δω1和 Δω2分别为整流侧电网和逆变侧电网的频率变化量;P0和 ΔP分别为柔性直流输电系统的额定输送功率和输送功率的变化量。

在当前工况下,柔性直流输电系统输送功率的增量由整流侧电网提供。根据整流侧电网的一次调频关系[19],可得:

式中:r1*为整流侧电网等效调差系数的标幺值;P1为整流侧电网的额定容量。

根据功率平衡关系,逆变侧电网的负荷增量一部分由柔性直流输电系统提供,剩余部分则由逆变侧电网补偿,表示如下:

式中:r2*为逆变侧 电网等效 调差系数 的标幺值; P2为整流侧电网的额定容量。

通常,换流站的调差系数取值与发电机的调差系数相等:

根据式(11)—式(15),可得:

忽略直流电缆的压降,则两换流站的直流电压可表示为:

由式(16)—式(19)可见,本文的控制策略在联网运行模式 下可以实 现频率—有功功率 和有功功 率—直流电压的下垂控制。比较式(17)和式(18)可知,本侧电网的负荷变化在本侧电网造成的频率变化明显大于在对侧电网造成的频率变化。结合式 (17)—式(19)可知,两端交流电网的频率偏差以及直流电压的偏差这3个量之间是联动的,当一个量的偏差被消除后,其余两个量的偏差也变为0。

3.2孤岛运行频率调节

如果逆变侧电网的发电机退出运行,则逆变侧电网将成为 无源网络。当系统频 率达到稳 态时, 式(11)—式(13)保持不变,但逆变侧的负荷增加量将全部由柔性直流输电系统提供,式(14)将变为:

根据式(11)—式(13)及式(20),可得:

由式(20)—式(23)可见,本文的控制策略在孤岛运行模式 下仍可实 现频率—有功功率 和有功功 率—直流电压的下垂控制。比较式(21)及式(22)可见,本侧电网的负荷变化在本侧电网造成的频率变化明显大 于在对侧 电网造成 的频率变 化。 结合式(21)—式(23),两端交流电网的频率偏差以及直流电压的偏差这3个量间是联动的,当一个量的偏差被消除后,其余2个量的偏差也将变为0。

3.3与电网频率控制的配合

对于传统互联电网而言,二次调频中的区域控制偏差(area control error,ACE)可将电网频率和联络线交换功率控制为给定值。柔性直流输电系统受到扰动后,ACE同样可通过调整调频发电机的出力使电网频率和柔性直流输电系统传输功率回复至给定值。此外,根据式(9)、式(10),直流电压也将回复至额定值。由于ACE通常需等到电网频率在一次调频作用下达至稳定后才开始动作,其动作时间一般为数分钟[19],已超出电 磁暂态仿 真的研究 范围,本文对此不再作详细分析。

4仿真验证

在PSCAD/EMTDC中建立了采用下垂控制的柔性直流输电系统的详细电磁暂态仿真模型,对仿真系统的初始运行状态作如下设置:取整流侧电网负荷为100 MW,逆变侧电网负荷为300 MW,柔性直流输 电系统由 整流侧向 逆变侧输 送功率为200 MW。基于此,对仿真系 统在负荷 突变 (工况1)、孤岛运行(工况2)和故障穿越(工况3)3种工况的响应特性进行了仿真研究。仿真过程中,令20s时,逆变侧电网负荷减少65 MW;30s时,逆变侧电网的发电机G2退出运行,逆变侧电网变为无源网络;40s时,G2所在电网发生三相接地短路故障,故障持续0.5s后切除。

图4为换流站和发电机的角频率、换流站有功功率以及直流电压的仿真波形。图4(a)中,ωg1和 ωg2分别为整流侧和逆变侧同 步发电机 的角频率; ωc1和ωc2分别为整流站和逆变站的交流电压角频率 (角频率均以标幺值计)。处在同一交流电网中的换流站和发电机的角频率基本一致。图4(b)和(c)分别为整流站从本地电网吸收的有功功率和逆变站向本地电网输出的有功功率。图4(d)中,Ud1和Ud2分别为整流站和逆变站的直流电压。

当逆变侧电网出现较大的负荷减少时,柔性直流输电系统传输的功率将减小,整流站吸收的有功功率和逆变站输出的有功功率都显著减小。由图4可见,在交流侧的频率—有功下垂控制下,两侧交流系统的频率出现了明显的升高,其中逆变侧电网的频率升高大于整流侧电网,仿真结果与第3节中的理论分析一致。通过直流侧的有功功率—直流电压下垂控制,逆变侧负荷的减小造成两换流站的直流电压升高。

图5、图6和图7分别为工况1、工况2和工况3下整流站和逆变站的三相交流电压和交流电流的仿真波形。

在通用控制策略下,换流站既可独立运行,又能与其他发电机并联运行。当逆变侧电网的同步发电机退出运行时,逆变侧电网将变为无源网络。系统经历一个与负荷变化较为相似的暂态过程后,达到新的稳定运行状态。换流站控制器不需任何改变, 就可实现整个互联系统在逆变侧电网从有源网络变为无源网络过程中的平滑切换,从而显著增强了柔性直流输电系统应对复杂电网变化的能力。

由图7可见,逆变侧发生三相接地短路故障时, 逆变侧电网电压 幅值将严 重跌落,跌落幅值 大于70%。通过在内环电流控制器中设置电流限幅,可将交流电流的幅值限制在安全范围内,以避免由于过电流而导致换流站闭锁停运。由图4可见,对换流站频率的指令值进行限幅,可有效防止故障过程中换流站的频率越限。当故障切除后,柔性直流输电系统经历一个暂态过程后回复至故障前的正常运行状态,具有较强的故障穿越能力。

5结语

本文在矢量控制电压控制模式的基础上提出了柔性直流输电系统的联网和孤岛运行通用控制策略,根据换流站的有功功率和直流电压值进行换流站频率指令值的斜率调节。本文提出的控制策略可与交流电网的一次调频和二次调频自动配合,从而实现交流侧频率—有功功率和直流侧有功功率—直流电压的下垂控制。与传统控制策略相比,本文的通用控制策略无需控制切换,就可对柔性直流输电换流站的联网和孤岛运行模式进行有效的控制,并且可以实现换流站在两种运行模式之间的平滑切换。通过设置内环电流控制器的电流限幅和外环电压控制器的频率限幅,增强了柔性直流输电系统的故障穿越能力。PSCAD/EMTDC软件的电磁暂态仿真结果表明,柔性直流输电系统的联网和孤岛运行通用控制策略可实现对负荷突变、电网切换和故障穿越等工况的有效控制。

附录见本 刊网络版 (http://www.aeps-info. com/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：针对当前柔性直流输电系统缺乏在联网和孤岛运行条件下的通用控制策略的现状,根据高压电网的特点引入了交流侧的频率—有功功率的下垂控制和直流侧的有功功率—直流电压的下垂控制,并由此提出了柔性直流输电系统联网和孤岛运行的通用控制策略。该控制策略可有效适用于换流站的联网和孤岛运行工况,且能够与电网的一次调频、二次调频配合工作,适用于孤远电网及海上风电场等弱电网互联情况。电磁暂态仿真结果表明,该柔性直流输电系统通用控制策略可实现对柔性直流输电系统联网和孤岛运行工况的有效控制。

让“孤岛”不再孤单 篇4

关键词：公共图书馆； 农民工； 读者服务

中图分类号：Ｇ252文献标识码：Ａ

中国的农民工日渐成为一个庞大而特殊的社会群体，在经济与社会生活中发挥重要作用。2004年12月，文化部发出了《关于高度重视农民工文化生活，切实保障农民工文化权益的通知》；2005年的政府工作报告也强调，要认真落实改善农民进城务工就业、创业环境的政策。为贯彻这些政策，各级地方政府都及时做出了反应，如2006年初，杭州市政府就出台了《关于做好外来务工人员就业生活工作的若干意见》。这体现了党和政府对农民工这个特殊群体切身利益的关心和关注。

这些政策出台的重要原因，是由于农民工群体具有弱势特征。对他们的生活状态，中国社科院研究员王春光曾精辟地用“孤岛”来形容：“城市并未真正接纳这些外来者，他们远离家乡和亲人，从事高强度劳动，遭受歧视，缺乏适龄性伴侣和社交生活，就像生活在孤岛上一样”。①作为负有文化交流和社会教育职能的公共图书馆，如何在保障农民工文化权益、改善农民工就业环境方面发挥应有作用，是相当一个时期中需要认真考虑的问题和应当承担的一项重要工作。上文提到的杭州市政府就明确规定，市区现有图书馆、文化馆等，要将服务范围扩大到外来务工人员。

一、公共图书馆为农民工提供服务的必要性

1．公共图书馆的社会职能决定了它应为所有社会成员，尤其是弱势群体提供服务。

1９94年联合国教科文组织与国际图联共同制订的《公共图书馆宣言》这样宣告：公共图书馆是传播教育、文化和信息的一支有生力量，是促使人们寻找和平和精神幸福的基本资源②。其中《宣言》涉及公共图书馆服务的核心内容主要包括：支持个人和自学教育以及各级正规教育；提供个人创造力发展的机会；提供接触各种表演艺术文化展示的机会；保证公民获取各种社区信息；支持并参与各年龄群体的扫盲活动和计划，在必要时发起这样的活动等。通过这些核心内容我们可以看出，公共图书馆的职责之一是支援教育，通过各种学习资源的收藏来支援非学校教育和终身教育，辅助正规教育而成为学校与其他培训机构以外的一个重要社会教育机构。鉴于公共图书馆的使命，江泽民同志给公共图书馆的题词是：“公共图书馆是人民的终身学校”。

从19世纪公共图书馆得到确立和发展起，依据的理念就是人人享有受教育的权利，公共图书馆已成为社会通过政府行为或民间行为扶助弱势群体的重要公益性文化事业机构。什么是弱势群体？那些难于融入所处地域的社会生活，难于与其他群体享有平等的公民权利，远离社会权力中心的人们，应当属于弱势群体的范畴，而应受到公共图书馆的重视，并引导他们到图书馆接受服务。城市居民普遍受过较高水平的正规学校教育，城市各种便利的培训机构与途径，还有计算机网络的普及，都为城市居民提供了良好而方便的继续教育和终身教育环境；农民工却普遍文化程度较低，缺乏正规教育，眼界不够开阔，信息闭塞，观念落后，又缺乏接受教育的机会和经济承受能力，正属于弱势群体，是需要图书馆提供服务的人群之一。据统计，深圳图书馆70％的读者是外来打工人员，每天接待读者5000人次。③这是公共图书馆履行扶持弱势群体，促进社会融合的社会职能的鲜活事例。

2．农民工的现状使公共图书馆有必要为他们提供文化教育及休闲服务。

（1）文化程度相对较低。我国农村教育结构单一，教育经费严重不足，农民教育负担重，受教育的积极性不高，学生入学率、巩固率低，辍学率高，人均受教育的年限大大低于城市居民。目前，农村劳动力中，高中以上文化程度仅占13％，绝大多数只具有初中或更低的文化程度，文盲或半文盲劳动力占7．7％。在2001年转移的农村劳动力中，小学以下文化程度的占23．5％④。文化程度低所产生的负面影响是显而易见的：他们从事的多是重体力劳动，劳动强度大而收入低，受社会歧视；法制观念淡薄，在城市犯罪人员中外来人员占50％左右，有的达到60％以上；在自己的合法权益受到侵害时，不会通过法律途径来得到有效支持，以至经常发生农民工为索要工钱而采取跳楼、爬高等极端方式以死相逼的事件；就业技能相对欠缺，在2001年转移的劳动力中，接受过专业技能培训的仅有9．1％，导致找工作难等。

作为负有社会教育职能的公共图书馆，理应重视这个特殊人群的文化需求，利用自己独特的文献及电子资源优势，以及开展培训活动的便利条件，拓宽对农民工服务领域，为提高其文化素质、优化其技能出一把力。

（2）精神生活空虚。农民工在为城市的建设做出巨大贡献的同时，其业余生活却往往枯燥乏味，缺乏充实的精神生活。由于劳动强度大，闲暇时间少，兼之适合农民工的文化、教育阵地相对匮乏，导致农民工的业余生活缺乏正确引导，消遣方式十分单一，也造成了许多社会不安定因素。据新华社记者对四川、上海各100名男女农民工进行的问卷调查显示，其中男性农民工的主要消遣方式为：无所事事（67％）、找老乡聊天（40％）、打牌或打麻将（19％）、给家里打电话（19％）、喝酒（11％），还有5％的男性农民工坦承自己找过小姐；女性农民工的主要消遣方式为：给家里打电话（52％）、逛街（35％）、找老乡聊天（80％）、看书读报（27％）、吃完就睡（20％）。⑤农民工，尤其是男性农民工业余生活的无所事事，一方面无法接受多种形式的终身教育，不利于其素质的提高，另一方面也是一些违法犯罪活动产生的重要原因，从而产生了很多悲剧。据报载，2004年在北京某工地上，二十几名民工看黄带时遇到警察执法检查，逃跑时慌不择路，不幸掉进粪池，造成两人死亡的惨痛后果。

公共图书馆的学习休闲功能现在已被越来越多的专业人士所认识并呼吁，如果能为农民工提供廉价而便捷的服务，则一定能成为农民工工作之余首选的学习与休闲场所之一。

二、公共图书馆为农民工提供文化教育及休闲服务的可行性

1．公共图书馆的公益性质与农民工的收入水平相适应。

公共图书馆是全额拨款的事业单位，其公益性质为大众所公认。虽然近年来随着市场经济浪潮的冲击，一些图书馆对部分拓展的服务项目开始实施收费，如课题检索等，但对一些基本的服务项目，如图书借阅等仍然是不收费的，甚至开展了专家讲座、露天电影等免费的服务内容。针对农民工的收入状况，他们的休闲方式也只能是廉价的，像歌厅、酒吧、茶座、电影院这些收费较高的场所，他们只能望而却步。而公共图书馆的公益性质十分符合农民工的消费需要和消费心理，在这里他们可以不花钱或花极少的钱享有文化资源，得到精神娱乐，从中直接或间接获取知识。除基本的图书借阅服务外，有些图书馆还针对农民工等群众开展了丰富多彩的娱乐活动。如辽宁省图书馆利用城市广场这个有利地理位置，通过广场上的大屏幕免费放映影片推介、名家讲坛、戏曲知识和娱乐信息，把广场打造成一个传播先进文化、交流文化信息的平台。山西省图书馆则在夏季免费举行“消夏电影晚会”，吸引了附近的许多居民，而更多的是驻地农民工，每晚观众多达200多人⑥，收到了很好的社会效益。

2．公共图书馆丰富的信息资源和充裕的开放时间有利于为对农民工提供服务。

首先，农民工可到公共图书馆借阅自己喜爱的书刊。在这方面，图书馆要充分考虑农民工的特殊需求，采购一些趣味性通俗性的平民化书刊，和较多关注农民工现状的报纸杂志等。如2004年8月4日开放的河北省石家庄市有个社区图书馆——专门为进城务工人员服务的图书阅览室，就专门从北京购进一大批适合农民工阅读的图书，其中有劳动安全维权、工伤维权、劳动合同维权等方面的书籍，深受农民工的欢迎。⑦

另外，公共图书馆已经不是古代的藏书楼，所拥有的早已不仅仅是书刊等纸质文献，服务内容也早已不局限于书刊的借借还还。在公共图书馆，农民工除了能借阅到丰富的图书杂志，还可到电子阅览室享受计算机网络的多项功能，甚至还能到读者健身房一试身手。随着党和政府对农民工群体的关注，越来越多的图书馆也把目光投向了农民工群体，为他们提供针对性较强的读者服务，如开放农民工阅览室，举办普法讲座、卫生保健讲座，开展科学养殖、美发美容、电器维修等培训班，定期在宣传橱窗张贴就业信息等。

由于农民工劳动时间相对较长，没有固定的休息日，图书馆的开放时间也成为对其提供服务的制约因素。目前我国大型公共图书馆大部分已经实现无午休和无节假日开放，如笔者所在的安徽省图书馆，已实现365天连续开放，无午休，书刊借阅室每天下午比规定的下班时间延长半个到一个小时，电子阅览室甚至开放到晚上9：30，在很大程度上为群众提供了便利。对于农民工，也完全可以在工作之余，或因天气恶劣、无工可做等原因而赋闲的时间利用图书馆。

当然，公共图书馆为农民工提供文化教育及休闲服务，还受到很多因素的制约。如因宣传不力而导致的图书馆意识不强，大部分农民工不知道图书馆的功能，而把它与书店混为一谈；图书馆的服务形式不够主动，大部分情况下是等客上门的被动服务，而不能用流动书车等形式送书上门，也不太注重宣传针对农民工朋友所开展的服务内容等。但随着中央及各地方政府对农民工工作及生活环境的逐渐重视，公共图书馆也必须把对农民工的读者服务提上日程，当作一项重要业务内容来落实，以便农民工真正溶入城市、更好地为推动城镇化进程、推动经济和社会发展做出贡献。

①⑤王翀．谁来关注他们的精神生活．就业与保障，2005（5）。

②③戚杰，魏建华．促进社会融合——公共图书馆的本质职能．江西图书馆学刊，2003（3）。

④刘曼抒．农民工素质全方位提高的重要意义及对策思考．社会科学战线，2005（4）。

⑥倪传明，祝东红．把农民工纳入到主流文化视野之中——论公共图书馆如何为农民工提供文化服务．图书情报知识，2005（1）。

⑦王若慧．社区图书馆如何为农民工服务．图书馆建设，2005（4）。

孤岛控制 篇5

随着我国经济的发展,能源短缺与环境污染两大难题日益突出,发展清洁能源、保障能源安全是解决这两大难题最有效的途径[1,2]。然而太阳能、风能等清洁能源无法集中利用,为了更有效地利用这些清洁能源,微电网应运而生。微电网是将分布式电源、负荷和储能装置、变流器等有机整合在一起的小型发配电系统[3,4,5],依据供给电能的类型,微电网可分为直流微电网、交流微电网和交直流混合微电网[6,7,8,9,10]。由于大电网与绝大多数负载都属于交流系统,所以交流微电网得到了较快的发展。然而直流微电网系统结构简单、能量转换少、供电质量高,相比交流微电网更有优势[11,12,13],因此在如海岛、偏远的山区等地方因无法与大电网并网,直流微电网的运行更有效。本文选择以孤岛模式下的光储直流微电网为研究对象,并着重研究其控制策略。

目前直流微电网主要采用电压分层控制策略来控制其直流母线电压。文献[14]采用了分级控制,能够分层实现微电网的控制;文献[15]采用直流母线信号控制策略,通过采用直流母线信号实现微电网的最优控制;文献[16]采用自适应调节下垂系数,能够提高电池的运行效率。然而上述控制策略都没有考虑到因母线电压波动而导致控制策略频繁切换的情况。为解决母线电压波动对分层控制的影响,文献[17]在储能系统的充电模式和放电模式之间增加了空闲模式;文献[18]采取电压滞环控制。但是无论是增加空闲模式还是采取电压滞环控制都会造成控制延时而导致控制策略误切换的发生。

通过上述文献可知,直流微电网分层控制的主要思路为:电压是判定系统功率是否平衡的重要指标,通过检测电压是否恒定可以判定系统功率是否平衡,以直流母线电压的幅值为判定基准,将微电网的控制策略设置为不同工作模式[19]。然而分层控制以电压为判定基准就会不可避免地受到母线电压的影响,而直流微电网在正常运行时母线电压并非绝对的直流而是小范围内波动的,而且微电网不同模式切换时也会对母线电压造成一定的冲击,这些母线电压波动可能会导致微电网不同工作模式间的频繁切换,若通过增加蓄电池空闲模式或采取电压滞环控制等策略来解决这种状况,又会造成微电网控制的延时等一些新的问题。

为了解决电压分层控制问题,本文创新地提出了变功率控制方法。此方法以功率为判定基准,以铅酸电池的CIEMAT模型[20]为基础,利用微电网当前各个分布式单元输入输出功率,控制微电网工作于不同的控制策略。并根据光伏电池输出功率与负荷所消耗的功率差,控制蓄电池充放电功率的方向与大小,使微电网内功率能够保持平衡,进而使直流母线电压能够保持稳定。仿真结果验证了本文所提变功率控制方法的正确性,且其控制性能优于常用的电压分层控制方法。

1 常用的分层控制及其存在的问题

分层控制是当前直流微电网的控制策略中研究最广泛的控制策略。分层控制是将母线电压分为若干等级,然后根据母线电压的等级将微电网分为若干工作模式,通过各工作模式的切换使母线电压保持稳定。

孤岛模式下光储微电网某种分层控制策略见表1。表中,MPPT表示最大功率点跟踪。由表可知,分层控制将直流微电网的母线电压用4个阈值分为5个工作区域。在理想条件下,该分层控制能够很好地实现功率的平衡和电压的稳定。但实际上,直流微电网的母线电压并非严格的直流恒定值,电压会在小范围内波动且波动的频率较高,这将会导致微电网工作模式之间的误切换。产生电压波动的因素有微源、变流器、控制装置和负载等多种。

下面以光伏的Boost变换器为例来说明变流器对电压的影响。

Boost变换器的拓扑结构如图1所示。

在Boost变换器中,各电流与电压变化曲线如图2所示。由图可见,在Boost变换器中无论是电流ie还是输出电压uo,都是波动的而非绝对直流。

如果不考虑其他因素,Boost变换器中电容C与输出电压uo的关系如图3所示。图中,C1>C2。

由图3可见,当电容C较大时,输出电压uo的波动较小,但此时Boost变换器稳定输出的延迟时间较长,而电网对各个变换器的瞬时性有较高的要求,即电容C不可能太大,因此输出电压uo的波动范围不可能很小或消失。

按表1所述的分层控制策略进行控制仿真,其直流母线电压的变化曲线如图4所示。

由上面分析可知,直流微电网中的母线电压波动是无法消除的。分层控制以电压大小作为微电网工作模式切换的依据,母线电压在给定值附近上下高频波动,这将会使微电网在2种工作模式间高频切换,这种高频切换既会导致微电网内部大量能量的耗散,也会损害各个器件的寿命。由图4可见,母线电压会在52 V、54 V、56 V和58 V附近频繁波动,这些波动会使微电网的工作模式之间产生非正常的切换,相对于其他电压阈值,母线电压以52 V为中值上下波动时,将会导致某些负载频繁通断;而母线电压在54 V附近上下波动时,将会导致蓄电池反复进行充放电工作,这种情况可能会导致负载或蓄电池的损坏。由图4中的子图(a)、(b)、(d)可见,这些非正常的工作模式之间的切换会对母线电压正常变化产生一定的冲击。

增加蓄电池空闲模式或采取电压滞环控制等策略可以解决这些问题,但是无论是蓄电池空闲模式还是电压滞环控制都会造成微电网正常工作模式间切换的延迟,这些延迟可能会造成图4中子图(e)所示的后果,即当微电网由模式1需要切换到模式2时,由于微电网动作的延迟,微电网由模式1经模式2直接切换到模式3,由于微电网需要在模式2正常运行而非模式3,所以微电网需要再由模式3切换到模式2,导致微电网在模式2与3之间波动切换,最终稳定在模式2。

此外,直流微电网内光伏电池输出的功率随外界条件的变化而变化,如24 h内光照强度从最弱到最强,然后再逐渐变成最弱,在理想条件下,光伏电池输出的电能也从最少到最多再逐渐减到最少,在这段时间内微电网的工作模式有可能从模式5逐渐切换到模式1,然后再逐渐切换到模式5。即在理想条件下24 h内微电网的工作模式需要切换8次,光伏电池的控制策略需要变换2次,蓄电池的控制策略需要变换6次。如果天气或者负载发生变化,这个时间间隔还要减少。微电网的工作模式或者说各个分布式单元的正常切换也会对微电网造成一定的冲击,如图4中子图(c)所示,而对分层控制而言,切换的次数太多也是其另一个不足之处。

2 本文提出的变功率控制方法

2.1 变功率控制系统的拓扑结构

针对上述电压的分层控制缺点,本文提出了直流微电网的变功率控制,为便于分析,本文采用孤岛式光储直流微电网,其拓扑结构图如图5所示,本系统由直流母线、光伏电池、储能装置、负荷、变流器和控制系统组成。

图中,IPV为光伏电池输出电流;UPV为光伏电池输出电压;Ubus为直流母线电压;PPV为光伏电池输出功率;Pbattery为蓄电池输出功率;Pload为负荷功率;αM为MPPT控制模块输出的Boost电路的占空比;αB为恒压控制模块输出的Boost电路的占空比;α为光伏系统Boost电路实际占空比,当光伏系统采用MPPT控制时α=αM,当光伏系统采用恒压控制时α=αB。光伏电池输出低压直流电能,Boost变换器将光伏电池输出的电能转换为高压直流电能,并输出到直流母线上;蓄电池用于平抑光伏输出电能的波动,其充、放电状态与直流母线之间的功率流向为双向,通过双向DC/DC变换器与直流母线连接;微电网中负荷包括直流负荷与交流负荷2种,直流负荷通过DC/DC变换器与直流母线相连,交流负荷通过DC/AC变换器与直流母线相连;控制系统包括光伏电池的控制策略、蓄电池的控制策略和负荷的控制策略,本文重点研究了光伏电池和蓄电池的控制策略以及上述3种控制策略的配合。

2.2 变功率控制时微电网的4种工作模式

在图5所示的孤岛式光储直流微电网中,各分布式单元的控制策略主要包括光伏发电系统的控制策略、储能系统的控制策略、负载逐渐切除策略。直流微电网的工作模式是由上述3种控制策略之间相互配合构成,具体配合方式见表2。表中,ΔP′=PPVmaxPload,PPVmax为光伏电池采用MPPT控制时输出的功率;Pmaxbattery_c、Pmaxbattery_d分别为蓄电池的极限充电功率和极限放电功率。

从表2可知,直流微电网的变功率控制是以功率为基准将微电网分为4种工作模式。

模式1:ΔP′>Pmaxbattery_c,说明光伏电池最大发电功率除了负载消耗一部分,剩余的功率仍然超过蓄电池的极限功率。为了防止微电网内功率出现冗余,光伏电池采取恒压控制,使PPV-Pload=Pmaxbattery_c。

模式2:0≤ΔP′≤Pmaxbattery_c,说明光伏发电功率大于负载消耗功率,且剩余的功率在蓄电池的极限功率内。此时光伏采取MPPT控制,并需要根据ΔP′改变蓄电池的充电功率,使PPV-Pload=Pbattery_c。

模式3:0<-ΔP′≤Pmaxbattery_d,说明光伏发电功率无法满足负载的消耗,需要蓄电池放电,且蓄电池需要放出的功率不超过其极限。为了维持功率的平衡需要根据ΔP′改变蓄电池放电功率,使Pload-PPV=Pbattery_d。

模式4:-ΔP′>Pmaxbattery_d,说明光伏电池发电功率严重不足,蓄电池需要放出的电能超过其极限放电功率。为了防止微电网内部出现严重功率缺额,需要根据负荷等级不同逐渐切除一部分负荷,使Pload-PPV=Pmaxbattery_d。

2.3 3种分布式单元的控制策略

2.3.1 光伏电池的控制策略

光伏电池的控制原理如图5所示。由图可见,光伏电池分别工作于2种控制策略,即MPPT控制或恒压控制。

当光伏电池输出功率较少或蓄电池充电功率没有达到极限时,光伏电池采用MPPT控制输出其最大功率;而当光伏电池输出功率过多或蓄电池的充电功率达到极限时,需要减少光伏电池的输出功率,此时光伏电池采用恒压控制[19]。

2.3.2 蓄电池的控制策略

在直流微电网中蓄电池的控制是整个微电网协调控制的重心,因此本文重点研究了蓄电池充放电的控制方法。本文蓄电池采用CIEMAT模型[20],见图6。图中,n为串联单体数量,Ubattery为蓄电池电压,Ibattery为蓄电池电流,Ebattery为电动势,R为蓄电池内阻。

在上述蓄电池的CIEMAT模型中,蓄电池充电功率为:

蓄电池放电功率为:

其中,ΔT=T-25℃,T为环境温度;SSOC为荷电状态(也称剩余电量),它为电池的剩余电量与其容量的比值,其取值为0~1;Ibattery为蓄电池电流,当蓄电池充电时Ibattery>0,当蓄电池放电时Ibattery<0;C10为蓄电池10 h率容量,单位为A·h。

然而若要蓄电池安全高效地工作,就必须对蓄电池的充放电电流进行限制,设蓄电池的最大充电电流为Imaxbattery_c,最大放电电流为Imaxbattery_d。

由式(1)、(2)可知,蓄电池的极限充电功率为:

蓄电池的极限放电功率为:

如果直流微电网采用如表1所示的分层控制,当系统进入模式2或模式5时,如果蓄电池采用恒流充放电,由式(1)、(2)可知,当SSOC、T不变时蓄电池充放电功率恒定,即微电网在模式2或模式5内无论母线电压及系统功率如何变化,蓄电池的充放电功率都保持恒定,即蓄电池充电功率不能随着母线电压的升高及系统内剩余功率的增多而增多,这就导致蓄电池对微电网功率的调节功能显得比较生硬不够灵活。

本文的蓄电池采取变功率控制,其中蓄电池的充放电功率是由光伏发电功率与负荷功率所决定,并由母线电压的额定变化值作为补充,并且根据蓄电池充放电功率的大小决定蓄电池的工作状态。即:如果Pbattery_c<Pmaxbattery_c(Pbattery_d<Pmaxbattery_d),则说明蓄电池的充放电功率没有达到极限,此时蓄电池工作于非极限充(放)电状态;如果Pbattery_c≥Pmaxbattery_c(Pbattery_d≥Pmaxbattery_d),则说明蓄电池的充放电功率达到了极限,此时蓄电池工作于极限充(放)电状态,而且通过调节蓄电池与微电网系统的各个参数使Pbattery_c=Pmaxbattery_c(Pbattery_d=Pmaxbattery_d)。

根据上述分析,本文所采取的蓄电池控制原理如图7所示。由图可见,蓄电池主要采用非极限变功率控制和极限变功率控制2种控制模式。

(1)非极限变功率控制。

非极限变功率控制的控制算法框图如图8所示。图中,αc为蓄电池充电时双向DC/DC电路中Buck电路的占空比;αd为蓄电池放电时双向DC/DC电路中Boost电路的占空比。非极限变功率控制的原理为:通过公式计算蓄电池充放电功率的给定值,然后使蓄电池工作在给定值附近以调节微电网功率的平衡。

当PPV>Pload时,蓄电池工作于充电状态且Pref_battery_c=PPV-Pload。此时如果母线电压升高,则说明微电网内功率因计算、测量有误差而导致微电网内还有冗余功率,此时应该增加蓄电池充电功率,即为:

其中,ΔUbus为母线额定电压变化量;k为母线电压转换为冗余功率的系数。

当PPV<Pload时,蓄电池工作于放电状态且Pref_battery_d=Pload-PPV。此时如果母线电压升高说明微电网内有冗余功率,此时应该减少蓄电池放电功率,即为:

(2)极限变功率控制。

从式(5)、(6)可知,蓄电池的充放电极限功率随着SSOC、T的变化而变化,蓄电池极限功率控制主要是通过SSOC、T和蓄电池最大允许充放电电流Imaxbattery计算其极限功率,再加上因误差而导致的电压变化的修正,控制蓄电池充放电功率,使蓄电池始终安全稳定地工作于极限功率下。其控制算法框图如图9所示。

2.3.3 负荷的控制策略

由于蓄电池的放电功率具有极限值,如果光储微电网中光伏输出功率与蓄电池极限放电功率之和依旧小于微电网系统的负荷功率,即PPV+Pmaxbattery_d<Pload,此时微电网的发电功率无法满足负荷的消耗,所以此时微电网中的功率将无法达到平衡,这将导致整个微电网系统处于不稳定状态。

因此当微电网总的极限输出功率小于负荷功率时,需要采取如图5所示的控制策略,通过断路器逐渐切除负荷使得PPV+Pmaxbattery_d=Pload,进而保证微电网功率的平衡。

3 仿真验证

为了验证上述控制策略的有效性和可行性,本文在MATLAB/Simulink中搭建了直流微电网变功率控制的模型并进行了一系列仿真。

3.1 直流微电网的稳定性仿真

图10为当光伏电池的输出功率具有较大波动时直流微电网的母线电压和冗余功率(Pex=PPV-PloadPbattery)的变化曲线。图中,当t=5 s时光伏电池的输出功率由70 W突变为175 W。

图11为当负荷有较大波动时,直流微电网的母线电压和冗余功率的变化曲线。图中,当t=5 s时直流微电网的负荷功率由120 W突变为200 W。

由图10、图11可以看出,无论是光伏电池输出功率的突变还是直流微电网负荷的突变,在突变后,直流微电网的母线电压都稳定在额定值附近,这说明直流微电网系统的母线电压能保持稳定;而且在突变后直流微电网的冗余功率都约等于零,这说明直流微电网系统的功率能保持平衡。

由此可知,光伏功率和负荷突变时微电网能够保持稳定。

3.2 冗余功率系数k对微电网影响仿真

图7—9及式(5)、(6)中的微电网冗余功率系数k的正确取值对微电网母线电压偏离额定值的大小以及微电网稳定性都有重要的影响。

图12为冗余功率系数k不同时直流母线电压的变化曲线(图中k′=Pload/(0.01Ubus))。图中,在t=5 s时光伏电池输出功率突然增大,蓄电池由变功率放电模式变为变功率充电模式。

由图12可见,在微电网工作模式发生变化时,只有当k≈k′时,微电网直流母线电压才稳定在额定值附近,此时微电网母线电压的偏离较小,微电网具有较好的稳定性;而无论当k≪k′时还是当k≫k′时,微电网母线电压都有一段偏离其额定值比较大的区域,且当k≫k′时(即k过大时)微电网系统的稳定性较差。因此,只有当k≈k′时,微电网工作的稳定性及微电网运行效果才比较好。

3.3 1 d内直流微电网各参数的变化趋势仿真

为了更鲜明且更简便地说明变功率控制的优点,本文根据1 d内太阳的变化在20 s内模拟了1 d内光照强度S的变化趋势,其变化曲线如图13所示。在仅光照强度变化时光伏电池输出功率的变化情况如图14所示。

图14中,当t=6~10.9 s时,系统处于模式1状态,此时光伏电池工作于恒压控制模式下,而其他时间则工作于MPPT模式下。

当微电网负荷都是较大功率负荷时,如果微电网工作在模式4,此时需要切除负荷,由于负荷都较大,切除一部分负荷时微电网负荷功率会突然减小,这就使得微电网蓄电池放电功率减小,微电网退出工作模式4,而重新进入工作模式3。微电网内部光伏负荷功率差(ΔP′=PPV-Pload)、蓄电池输出功率及负荷功率变化曲线如图15所示。

由图15可得如下结论:

(1)当t=0~2.4 s时,ΔP′<0,光伏电池输出功率不能满足负荷的消耗,此时Pbattery>0,蓄电池工作在非极限变功率放电模式,系统工作在模式3;

(2)当t=2.4~6 s时,ΔP′>0,光伏电池输出功率大于负荷的消耗功率,此时Ibattery<0,蓄电池工作在非极限变功率充电模式,系统工作在模式2;

(3)当t=6~10.9 s时,由于蓄电池充电功率达到极限,此时蓄电池工作在极限变功率充电模式,光伏电池工作于变压控制模式,且由于此时微电网负荷不变,此时光伏输出功率不变,系统工作在模式1;

(4)当t=10.9~14 s时,由于光伏输出功率的减小,蓄电池的充电功率减小,使得蓄电池退出极限变功率充电模式,此时蓄电池工作在非极限变功率充电模式,系统工作在模式2;

(5)当t=14~16.8 s时,ΔP′<0,光伏电池输出功率不能满足负荷的消耗,此时Pbattery>0,蓄电池工作在非极限变功率放电模式,系统工作在模式3;

(6)当t=16.8~17 s时,蓄电池充电功率达到极限,蓄电池工作在极限变功率放电模式,此时微电网切除一部分负荷,使负荷功率Pload减小,由于负荷功率的减小,蓄电池放电功率减小,使得蓄电池退出极限变功率放电模式,工作在非极限变功率放电模式,系统工作在模式4;

(7)当t=17~18 s时,随着光伏输出功率的减小,蓄电池放电功率逐渐增加,系统工作在模式3;

(8)当t=18~20 s时,蓄电池放电功率达到极限,由于光强的恒定光伏输出功率不变,此时不需要切除负荷,所以负荷不变,系统工作在模式4。

当微电网具有较小负荷时,如果微电网蓄电池放电功率达到极限,微电网工作于模式4,此时需要切除负荷时,可以逐渐切除小功率负荷,使蓄电池放电功率始终维持在极限值附近,这样就使得微电网始终工作于模式4。微电网蓄电池充放电功率曲线和负荷曲线如图16所示。

3.4 变功率控制的优势

以大功率负荷为例,当光照强度按照如图13所示的曲线变化时,图17为直流微电网在采用2种不同控制控制策略时蓄电池输出功率变化曲线。图中,Pbattery<0表示充电;Pbattery>0表示放电。由图可见,微电网在采用变功率控制时蓄电池的输出功率曲线明显优于采用分层控制时蓄电池的输出功率曲线。其主要原因在于:在同样条件下,分层控制时蓄电池工作模式切换的次数明显多于变功率控制时蓄电池工作模式的切换次数,而蓄电池工作模式每切换一次都会对蓄电池正常工作产生一定影响。

图18为直流微电网在采用2种不同控制策略时母线电压变化曲线,其中母线电压的变化代表了直流微电网母线电压的稳定性。

图19为直流微电网在采用2种不同控制策略时冗余功率变化曲线,其中冗余功率的大小代表了直流微电网功率的平衡性。

由图17—19可知,当直流微电网分别采取变功率控制和分层控制时,蓄电池的切换次数N、母线电压波动的大小ΔUbus=Ubusmax-Ubusmin、冗余功率波动的大小ΔPex=Pexmax-Pexmin如表3所示。

由表3可知,无论是蓄电池充放电的次数、母线电压波动的大小还是微电网冗余功率波动的大小,变功率控制都明显小于分层控制,即蓄电池使用寿命、微电网母线电压的稳定性、微电网功率的平衡性,变功率控制都明显优越于分层控制。

4 结论

本文通过分析直流微电网中以电压为基准将控制策略分为不同模式的分层控制策略的不足之处,创新地提出了以功率为基准将控制策略分为不同模式的变功率控制策略以实现微电网内功率的平衡和电压的稳定。最后通过仿真验证了本文所提的变功率控制方法明显优于常用的分层控制方法,并可得出以下结论:

(1)蓄电池采用变功率充放电控制,能够实现微电网内部功率的平衡;

(2)将直流微电网母线电压差加入到蓄电池充放电的给定值计算公式中,能够消除因计算误差或测量误差导致微电网内功率的不平衡;

孤岛控制 篇6

1 工程地质概况

王庄煤矿43 盘区残留煤柱位于3#煤层,赋存于下二叠系山西组地层中下部,为陆相湖泊型沉积,含夹矸5 层,累计厚度0. 38 m。残留煤柱平均厚度为6. 8 m,较稳定; 煤层倾角2° ~ 10°,平均倾角4°; 煤层埋深189 ~ 221 m,平均埋深200 m; 宽100 m,可采长度257 m。直接顶( 厚4. 11 m) 为砂质泥岩,属于中硬岩石; 基本顶( 厚16. 39 m) 为中砂岩,属于坚硬岩石; 直接底( 厚1. 43 m) 为中砂岩,属于坚硬岩石; 基本底( 厚5. 13 m) 为砂质泥岩,属于中硬岩石。残留煤柱东面是4320 采空区,南面是4328 采空区,西面是4322、4324 和4326 采空区,北面接43 二下山,上下均无开挖空间。回采巷道采用6 m宽窄煤柱沿空掘巷,断面为5. 0 m × 3. 2 m,沿煤层底板掘进。

2 围岩变形破坏特征及破坏机理

在巷道掘进期间距离掘进头5 m底板无浮煤区域设置表面位移和顶板离层观测站,每隔30 m布置1 个测站,在巷道顶板、底板、煤柱帮和实煤帮分别布置1 个测点,采用十字交叉法监测巷道表面位移。巷道围岩表面位移主要发生在掘巷后10 d以内,如图1 所示。

由图1 可见,巷道围岩变形以底鼓和顶板下沉为主,实煤帮累计变形量最小。累计底鼓量为343 mm,累计顶板下沉量为278 mm,实体煤帮累计变形量为151 mm,窄煤柱帮累计变形量为197 mm。窄煤柱帮和底板变形超前于顶板和实煤帮变形,但持续时间较短。10 d后,巷道围岩基本稳定,只有底板变形较明显。

顶板离层主要发生在掘巷后10 d以内,如图2所示。深部围岩( 2 ~ 6 m) 掘巷后第1 天发生急速离层现象,离层量达20 mm,之后增加较缓慢。浅部围岩( 0 ~ 2 m) 离层呈斜直线递增至28 mm,之后较长时间内离层量缓慢增加到33 mm。10 d后,顶板离层量增加极小,认为顶板已经稳定。

此类巷道变形破坏特征主要为掘巷后顶板深部围岩早期急速离层,浅部围岩离层量呈线性增加,底鼓和顶板下沉量较大,两帮变形量呈现明显的非对称特征,煤柱帮变形量大于实煤帮变形量,变形速率峰值出现在掘巷后2 ~5 d,10 d后巷道围岩基本稳定。

3 围岩控制技术

1) 选择稳定锚固区。煤层含夹矸层较多,巷道上方含有0. 25 m厚的夹矸,容易出现早期离层,导致顶板失去完整性,其自承能力显著降低。直接顶砂质泥岩厚4. 11 m,基本顶中粒砂岩厚16. 39 m,可为锚索支护提供稳定的锚固区,使锚索、锚固剂、围岩三者在锚固段形成整体效应,增加锚索可靠性。考虑底鼓是窄煤柱沿空掘巷期间最强烈的矿压显现特征,直接底中砂岩厚1. 43 m,巷道沿煤层底板掘进有利于控制动压底鼓。基本底为砂质泥岩,含泥较多,力学性能较差,锚杆支护时应考虑底角锚杆的角度,以防止锚固段位于软弱泥岩当中。

2) 预防早期离层。针对顶板离层特点,及时进行顶板锚索支护并施加预紧力,以防止顶板围岩深部发生急速较大离层,带动浅部围岩变形破坏,避免锚杆支护时缺少顶板围岩稳定锚固区。锚杆锚固区内围岩离层早期呈斜直线增加,之后基本不变,锚固区以外围岩离层具有周期短、离层量突变的特点。因此,巷道掘进后,首先通过锚索将围岩锚固在深部较稳定岩层中,防止顶板较深部围岩发生快速离层;其次通过锚杆支护,将浅部围岩锚固在一起形成围岩锚固体,防止浅部围岩离层量过大而失去围岩锚固体的整体承载能力。

3) 提高围岩自承能力。采取相应的措施来减小掘进期间巷道围岩变形量,保证围岩锚固体的稳定性。一方面,巷道掘进后要及时对帮和顶进行锚杆支护和施加锚杆预紧力,防止围岩早期变形量过大导致围岩松动破碎,无法形成围岩锚固体; 另一方面,围岩本身经历过邻近工作面采动影响,大部分进入塑性状态,应进行注浆加固,提高围岩自身完整性和承载能力。另外,煤柱帮变形量大于实煤帮变形量,掘进后要用短锚索进行局部加强支护,提高煤柱稳定性。

4) 控制方案: 根据以上分析,提出“注浆+ 锚网索+ 局部加强支护”的控制技术,断面控制见图3。

顶板、煤柱帮和实煤帮均采用Φ20 mm×2 400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆,间排距均为700 mm×800 mm。顶板采用2根Φ18.9 mm×8 300mm的七箍钢绞线锚索加强支护,间排距为2 000mm×1 600 mm。煤柱帮采用2根Φ18.9 mm×4 300mm的七箍钢绞线锚索加强支护,间排距为1 200mm×1 600 mm。考虑注浆扩散半径,以及夹矸层位,顶板选用3个4 000 mm深的注浆孔,间排距为1 500mm×3 200 mm。两帮各选用2个2 000 mm深的注浆孔,间排距为1 200 mm×3 200 mm。经现场实践确定注浆压力为2 MPa,最大注浆压力不超过4MPa。选择超聚砼作为注浆材料,其除具有一般注浆加固材料的特点外,还具有固化速度快、早期强度高、反应温度低、浆液流动性好、渗透性强、固化时间和抗压强度可调等特点,比较适合控制该类工程条件下围岩的早期破碎变形。

4 现场应用效果

掘进期间,巷道围岩变形速率如图4 所示,可以看出,巷道围岩累计变形量显著减小,顶板累计下沉量由原来的278 mm减小到186 mm,减小了33. 09% ; 煤柱帮变形量由原来的197 mm减小到134 mm,减小了31. 98% ; 实煤帮变形量由原来的151 mm减小到123 mm,减小了18. 54% ; 底鼓量由原来的343 mm减小到286 mm,减小了16. 62% 。顶板、实煤帮、煤柱帮和底板最大变形速率分别降低了42. 86% 、55. 22% 、44. 44% 和11. 36% 。

顶板离层控制效果显著,如图5 所示。顶板深部围岩( 2 ~ 6 m) 早期急速离层量为0。8 d内浅部( 0 ~ 2 m) 首先离层,离层量呈线性增加到21 mm。8 d以后,深部围岩( 2 ~ 6 m) 开始出现离层,离层量逐渐增加到13 mm。

对注浆效果的考察结果显示,顶板注浆前环形裂隙较发育,夹杂着纵向裂隙,通过顶板注浆后裂隙间充满注浆体,围岩较完整。

顶板采用“注浆+ 锚杆+ 长锚索加强支护”的联合控制方式,深部围岩早期急速离层量变为0,顶板下沉量减小了33. 09% 。煤柱帮采用“注浆+ 锚杆+ 短锚索加强支护”的联合控制方式,煤柱帮变形量减小了31. 98% 。实煤帮采用“注浆+ 锚杆”的控制方式,实煤帮变形量减小了18. 54% ,两帮非对称变形现象减弱。底板没有采取控制措施,所以底鼓量仍然较大。

5 结语

1) 王庄煤矿孤岛工作面窄煤柱沿空掘巷具有顶板深部围岩( 2 ~6 m) 容易出现早期急速离层、浅部围岩( 0 ~2 m) 缓慢离层、底鼓和顶板下沉量大、两帮变形不对称的特征,变形主要集中在掘巷后10 d内。

2) 基于围岩变形破坏特征,针对性提出“选择稳定锚固区,预防早期离层,提高围岩自承能力”的围岩控制思路,采用了“注浆+ 锚网索+ 局部加强支护”的控制技术,围岩物理力学参数得到改善,其完整性和自承能力得以提高,可有效控制围岩早期急速离层,减小围岩累计变形量,抑制两帮非对称变形,提高巷道整体稳定性。

摘要：针对王庄煤矿孤岛工作面窄煤柱沿空掘巷围岩变形破坏严重的问题,采用现场地质调研、矿山压力监测的方法,分析了此类条件下围岩变形破坏特征,发现顶板和煤柱帮是围岩控制的关键,针对性地提出“注浆+锚网索+局部加强支护”的控制技术。现场工业性试验表明,该技术可有效抑制顶板深部围岩早期急速离层,弱化两帮非对称变形,减小围岩累计变形量,能够改善围岩力学性质,提高围岩自承载能力。

孤岛控制 篇7

随着我国经济的快速发展,电力需求快速增长,电网规模不断扩大,构建大电网建设成本高、运行难度大,并且存在许多瓶颈问题。分布式发电(Distributed Generation,DG)具有传统电力系统不具备的优点,如可靠性高、清洁和能效高。同时,分布式电源位置灵活和分散的特点,延缓了输配电网升级改造所需的高额投入,可通过和大电网的相互备用进一步提高供电可靠性[1]。目前,分布式电源单机接入成本高,控制困难。一旦电力系统发生故障,分布式电源必须迅速退出电网运行,这也限制了分布式电源的应用优势。采用微电网(microgrid)方案可以有效减少分布式电源的不利影响,发挥其积极作用。

微电网是由一系列分布式发电系统、储能系统和负荷组成的微型电力网,根据需要可选择与配电网并网运行也可选择独立运行[2]。相对传统的输配电网,微电网的结构比较灵活。正常工作模式下,微电网与公共系统并联运行,可以通过合理的控制使得微电网相当于配电网的一个恒定负荷;当公共系统出现故障或者电能质量达不到要求时,微电网可以通过隔离装置与外部电网隔离而孤立运行。故障清除后,微电网需平滑与外部电网重新同步,实现正常并网运行。

1 微电网快速孤岛检测技术

分布式发电的并网运行带来了一些新的问题,其中最为严重的就是孤岛现象。孤岛现象是指当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时,系统未及时检测出孤岛状态,分布式电源仍然向周围的负载供电,此时将形成一个公共电网无法控制的自给供电网络。该子系统虽然与电网隔离,却有电能的产生、传输和消耗,但脱离了电力部门的管理,称之为“孤岛”从用电安全和用电质量考虑,孤岛的出现将带来不可预料的危险,因此电力部门要求出现孤岛时,分布式发电系统应在2s内切离电网[3]。为了能够快速检测出孤岛效应,国内外许多专家学者提出了多种检测方法[4],大体可分为两类:被动式孤岛检测和主动式孤岛检测。被动式检测法有过/欠电压、频率检测法、电压谐波检测法等;其原理如图1所示,如果满足孤岛检测条件,判定系统进入孤岛运行状态。主动式检测法有自动频率漂移法,滑差式频率位移法,无功补偿检测法,电压不平衡电流总谐波失真检测法等等。主动式检测法输出谐波较大或控制算法过于复杂在实际应用中难以实现。本文采用被动式检测方法,其检测过程由微电网并离网控制器完成。实现在检测微电网所连配电网线路断电后,微电网需要快速判断出孤网状态并快速跳开微电网进线断路器。实验结果证明了本方法的有效性。

图1中,U1和U2为微电网母线I母和II母的相间电压(目前微电网系统仅有I母,根据微电网发展情况可扩充Ⅱ母)。电压谐波含量取2次或3次,当母线相电压大于0.5倍相电压额定值时,才进线电压谐波检测。正序分量反方向元件灵敏角取210°,动作区为120°,若当前正序电压小于10 V,采用记忆电压,取2周前的正序电压值;若当前正序电压大于10 V,则用当前正序电压计算正序反方向电压。方向元件的电压门槛取2 V,电流门槛取正序分量电流定值。

2 微电网并离网运行切换控制技术

微电网与主网连接时的运行称为并网运行,与主网跳开后独立运行称为孤岛运行或离网运行。孤岛运行将给用电的安全带来不可预料的危险。禁止孤岛运行,的确消除了分布式发电带来的一些问题,但是人们也渐渐意识到,如果能允许孤岛运行,那么本地重要负荷将可以得到不间断的供电,分布式发电也能发挥更大的优势。因此需要高效的微电网并离网运行切换控制方法来实现微电网在离网瞬间的发电出力和负荷用电保持平衡,保证了微电网运行的可靠性、稳定性[5,6]。

图2给出了2011年西安世界园艺博览会(西安世园会)电动汽车充电站微电网系统的连线图,图中微电网系统正常情况为并网运行方式,当外部断电,站内母线失压,微电网迅速隔离,进入离网运行,并通过微电网系统管理后台控制负荷投切,调节风机、光伏逆变器输出,达到系统平衡,外部进线电源恢复后,系统转并网运行,恢复全站负荷。微电网系统并网运行方式下,光伏逆变器、风机逆变器调节至最大出力,储能系统处于充电状态,母联开关断开,处于热备用状态。当站内负荷小于微电网系统发电容量时,光伏及风力多余电量反送至电网,当站内负荷大于微电网系统发电容量,从主电网取电。站内重要负荷(保电中心服务器、微网服务器及控制设备电源、智能电网展示)接微电网380 V母线,开关10QF处于断开状态。

2.1 并网转离网运行方式控制

当主电网断电后,并网转离网运行方式如图3所示,储能双向逆变器控制系统(PCS)控制储能装置放电,保证图3中重要负荷的供电,同时微电网并离网控制器孤岛检测动作,断开微电网进线断路器(K1),微电网负荷控制器动作,断开PCS并网断路器(K5),调节光伏出力为0,切除风力和光伏发电系统。如果重要负荷较大和充电站照明负荷总和大于储能30 kW功率,则在离网时同时切除充电站照明负荷(K9)。微电网能量管理系统闭合PCS离网断路器(K10),实现向母线闭合充电,恢复光伏发电系统,调节光伏和储能输出功率,在微电网负荷平衡的前提下,增大光伏出力,使储能出力小于10 kw。

2.2 离网转并网运行方式控制

当并离网控制器检测到主电网恢复供电后,离网转并网运行方式如图4所示,并离网控制器发出准备并网信号,微电网负荷控制器断开PCS离网断路器(K10),并离网控制器闭合进线断路器(K1),微电网能量管理系统恢复各个支路到离网前的状态,即闭合PCS并网断路器(K5),恢复被切除的负荷,恢复被切除的风机,并将光伏发电调节至最大出力。

2.3 离网转并网检同期控制

微电网在进线断路器(K1)合闸前,必须检查待合断路器两侧电压,若一侧无压则允许合闸,若两侧同时有压则需要检同期。检同期要求断路器两侧电压保证有压及两侧电压角度满足一定条件。进线一、进线二和母线无压定值为0.3倍线路额定电压,有压定值为0.7倍线路额定电压,两侧电压之间的角度差小于检同期角度定值。

逻辑图如图5,图中U1、U2分别为待合断路器两侧电压(若待合断路器为分段断路器则U1为Ⅰ母相间电压,U2为Ⅱ母相间电压;若待合断路器为进线一断路器则U1为进线一抽取电压,U2为Ⅰ母相间电压;若待合断路器为进线二断路器则U1为进线二抽取电压,U2为Ⅱ母相间电压),进线抽取电压为进线AB线电压。

同期并网过程由微电网并离网控制器完成,具有自动同期并网和手合同期并网两种方式。装置的自动同期并网是指当开关处于跳位,检测配电网侧电压恢复正常(抽取电压小于电压上限定值,大于电压上限定值),并满足检同期条件,此时系统自动延时到满足合闸条件然后合闸。自动同期并网需检测母线Ⅰ、Ⅱ电压以及进线一、进线二抽取电压。图6、图7分别为进线一和进线二自动同期并网原理图。

装置的手合同期并网区别于自动同期并网,需要手合同期并网开入,投手合同期软压板,且断路器弹簧储能完成,若弹簧未储能,则闭锁该保护。为防止手合同期并网在故障时动作,设置在断路器跳开后,手合开入消失后才能执行同期并网动作,故设1个手合记数器,强制延时10 S后,才能开放手合功能。当有弹簧未储能开入时闭锁手合同期。手合记数器清零的条件:1)手合开入存在持续10 S以上;2)没有手合充电标志时有手合开入;3)手合同期出口;4)手合同期启动返回。进线一、进线二、分段断路器手合同期并网原理图分别如图8～10所示。其中Ux为进线抽取电压,Uφ为母线三相最大或最小电压,|θux1-θuab1|<30°)表示两侧电压之间的角度差小于30°。

3 应用实例

借助2011西安世园会展示平台,搭建风光储微电网一体化系统,系统结合站内景观特点,利用充电站顶棚建设面积约为530 m2、安装太阳能光伏组件288块、发电峰值容量为50 kWp的光伏发电系统,同时在充电站边布置安装具有微风启动、轻风发电特点的2 kW小型风力机6台,形成安装容量为12 kW的小型风力发电系统,连同充电站屋顶光伏发电系统一起接入充电站供电网络。另外,配置建设30 kW/60 kW.h磷酸铁锂储能系统,还有微电网控制系统,包含了二次测控保护、通讯与数据采集在内的设备和微电网集中管理系统,实现与充电站供电网络的高效、安全运转。微电网系统可在并网运行和离网运行2种模式下运行,在并网运行情况下,微电网系统控制光伏和风力发电向站内负荷供电,如有剩余电能则向电网反送。当外部电源故障时,微电网系统切换至离网运行状态,在并离切换过程中,利用快速孤岛检测技术,通过并离网控制器实现微电网快速孤岛检测与整体隔离,实现微电网由并网到离网无缝切换,确保重要负荷不间断供电,切换时间小于5 ms。在离网运行条件下,通过微电网集中控制器协调指挥下实现微电网离网能量平衡管理功能,通过微电网控制后台与风力、光伏逆变器自身控制相结合,实现离网时的发用电在安全范围内达到快速平衡。当外部电源恢复供电,系统切换至并网运行状态。西安世园会的7个月运行情况表明该风光储微电网设备运行情况良好,微电网控制系统运行正常,达到了预期的目标。

5 结论

本文针对分布式发电中的孤岛问题,提出并实现了基于孤岛检测的微电网并离网自动切换控制技术,该技术实现微电网系统当外部电源发生故障时,微电网系统自动快速切换至离网运行状态,在并离切换过程中,利用快速孤岛检测技术,通过并离网控制器实现微电网快速孤岛检测与整体隔离,实现微电网由并网到离网无缝快速切换,确保重要负荷不间断供电,2011年西安世园会风光储微网一体化项目验证了该技术的有效性。

参考文献

[1]牛冲宣.微电网的孤岛检测与孤岛划分[D].天津.天津大学,2008.

[2]李莉,李宾皑.微电网技术的研究与应用前景[J].电力与能源,2011,32(2):124-127.

[3]周林,代璐,郭珂等.分布式并网发电系统孤岛检测方法综述]J].激光杂志,201 1,32(2):8-9.

[4]冯轲,贺明智,游小杰等.光伏并网发电系统孤岛检测技术研究[J].电气自动化,2010,32(2):39-41.

[5]鲁鸿毅,应鑫龙,何奔腾.微型电网联网和孤岛运行控制方式初探[J].电力系统保护与控制.2009 37(11).28-31.

孤岛控制 篇8

1 围岩工程环境

五阳煤矿7603切眼位于山西组中下部,埋深约550 m,长约145 m,沿3号煤层顶板掘进。7603工作面上下与7601和7605工作面相邻,7601工作面2009年2月回采完毕,7605工作面2012年7月回采完毕,7603工作面为孤岛工作面,7603切眼与上下采空区保护煤柱为30 m,其掘进过程中受7605、7601回采后未稳定采空区强烈动压影响,7603切眼断面宽8.0 m、高3.2 m。根据矿方提供地质资料可知,3号煤层赋存稳定,平均厚6.2 m,含有2层夹矸,分3个自然分层,以亮煤为主,暗煤次之,煤质为贫瘦煤。7603切眼顶底板围岩状况见表1。

2 影响围岩稳定性因素及关键技术分析

2.1 影响围岩稳定性因素

(1)围岩岩性差。3号煤层顶板依次为泥岩、细粒长石砂岩和泥岩;直接顶为泥岩,容易风化,形成“坠包”,造成顶板浅部离层;基本顶中泥岩的存在减弱了顶板围岩整体强度,成为弱面,减弱了锚杆预应力的扩散效果,影响了锚杆支护效果。

(2)埋深大,地应力高。7603工作面埋深550m,巷道埋深较大,附近地应力测试结果显示,围岩最大水平主应力11.58 MPa,加上围岩岩性差,高应力作用下,煤岩体裂隙发育,易破碎。

(3)孤岛工作面。7603工作面为孤岛工作面,受两侧未稳定采空区强烈动压影响,孤岛工作面附近出现应力高度集中,高应力影响下围岩变形量大,维护困难。

2.2 关键技术

(1)强化围岩整体性。锚杆索支护系统的关键在于使巷道浅部围岩和深部围岩成为一个整体,充分调动深部围岩的承载能力。由于弱面及“坠包”的存在,必须提高支护系统的主动作用,施加较大的预紧力,将锚杆预紧力由原来的300 N·m提高到400 N·m,锚索预紧力提高到250～300 kN,尽量保证围岩的整体性。

(2)强力支护材料。鉴于井下强烈动压巷道中锚杆锚索破断、托板变形及其围岩变形量大的现象,为保证巷道支护强度,将巷道支护材料进行更新升级,将普通335号锚杆更换成500号锚杆,锚杆破断载荷由原来的180 kN提高到255 kN,锚索采用∅22mm强力锚索,破断载荷为600 kN。

(3)高效预应力扩散型护表构件。预应力及其扩散是高预应力强力锚杆支护系统的核心[3,4],为保证预紧力的施加及有效扩散,采用高效预应力扩散型护表构件,改变以往单纯采用钢筋托梁和锚杆配套使用现状,采用钢筋托梁和W钢护板组合护表构件。W钢护板实物如图1所示。

3 大断面切眼支护方案

基于高预应力强力一次支护理论[5],依据影响围岩稳定性因素及关键技术分析结果,结合工程实践经验,确定7603切眼采用高预应力强力锚杆锚索组合支护系统。7603切眼巷断面为矩形,切眼掘进宽8.0 m、高3.4 m,正常段切眼分2次掘进成巷,一切宽度为3.5 m,二切宽度为4.5 m。

顶板和外侧帮锚杆杆体为∅22 mm左旋无纵筋螺纹钢筋,钢号为超高强热处理SMG500号,长2.4m,内侧帮锚杆杆体为∅20 mm的玻璃钢锚杆,长度2 000 mm,锚杆间排距均为900 mm,一切每排4根锚杆,二切每排5根锚杆;顶板和外侧帮采用W钢护板与钢筋托梁配合护表,钢筋托梁采用∅16 mm钢筋焊接而成,宽220 mm,锚索材料为∅22 mm、1×19股高强度低松弛预应力钢绞线,长7 300 mm,一切锚索采用“三花”布置,每2排锚杆打设3根锚索;二切每排锚杆打设2根锚索,锚索间排距为1 800 mm×900 mm。左旋无纵筋螺纹钢SMG500号锚杆预紧扭矩不小于400 N·m,禁止超过550 N·m;玻璃钢锚杆预紧扭矩不小于40 N·m,但禁止超过60N-m。锚索初始张拉要求不小于250 kN,设计左旋无纵筋螺纹钢SMG500号锚杆锚固力为190 kN。7603切眼支护如图2所示。

4 工业性试验

为了有效评价切眼控制效果,选择在7603工作面切眼进行试验。在切眼掘进100 m位置布置了一个综合矿压观测站,分别对巷道表面位移、顶板离层情况以及锚杆、锚索受力进行了监测。矿压监测结果显示,随着开挖时间逐渐延长,7603工作面切眼一切和二切的变形开始时增加的幅度较大,随着逐渐远离掘进工作面变形趋于稳定。一切顶板的最大变形量为30 mm,两帮的最大移近量为25 mm;二切顶板的最大变形量为45 mm,两帮的最大移近量为22 mm。受二切采动影响,锚杆、锚索受力变化较大,锚杆锚索受力增幅大,两帮锚杆受力平均为89 kN,顶锚杆平均为130 kN,锚索平均为264.5 kN。在支护系统中,锚索锚杆共同起到了作用,从整体上来看,锚杆、锚索充分发挥的自身作用控制了巷道较大的变形,巷道趋于稳定。全正常生产。

5 结论

(1)根据围岩工程环境,分析了围岩岩性差、地应力高及孤岛工作面对大断面巷道围岩稳定性的影响,研究了控制该类巷道变形的关键技术,主要包括:强化围岩整体性、强力支护材料和预应力扩散型护表构件。

(2)依据孤岛工作面大断面巷道围岩稳定性影响因素和关键技术研究,基于高预应力强力一次支护理论提出采用高预应力强力锚杆锚索支护系统,设计了断面切眼支护方案,确定了合理的支护参数。

(3)井下实践证明,采用高预应力强力锚杆锚索支护系统,有效控制了大埋深孤岛工作面大断面切眼围岩变形,保证了切眼的稳定,保障了矿井的安

摘要：五阳煤矿7603工作面属于孤岛工作面,受两侧回采造成的应力集中影响,7603切眼维护困难。为解决该条件下巷道围岩稳定性问题,针对7603切眼工程环境,分析了破坏围岩稳定性因素,研究了控制围岩稳定性技术难点,基于高预应力强力一次支护理论,提出大断面巷道支护方案,并应用于井下工程实践。井下工业性试验表明,支护方案能够成功控制围岩变形,保证了7603切眼正常使用。

关键词：孤岛工作面,强烈动压,大断面,高预应力

参考文献

[1]柴肇云,康天合,李义宝,等.特厚煤层大断面切眼锚索支护的作用[J].煤炭学报,2008,33(7):732-737.

[2]何杰,王中奎,李光营.复杂地质条件下大断面切眼支护技术[J].煤矿开采,2012,17(4):60-62.

[3]康红普,林健,吴拥政.全断面高预应力强力锚索支护技术及其在动压巷道中的应用[J].煤炭学报,2009,34(9):1153-1159.

[4]康红普,姜铁明,高富强.预应力在锚杆支护中的作用[J].煤炭学报,2007,32(7):673-678.

孤岛的少年 篇9

讲一个典型的成长故事吧。他来自南方的乡村或小镇，瘦弱，可能是家里唯一的男孩。父母非常勤劳，起早贪黑。父亲总是外出工作，他从小和父亲在一起的时间很少，即便在一起，父亲也是沉默寡言，极少表露情感。只有一次，他中考大胜，父亲高兴地把他抱起来转圈，他几乎被吓到。在不好好学习或偷懒不做事的时候，他也许挨打，也许不挨打，但是他一定会被送去方圆几十里内最好的学校寄宿，与家人隔绝，未成年期寄宿的时间至少6年。家人一直支持他读书，能读多高读多高，甚至出国留学。

他记得6岁时候第一次被送到一位老师家里寄宿，爸爸开着送货小车颠簸了很久，把他放到门口就转回去启动了车子。他也想上那车子回家，在爸爸的车子后面追，但是爸爸听不见他的喊叫，车子就在他眼前绝尘而去。8岁的时候，他过生日，爸妈工作很忙不能陪他，但是他们在县里的电视台给他点歌了，祝贺生日快乐。他一个人搬来小凳坐在电视机前激动地守候，当属于他的歌曲来的时候，他独享了闪烁明灭的荧光幕，和幕后所有的漆黑。

妈妈小学三年级学历，有一次妈妈让他给爸爸写一封信，他因为妈妈一个词用错，嘲笑她没文化，妈妈大怒，罚他跪了一夜，从此不敢和妈妈讲太多。

他有一个姐姐，学习成绩一般，但是性格开朗，高中毕业后在城里做销售。爸爸妈妈把教育他的责任委派给了姐姐，小时候上学走累了，姐姐把他背去学校。姐姐去年结婚了，爸爸妈妈说，以后他不好总是麻烦姐姐了。他从此必须一个人面对城里的、人群里的、未来里的高尚生活。

我们不是在说凤凰男。凤凰男多来自传统的农村大家庭，兄弟姐妹众多，父母其实顾不上其中的任何一个，孩子们相对来说是自由成长的。其中一两个会念书的，是先显露了自己的天赋才吸引了整个家族的资源投入。而且他们不一定会很早就上寄宿，父母也没有那个经济能力。他们在亲人中间长大，在人际方面不存在明显缺陷，甚至比城里的独生子女更有人际能力，更会争取来自他人的注意。

在动物界，特定种群对幼崽的培育策略是不同的。狮子少育，对幼崽采取精细喂养，亲身教它狩猎的技巧；角马多产，每个幼崽都不太投入，能够活下来的小角马，属个中翘楚。经典的凤凰男就属于角马策略下的产物，他们的社会进化是自然的。但现在时代变了，城乡二元化的格局不似以往坚固，只要肯往城里流动，农村的父母也可以挣到些辛苦钱。角马的群落日益萎缩，有的角马开始用狮子的方式去精细培育幼崽，幻想着他的后代能够不再当角马。但老角马不会狩猎，他需要委托狮子去教他的幼崽，他还要尽一切可能，清除小角马食草的记忆，他以为，他在感情上把小角马推得越远，小角马就越容易变成狮子。

这些男孩的父母，倾向于用两个简化的概念来归因一切的生活处境，一个是钱，一个是教育。为了能够改换门庭，角马变狮子，就一定要拼命挣钱，供孩子享受最好的教育。如果有什么看起来打扰了这个计划，就必须被清除出去。结果被清除出去的，是孩子的人际能力。这些孩子在最该被爱喂养的年纪，被放逐到情感的孤岛上，没有一艘小船能渡他们回来。其实早在被送去寄宿之前，他们的孤岛体验就已经开始了。父母因为自己的忙、焦虑，无暇或无力对孩子的情感需求提供及时、准确的反应，孩子在父母的眼中看不到自己的样子，当他走进人群，就像《千与千寻》里边的无脸男一样，面目不清，饥饿难忍。他们无法命名自己的体验，说不成准确表达自己的话语，也不明白别人的言语和表情是什么意思，在人群中没有存在感。如果他们智力良好，确实可以上得了大学，但他们的心智化发展水平低，纵然学习成绩优异，也难在社会上立足。曾经好容易才学会的、帮助他们远离自己原本阶层的东西——情感隔离，现在成为他们进入更高阶层的障碍。

孤岛控制 篇10

分布式发电和微电网技术在世界范围内都得到了高度重视。 随着微电网技术的不断发展,储能技术在微电网中发挥的作用日益凸显。微电网中的储能装置形式多样,安装位置灵活,在合理的控制下可以对微电网的稳定运行提供一定的支撑。

微电网孤岛运行时,系统等效转动惯量较小,风力发电等可再生能源又具有很强的随机性。在有大量 异步风力 发电机 ( asynchronous wind turbines,简称AWT) 接入的微电网中,AWT的运行状况会给微电网的运行稳定性及供电质量带来一定的负面影响。研究表明,当微电网线路参数和系统短路容量确定时, AWT等分布式发电装置的功率波动成为影响系统电压和频率变化的主要因素[1]。针对上述问题,本文将探讨在微电网孤岛运行时,如何合理的利用储能系统来减小AWT运行时的功率波动对系统频率稳定性的影响。

本文分析储能功率控制器在使用锁相环技术时遇到的一些问题,并采用无锁相环技术解决这些问题。在此基础上,建立了一种基于频率跟踪的储能功率控制策略。通过仿真算例研究微电网孤岛运行时在阵风扰动情况下的暂态稳定性。

1蓄电池储能主电路结构与运行分析

本文应用的微电网快速储能系统由储能元件蓄电池组、储能变换电路、滤波电路、检测电路、控制系统等部分组成[2],其结构如图1所示。

假设滤波电路中等效电阻为R,等效电感为L,直流侧的电压为Vdc。在abc坐标系下电路满足以下关系[3]:

式中VNabc、iabc、Vabc分别代表储能逆变器输出三相电压、输出三相电流以及储能装置接入点三相电压。将式( 1) 变换至d -坐标系下,整理得到:

式中VdN、VqN、Vd、Vq、id、iq分别为VNabc、Vabc、iabc各自在dq坐标系下的矢量。

储能控制系统包括电流控制器和功率控制器。功率控制器生成有功/无功电流参考值idref、iqref,其结构如图2所示,功率控制器采用了无锁相环技术来得到坐标变换需要的相角值 φ。

储能有功功率Pout、无功功率Qout满足[4]:

电流控制器可以生成逆变器输出电压参考值VdN、VqN。VdN、VqN经过变换可以生成逆变器PWM信号,从而实现输出功率的调节。

2基于无锁相环技术的功率控制器设计

传统的功率控制器在实现电压、 电流的有功分量和无功分量的解耦时,常使用锁相环实时检测来得到需要的相角值 φ[5],但是该方法存在功率计算比较复杂的缺点。本文采用无锁相环技术来得到相角值 φ。

如图3所示,设矢量us的模为Um。需要得到的相角值 φ 是旋转的d轴和静止的 α 轴之间的夹角,且有 φ = ωt。在使用PLL测量时只要测量A相电压的相角就可以得到 φ 的值。图中: d,q轴和矢量us均以转速 ω 旋转,如果把角 θ 的值赋给 φ,相当于令Ud= Um,Uq= 0。θ 的计算公式为:

储能的Pout、Qout满足以下关系:

使用式( 5) 计算储能 的有功功率、无功功率比式( 3) 更加简洁。 采用无锁 相环计算 法得到的 相角 θ 和d、q轴电压的 图形分别 如图4和图5所示。

由图4可知,采用计算法得出的相 角值在工 频周期内 线性增加,精确地描述 出了相角 值的实际 变化 。 由图5可知,采用计算法后Ud= Um, Uq= 0 ,符合分析 结果 。

由图6可知,储能并网的滤波电 感电流在 两个工频 周期的时 间内即可 跟踪上指 令要求,反应灵敏。由图7可知,储能功率得到了完全解耦,且有功/无功功率值分别受有功 / 无功电流控制,储能输出功率同样可以在两个工频周期内跟踪上指令值。

3基于微电网频率稳定的储能控制方案

储能控制系统包含电流控制器和功率控制器,如图8所示。 该系统应用了电压前馈控制来增强控制器的抗扰动能力。由于采用计算法时Uq= 0,电压前馈控制中,只有Ud的前馈控制。

由于低压微电网线路的阻抗比1,如果忽略线路中的滤波电感,则输电线路可近似为纯阻性。微电网的频率主要受系统中无功功率的影响。基于以上分析,对传统的基于功率跟踪的储能控制方案进行了改进,使储能的无功功率直接跟踪系统频率。图9描述了这两种功率控制器结构。

传统功率控制器( 图9左) : 假设微电网在某一恒定风速下保持稳定运 行,储能装置 与风机共 同向微电 网提供功 率为Pref/ Qref,风速扰动时储能可对风机输出功率波动进行快速缓冲, 储能与风机这个整体共同向系统提供的功率Pref/ Qref保持不变, 两者可以视为一个有功 /无功功率输出稳定的DG[6,7]。储能控制的目的是抑制DG有功 / 无功功率波动,提高系统稳定性。

基于频率跟踪的功率控制器 ( 图9右) : 该控制的有功功率调节方式与传统功率控制一致,无功功率输出则跟随系统交流母线上频率frms的变化,将frms与频率参考值fref的差值经由PI调节器后的输出值作为储能的无功功率输出参考值[8]。当frms低于fref时,储能向微电网输出部分无功功率来提高frms,否则储能将吸收部分无功功率。储能控制的目标是抑制交流母线上的频率波动, 改善系统频率稳定性。

4仿真结果与分析

微电网采用电缆线路,单位阻抗为0. 4487 + j0. 07( Ω/ km) ,储能装置采用基于频率跟踪的功率控制方案。设风机稳态风速为12 m/s,微电网孤岛运行。图10 ~ 12分别描述了t = 5 s出现阵风干扰时风速变化和储能的有功、无功功率响应情况( 储能以吸收功率为正方向,储能配置于PCC处) 。由仿真结果可知:

( 1) 在5 s ~ 10 s之间时, 风速低于稳态风速,风机输出的有功功率小于Pref,吸收的无功功率也小于Qref。储能装置输出有功功率,同时吸收无功功率,其吸收/输出功率的大小随风速的变化而变化,风速变化越大,储能装置吸收/输出功率越大。

( 2) 在10 s ~ 20 s之间时,风速高于稳态风速,风机输出的有功功率大于Pref,并且吸收的无功功率大于Qref。储能装置吸收有功功率,输出无功功率。风速变化越大,储能装置吸收/输出功率越大。

( 3) 20 s ~ 25 s之间的分析与( 1) 一致。

可见,在出现阵 风扰动时,采用本文提出的基于频率跟踪的储能控制方案,可以较快的跟踪系统的功率波动,并且分别对系统的有功和无功功率波动进行缓冲。

图13 ~ 15分别为系 统 ( 交流母线) 频率在无储能和储能采用不同控制方案下的波动曲线图。

可以看出,系统未配置储能时频率波动较显著,最大频率偏差达到2. 4% ; 配置储能后,有效地抑制了交流母线上的频率波动。在使用传统功率控制策略时最大频率偏差0. 8% ,频率恢复时间由无储能时的10 s缩短至5 s。在使用基于频率跟踪的功率控制时频率的最大偏差为0. 4% , 频率恢复时间由无储能时的10 s缩短为1 s。

5结束语