淺析微電網(wǎng)控制策略的研究現(xiàn)狀

嵇　偉

(江蘇省電力公司淮安供電公司，江蘇淮安，223001)

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淺析微電網(wǎng)控制策略的研究現(xiàn)狀

嵇偉

(江蘇省電力公司淮安供電公司，江蘇淮安，223001)

摘要：首先，介紹了微電網(wǎng)的產(chǎn)生背景，并中中國微電網(wǎng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。其次，介紹了一種典型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對微電源、負(fù)載、儲能裝置和并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了描述。根據(jù)微電網(wǎng)不同運(yùn)行模式下的特性，對不同模式下微并網(wǎng)逆變器采取的控制方法進(jìn)行了詳細(xì)分析。最后，對并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行模式下各單元采取的控制策略進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；分布式電源；主從控制；孤島運(yùn)行

1引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大電網(wǎng)模式存在的建設(shè)、運(yùn)行成本高以及局部故障易擴(kuò)散等缺點(diǎn)日益凸現(xiàn)出來。越來越不能適應(yīng)用戶對高供電質(zhì)量和多樣化的供電需求。2003年的北美大停電、2006年的歐洲大停電、2008年的南方冰雪災(zāi)害造成大停電、2009年的巴西大停電讓6700萬人陷入停電、2012年的印度兩次大停電分別造成3.7億和超過6億人墜入黑暗。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的場所和行業(yè)需要較高的供電可靠性和電能質(zhì)量，用戶開始安裝并擁有自己的分布式電源設(shè)備。分布式電源是將分布式發(fā)電和儲能裝置組合成一起的系統(tǒng)。分布式電源不僅可以作為集中式發(fā)電的一種重要補(bǔ)償方式，而且在對可再生能源的利用上具重要的作用。

發(fā)展分布式發(fā)電具有一定的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和節(jié)能效益，并且能夠提高供電安全可靠性及解決邊遠(yuǎn)地區(qū)用電問題等。雖然分布式電源具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于分布式電源在接入電網(wǎng)時(shí)容量小、控制困難、隨機(jī)波動性大、成本較高和高滲透率會對電力系統(tǒng)造成了很大負(fù)面影響。因此，目前的國際規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)都對分布式電源采用帶離和限制的方法，減小分布式電源對大電網(wǎng)的影響為了更大限度的發(fā)揮分布電電源在能源和環(huán)境中的作用，21世紀(jì)初微電網(wǎng)概念被提了出來[1]。

中國對微電網(wǎng)的研究尚處于初始階段，主要對微電源、儲能裝置、分布式控制進(jìn)行研究。中國政府積極推動可再生能源的研究和應(yīng)用，將改變能源結(jié)構(gòu)作為未來電網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略之一。微電網(wǎng)將成為未來可再生能源利用的有效形式，能夠最大限度的發(fā)揮可再生能源的潛力。應(yīng)用微電網(wǎng)技術(shù)不僅能夠利用當(dāng)?shù)氐目稍偕茉催M(jìn)行發(fā)電，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題，而且能夠提供可靠安全的電能服務(wù)。目前我國已經(jīng)在西部偏遠(yuǎn)地區(qū)和發(fā)達(dá)的大城市進(jìn)行了新能源發(fā)電潛力和經(jīng)濟(jì)性分析，并且在新疆吐魯番建立了微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)工程[2]。

2微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與組成

2.1　微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)概念最早由美國電力可靠技術(shù)解決方案協(xié)會提出，是眾多微電網(wǎng)概念中最權(quán)威的一種。其基本理念是：將分布式發(fā)電機(jī)、儲能裝置、負(fù)載及控制器組成一個(gè)有機(jī)整體，通過協(xié)調(diào)控制形成一個(gè)可控的獨(dú)立供電系統(tǒng)。為防止微電網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開時(shí)，對微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷造成沖擊，需要對傳統(tǒng)配電網(wǎng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)[1,3]。

圖1是一種典型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。由圖中可以看出，微電網(wǎng)將不重要的負(fù)載接到饋線C上，將重要的或敏感負(fù)載接到饋線A和B上。饋線A和饋線B上接有微電源、儲能裝置和相應(yīng)的控制器等。整個(gè)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)輻射狀，通過主分隔裝置將饋線與大電網(wǎng)相連接，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行模式間平滑過度。分隔裝置點(diǎn)就是公共連接點(diǎn)(Point of Common Coupling, PCC)所在位置，PCC點(diǎn)一般作為微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的分隔點(diǎn)或變壓器的原邊。

圖1　微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.2　微電源

微電源作為微電網(wǎng)的能源供應(yīng)組成，形式很多，一般可分柴油發(fā)電機(jī)和小水電等傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)；微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池以及儲能裝置等新興的供電技術(shù)；風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電、熱能發(fā)電和光伏發(fā)電等可再生能源。根據(jù)其輸出電壓為交流電還是直流電，可分為直流電源和交流電源[1]。

2.3　負(fù)載和儲能裝置

微電網(wǎng)屬于小型低壓發(fā)配電網(wǎng)絡(luò)，其負(fù)載相對大電網(wǎng)較小、波動性大。儲能裝置主要有物理儲能(如抽水儲能、飛輪儲能等)、化學(xué)儲能(如鉛酸電池、鈉硫電池、鋰離子電池)和電磁儲能(如超導(dǎo)電磁儲能、超級電容器儲能等)三大類，微電網(wǎng)中儲能裝置的設(shè)置需要跟據(jù)其具體特性進(jìn)行選取[3,4]。

2.4　電力電子接口

微電源是通過電力電子接口與負(fù)載或電網(wǎng)相連接，其中燃料電池、光伏陣列和蓄電池等直流電源，通過逆變器(DC/AC)或直-直-交(DC/DC/AC)變換器轉(zhuǎn)換成工頻交流電；風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等產(chǎn)生交流電源，將發(fā)出的交流電通過交-直-交(AC/DC/AC)接入微電網(wǎng)[5]。

3逆變器控制方法

微電源作為微電網(wǎng)的電能供應(yīng)單位，是微電網(wǎng)的重要組成部分。對策電網(wǎng)的控制其核心就是對微電源進(jìn)行控制，常用的控制方法有：有功和無功功率(P/Q)控制、有功和電壓(P/V)控制、基于下垂特性的V/f控制等。

3.1　P/Q控制方法

P/Q控制方法通過控制并網(wǎng)逆變器輸出的有功和無功，對微電源進(jìn)行定功率控制[6]。圖2所示為微電源采用P/Q控制示意圖。

圖2　P/Q控制

采用P/Q控制方法時(shí)，首先根據(jù)設(shè)定的微電源輸出的有功功率和無功功率，然后通過檢測逆變器輸出電壓和電流，通過功率計(jì)算后將有功和無功分量分別與參考值進(jìn)行作差，然后將有功誤差△P和無功差△Q送入PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后經(jīng)調(diào)制解調(diào)器后控制脈沖發(fā)生器，控制逆變器的可控開關(guān)使逆變器輸出的有功和無功功率保持在給定值。

3.2　P/V控制方法

P/V控制方法是通過調(diào)節(jié)逆變器輸出的有功P，并且保持交流母線電壓幅值Um保持恒定的一種控制方法，其控制示意圖如圖3所示。

圖3　P/V控制示意圖

P/V控制方法和P/Q控制方法相似，都采用閉環(huán)控制，對并網(wǎng)逆變器輸出的有功分功率和電壓幅值進(jìn)檢測，然后將檢測有功功率值與參考功率、電壓幅值與參考電壓幅值作差，將有功誤差△P和電壓偏差△U送入PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)控制沖發(fā)生器輸出脈沖，控制并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率和電壓。逆變器輸出電壓幅值由最小值和最大值限制，兩者分別對應(yīng)于系統(tǒng)有功功率和無功功率的最小值和最大值。

3.3　基于下垂特性的V/f控制方法

微電網(wǎng)是由微電源、控制裝置和負(fù)載組成的一個(gè)供電系統(tǒng)。微電源通過逆變器以并聯(lián)運(yùn)行的方式，為微電網(wǎng)提供電能。根據(jù)功率的傳輸特性，可以將逆變電源看成傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，通過模式發(fā)電機(jī)下垂特性，實(shí)現(xiàn)對逆變電源的控制?；谙麓固匦缘腣/f控制就是各個(gè)微電源通過檢測自身的輸出功率，采用下垂特性得到逆變器的參考電壓[8](U)和頻率(f)。然后通過反相調(diào)節(jié)的方式，逆變電源實(shí)現(xiàn)有功和無功的自動調(diào)節(jié)。當(dāng)輸出電抗為感抗時(shí)，控制策略基于P/V和Q-ω的下垂特性；當(dāng)為阻性時(shí)，控制策略基于P/V和Q-ω下垂特性，阻性輸出阻抗的下垂特性曲線如圖4所示。

圖4　輸出阻抗為陰性時(shí)下垂特性

圖5　基于下垂特性的V/f控制框圖

運(yùn)行時(shí)，不管逆變器輸出阻抗呈感性還是阻性，其輸出功率較小的逆變電源依據(jù)電壓和頻率下垂特性控制其輸出功率變大，輸出功率較大的逆變電源減小其輸出功率。在基于下垂特性的基礎(chǔ)上，通過采用雙閉環(huán)控制方法使逆變器輸出電壓和頻率滿足負(fù)載要求。

3微電網(wǎng)運(yùn)行模式及其控制策略

微電網(wǎng)根據(jù)與大電網(wǎng)是否聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，可分為并網(wǎng)運(yùn)行模式和孤島運(yùn)行二種工作模式。根據(jù)不同控制策略，通過協(xié)調(diào)控制微電源、負(fù)載和保護(hù)裝置，讓微電網(wǎng)相對于大電網(wǎng)是一個(gè)可控“負(fù)載”。孤島運(yùn)行時(shí)，可采用主從控制策略，使系統(tǒng)作為一個(gè)自主運(yùn)行的小型電網(wǎng)；并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，采用對等控制策略，可將微電網(wǎng)多余電能輸送到大電網(wǎng)或及取大電網(wǎng)電能供負(fù)載使用[5,7,9]。

4.1　微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行

正常工作時(shí)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)相連接，進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行。此時(shí)，從大電網(wǎng)的角度看，微電網(wǎng)是具有一定特性的虛擬發(fā)電機(jī)，能夠向大電網(wǎng)提供電能或吸取大電網(wǎng)電能。與一般并網(wǎng)發(fā)電機(jī)相同的是，微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要滿足一定的電壓和頻率要求；同一般發(fā)電機(jī)的不同之處是，微電網(wǎng)中微電源的種類和特征差異很大，需要采用一定的協(xié)調(diào)控制方法才能夠滿足并網(wǎng)要求。此時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)部的各個(gè)分布式電源只需控制功率輸出以保證微電網(wǎng)內(nèi)部的功率平衡，而電壓和頻率由大電網(wǎng)來支持和調(diào)節(jié)。此時(shí)，逆變器可以采用P/Q控制方法，按照設(shè)定值提供固定的有功--功率和無功功率。MGCC根據(jù)大電網(wǎng)的需要、本地負(fù)荷情況和分布式電源的發(fā)電能力來決定各分布式電源的PQ控制有功功率和無功功率運(yùn)行點(diǎn)及各負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)。

4.2　微電網(wǎng)孤島運(yùn)行

孤島運(yùn)行根據(jù)大電網(wǎng)狀態(tài)可分為有計(jì)劃孤島運(yùn)行和無計(jì)劃孤島二種。當(dāng)大電網(wǎng)有計(jì)劃進(jìn)行檢修時(shí)，微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，這種運(yùn)行方式稱之為有計(jì)劃孤島；當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)微電網(wǎng)被迫進(jìn)行孤島運(yùn)行，叫有無計(jì)劃孤島運(yùn)行。一般情況下，無計(jì)劃孤島是不允許發(fā)生的。微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，需要滿足二個(gè)基本條件：微電網(wǎng)中的微電源能夠?yàn)槲㈦娋W(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷提供足夠的電能；微電網(wǎng)能夠?qū)ξ㈦娫催M(jìn)行合理、有效的控制使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)微電源輸出的功率大于孤島負(fù)荷需求時(shí)，系統(tǒng)可以通過增加負(fù)荷或進(jìn)行蓄能維持系統(tǒng)功率平衡；當(dāng)微電源提供電能小于負(fù)荷要求時(shí)，蓄電池放電或適當(dāng)減小負(fù)載使系統(tǒng)正常運(yùn)行，當(dāng)能量嚴(yán)重不足時(shí)系統(tǒng)停止運(yùn)行。此時(shí)，微電網(wǎng)通過檢測設(shè)備時(shí)刻對大電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行檢測，當(dāng)大電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)進(jìn)行模式切換重新并網(wǎng)運(yùn)行[4,7]。

當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，與大電網(wǎng)的連接斷開。此時(shí)，一般采取主從控制策略，就是通過協(xié)調(diào)微電網(wǎng)中微電源，采用不同的控制方法，保證微電網(wǎng)能夠正常運(yùn)行。這種控制策略是將一個(gè)或幾個(gè)微電源作為主控單元，其它微電源作為從屬單元的一種控制策略。主控單元通過檢測微電網(wǎng)中的電壓、電流、有功和無功功率以及負(fù)荷變化情況，通過綜合分析后，調(diào)節(jié)從屬單元的輸出功率，使微電網(wǎng)保持穩(wěn)定運(yùn)行。這種控制方法一般只應(yīng)用于微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下，通過對主控單元的控制，微電網(wǎng)的電壓和頻率達(dá)到負(fù)載要求，并為處于從屬單元供電壓和頻率支撐。運(yùn)行時(shí)，微電源由中央控制器(MGCC)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，主控單元一般采用V/f控制方法，從屬單元根據(jù)需要可采用P/Q控制或P/V控制方法。MGCC作為一個(gè)決策者，通過協(xié)調(diào)微電網(wǎng)中微電源的出力，對電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并根據(jù)微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，對微電網(wǎng)中的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，圖6為主從控制結(jié)構(gòu)。

圖6　主從控制結(jié)構(gòu)示意圖

4結(jié)語

微電網(wǎng)作為分布式發(fā)電優(yōu)化集成的一種方式，已經(jīng)成為各國研究的重點(diǎn)，未來微電網(wǎng)將占有重要的地位。微電網(wǎng)雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但在大規(guī)模應(yīng)用之前，還有許多問題需要解決。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)電能質(zhì)量由大電網(wǎng)提供支持，此時(shí)微電網(wǎng)通過控制各分布式電源的輸出功率，使輸入到電網(wǎng)的功率最大，最大化利用可再生能源發(fā)電；微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，通過選擇主調(diào)頻電源對微電網(wǎng)頻率進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，提高了電能質(zhì)量，避免了穩(wěn)定的頻率偏差對儲能裝置充放電的影響。通過對微電網(wǎng)控制策略的研究，使微電網(wǎng)能夠在并網(wǎng)和孤島二種運(yùn)行模式下平穩(wěn)運(yùn)行、平穩(wěn)轉(zhuǎn)換具有鹽分重要的意義。

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A Study on the Research Status of

Micro-grid Control Strategy

JI Wei

(Huaian Power Supply Company of Jiangsu Power Company, Huaian, Jiangsu 223001)

Abstract：Firstly, introduces the background of the micro-grid and micro-grid in the current situation of Chinese were introduced. Secondly, describes a typical micro-grid structure, and described the micro- power, load, energy storage and grid inverters. According to the different characteristics of the micro-grid operation mode, the control method in different modes micro-grid inverter taken is analyzed in detail. Finally, the control strategies of network operation and island operation mode of each unit taken are summarized.

Keywords：Micro-grid; distributed power; master-slave control; islanding operation

中圖分類號：TN784

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-6133(2015)02-0055-05

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.02.012

收稿日期：2015-03-01