微電網(wǎng)柔性并網(wǎng)控制策略

高 陽，曹 宇，許傲然，代小敏，張 博

（沈陽工程學院 研究生院，沈陽 110136）

微電網(wǎng)柔性并網(wǎng)控制策略

高 陽，曹 宇，許傲然，代小敏，張 博

（沈陽工程學院 研究生院，沈陽 110136）

為了提高微電網(wǎng)穩(wěn)定性，防止微電網(wǎng)在緊急情況下并/離網(wǎng)失敗，針對一種并網(wǎng)過程中控制功率平衡的附加策略進行研究。本文以分布式電源（蓄電池儲能、風力發(fā)電和光伏發(fā)電等分布式微電源）并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，通過對微電網(wǎng)與大電網(wǎng)同期并列原理進行分析，提出微電源調(diào)節(jié)與功率平衡共同控制策略，實現(xiàn)多個微電源間不平衡功率的動態(tài)分配和柔性控制。本文通過仿真對柔性控制策略的有效性進行驗證，結(jié)果表明：該控制策略可以實現(xiàn)微電網(wǎng)的并網(wǎng)/離網(wǎng)狀態(tài)之間的快速平滑切換，提高微電網(wǎng)的供電質(zhì)量，有效的減緩了微電網(wǎng)并/離網(wǎng)對大電網(wǎng)以及微電網(wǎng)本身造成的沖擊。

微電網(wǎng)；柔性；頻率調(diào)節(jié)；并/離網(wǎng)

0 引言

微電網(wǎng)是分布式發(fā)電的主要應(yīng)用形式。當微電網(wǎng)在某些條件下需要進行與配電網(wǎng)之間的并網(wǎng)或脫網(wǎng)操作時。由于操作前后，微電網(wǎng)和配電網(wǎng)之間可能存在較大的功率偏差，會對配電網(wǎng)和微電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊，造成電壓和頻率的較大波動，更嚴重的會造成微網(wǎng)運行崩潰［1-2］。

針對微電網(wǎng)柔性并網(wǎng)，國內(nèi)外常用的方法是通過調(diào)整微電網(wǎng)電壓幅值、頻率和相位這三個方面來實現(xiàn)微電網(wǎng)的同步運行。文獻［3］建立了虛擬發(fā)電機的數(shù)學模型，進而控制微電網(wǎng)的并網(wǎng)，文獻［4-6］提出了微電網(wǎng)技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用和發(fā)展，文獻［7］通過研究微電網(wǎng)的運行模式，進而提出了主從控制與對等控制相結(jié)合的方法，文獻［8-9］提出了通過頻率調(diào)節(jié)減緩微電網(wǎng)并網(wǎng)產(chǎn)生的頻率波動。

但以上文獻并不能解決微電網(wǎng)緊急情況下的并/離網(wǎng)控制。本文提出了微電網(wǎng)柔性并網(wǎng)控制策略，解決了微電網(wǎng)并網(wǎng)對大電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，避免了緊急情況下無法短時間實現(xiàn)并/離網(wǎng)控制對電網(wǎng)系統(tǒng)造成的損失，增加了系統(tǒng)運行可靠性，保證用戶供電質(zhì)量，同時增加了清潔能源的使用，促進了可再生能源的使用與發(fā)展［10-12］。

1 微電網(wǎng)并網(wǎng)原理

微網(wǎng)系統(tǒng)可通過對大電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間電壓向量的偏差間接對微網(wǎng)系統(tǒng)的同步狀態(tài)進行判斷。在并網(wǎng)過程中，需要微網(wǎng)系統(tǒng)盡量對并網(wǎng)過程中產(chǎn)生的電流沖擊進行抑制，防止微電源因沖擊而損壞，保證微電網(wǎng)以及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過電路原理，我們可以知道在微電網(wǎng)與大電網(wǎng)微完全同步時，即頻率以及電壓幅值均無偏差的情況下，并網(wǎng)產(chǎn)生的波動較小。

微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的三相母線的電壓幅值、相角及頻率進行檢測。假設(shè)在并網(wǎng)瞬間，電網(wǎng)頻率保持恒定，計算上述靜止坐標分量的交叉項，得到：

其中UG和UM分別為電網(wǎng)和微電網(wǎng)的電壓幅值，ωG和ωM分別為電網(wǎng)和微電網(wǎng)頻率，φG和φM分別為電網(wǎng)和微電網(wǎng)電壓初始相角。

由上式可知，當電網(wǎng)頻率與微電網(wǎng)頻率接近于零的時候，即ωM≈ωG，上式可簡化為：

進一步可簡化為：

由上式可見，當電網(wǎng)的相角和頻率偏差較小時，控制單元相角偏差可以線性簡化。

綜上所述，為實現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)過程，需要分別檢測微電網(wǎng)與大電網(wǎng)電壓幅值、頻率和相位值。通過檢測到的近似的相位差，通過比例積分環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換為頻差控制信號，并把該信號和頻率偏差信號進行疊加，傳遞給微電網(wǎng)控制系統(tǒng)。

2 微電網(wǎng)柔性并網(wǎng)控制策略

微電網(wǎng)還存在非計劃并/離網(wǎng)或緊急并/離網(wǎng)的情況，例如，大電網(wǎng)發(fā)生故障，微電網(wǎng)需要緊急脫網(wǎng)；微電網(wǎng)孤立運行過程中，內(nèi)部發(fā)生故障，需要大電網(wǎng)支援，進行緊急并網(wǎng)。在非計劃并網(wǎng)過程中，系統(tǒng)經(jīng)受的擾動因素更大，如果只依靠微電網(wǎng)中單一的儲能單元，進行恒頻和恒壓的調(diào)節(jié)，會使調(diào)節(jié)周期加長，甚至會出現(xiàn)長時間無法并網(wǎng)，或者是并網(wǎng)失敗，導致微電網(wǎng)的崩潰。

本文提出的微電網(wǎng)柔性并網(wǎng)策略，即在微電網(wǎng)同期并網(wǎng)控制策略中，疊加入微電網(wǎng)功率平衡控制信號，根據(jù)并網(wǎng)指標調(diào)節(jié)需求和微電網(wǎng)內(nèi)部功率平衡需求，得到系統(tǒng)增減功率控制值，并通過中心能量控制系統(tǒng)在各微電源間進行主動分配，迅速減少微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的功率交換，從而使同期控制調(diào)節(jié)快速實現(xiàn)調(diào)節(jié)指標，成功并網(wǎng)?？刂撇呗匀鐖D1所示。

上述控制的特點是：通過對不平衡功率在多個微電源間的動態(tài)分配和柔性控制，來進行微電網(wǎng)并網(wǎng)過程中的頻率和相位校正。這種控制方法避免了由于單一調(diào)節(jié)電源調(diào)節(jié)容量受限而導致的并網(wǎng)失敗，可以適用于緊急狀態(tài)下微電網(wǎng)的并/離網(wǎng)控制。

3 微電網(wǎng)柔性并網(wǎng)仿真研究

為了證明引入柔性并網(wǎng)策略后，微電網(wǎng)并網(wǎng)/離網(wǎng)過程波動較小，不會對大電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。針對風機，儲能和光伏系統(tǒng)組成的微電網(wǎng)在緊急條件下的并/離網(wǎng)過程進行仿真，仿真條件為假設(shè)各微源在0.1s時刻均處于穩(wěn)定發(fā)電狀態(tài)，在0.15s時刻進行并網(wǎng)切換，分析柔性并網(wǎng)策略對微電網(wǎng)并/離網(wǎng)時功率沖擊的影響。仿真結(jié)果如下所示：

微電網(wǎng)系統(tǒng)引入柔性并網(wǎng)系統(tǒng)時，微電網(wǎng)系統(tǒng)儲能為0.9MW，風機為1.5MW，光伏為0.6MW，微電網(wǎng)負荷為2MW，在0.15s時刻并網(wǎng)，此時得到并網(wǎng)切換過程中的微電網(wǎng)的各波形圖所示（見圖2）。

由圖中可以看出，當并網(wǎng)瞬間由于增加的功率較大，因此并網(wǎng)過程中基于柔性控制策略的暫態(tài)過程就體現(xiàn)的更加明顯，由微電網(wǎng)功率波形及微電網(wǎng)三相電流波形可以看出，在并網(wǎng)過程中，柔性控制策略對微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的功率流動一直處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，這樣就使得并網(wǎng)過程中的沖擊降低，滿足并網(wǎng)過程中的相關(guān)性能指標要求。

4 結(jié)語

本文首先通過對微電網(wǎng)的準同期并網(wǎng)的原理進行研究，進而提出了微電網(wǎng)的柔性并網(wǎng)控制策略。其次通過對不平衡功率在多個微電源間的動態(tài)分配和柔性控制，提出一種主動功率分配策略，來進行微電網(wǎng)并網(wǎng)過程中的頻率和相位校正，這種策略可以防止微電網(wǎng)并網(wǎng)電源的單一性，適用于緊急狀態(tài)下微電網(wǎng)的并/離網(wǎng)控制。最后通過對微電網(wǎng)柔性并網(wǎng)控制模型進行仿真，結(jié)果表明：通過采用柔性控制策略可以有效的減緩微電網(wǎng)突然并/離網(wǎng)時產(chǎn)生的功率波動對大電網(wǎng)產(chǎn)生影響和沖擊，可以有效的保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

［1］田盈，孟賽，鄒欣潔，呂振寧等.兆瓦（MW）級海島微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究及工程應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（19）∶112-117.

［2］李斌，寶海龍，郭力.光儲微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的儲能控制策略［J］.電力自動化設(shè)備，2014，34（03）∶8-14.

［3］呂志鵬，盛萬興，鐘慶昌等.虛擬同步發(fā)電機及其在微電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.中國電機工程學報，2014，34（16）∶2591-2603.

［4］李鵬，竇鵬沖，李雨薇等.微電網(wǎng)技術(shù)在主動配電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.電力自動化設(shè)備，2015，35（04）∶8-16.

［5］王成山，武震，李鵬.微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.電力系統(tǒng)自動化.電工技術(shù)學報，2014，29（02）∶2-12.

［6］沈沉，吳翔宇，王志文等.微電網(wǎng)實踐與發(fā)展思考［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42（05）∶1-11.

［7］馬藝瑋，楊蘋，王月武，趙卓立.微電網(wǎng)典型特征及關(guān)鍵技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2015，39（08）∶168-175.

［8］Cho C，Jeon J H，Kim J Y，et al.Active synchronizing control of a microgrid［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2011，12（26）：3707-3719.

［9］Vasquez J C，Guerrero J M，Savaghebi M，et al.Analysis，and design of stationary reference frame droop-controlled parallel three-phase voltage source inverters［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（4）：1271-1280.

［10］周志超，郭力，王成山，焦冰琦等.風柴儲生物質(zhì)獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計［J］.電力系統(tǒng)自動化，2014，38（07）∶16-22.

［11］趙興勇，楊濤，王靈梅.基于復合儲能的微電網(wǎng)運行方式切換控制策略［J］.高電壓技術(shù).2015，41（07）∶2142-2147.

［12］王波，張保會，郝治國.基于功率監(jiān)測和頻率變化率的孤島微電網(wǎng)緊急切負荷控制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2015，39（08）∶33-37.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.148