電力電子在微電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

毛磊杰

（山西漳澤電力股份有限公司河津發(fā)電分公司，山西漳澤030000）

電力電子在微電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

毛磊杰

（山西漳澤電力股份有限公司河津發(fā)電分公司，山西漳澤030000）

目前，越來越多的分布式電源接入了配電網(wǎng)當(dāng)中，改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，并且分布式電源的并網(wǎng)運(yùn)行可能會引起電網(wǎng)的電壓偏差、頻率偏移等問題。微電網(wǎng)概念的提出就是為了削弱分布式電源對配電網(wǎng)的影響，最大化接納分布式電源。在微電網(wǎng)中，電力電子技術(shù)扮演著重要角色，而變流器的控制是其中的一個核心。變流器的控制是實現(xiàn)微電網(wǎng)控制的具體方式，而微電網(wǎng)的運(yùn)行控制是微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提。因此本文以逆變器為例，對變流器控制在微電網(wǎng)運(yùn)行控制當(dāng)中的應(yīng)用進(jìn)行了概述，并且歸納了變流器的關(guān)鍵新興技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用。

分布式發(fā)電；微電網(wǎng)；電力電子技術(shù)；變流器

近年來，光伏、風(fēng)電等間歇性新電源廣泛接入到配電網(wǎng)當(dāng)中，由于這些新能源的隨機(jī)性，使電力系統(tǒng)難以安全穩(wěn)定運(yùn)行，反過來也阻礙著光伏、風(fēng)電等新能源的大力使用。微電網(wǎng)作為一種“自控自治”系統(tǒng)，不僅可以削弱大規(guī)模分布式電源接入的負(fù)面影響，而且還可以充分發(fā)揮間歇性能源的優(yōu)勢，因此受到各個國家廣泛的關(guān)注。目前我國偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電存在輸電距離遠(yuǎn)、線損大、功率小、建設(shè)變電站昂貴等一系列問題，而微電網(wǎng)離用戶側(cè)距離近，可以更好的實現(xiàn)電能的“就地消納”，因而微電網(wǎng)可以作為一種為邊遠(yuǎn)地區(qū)提供可靠供電的有效形式[1-2]。

圖1為CERTS定義的一個微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)圖[3]，它通過斷路器、隔離開關(guān)和配電網(wǎng)相連。微電網(wǎng)中的微源都通過電力電子變換器和配電網(wǎng)/負(fù)載相連。如圖所示，微電網(wǎng)內(nèi)部有三條饋線，饋線A和B上接有敏感負(fù)荷，饋線C上接入普通負(fù)荷，而且每個微源的出口處都配備有一個斷路器，它們在能量管理系統(tǒng)（Energy Manager）或本地的控制下，通過功率和電壓控制器來調(diào)整功率輸出。當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動等問題導(dǎo)致無法安全可靠運(yùn)行時，微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行模式，由各微源對負(fù)荷進(jìn)行供電，從而保證敏感負(fù)荷不間斷供電，提高供電可靠性。同時電壓控制器的控制下，各個微源調(diào)整其輸出電壓來減少無功環(huán)流。

圖1 CERTS微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

微電網(wǎng)中間歇式新能源要并網(wǎng)必須經(jīng)過變流器變頻變壓才能入網(wǎng)。微電網(wǎng)中的使用變流器有三類：grid-feeding變流器，grid-forming變流器以及gridsupporting變流器。三種變流器各有特點，grid-feeding變流器不能單獨運(yùn)行，而且需要一定的電壓、頻率支撐；grid-forming變流器只能在孤島狀態(tài)下單獨運(yùn)行；grid-supporting變流器則采用下垂控制，可實現(xiàn)并網(wǎng)/離網(wǎng)運(yùn)行。本文針對電力電子變換器在微網(wǎng)運(yùn)行控制中的應(yīng)用做了一些概述。

1 微電網(wǎng)運(yùn)行控制

隨著微電源并網(wǎng)電力電子裝置的出現(xiàn)，對電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制帶來了改變。一方面提高了電力系統(tǒng)電壓、頻率控制的靈活性，另一方面，使微電網(wǎng)能夠運(yùn)行在不同的電壓和頻率下，實現(xiàn)微電網(wǎng)在不同場所運(yùn)行的可能。微電源并網(wǎng)接口控制方法一般從兩個方面著手分析：上層調(diào)度控制與電流跟蹤控制。在上層調(diào)度控制方面，大多數(shù)文獻(xiàn)將其分為三類：恒功率控制（PQ控制）策略、恒壓/恒頻控制（U/f控制）策略和下垂控制（Droop控制）策略。而具體的控制實現(xiàn)是由這三種策略及其組合或者改進(jìn)的策略來完成。中央控制器接收到由電力電子接口單元傳來的電流電壓信息，然后發(fā)出指令向電網(wǎng)輸送功率，保持公共連接點的電壓穩(wěn)定，這也是微電網(wǎng)逆變器控制的一般要求。因此要實現(xiàn)微電網(wǎng)的靈活有效運(yùn)行，電力電子接口的有效控制是必不可少的。如何降低微電網(wǎng)切換運(yùn)行模式對電網(wǎng)造成的沖擊，實現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行的無縫切換是目前國內(nèi)外學(xué)者都很關(guān)注的問題。模式切換前后的功率會因為網(wǎng)架的不對稱出現(xiàn)不匹配，這個不匹配問題加上交換功率的規(guī)模阻礙著微電網(wǎng)實現(xiàn)無縫切換。未來微電網(wǎng)要想大規(guī)模應(yīng)用，必須要有更為先進(jìn)的電力電子技術(shù)，既要能實現(xiàn)功率的自動分配而且還要有足夠的靈活性?，F(xiàn)在有文獻(xiàn)提出一種有前景的分布式電源接入控制技術(shù)，在這當(dāng)中逆變器型微電源小慣性和平滑切換都可以得到解決。

在并網(wǎng)逆變器的電流跟蹤控制方面，很多文獻(xiàn)研究了逆變器功率環(huán)、電壓電流環(huán)、輸出濾波器、優(yōu)化等效輸出阻抗和改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。同時，微電網(wǎng)電力電子接口與FACTS技術(shù)的結(jié)合也成為一種趨勢，有很多地方已經(jīng)開始實現(xiàn)，這種結(jié)合能夠解決微電網(wǎng)產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題，使得微電網(wǎng)更好的應(yīng)對非線性負(fù)載、三相不平衡以及三相四線制拓?fù)涞忍厥馇闆r。提出了一種在非線性負(fù)荷情況下，微電網(wǎng)逆變器如何實現(xiàn)輸出低諧波失真電壓的方法，可以在并網(wǎng)逆變器的基礎(chǔ)上引入濾波環(huán)節(jié)和補(bǔ)償系統(tǒng)從而實現(xiàn)逆變器的多重功能。研究了這類具有復(fù)合功能的并網(wǎng)逆變器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｔ诓⒕W(wǎng)控制算法中引入濾波部分，實現(xiàn)發(fā)電和濾波的雙重功能。還有文獻(xiàn)提出一種采用三相四線制的微電網(wǎng)混合電能質(zhì)量補(bǔ)償器，該補(bǔ)償器通過補(bǔ)償無功電流、零序電流的方法來達(dá)到改善系統(tǒng)電能質(zhì)量的目的。在一種具有復(fù)合功能的并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上研究了微電網(wǎng)電能質(zhì)量的定制。電力電子接口型微電源供電電能質(zhì)量不僅電力電子變流器本身帶來的影響，而且還受到電網(wǎng)側(cè)的干擾，因此在提高電能質(zhì)量方面除了應(yīng)該考慮提高控制器魯棒性以外還需考慮電網(wǎng)傳入干擾的嚴(yán)格控制。

目前，中國電力科學(xué)研究院已經(jīng)自主研發(fā)了微網(wǎng)微源的智能接口技術(shù)如“同步逆變器”，在很多方面逐步形成體系，例如虛擬電機(jī)、三相四線供電、諧波下垂控制器、容性等效輸出逆變器（可改善電壓調(diào)整）以及微網(wǎng)與柔性電力裝置的結(jié)合，提供了實現(xiàn)柔性電力技術(shù)在配電網(wǎng)及微電網(wǎng)中更好應(yīng)用的解決方法[2]。

2 探討與展望

本文通過對微電網(wǎng)逆變器控制的概述，梳理出微網(wǎng)及其逆變器的一些新興關(guān)鍵技術(shù)需求和技術(shù)發(fā)展趨勢。

（1）交流微電網(wǎng)變流器的阻抗控制。前述分析表明，并網(wǎng)逆變器可以通過直接功率、直接電壓或直接電流控制來完成可再生能源并網(wǎng)。但是，其輸出阻抗是不受控的，會因阻抗不匹配而引發(fā)一些特殊的穩(wěn)定性問題，譬如諧波諧振等。為此，若能直接控制逆變器的輸出阻抗，即可很好地解決微電網(wǎng)運(yùn)行控制中遇到的若干技術(shù)難題。逆變器的阻抗與微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定直接相關(guān)，研究單臺逆變器的輸出阻抗特性，以及分析多臺逆變器阻抗之間的穩(wěn)定判據(jù)，具有重要的意義。此外，研究一些逆變器輸出阻抗的重塑方法，提升微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定也具有十分重要的研究價值。

（2）交流微電網(wǎng)內(nèi)多逆變器孤島檢測的協(xié)調(diào)。孤島檢測是逆變器微電網(wǎng)所研究的另一個熱點問題，單臺逆變器的孤島檢測在近年來取得了很多研究成果，但是含有多臺變流器的微電網(wǎng)孤島檢測進(jìn)展緩慢，還需要進(jìn)一步的深入研究。

（3）交流微電網(wǎng)的負(fù)荷。微電網(wǎng)靠近負(fù)荷末端，單相負(fù)荷、小功率光伏、風(fēng)電機(jī)組等以單相的形式接入微電網(wǎng)，使得微電網(wǎng)不平衡問題突出，針對微電網(wǎng)不平衡的應(yīng)對及解決方案，具有重要的研究價值，負(fù)荷均衡化具有重要的價值。微電網(wǎng)由電源和負(fù)荷兩大能量主體構(gòu)成，大多通過逆變器接入微電網(wǎng)。已有大量的研究關(guān)注到微電網(wǎng)電源中所配置的逆變器所具有的調(diào)節(jié)能力，出現(xiàn)了具有多種電網(wǎng)輔助服務(wù)功能的變流器。但是，微電網(wǎng)中負(fù)荷側(cè)變流器的可控性和可調(diào)節(jié)能力關(guān)注不多，隨著越來越多的負(fù)荷采用變流器接入電網(wǎng)，微電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)的調(diào)節(jié)自由度還有待進(jìn)一步的深入開發(fā)。

（4）交流微電網(wǎng)逆變器的虛擬電機(jī)控制。為了協(xié)調(diào)微電網(wǎng)中的多臺逆變器的控制，達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，基于傳統(tǒng)電網(wǎng)的運(yùn)行機(jī)制，相繼提出了下垂控制、基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制策略。但是由于逆變器的控制方式靈活、暫態(tài)響應(yīng)速度過快的特點，因此模擬傳統(tǒng)電網(wǎng)中同步電機(jī)的運(yùn)行機(jī)制不見得是微電網(wǎng)中的最佳解決方案，其他一些全新的協(xié)調(diào)運(yùn)行措施或機(jī)制仍有待進(jìn)行深入挖掘。例如，采用基于虛擬振蕩器的控制等。虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)作為一種既能能并網(wǎng)，也能離網(wǎng)運(yùn)行的控制策略，在單臺逆變器的控制方面表現(xiàn)出了很多優(yōu)越性能，目前也有很多這方面的研究。但是目前對多臺虛擬同步電機(jī)的協(xié)調(diào)控制研究很少，而要實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必須協(xié)調(diào)控制好多臺虛擬同步電機(jī)以及虛擬同步電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

（5）新型電力電子器件在微電網(wǎng)變流器中的應(yīng)用。碳化硅（SiC）等寬禁帶的新型電力電子器件以其優(yōu)異的性能，給微電網(wǎng)帶來了嶄新的機(jī)遇。譬如，新型電力電子器件相對于硅（Si）器件具有更高的開關(guān)速度，提高器件開關(guān)頻率，可以相應(yīng)地提高控制器的帶寬，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能；同時，該類器件還具有更低的損耗，可以進(jìn)一步提高變流器的功率密度。針對新型器件在微電網(wǎng)變流器中的應(yīng)用，同樣也面臨諸多亟待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)。譬如，新型電力電子器件的建模（包括物理模型、行為模型和電路模型）、高頻場合下應(yīng)用設(shè)計與應(yīng)對（寄生參數(shù)等）、功率器件的新型集成封裝技術(shù)等。

（6）交流微電網(wǎng)逆變器的慣性缺失機(jī)理與修復(fù)。微電網(wǎng)變流器具有非?？斓臅簯B(tài)過程，幾乎沒有慣性，給電網(wǎng)穩(wěn)定帶來了一定的挑戰(zhàn)。尤其是在離網(wǎng)運(yùn)行模式下，新能源輸出功率的波動性大，在變流器沒有足夠旋轉(zhuǎn)慣量的情況下，微電網(wǎng)的頻率波動較大。值得指出的是，微電網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身具有慣性，只是通過變流器的阻隔后，部分甚至完全失去了慣性。通過在變流器的直流側(cè)引入儲能，并通過靈活的控制策略，可以在變流器合成出虛擬的慣量特性，增強(qiáng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。分析變流器慣性缺失的內(nèi)在機(jī)理，以及慣性的修復(fù)控制策略具有重要的意義[4-6]。

3 結(jié)束語

離網(wǎng)模式下微電網(wǎng)變流器控制策略研究的重點是并聯(lián)微電網(wǎng)變流器之間有功、無功合理分配、系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及微電網(wǎng)并離網(wǎng)無縫切換等問題。而很少有文獻(xiàn)對并網(wǎng)模式下微電網(wǎng)變流器產(chǎn)生的諧波電流如何抑制等問題進(jìn)行研究。因此可以對這個問題進(jìn)行深入探討，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。微電網(wǎng)變流器必須具備在并網(wǎng)和離網(wǎng)模式下穩(wěn)定運(yùn)行的能力，因此微電網(wǎng)雙運(yùn)行模式下變流器控制的研究將成為今后研究的重點方向之一。

本文主要從變流器控制角度來概述了電力電子技術(shù)在微電網(wǎng)當(dāng)中的應(yīng)用，而體現(xiàn)電力電子技術(shù)在微電網(wǎng)當(dāng)中另一方面應(yīng)用的柔性交流輸電技術(shù)沒有涉及到，有待于進(jìn)一步研討。

[1]鄭漳華，艾芊.微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀及在我國的應(yīng)用前景[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（16）：27-31.

[2]楊新法，蘇劍，呂志鵬，等.微電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，34（1）：57-70.

[3]黃勝利，張國偉，孔力.電力電子技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2008，27（9）：55-59.

[4]梁建鋼，金新民，吳學(xué)智，等.基于下垂控制的微電網(wǎng)變流器并網(wǎng)運(yùn)行控制方法改進(jìn)[J].電力自動化設(shè)備，2014，34（4）：59-65.

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Research on the Application of Power Electronics in Micro Grid

MAO Lei-jie
（Shanxi Zhangze Power Limited by Share Ltd of Hejin Power Company，Zhangze Shanxi 030000，China）

At present，more and more access to distributed power distribution network，change the traditional structure of the distribution network，and grid connected distributed power grid may cause voltage deviation，frequency offset.The micro grid concept is put forward in order to weaken the influence on the distributed power distribution network，the maximum acceptance in distributed power supply.Micro grid，power electronics technology plays an important role，while the converter control is a core.The converter control is the way to realize the micro grid control，and control of the micro grid operation is the premise of micro grid stable operation. Therefore，inverter as an example，the control in converter The application of micro grid operation control is summarized，and the application of key emerging technology in micro grid is summarized.

micro-grid；overview；transformer；power.electronics；power quality

TM61

B

1672-545X（2016）11-0077-03

2016-08-29

毛磊杰（1986-），男，山西運(yùn)城人，本科，工程師，主要從事于研究電力系統(tǒng)自動化方面的工作。