基于分布式發(fā)電的微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行控制策略

陳永杰，王斌，彭濤

（江蘇省電力公司太倉市供電公司，江蘇蘇州，215400；2.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇蘇州，215000）

基于分布式發(fā)電的微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行控制策略

陳永杰1，王斌2，彭濤1

（江蘇省電力公司太倉市供電公司，江蘇蘇州，215400；2.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇蘇州，215000）

微電網(wǎng)雖然在運(yùn)行控制方式上具有明顯優(yōu)勢，但在多種電源的接入下，尋找正確的方式實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的安全運(yùn)行是目前急需解決的問題之一。本文分析風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池的運(yùn)行特性，通過對逆變器控制方式的靈活切換，實(shí)現(xiàn)分布式電源接入的有效控制；在Matlab/Simulink的仿真環(huán)境下搭建微電網(wǎng)以及逆變器控制模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的微電網(wǎng)控制策略的合理性，能夠保證在不同工況下負(fù)荷的頻率和電壓在允許范圍。

微電網(wǎng)；并網(wǎng)控制；P-Q控制

0 引言

隨著常規(guī)化石能源的不斷枯竭，迫使人們尋找新的替代能源。大量可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)的接入給原有電力系統(tǒng)帶來很多新的問題，微電網(wǎng)提出能夠有效緩解分布式發(fā)電系統(tǒng)接入對電力系統(tǒng)的沖擊[1]。微電網(wǎng)集分布式發(fā)電系統(tǒng)、負(fù)荷及儲能與一體，通過合理的控制能夠盡量減少分布式發(fā)電系統(tǒng)隨機(jī)性、波動性對電力系統(tǒng)的影響[2]。

近年來，基于可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)的微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，通過合理的調(diào)度和控制，使微電網(wǎng)在電網(wǎng)運(yùn)行中扮演重要角色。文獻(xiàn)[3]針對多源微電網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種微電網(wǎng)控制策略實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換以及孤島下切增負(fù)荷的建模仿真。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂洗漱的微電網(wǎng)控制策略。文獻(xiàn)[5]針對微電網(wǎng)運(yùn)行特性，設(shè)計(jì)了一種用于削峰填谷調(diào)度的微電網(wǎng)控制策略。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種基于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗的微電網(wǎng)控制策略，實(shí)現(xiàn)了功率解耦和分配的準(zhǔn)確性。

本文設(shè)計(jì)了一種基于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、固體燃料電池以及儲能的微電網(wǎng)系統(tǒng)。通過分布式電源的恒功率控制實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行。最后通過matlab仿真驗(yàn)證本文所構(gòu)建微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可行性和可靠性，為微電網(wǎng)的開發(fā)利用提供了一種可行方案。

1 分布式發(fā)電系統(tǒng)

1.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般由風(fēng)力機(jī)、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)和槳距角控制系統(tǒng)四部分組成，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)力機(jī)風(fēng)能捕獲的過程直接決定了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)能利用效率。風(fēng)速恒定情況下，風(fēng)輪產(chǎn)生的機(jī)械功率如式（1-3）所示：

其中，Pwt為風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能；ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪掃過的面積；v為風(fēng)速；λ為葉尖速比（風(fēng)輪葉尖線速度和風(fēng)速的比值）；β為葉片漿距角； Cρ(λ,β）為風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；Ωl為風(fēng)速的轉(zhuǎn)速。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、逆變器和控制器組成，如圖2所示。光伏陣列實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；逆變器實(shí)現(xiàn)交直流變換；控制器實(shí)現(xiàn)光伏電池的MPPT、逆變器端的恒功率輸出。

光伏電池板的輸出的功率和溫度、日照強(qiáng)度的關(guān)系可以用式（4-6）來描述。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

其中，Ppv(t)為光伏電池在光照強(qiáng)度G(t)時的輸出功率；Gstc、Tstc、Pstc為標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下的光照強(qiáng)度、光伏溫度和最大輸出功率；k為溫度系數(shù)。T(t)為t時刻光伏電池表面溫度；Vw為風(fēng)速，Tair(t)為任意時刻的溫度值；Tmax，Tmin為溫度的最大值和最小值；tp為時間點(diǎn)。

1.3 固體燃料電池

SOFC由燃料燃燒處理模塊、電池發(fā)電模塊和能量儲存回收模塊組成。它以天然氣為燃料，空氣經(jīng)過壓縮器壓縮進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱，通入電池的陰極。陰陽極氣體在燃燒器中發(fā)生一定的電化學(xué)反應(yīng)，電池發(fā)電模塊工作，使電池發(fā)出電能，同時，由于電化學(xué)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量能再加熱燃燒器中沒有完全反應(yīng)的氣體，使之充分反應(yīng)，提高利用率。

2 微電網(wǎng)運(yùn)行控制

微電網(wǎng)控制的目標(biāo)是緩解分布式電源的接入對大電網(wǎng)的沖擊，保證用戶的用電質(zhì)量。在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時，網(wǎng)內(nèi)分布式電源采用P-Q恒功率控制。在該種控制方式下，電壓和頻率由大電網(wǎng)提供。但考慮到微電網(wǎng)需要一定的無功功率控制能力，在無功功率設(shè)定值時，要減少微電網(wǎng)中各分布式電源之間、微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間的無功功率交換。保證微電源的輸出功率恒定。P-Q控制框圖如圖3所示。

圖3 P-Q控制框圖

實(shí)現(xiàn)P-Q控制，需要采集網(wǎng)側(cè)逆變器輸出端電流，由鎖相環(huán)提取網(wǎng)側(cè)的相位信息并對三相電壓電流進(jìn)行派克變換。在外環(huán)功率環(huán)中，根據(jù)（7）式的關(guān)系由設(shè)定的參考功率給內(nèi)環(huán)電流環(huán)提供電流參考；在內(nèi)環(huán)電流環(huán)中，三相電流的dq分量與參考電流做差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，通過電壓前饋補(bǔ)償和交叉耦合補(bǔ)償，輸出控制信號Pmd、Pmq，進(jìn)而驅(qū)動SPWM波發(fā)生器驅(qū)動逆變器。

3 微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行控制仿真分析

3.1 微電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)配置

本文在Matlab/simulink環(huán)境下建立模型，如圖4所示。其中，微電網(wǎng)內(nèi)部電源由蓄電池、SOFC、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電四個部分并聯(lián)組成，微網(wǎng)內(nèi)部負(fù)載為圖中RLC1。在并網(wǎng)模式下，微電網(wǎng)經(jīng)過隔離變壓器后與電壓等級為35kV的大電網(wǎng)連接。在該模式下，微電網(wǎng)內(nèi)部電壓頻率由大電網(wǎng)支撐，保持穩(wěn)定，有功功率和無功功率能得到有效控制，微電網(wǎng)輸出功率穩(wěn)定。

圖4 微電網(wǎng)模型

（1）蓄電池：設(shè)定其標(biāo)準(zhǔn)電壓為380V，額定容量為50Ah，初始SOC為90%。圖5為直流母線端電壓，初始階段存在超調(diào)量，快速調(diào)節(jié)后穩(wěn)定在額定電壓。

圖5 蓄電池直流端電壓

（2）固體氧化物燃料電池：額定功率為40kW，額定電壓650V，額定電流51.5A。

（3）光伏發(fā)電：該模塊采用了MPPT擾動算法，實(shí)時采集光伏陣列的電壓電流，跟蹤光伏發(fā)電的最大功率電，其仿真模型如圖6所示。設(shè)定其日照為1000w/m2，溫度為25℃。

圖6 MPPT最大功率跟蹤模塊仿真模型

（4）風(fēng)力發(fā)電：設(shè)定值風(fēng)速為12m/s，風(fēng)輪機(jī)額定功率為10kW。

3.2 仿真分析

在并網(wǎng)模式下微電網(wǎng)內(nèi)所有分布式電源都采用恒功率控制模式，恒功率控制模式成為了整個微電網(wǎng)的主要控制策略。PQ控制模塊仿真模型如圖7所示。

圖7 P-Q控制模塊仿真模型

將微電網(wǎng)各組成部分連接成完整的并網(wǎng)系統(tǒng)，仿真時間為0.1s，網(wǎng)內(nèi)負(fù)載完全成阻性為40kW，在0.06s時突加負(fù)載（P=10kW,Q=3.6kVar），0.08s對負(fù)載進(jìn)行切除，PCC處三相電壓波形如圖8所示，波形穩(wěn)定性好，由于并網(wǎng)時，電壓頻率都有大電網(wǎng)提供，所以保持不變。圖9為光伏發(fā)電輸出功率波形，MPPT算法能夠快速跟蹤到最大功率，P-Q控制策略能夠穩(wěn)定最大功率持久輸出。微電源的有功功率和無功功率能夠隨著負(fù)荷切換進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整變化，如圖10所示，并保持穩(wěn)定，驗(yàn)證恒功率控制策略的正確性。

4 結(jié)論

微電網(wǎng)是緩解分布式發(fā)電系統(tǒng)接入沖擊的有效方法，本文通過分析不同分布式發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性，討論分布式發(fā)電系統(tǒng)的控制策略及控制方法，分析微電網(wǎng)不同運(yùn)行方式下分布式電源的控制方式，并通過仿真驗(yàn)證了一種基于風(fēng)光儲微電網(wǎng)并網(wǎng)控制策略的可行性，為分布式電源的開發(fā)利用以及微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了一種借鑒。

[1]余貽鑫,欒文鵬.智能電網(wǎng)的基本理念[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2011,44(05): 377-384.

[2]魯宗相,王彩霞,閔勇,等.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,31(19):100-107.

[3]畢大強(qiáng),牟曉春,任先文,等.含多微源的微電網(wǎng)控制策略設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù),2011,37(3):687-693.

[4]鄭永偉，陳民鈾，李闖，等.自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系統(tǒng)的微電網(wǎng)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化,2013,37（7）：6-11.

[5]黃秀瓊，魯籍元，牛煥娜，等.用于主網(wǎng)削峰填谷調(diào)度的風(fēng)/光/儲微電網(wǎng)控制策略[J].中國電力，2013,46（2）：87-92.

[6]王瑞琪，程艷，孫樹敏，等.基于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬阻抗的微電網(wǎng)控制與性能分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014,4（12）：78-86

Microgrid operational control strategy under grid-connected mode

Chen Yongjie1, Wang Bin2, Peng Tao1
(1.State Grid Jiangsu Electrical Power Company, Taicang power supply bureau, Suzhou Jiangsu,215400; 2. State Grid Jiangsu Electrical Power Company Operation & Maintenance Branch, Suzhou Jiangsu,215000）

The secure and steady operation of microgrid is the key problem with the high penetration of distribution generation, although microgrid has obvious advantages in the connectional control of distribution generations. The paper analyzes the operation characteristics of different distribution generation, such as wind generation, PV and SOFC. Distribution generation connected into microgrid through the inverter with a flexible control strategy between the PQ or VF control mode. A microgrid and inverter control mode are build in the matlab/simulink, the results show that the proposed control strategy is efficient and microgrid can operate under different load level.

Microgrid;Grid-Connected Control;PQ Control Strategy

圖8 PCC處三相電壓波形

圖9 光伏輸出功率

圖10 并網(wǎng)模式下功率的波形