基于光伏源的微電網(wǎng)孤島/聯(lián)網(wǎng)平滑切換控制

徐鵬坤，單曉晨

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

隨著清潔、可再生的分布式電源(DG)的快速發(fā)展，相關(guān)研究人員提出了微電網(wǎng)這一概念，旨在實(shí)現(xiàn)DG的優(yōu)勢(shì)最大化的同時(shí)減小其對(duì)電力系統(tǒng)的不利影響[1]。微電網(wǎng)具有將微源大規(guī)模并網(wǎng)、為用戶不間歇供電等優(yōu)勢(shì)，因此具有重要的研究意義[2]。

微網(wǎng)中的微源需要借助電力電子裝置與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。其中，光伏電池為代表的光伏源對(duì)外界(氣溫、光照等)敏感性較強(qiáng)，意味著相關(guān)的微電網(wǎng)控制策略對(duì)快速性和精確性有更高的要求，研究其并網(wǎng)運(yùn)行的特性更具實(shí)際意義與代表性[3-7]。

微網(wǎng)有兩種運(yùn)行模式：孤島運(yùn)行和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，其控制方法中，如何實(shí)現(xiàn)孤島與聯(lián)網(wǎng)的平滑切換最具有研究意義，也較難實(shí)現(xiàn)。因此，相關(guān)研究人員進(jìn)行了廣泛的研究，文獻(xiàn)[8]對(duì)風(fēng)光混合系統(tǒng)在PQ和下垂兩種控制策略下的模式切換進(jìn)行了研究，提出的綜合控制策略雖然各項(xiàng)指標(biāo)良好，但并未針對(duì)并網(wǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的暫態(tài)振蕩進(jìn)行修正。文獻(xiàn)[9]則是基于主從控制的微電網(wǎng)，對(duì)運(yùn)行模式的平滑切換方法進(jìn)行了研究，提出的控制器狀態(tài)補(bǔ)償方法有效減少了電流電壓振蕩，具有良好的借鑒意義。文獻(xiàn)[10]基于風(fēng)、光和電池組成的混合系統(tǒng)，提出了一種依據(jù)電壓和頻率偏移量來(lái)選擇控制策略的微網(wǎng)綜合控制方法，其仿真表明該方法在孤島模式下具有良好的效果。

本文基于含光伏源的微網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)微網(wǎng)孤島和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑切換進(jìn)行研究。并結(jié)合改進(jìn)后的預(yù)同步控制器，建立了一套由PQ控制器初始輸出狀態(tài)決定V/f控制器輸出狀態(tài)最終實(shí)現(xiàn)同步跟隨的平滑切換控制方法。對(duì)給定參數(shù)下電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)的性能與輸出阻抗進(jìn)行了分析和計(jì)算。計(jì)算及仿真結(jié)果表明，該方法效果良好，有效改善了并網(wǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的不必要的暫態(tài)振蕩。

1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及平滑模式切換

1.1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為本文采用的光伏—直流源逆變模型，也是微電網(wǎng)的主電源。光伏源和直流電壓源先后通過(guò)逆變器與LC濾波器接入微電網(wǎng)。正常工作情況下，微電網(wǎng)在公共連接點(diǎn)(PCC)處經(jīng)過(guò)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接入大電網(wǎng)。而當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，也可通過(guò)迅速關(guān)斷靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行隔離，保證微電網(wǎng)依舊能夠正常運(yùn)行。此外，該結(jié)構(gòu)由于功率流直接從公共電網(wǎng)流向微電網(wǎng)，能有效減小分布式電源的負(fù)擔(dān)。此外，其負(fù)荷擾動(dòng)下的穩(wěn)定性也獲得了提高[11]。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.2 微網(wǎng)平滑模式切換

由于微網(wǎng)在不同運(yùn)行模式下采用的控制策略有一定差異，并網(wǎng)瞬間控制模式切換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不可忽視的暫態(tài)振蕩。因此，本文提出了一種由PQ控制器初始輸出狀態(tài)決定V/f控制器輸出狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)同步跟隨的平滑切換控制方法。孤島模式時(shí)，采集V/f控制器輸出電壓的dq分量，并將其設(shè)定為PQ控制器輸出電壓dq分量的參考值，在并網(wǎng)控制策略切換過(guò)程中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)同步控制，減小切換瞬間的暫態(tài)振蕩。

1.2.1 控制器狀態(tài)同步控制方法

圖2 基于下垂的V/f控制器原理圖

功率與電流電壓關(guān)系如下(dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系)

P=UdId+UqIq

(1)

Q=UqId-UdIq

(2)

依次用Pref、Qref、Idref、Iqref替換，可以得到

(3)

(4)

圖3 控制器狀態(tài)同步控制原理圖

聯(lián)網(wǎng)前，K1、K2斷開(kāi)，K3、K4閉合，同步控制開(kāi)始，PI2成為PQ控制器的電流控制器，PI1提供PI2的參考電流；聯(lián)網(wǎng)后，K1、K2閉合，K3、K4關(guān)斷，PQ控制器依照給定的參考功率進(jìn)行輸出。

1.2.2 預(yù)同步控制器設(shè)計(jì)

本文使用改進(jìn)后的預(yù)同步控制器，如圖4所示，Um_d(UG_d)和Um_q(UG_q)分別是微電網(wǎng)(大電網(wǎng))一側(cè)母線電壓dq值；Ud_ref和Uq_ref分別為輸出到雙環(huán)控制器的參考電壓dq值；kmG是兩邊電壓存在差異時(shí)所引入的變比因子。結(jié)合圖1和圖3可知，該預(yù)同步控制器能較好完成微電網(wǎng)重新并網(wǎng)的調(diào)節(jié)工作。

圖4 改進(jìn)后的預(yù)同步控制器結(jié)構(gòu)原理圖

2 雙環(huán)控制器參數(shù)分析

本文采用電容電流反饋?zhàn)鳛殡妷弘娏麟p環(huán)控制器的內(nèi)環(huán)反饋，提前矯正輸出電壓，提高逆變器的帶負(fù)載能力，如圖5所示[13-15]。

圖5 雙環(huán)控制器結(jié)構(gòu)

電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示為

(5)

其中，電流比例增益函數(shù)為

(6)

推導(dǎo)電壓環(huán)傳遞函數(shù)為

(7)

其中，電壓比例增益函數(shù)為

(8)

因此，得到的逆變器等效輸出阻抗為

(9)

設(shè)置參數(shù)如下：逆變器直流側(cè)電壓Udc=120 V，載波頻率fs=6 kHz，LC濾波器中L=0.6 mH，C=1 500 uF，kup=2，kui=100，k=2。得到的階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)圖，分別如圖6和圖7所示，雙環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能良好，調(diào)整時(shí)間較短；輸出阻抗在50 Hz處表現(xiàn)為感性，高頻段則主要為阻性。在滿足下垂特性的同時(shí)，較大程度上抑制了諧波的生成。

圖6 Gu(s)階躍響應(yīng)

圖7 Z(s)頻域響應(yīng)

3 仿真與分析

仿真系統(tǒng)即為圖1所示的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，仿真參數(shù)按如下設(shè)置：微電網(wǎng)(大電網(wǎng))一側(cè)母線電壓為60 V(380 V)；負(fù)荷1有功(無(wú)功)100 kW(10 kvar)；負(fù)荷2有功(無(wú)功)7 kW(1 kvar)；負(fù)荷3有功(無(wú)功)2.5 kW(1 kvar)；額定有功(無(wú)功)5 kW(1.5 kvar)；光伏源設(shè)定為最大功率輸出模式，功率因數(shù)為1，標(biāo)定環(huán)境下(光照1 kW/m2，溫度25 ℃)最大輸出功率為1.6 kW；低壓線路為阻抗(0.5 Ω/km)；濾波電感、電容及電壓電流雙環(huán)控制器參數(shù)如上文設(shè)置；聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)設(shè)置直流逆變?cè)碢Q控制為參考有功(無(wú)功)5.5 kW(1.5 kvar)。

工作狀態(tài)中的光照強(qiáng)度保持為1 kW/m2，仿真結(jié)果如圖8～圖11所示，0～0.45 s，微電網(wǎng)以孤島模式進(jìn)行工作，其中0～0.3 s直流逆變?cè)词褂玫氖荲/f控制，0.3～0.45 s由于接收到了并網(wǎng)信號(hào)，改進(jìn)的預(yù)同步控制器開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)，對(duì)大電網(wǎng)電壓進(jìn)行跟蹤；0.45 s時(shí)，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)閉合，使微網(wǎng)正式并入大電網(wǎng)，此時(shí)的直流逆變?cè)辞袚Q為PQ控制；到0.7 s，微網(wǎng)與大電網(wǎng)連接斷開(kāi)，控制模式保持PQ控制不變；0.8 s時(shí)接收到了孤島信號(hào)，直流逆變?cè)辞袚Q回V/f控制模式。

如圖9(a)所示，0.3 s時(shí)預(yù)同步控制器開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)直流逆變?cè)从泄χ皇锹晕⑾陆担?.45 s時(shí)的并網(wǎng)以及0.7 s時(shí)的斷網(wǎng)，有功的輸出波動(dòng)均較小?？梢?jiàn)全程切換平滑，光伏源以最大功率進(jìn)行輸出。如圖9(b)所示，光伏源全程無(wú)功輸出為0，直流逆變?cè)丛跀嗑W(wǎng)后的切換過(guò)程中無(wú)功輸出波動(dòng)稍大，但能較快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。由圖10可知，整個(gè)過(guò)程中頻率波動(dòng)變化較小，保持在±0.5 Hz之內(nèi)，處于小功率微電網(wǎng)的頻率變化要求范圍(±1 Hz)之內(nèi)。從圖11中可以看到，改進(jìn)后的預(yù)同步控制器能使微電網(wǎng)與大電網(wǎng)母線端電壓保持一致，跟蹤效果良好，可為進(jìn)入并網(wǎng)狀態(tài)提供有利條件。

圖8 平滑模式下微源單相電壓電流

圖9 平滑切換下微源有功和無(wú)功輸出

圖10 平滑切換過(guò)程中微網(wǎng)頻率

圖11 PCC兩側(cè)單相電壓

4 結(jié)束語(yǔ)

保證微電網(wǎng)能夠迅速平穩(wěn)地進(jìn)行孤島/聯(lián)網(wǎng)平滑切換，是微電網(wǎng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。針對(duì)這一要求，本文基于含光伏源的微網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)微網(wǎng)孤島和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑切換進(jìn)行了研究。結(jié)合改進(jìn)后的預(yù)同步控制器，建立了一套由PQ控制器初始輸出狀態(tài)決定V/f控制器輸出狀態(tài)最終實(shí)現(xiàn)同步跟隨的平滑切換控制方法。此外，本文還在給定參數(shù)條件下計(jì)算分析了電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)的相關(guān)性能。仿真結(jié)果表明，微網(wǎng)孤島和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式的切換效果良好，切換過(guò)程平穩(wěn)，并未出現(xiàn)較大的暫態(tài)振蕩，較好地滿足了平滑切換的需求。由于文中只是針對(duì)于含光伏源的微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，較為單一，今后可豐富微源進(jìn)行微電網(wǎng)各模式間的平滑切換研究。

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