基于逆變器直流側(cè)電流控制的多微源并離網(wǎng)無縫切換

楊歡紅, 解 東, 武 霄, 丁宇濤, 王 潔, 楊小強(qiáng)

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090; 2.國(guó)網(wǎng)安徽省供電公司亳州供電公司, 安徽 亳州 236812;3.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司檢修公司, 上海 200063)

目前的電力能源主要來自化石能源,導(dǎo)致化石能源消耗嚴(yán)重,儲(chǔ)量逐年減少,能源供應(yīng)愈發(fā)緊張。另外,燃燒化石能源會(huì)產(chǎn)生廢氣和廢物,導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。人類在不斷尋求新的能源,希望能夠緩解化石能源過度消耗造成的能源緊張和環(huán)境污染等問題。因此,以光能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等可再生能源作為一次能源進(jìn)行發(fā)電的分布式發(fā)電(Distributed Generation,DG)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。

隨著分布式電源供電在傳統(tǒng)大電網(wǎng)中的滲透率不斷增加,在與電力系統(tǒng)配合使用的同時(shí),也對(duì)電力系統(tǒng)造成了一些負(fù)面影響。IEEE P1547/D08《關(guān)于分布式電源與電力系統(tǒng)互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)草案》規(guī)定:在電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),分布式電源必須立即斷開與大電網(wǎng)的連接。為了提高分布式電源的利用效率,即更加可靠高效地利用可再生資源,確保用戶的供電質(zhì)量,并且盡可能減小分布式電源接入大電網(wǎng)所帶來的負(fù)面影響,學(xué)者們提出了微電網(wǎng)的概念[1-4],相關(guān)研究也取得了豐碩的成果。

在微電網(wǎng)運(yùn)行過程中最重要的環(huán)節(jié)就是逆變器控制,控制方式主要有主從控制、對(duì)等控制和分層控制。其控制過程要滿足:保證母線在并網(wǎng)、離網(wǎng)及兩種方式轉(zhuǎn)換暫態(tài)過程的電能質(zhì)量;暫態(tài)過程中電壓幅值的穩(wěn)定;實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與配電網(wǎng)間的無縫轉(zhuǎn)換過程;實(shí)現(xiàn)即插即用。為了達(dá)到上述要求,文獻(xiàn)[5]提出了添加電壓幅值反饋量作為無功下垂控制的補(bǔ)償量,但控制環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,增加了補(bǔ)償系數(shù),參數(shù)選取難度增大。文獻(xiàn)[6]提出通過檢測(cè)直流電壓,動(dòng)態(tài)平移下垂特性曲線,改變下垂控制平衡工作點(diǎn),但對(duì)平衡工作點(diǎn)的選取要求較高,且電壓存在穩(wěn)態(tài)誤差。文獻(xiàn)[7]提出了三折線變斜率下垂控制的改進(jìn)策略,但仍不能消除電壓存在的穩(wěn)態(tài)誤差。

本文在研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)逆變器直流側(cè)與交流側(cè)電量關(guān)系的基礎(chǔ)上,提出了在模式轉(zhuǎn)換中加入逆變器直流側(cè)電流的控制策略,提升了蓄電池應(yīng)對(duì)功率不平衡時(shí)的輸出特性,控制環(huán)采用對(duì)直流側(cè)電流的調(diào)節(jié)控制,消除了電壓的穩(wěn)態(tài)誤差,避免了下垂控制誤調(diào)節(jié)的問題,能夠保證兩種方式有效快速的轉(zhuǎn)換。

1 微電網(wǎng)整體架構(gòu)

微電網(wǎng)的組成具有多樣化的性質(zhì),最簡(jiǎn)易的光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)僅需光伏電源和儲(chǔ)能模塊即可;較為復(fù)雜的微電網(wǎng)系統(tǒng)包含有冷、熱、電三聯(lián)供,由光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)以及儲(chǔ)能電源等模塊組成;更為復(fù)雜的大型微電網(wǎng)內(nèi)還含有多個(gè)小型子微電網(wǎng)。

圖1所示的微電網(wǎng)架構(gòu),是由風(fēng)、光、儲(chǔ)、微型燃?xì)廨啓C(jī)及負(fù)荷共同連接在公共母線上構(gòu)成的微電網(wǎng)系統(tǒng)。母線為交流母線,微源逆變器交流側(cè)和公共接點(diǎn)共同接在交流母線上。負(fù)荷側(cè)配置的開關(guān)控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集得到的負(fù)荷功率和電流數(shù)據(jù)傳送到微電網(wǎng)控制中心,并接收其發(fā)送的控制指令,控制負(fù)荷投切。微源和儲(chǔ)能配置的開關(guān)控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將測(cè)量得到的電流、功率、電壓和頻率等數(shù)據(jù)發(fā)送到微電網(wǎng)控制中心,并接收其發(fā)送的運(yùn)行方式和參數(shù)的控制指令。微電網(wǎng)控制中心通過采集微電網(wǎng)的電量信息過程,完成對(duì)微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制及優(yōu)化管理,原則是:依據(jù)配電網(wǎng)和微電網(wǎng)的工作情況,決定微電網(wǎng)運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換;依據(jù)配電網(wǎng)中心的調(diào)度和電價(jià)信息,調(diào)節(jié)公共連接點(diǎn)的潮流;依據(jù)負(fù)荷特性調(diào)整微電網(wǎng)內(nèi)各單元,保障微電網(wǎng)輸出的電能質(zhì)量,滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求;依據(jù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)原則調(diào)節(jié)微源的輸出,縮減能源消耗。

圖1 微電網(wǎng)架構(gòu)示意

為了滿足上述要求,需要采取有效的控制策略對(duì)各微源逆變器進(jìn)行控制,保證重要負(fù)荷的持續(xù)供電。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電因其為間歇性能源,在孤島運(yùn)行時(shí)不作為母線電壓控制。圖1中的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電和儲(chǔ)能電源共同承擔(dān)母線電壓控制,是相對(duì)主要的電源。為了更好地滿足重要用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求,重要負(fù)荷和主電源應(yīng)在同一回路中,在并離網(wǎng)發(fā)生的瞬間,最大程度地保證重要負(fù)荷的無縫轉(zhuǎn)換,主電源功率輸出應(yīng)與重要負(fù)荷的容量配置相匹配,這樣才能保證重要負(fù)荷和主電源功率能在很短時(shí)間內(nèi)迅速平衡。

2 直流側(cè)電流控制多微源并列運(yùn)行原理分析及控制環(huán)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的微電網(wǎng)多微源組網(wǎng)運(yùn)行時(shí),控制方法主要是模擬配電網(wǎng)中的多電源并列運(yùn)行的方法,在微電網(wǎng)系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí),能夠支撐母線電壓穩(wěn)定的微源主要是儲(chǔ)能電源、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、柴油發(fā)電機(jī),當(dāng)多個(gè)微源同時(shí)支撐母線電壓穩(wěn)定策略時(shí),存在并列運(yùn)行無縫切換[8-11]的控制問題。多個(gè)微源在控制母線電壓幅值時(shí)大多采用下垂控制,其中的主要問題有下垂參數(shù)選取難度大、存在誤調(diào)節(jié)的可能、調(diào)節(jié)后的電壓存在穩(wěn)態(tài)誤差等。本文主要對(duì)基于虛擬超級(jí)電容(Virtual Super Capacitor,VSC)控制策略的多微源運(yùn)行進(jìn)行分析與仿真,并驗(yàn)證方法的有效性。

2.1 多微源并列運(yùn)行原理分析

為了擴(kuò)大微電網(wǎng)的系統(tǒng)容量,常采用多個(gè)微源并列運(yùn)行的方法,組成冗余系統(tǒng),提高微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。多微源并列等效電路圖如圖2所示。

圖2 多微源并列等效電路示意

兩微源并列在a點(diǎn)和b點(diǎn),共同帶負(fù)荷ZL,在n個(gè)微源的共同作用下,負(fù)載電壓為UL∠θL,負(fù)載電流為IL。

(1)

可知

(2)

功率分配與角度之間的關(guān)系為

(3)

選取UL的相位為參考相位。由于分配的有功功率和無功功率是一定的,則此時(shí)Im的幅值為

(4)

則m微源逆變器輸出側(cè)的基波電壓為

Um=ImZm+UL

(5)

求出其幅值和相位為Um和θm。根據(jù)文獻(xiàn)[12-15]可得

(6)

式中:idm,udm——第m個(gè)微源的直流側(cè)輸入電流和輸入電壓;

mm——第m個(gè)微源的逆變器PWM的調(diào)制系數(shù);

ρ——交流反電勢(shì)幅度因數(shù);

τm——時(shí)間常數(shù);

UL——負(fù)載電壓幅值;

Um——第m個(gè)微源的輸出電壓幅值;

ud——逆變器輸出的電壓幅值。

綜合上述各式,在多微源共同支撐孤島運(yùn)行狀態(tài)下的微電網(wǎng)電壓和頻率時(shí),可得各個(gè)微源直流側(cè)電流的參考值,其控制環(huán)設(shè)計(jì)與單個(gè)微源孤島運(yùn)行時(shí)一致。

2.2 逆變器控制環(huán)的設(shè)計(jì)

微電網(wǎng)并離網(wǎng)運(yùn)行功率不平衡時(shí)及離網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷發(fā)生變動(dòng)時(shí),直流側(cè)電流控制環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 直流側(cè)電流控制環(huán)結(jié)構(gòu)

3 多微源并列運(yùn)行仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證策略的有效性,基于PSCAD搭建了微電網(wǎng)仿真模型,如圖4所示。仿真模型參數(shù)如下:光伏電源容量為160 kW,風(fēng)力發(fā)電電源為200 kW,兩組蓄電池,每組蓄電池容量為100 Ah,額定電壓為1.8 V,額定放電率為0.3 C,負(fù)荷功率為(0.72+j0.45)MW,母線三相電壓有效值為0.38 kV 。

圖4 兩微源并離網(wǎng)仿真模型

0～1 s內(nèi)微電網(wǎng)在并網(wǎng)方式仿真工作,微源和儲(chǔ)能電池均用有功無功功率(PQ)控制。在1 s時(shí),蓄電池逆變器由PQ控制轉(zhuǎn)換成VSC控制模式。仿真進(jìn)行到1.5 s時(shí),兩微源進(jìn)行功率分配,將系統(tǒng)總負(fù)荷去掉光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的輸出后,剩余功率為(0.36+j0.45)MW,給微源1分配(0.24+j0.225)MW,給微源2分配(0.12+j0.225)MW,仿真結(jié)果如下。

在1 s時(shí),微電網(wǎng)發(fā)生工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換過程中微電網(wǎng)的電壓頻率如圖5所示。由圖5可知,0～1 s并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)定后,各分布式電源的輸出功率均與給定的PQ值保持一致;在1 s時(shí),微電網(wǎng)由并網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)入離網(wǎng),離網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定后,風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電仍然按照PQ控制策略給定的輸出狀態(tài)運(yùn)行,而微源1和微源2運(yùn)行在VSC控制策略,按照功率分配計(jì)算其直流側(cè)電流進(jìn)行控制。通過孤島穩(wěn)定運(yùn)行后的結(jié)果可以看出控制策略的有效性。

圖5 兩微源并離網(wǎng)運(yùn)行分布式電源功率

兩微源并離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的母線電壓和頻率如圖6所示。直流側(cè)電流輸出如圖7所示。

圖6 兩微源并離網(wǎng)切換時(shí)母線電壓和頻率

由于在1 s轉(zhuǎn)換時(shí),有功功率過剩,無功功率不足,此時(shí)母線頻率上升,母線電壓下降,通過VSC控制使兩微源直流側(cè)電流快速穩(wěn)定到穩(wěn)態(tài)值,減少了波動(dòng)過程,同時(shí)縮小了波動(dòng)幅值,有效地防止了并離網(wǎng)切換的失敗。其中,頻率上升最大值為50.13 Hz,偏差為0.13 Hz,電壓最小為0.98 p.u.,穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓為0.996 p.u.,偏差為-0.4%,誤差很小,可以認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)的無差控制。兩微源可接負(fù)載比單微源要多,但運(yùn)行時(shí)偏差反而更小。由此可見,由于并聯(lián)運(yùn)行時(shí)提高了系統(tǒng)的容量,微電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性得到了提升。

圖7 兩微源并離網(wǎng)切換時(shí)直流側(cè)電流輸出

4 結(jié) 論

針對(duì)主逆變器無功-電壓下垂控制存在電壓偏移和誤調(diào)節(jié)的問題,提出了基于直流側(cè)電流的控制策略,與傳統(tǒng)的下垂控制策略相比,本控制策略的優(yōu)勢(shì)如下。

(1) 傳統(tǒng)的下垂控制策略與逆變器的容量有關(guān),而直流側(cè)電流的控制策略在不影響系統(tǒng)性能的條件下,具有較高的靈活性,可以根據(jù)需求合理地分配微源的輸出情況。

(2) 傳統(tǒng)的下垂控制策略在控制微電網(wǎng)的電壓幅值時(shí),控制結(jié)果存在穩(wěn)態(tài)誤差,這是下垂控制本身的缺陷;而基于直流側(cè)電流控制策略從原理上是根據(jù)逆變器交直流電量的關(guān)系計(jì)算得到的,不存在穩(wěn)態(tài)誤差。仿真結(jié)果證明了本文方法的可行性和有效性。