湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 吳 烜 席自強(qiáng) 張志文 彭文麗

基于光伏發(fā)電的微電網(wǎng)控制技術(shù)

湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 吳 烜 席自強(qiáng) 張志文 彭文麗

隨著新能源的發(fā)展，越來越多的新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到生活中。本文主要介紹利用新能源發(fā)電的微電網(wǎng)技術(shù)，微網(wǎng)技術(shù)是綜合考慮光伏孤立發(fā)電系統(tǒng)和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的一門新的光伏發(fā)電技術(shù)。采用主從控制法的微電網(wǎng)系統(tǒng)可以更好應(yīng)用到農(nóng)村用電系統(tǒng)，滿足農(nóng)村用電的需求。

微電網(wǎng)；主從控制策略；光伏逆變器

0 引言

隨著電力需求的不斷增長，大電網(wǎng)在過去數(shù)十年里體現(xiàn)出來的優(yōu)勢使其得以快速發(fā)展，成為主要的電力供應(yīng)渠道。然而，集中式大電網(wǎng)也存在一些弊端：成本高，運(yùn)行難度大，難以滿足用戶越來越高的安全性和可靠性要求。尤其近幾年來，世界范圍內(nèi)發(fā)生了幾次大面積停電事故以后，暴露出了大電網(wǎng)的脆弱性。因此，人們開始對電力系統(tǒng)的發(fā)展模式另辟蹊徑。利用新能源以及可再生能源在負(fù)荷處就近供電，降低符合對大電網(wǎng)的依賴，改善電網(wǎng)峰谷性能，提高供電可靠性，是大電網(wǎng)的有力補(bǔ)充和有效支撐。在農(nóng)村電網(wǎng)的改造中，可以更多地參照微電網(wǎng)運(yùn)行模式。利用不同類型的可再生能源相互配合來匹配農(nóng)村用電負(fù)荷的特性，支撐農(nóng)電系統(tǒng)使其安全平穩(wěn)運(yùn)行，提高供電的可靠性。

1 微電網(wǎng)概念的提出［1］

為了發(fā)揮分布式電源積極的作用，同時降低其帶來的不利影響，可以將分布式電源和電力負(fù)荷一起作為一個電力系統(tǒng)——微電網(wǎng)（Microgrid）。微電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)微電源的控制，并配有儲能裝置，還可以進(jìn)行冷、熱、電共同提供的系統(tǒng)。微電網(wǎng)兩種工作方式為并網(wǎng)與獨(dú)立運(yùn)行，具有高度的可靠性和穩(wěn)定性。

在國家大力發(fā)展智能電網(wǎng)的形式下，微電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，是新能源發(fā)展的重要支撐。

2 微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示［2］，圖中包含多個DG和儲能元件，這些系統(tǒng)和元件聯(lián)合向負(fù)荷供電，整個微電網(wǎng)相對大電網(wǎng)來說是個整體，通過一個斷路器與上級電網(wǎng)的變電站相連接。圖中的微電網(wǎng)包括3條饋線、 ，裝置與配電系統(tǒng)相連，可實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)與并網(wǎng)運(yùn)行模式間的平滑無縫轉(zhuǎn)換。其中A和B為敏感負(fù)荷，安裝有多個DG，饋線A中含有一個運(yùn)行于熱電聯(lián)產(chǎn)的DG，該DG向用戶提供熱能和電能。饋線C為非敏感性負(fù)荷，孤網(wǎng)情況下微電網(wǎng)內(nèi)部過負(fù)荷運(yùn)行時，可以切斷系統(tǒng)對C的供電。當(dāng)外界大電網(wǎng)出現(xiàn)故障停電或電力質(zhì)量問題時，微電網(wǎng)可以通過主斷路器切斷與電網(wǎng)的聯(lián)系，孤網(wǎng)運(yùn)行。此時，微電網(wǎng)的負(fù)荷全部由DG承擔(dān)，饋線C繼續(xù)通過母線得到來自主電網(wǎng)的電能維持正常運(yùn)行。如果孤網(wǎng)情況下無法保證電能的供需平衡，可以斷開饋線C，停止對非重要負(fù)荷供電。當(dāng)故障消除后，主斷路器重新合上，微電網(wǎng)重新恢復(fù)和主電網(wǎng)聯(lián)系同步運(yùn)行，保證系統(tǒng)平穩(wěn)度過到孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。在微電網(wǎng)的這種結(jié)構(gòu)下，多個DG局部就地向重要負(fù)荷提供電能和電壓支撐，這在很大程度上減少了直接從大電網(wǎng)買電和電力傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)，并可增強(qiáng)重要負(fù)荷抵御來自主電網(wǎng)故障影響能力。此外，在大電網(wǎng)發(fā)生故障或其電能質(zhì)量不符合系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，微電網(wǎng)可以以孤網(wǎng)模式獨(dú)立運(yùn)行，保證微電網(wǎng)自身和大電網(wǎng)的正常運(yùn)行，從而提高供電可靠性和安全性。［3］

3 微電網(wǎng)的控制方法

3.1 主從控制法（Master－Slave Control）［4］

主從型控制法是將各個微電源采取不同的控制方法，并賦予不同的職能。其中，一個（或幾個）作為主電源，來檢測電網(wǎng)中的各種電氣量，根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行情況來采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)手段，通過通信線路來控制其他“從屬”電源的輸出來達(dá)到整個微電網(wǎng)的功率平衡，使電壓頻率穩(wěn)定在額定值。主從法控制的一般過程如下：

（1）當(dāng)檢測單元檢測到孤島、或者電網(wǎng)主動從配電網(wǎng)斷開進(jìn)入孤島運(yùn)行模式時，微電網(wǎng)控制切換到主從模式，通過調(diào)整各個微電源的出力來達(dá)到功率平衡。

（2）當(dāng)微電網(wǎng)負(fù)載變化時，首先由主電源自動根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)輸出電流，增大或者減小輸出功率；同時檢測并計(jì)算功率的變化量，根據(jù)現(xiàn)有的發(fā)電單元的可用容量來調(diào)節(jié)某些從屬電源的設(shè)定值，增大或減小它們的輸出功率；當(dāng)其他電源輸出功率增大時，主電源的輸出相應(yīng)地自動減小，從而保證主電源始終有足夠的容量來調(diào)節(jié)瞬時功率變化［5］。

（3）當(dāng)電網(wǎng)中無可調(diào)用的有功或無功容量時，只能依靠主單元來調(diào)節(jié)。當(dāng)負(fù)荷增加時，根據(jù)負(fù)荷的電壓依賴特性，可以考慮適當(dāng)減小電壓值；如果仍然不能實(shí)現(xiàn)功率平衡，可以采取切負(fù)荷的措施來維持微電網(wǎng)運(yùn)行。主從控制策略也存在一些缺點(diǎn)。首先，主電源采用Vf控制法，其輸出的電壓是恒定的，要增加輸出功率，只能增大輸出電流；而負(fù)荷的瞬時波動通常首先是由主電源來進(jìn)行平衡的，因而要求主電源有一定的容量；其次，由于整個系統(tǒng)是通過主電源來協(xié)調(diào)控制其他電源，一旦主電源出現(xiàn)故障，整個微電網(wǎng)也就不能繼續(xù)運(yùn)行；另外，主從法依賴于通信，因此通信的可靠性對系統(tǒng)的可靠性有很大的影響，而且通信設(shè)備會使系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性增大。

主從式并聯(lián)系統(tǒng)由一個電壓控制的PWM逆變器（VCPI）單元，若干個電流控制PWM逆變器（CCPI）單元和功率分配器單元組成［6］。VCPI作為主控單元，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓輸出，這里由公共電網(wǎng)提供。CCPI作為從單元，具有電流跟隨作用，無逆流并網(wǎng)光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 無逆流并網(wǎng)光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

無逆流并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的功能說明：

①當(dāng)太陽能功率＞負(fù)載功率時，此時不需要市政電網(wǎng)提供功率，將市政電網(wǎng)功率分配為0。

②當(dāng)太陽能功率＜負(fù)載功率時，此時市政電網(wǎng)需要提供的功率為負(fù)載與太陽能的差額。

③當(dāng)太陽能功率＜某一定值時，此時太陽能提供的功率為0，市政電網(wǎng)提供負(fù)荷的全部功率。

3.2 光伏逆變電源設(shè)計(jì)

VCPI表示為一個穩(wěn)定正弦電壓源和一個由電感Lr和電容Cr構(gòu)成的輸出濾波器；CCPI受功率分配器控制的電流源以及扼流電感Li（i＝1，2，…n），扼流電感使輸出電流平滑。每個CCPI單元的參考電壓由功率分配器根據(jù)負(fù)載電流生產(chǎn)。必須指出的是，盡管CCPI跟蹤參考電流的快速電流響應(yīng)，但每個CCPI單元的輸出電流和負(fù)載電流之間仍有時間的延遲或相位差，主單元VCPI的輸出電流超前從單元的CCPI，但這并不影響并聯(lián)系統(tǒng)的性能，因?yàn)殡娏黜憫?yīng)快，這個時間延遲小。

（1）電壓控制PWM 逆變器（VCPI）［7］。VCPI是在并聯(lián)系統(tǒng)的主控單元，提供恒壓恒頻的正弦輸出，這里由公共電網(wǎng)代替。

（2）電流控制PWM逆變器（CCPI）。電流控制PWM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于AC驅(qū)動和無功補(bǔ)償系統(tǒng)，文獻(xiàn)中介紹的典型電流控制逆變器包括滯后控制器、正弦PWM控制器、超前電流控制和狀態(tài)連接控制器。本并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)有N套CCPI單元，使電流參考跟蹤上功率分配器的分配電流。CCPI具有快速電流跟蹤特性，所以無需PLL鎖相電路，各并聯(lián)單元就能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行同步。CCPI從單元基本控制方框圖3所示。

圖3 從模塊基本控制方框圖

控制器內(nèi)設(shè)一個參考電流前饋，用來加快電流響應(yīng)。CCPI可以用任何控制器來設(shè)計(jì)，只要電流響應(yīng)快。并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓看成CCPI的一個干擾信號，用一個前饋來對其進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2.1 光伏逆變部分結(jié)構(gòu)說明

采用電壓霍爾對輸出電壓進(jìn)行采樣，采樣周期為20kHz［8］。電壓霍爾輸出信號經(jīng)調(diào)理電路送入DSP模／數(shù)轉(zhuǎn)換單元，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果暫存于DSP中，由此得到輸出電壓的反饋信息。將采樣得到的反饋信息與給定正弦表的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到偏差信號。將偏差信號及給定信號按一定的控制算法進(jìn)行計(jì)算，就得到脈寬控制量。在本系統(tǒng)中，控制算法采用的是重復(fù)控制加PID控制的方法，前者保證輸出波形的穩(wěn)態(tài)性能，后者保證輸出波形的動態(tài)性能。

由該控制量可以計(jì)算出當(dāng)前時刻SPWM波的占空比，使得輸出波形的占空比按正弦規(guī)律變化，這樣就得到了高頻SPWM波?？紤]到全橋逆變的上下橋臂不能直通，還必須在DSP的PWM口輸出中加入相應(yīng)的死區(qū)。死區(qū)的加入極為方便，只需軟件編程時，對DSP內(nèi)部的死區(qū)寄存器進(jìn)行設(shè)置，其就會自動在已有的PWM波中加入死區(qū)，并且死區(qū)時間是可以通過對寄存器設(shè)置不同的值來調(diào)整的。高頻SPWM波再通往驅(qū)動電路。由驅(qū)動電路產(chǎn)生的驅(qū)動脈沖控制功率開關(guān)管的通斷，從而產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的SPWM波，然后再經(jīng)LC濾波，去除高頻分量從而得到正弦波輸出電壓。［9］

3.2.2 光伏逆變器的控制算法與實(shí)現(xiàn)

重復(fù)控制的基本概念來源于控制理論中的內(nèi)模原理［10］，內(nèi)模原理指出：系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下無靜差跟蹤輸入信號的前提是閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定且包含輸入信號保持器，例如，包含一階積分環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對階躍指令的無靜差跟蹤，然而，積分環(huán)節(jié)1／s正是一個階躍信號保持器，這是它能實(shí)現(xiàn)對階躍指令無靜差跟蹤的根本原因。

在設(shè)計(jì)一個重復(fù)控制器的過程中，必須要有一個周期信號保持器用來消除周期參考信號或者擾動引起的周期跟蹤誤差。這個周期信號既可以用模擬方式產(chǎn)生，也可以由數(shù)字方式產(chǎn)生。然而在實(shí)際系統(tǒng)中，用模擬方法產(chǎn)生任意波形是非常困難的，相反，通過軟件控制方法可以很容易得到一個周期信號。

3.3 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

交流配電箱和直流配電箱的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)之前需要對防雷器、接觸器、斷路器等器件的工作原理以及選型參數(shù)有所了解。選擇防雷器時一般會考慮防雷器的殘壓和最大持續(xù)工作電壓。殘壓是壓敏型避雷器在沖擊電流作用下，壓敏電阻兩端所產(chǎn)生的電壓，殘壓在2KVA以下（20KA 8／20us）就能對用戶設(shè)備提供足夠的保護(hù)，最大持續(xù)工作電壓一般按照系統(tǒng)最大電壓的1.5～2倍選取。接觸器在系統(tǒng)中主要用于交流側(cè)的防逆流，在并網(wǎng)點(diǎn)的市電側(cè)安裝有3個電流互感器，每個互感器對應(yīng)一相，將電流互感器的二次側(cè)接入到防逆流繼電器中，防逆流繼電器通過判斷電流的大小控制交流接觸器的通斷，從而達(dá)到防逆流的目的，接觸器和短路器的選擇滿足相應(yīng)的電流和電壓參數(shù)即可。

4 結(jié)語

主電網(wǎng)只解決中心地區(qū)和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的用電，無法覆蓋偏遠(yuǎn)地區(qū)，而為幾十戶居民拉幾十甚至上百公里的電網(wǎng)要耗費(fèi)幾千萬元的成本。具有發(fā)電、輸電及配電功能的微網(wǎng)，更像一個本地化的獨(dú)立小電網(wǎng)，無需長距離輸電。太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能，都是農(nóng)村中常見的可再生能源，利用微電網(wǎng)這種供電方式為農(nóng)村供電，是一種適合農(nóng)村負(fù)荷特性的供電方案。既可以減少農(nóng)民用電的負(fù)擔(dān)，同時又可以使電力輸出更加可靠、更加平穩(wěn)地為農(nóng)村負(fù)荷供電。

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2012－03－20）