沈正元，初翠平

(東北電力大學(xué)研究生院，吉林吉林132012)

風(fēng)能是取之不盡用之不竭的清潔能源，是我國(guó)綠色能源發(fā)展的重要部分，也為邊遠(yuǎn)的農(nóng)村、海島居民提供了高效清潔的能源。風(fēng)力發(fā)電的輸出受很多的約束，具有明顯的周期性和不可預(yù)測(cè)性，負(fù)荷的隨機(jī)性也很大。這就需要利用儲(chǔ)能裝置來(lái)控制功率的波動(dòng)。當(dāng)微電源發(fā)出的功率有多余時(shí)，多余的能量可以儲(chǔ)存在電池中;反之，就把系統(tǒng)儲(chǔ)存在電池中的能量釋放出來(lái)，保持系統(tǒng)的供需平衡。當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)其能否起到一次調(diào)頻的作用，是微電網(wǎng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

微型風(fēng)電網(wǎng)和大電網(wǎng)結(jié)合供電具有明顯的優(yōu)點(diǎn)［1-2］。微型風(fēng)電網(wǎng)可以看作是未來(lái)新型電力系統(tǒng)的一種可選結(jié)構(gòu)，作為輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)后的第三級(jí)電網(wǎng)。常用的微型風(fēng)電網(wǎng)控制方法有:基于電力電子基礎(chǔ)下的即插即用與對(duì)等控制［3］、微網(wǎng)功率管理控制［4］和基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)控制［5］。

本文研究了微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略和并網(wǎng)條件下的穩(wěn)定性。在基于MATLAB/Simulink的環(huán)境下，通過(guò)對(duì)該微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換的仿真分析，驗(yàn)證了控制策略的有效性和正確性。

1 微型風(fēng)電網(wǎng)運(yùn)行方式

微型風(fēng)電網(wǎng)有孤島和并網(wǎng)2種運(yùn)行模式。并網(wǎng)模式是指:在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，微型風(fēng)電網(wǎng)與常規(guī)電網(wǎng)相連，并進(jìn)行能量交換，微型風(fēng)電網(wǎng)向電網(wǎng)提供自身多余的電能，或者從電網(wǎng)得到電能，彌補(bǔ)本身電能的缺失。孤島模式是指:微型風(fēng)電網(wǎng)和主電網(wǎng)斷開，由分布式電源向微電網(wǎng)內(nèi)部供電，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

1.1 并網(wǎng)模式下微型風(fēng)電網(wǎng)的運(yùn)行特性

微型風(fēng)電網(wǎng)在并網(wǎng)模式下運(yùn)行時(shí)，大電網(wǎng)對(duì)微型風(fēng)電網(wǎng)是一個(gè)支撐:首先體現(xiàn)在對(duì)微型風(fēng)網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié)和平衡;其次，大電網(wǎng)還維持了微電網(wǎng)內(nèi)部功率的平衡。分布式電源內(nèi)部的滲透率高，因此，一旦缺少了對(duì)局部電壓有效而迅速地控制，大電網(wǎng)內(nèi)部系統(tǒng)就會(huì)有電壓振蕩和偏移。那么電網(wǎng)中電壓的控制就希望無(wú)功電流不存在于各分布式電源之間;并網(wǎng)時(shí)，分布式電源為大電網(wǎng)提供輔助局部電壓支持。

1.2 孤島模式下微型風(fēng)電網(wǎng)的運(yùn)行特性

孤島運(yùn)行分為計(jì)劃內(nèi)和計(jì)劃外孤島運(yùn)行2種模式:出現(xiàn)未知狀況時(shí)，例如大網(wǎng)故障或者電能質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，這時(shí)的微網(wǎng)進(jìn)入了計(jì)劃外孤島，這個(gè)方法極大提高了微型風(fēng)電網(wǎng)和大電網(wǎng)的可靠性;為了取得更高的效益，微型風(fēng)電網(wǎng)主動(dòng)脫離大電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，這時(shí)稱為計(jì)劃內(nèi)的孤島運(yùn)行。對(duì)孤島下微電網(wǎng)控制，難度最大的是控制其頻率。

2 微型風(fēng)電網(wǎng)控制方法

微型風(fēng)電網(wǎng)相對(duì)于主網(wǎng)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)可控的模塊化單元，主要的控制設(shè)備有:DG系統(tǒng)控制器、可控負(fù)荷管理器、中央能量管理器、繼電保護(hù)裝置。

根據(jù)DG的不同，一般的可控制方法有PQ并網(wǎng)控制和孤島U/f，Droop控制策略以及可控負(fù)荷策略。等效電網(wǎng)的綜合控制法有基于U/f的多主微電網(wǎng)控制、U/f主從控制的微型風(fēng)電網(wǎng)系統(tǒng)VPD/FRB的協(xié)調(diào)控制策略、基于多代練系統(tǒng)的控制方法。

相對(duì)于微型風(fēng)電網(wǎng)整體來(lái)說(shuō)，微電網(wǎng)的控制策略可分為主從控制和對(duì)等控制。

3 微型電源及儲(chǔ)能控制方法

微型電源在孤島模式和并網(wǎng)模式運(yùn)行狀態(tài)下的控制模式是不同的，不同方法的采取和微型電源的種類相關(guān)。微型風(fēng)電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部含有大量電力電子控制器件，常用的有3種控制方法:并網(wǎng)模式下的P/Q控制、孤島模式下的調(diào)差控制和U/f控制。

微型風(fēng)電網(wǎng)在并網(wǎng)模式下通常使用的是P/Q控制法。此時(shí)，大電網(wǎng)的頻率和電壓對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行支撐。一般而言，使用電力電子逆變器的DG有2種P/Q控制法。

第1種控制策略針對(duì)的是有功控制和無(wú)功控制的不同對(duì)象。該策略是通過(guò)設(shè)定微型電源的原動(dòng)機(jī)有功參數(shù)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有功功率調(diào)節(jié)(如圖1所示)，根據(jù)直流電壓控制器輔助調(diào)節(jié)系統(tǒng)的內(nèi)部電壓，而系統(tǒng)的無(wú)功功率則按參考數(shù)值控制。系統(tǒng)的有功控制則由直流逆變器、電壓控制器和DG控制器一起完成?？刂频闹饕绞?首先給出原動(dòng)機(jī)初始參考值Psetpoint，根據(jù)參考值得出在原動(dòng)機(jī)自身功率調(diào)節(jié)器作用下的有功功率輸出;然后保證直流電壓在控制器PI1控制調(diào)節(jié)的情況下是恒定不變的，從而輸出DG的有功功率。無(wú)功功率輸出的控制主要是由控制逆變器決定:首先測(cè)量并計(jì)算出逆變器端口電壓與電流信號(hào)，求得輸出無(wú)功功率Q;接著通過(guò)PI2的控制，求出無(wú)功功率參考值Qref與實(shí)測(cè)的逆變器無(wú)功功率輸出Q之間的差值;最后通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器控制信號(hào)中無(wú)功電流的幅值，來(lái)實(shí)現(xiàn)恒定無(wú)功功率調(diào)節(jié)。

圖1 P/Q控制策略

第2種控制策略是直接控制電力電子逆變器實(shí)現(xiàn)P/Q控制。在這個(gè)控制策略中，首先選取一個(gè)同步旋轉(zhuǎn)軸，通過(guò)PARK變換將逆變器輸出電壓的abc分量轉(zhuǎn)換為成dq0分量。其中設(shè)q軸電壓分量ugq=0，根據(jù)以下公式可求得逆變器輸出功率［6］:

由此可以得內(nèi)環(huán)電流的dq軸參考值為

dq軸的電流參考值igd，ref和igq，ref與實(shí)際測(cè)量的電壓值igd、igq的差，通過(guò)PI控制器，得到逆變器輸出電壓參考值u'id，ref和u'iq，ref。根據(jù)逆變器的Lt，設(shè)置控制dq軸電壓的參考分量，uid，ref和uiq，ref經(jīng)過(guò)反PARK變換，轉(zhuǎn)化成 abc分量，完成逆變器的控制［7］，其控制策略如圖2所示。

4 微型風(fēng)電機(jī)組的原理及其模型

本文的風(fēng)機(jī)選擇無(wú)齒輪箱結(jié)構(gòu)的永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)。為了使風(fēng)機(jī)最大限度的吸收風(fēng)能，發(fā)電機(jī)選擇恒頻變速策略。雙PWM控制系統(tǒng)不僅可控制風(fēng)機(jī)的輸出，也可以對(duì)風(fēng)機(jī)的有功和無(wú)功進(jìn)行解耦，按需求輸出了功率，也調(diào)節(jié)了功率因數(shù)，保證了輸出電能符合負(fù)荷端的要求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 P/Q控制策略框圖

圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的工作流程:風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片，使風(fēng)機(jī)的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)切割磁感線，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，電流經(jīng)過(guò)整流和逆變，將電能輸出;為了保證風(fēng)能最大限度地被利用，風(fēng)機(jī)將通過(guò)最大功率跟蹤法實(shí)現(xiàn)最大輸出，風(fēng)機(jī)盡量工作在最大點(diǎn)。

5 微型風(fēng)電網(wǎng)的建模和仿真

5.1 基于MATLAB/Simulink的微電網(wǎng)仿真模型

系統(tǒng)仿真如圖4所示，其中DG1、DG2、DG3、 DG4和負(fù)荷構(gòu)成微型風(fēng)電網(wǎng)，再通過(guò)線路、斷路器與配電網(wǎng)相連［8］。假設(shè)4個(gè)微電源均為直流源或經(jīng)過(guò)整流后的直流源，再經(jīng)SVPWM逆變器逆變?yōu)槿嘟涣麟?。?dāng)微電網(wǎng)處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，4個(gè)微電源均采用PQ控制，控制其輸出的功率為恒定;當(dāng)微電網(wǎng)與主網(wǎng)斷開處于孤島模式運(yùn)行時(shí)，主控型分布式電源DG1和DG2都采用U/f控制，以保證母線1和母線2的電壓恒定，功率源型分布式電源DG3和DG4采用PQ控制，保證輸出功率恒定。負(fù)荷1和負(fù)荷2為敏感性負(fù)荷，運(yùn)行時(shí)應(yīng)保證其供電的可靠性;負(fù)荷3為普通負(fù)荷，必要時(shí)可以切除。LC低通濾波器用于高次諧波的去除。

5.2 系統(tǒng)仿真參數(shù)的設(shè)置

表1-表3為仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)。

表1 微電源參數(shù)

表2 負(fù)荷參數(shù)

圖4 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

表3 系統(tǒng)其它參數(shù)

5.3 微型風(fēng)電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證微型風(fēng)電網(wǎng)通過(guò)合理的控制保證可靠運(yùn)行，分別針對(duì)微型風(fēng)電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行或孤島運(yùn)行及兩種運(yùn)行模式來(lái)回切換時(shí)進(jìn)行仿真。

微型風(fēng)電網(wǎng)在0～0.1 s處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。0.1 s時(shí)，微型風(fēng)電網(wǎng)與主網(wǎng)斷開;0.1～1 s時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成孤島模式下運(yùn)行;1 s時(shí)，微型風(fēng)電網(wǎng)重新與主網(wǎng)相連，進(jìn)行功率交換。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 微電網(wǎng)模式切換時(shí)運(yùn)行特性

從圖5a和圖5b中看出，在0～0.1 s時(shí)，4個(gè)DG的有功功率輸出和無(wú)功功率的輸出曲線之間有功率差額。此時(shí)，可以得出DG1和DG2是在PQ控制下保持了有功和無(wú)無(wú)功輸出的穩(wěn)定，外網(wǎng)承擔(dān)了系統(tǒng)內(nèi)部的功率差額，分別提供了2.4 kW的有功和3.0 kVar的無(wú)功。在0.1～1 s內(nèi)，微型風(fēng)電網(wǎng)與外電網(wǎng)處于斷開狀態(tài)，它們之間不存在能量交換。這個(gè)階段即為孤島運(yùn)行，此時(shí)，DG1與DG2轉(zhuǎn)換由U/f控制法控制，由圖5a和圖5b可以看出，DG1和DG2輸出的有功功率和無(wú)功功率都相應(yīng)的增加，目的是彌補(bǔ)原本大電網(wǎng)對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行時(shí)承擔(dān)的差額功率，DG1和DG2根據(jù)自身的容量通過(guò)下垂系數(shù)調(diào)節(jié)所承擔(dān)的功率。在1 s時(shí)，微型風(fēng)電網(wǎng)重新并入主網(wǎng)，此時(shí)圖中線段值又增大，說(shuō)明輸出功率增加。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，并網(wǎng)時(shí)，DG通過(guò)PQ控制保證穩(wěn)定的有功和無(wú)功輸出;進(jìn)入孤島時(shí)，主控型的微電源通過(guò)U/f控制并根據(jù)其自身下垂系數(shù)自動(dòng)地調(diào)節(jié)功率輸出，補(bǔ)償大電網(wǎng)脫網(wǎng)后對(duì)微型風(fēng)電網(wǎng)產(chǎn)生的功率差額，從而使系統(tǒng)維持平衡。

圖5c表示在切并網(wǎng)過(guò)程中母線1和母線2的電壓的變化。可以看出，在0～0.1 s，0.1～1 s，1 s后三個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)，母線1和母線2上的電壓大小一直維持在380 V上下，0.1 s刻斷開時(shí)，電壓有小幅度的增加。圖5d表示系統(tǒng)內(nèi)頻率的變化，當(dāng)斷開聯(lián)網(wǎng)后，系統(tǒng)的頻率也有所增加。在1 s時(shí)，重新并網(wǎng)，電壓和頻率與大網(wǎng)匹配，在微型風(fēng)電網(wǎng)并網(wǎng)、脫網(wǎng)、再并網(wǎng)的過(guò)程中，電壓和頻率的變化不大，滿足系統(tǒng)的要求。

圖5e所指的是系統(tǒng)中電流的響應(yīng)曲線。0～1 s，PCC點(diǎn)處的電流沒(méi)波動(dòng);在1 s時(shí)，系統(tǒng)再并網(wǎng)，有一個(gè)較小的電流波動(dòng)，說(shuō)明在并網(wǎng)過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生很大的沖擊電流。

圖5f和圖5g為敏感負(fù)荷1和敏感負(fù)荷2的電壓及電流的波形。從圖中可以看出，DG1和DG2的電壓波形以及電流的波形十分光滑，表明在合理的控制策略下，微型風(fēng)電網(wǎng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島，再重新并網(wǎng)的過(guò)程是可以平滑過(guò)渡的。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文概述了微型風(fēng)電網(wǎng)的研究發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)微型風(fēng)電網(wǎng)內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和微型風(fēng)電網(wǎng)的控制方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究。在基于MATLAB/Simulink的環(huán)境下，通過(guò)對(duì)該微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換的仿真分析，驗(yàn)證了控制策略的有效性和正確性。

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