張文煜 劉立群 楊凱

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院,山西 太原 030024)

微電網(wǎng)的功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張文煜 劉立群 楊凱

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院,山西 太原 030024)

目前,分布式電源應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大,由多個(gè)分布式電源組成的微電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要補(bǔ)充越來(lái)越受到重視,微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性是目前的研究重點(diǎn)。分析了微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行模式下的PQ控制策略,以及微電網(wǎng)在獨(dú)立運(yùn)行模式下的V/f控制策略,給出了PQ、V/f兩種控制策略的Matlab/Simulink仿真模型;論述了各個(gè)子模塊的建立方法,給出了控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。最后通過(guò)仿真算例,驗(yàn)證了模型的正確性和控制方法的有效性。

微電網(wǎng) 分布式電源 PQ控制 V/f控制 Matlab/Simulink 電力系統(tǒng) 控制器

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展,電力需求與日俱增,但目前我國(guó)發(fā)電形式仍以煤炭發(fā)電為主,對(duì)煤炭的過(guò)度開(kāi)采將導(dǎo)致煤炭資源迅速枯竭,而利用此類(lèi)一次能源時(shí)將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生極大的污染。因此,對(duì)清潔能源的利用迫在眉睫。為了應(yīng)對(duì)并解決上述問(wèn)題,太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源發(fā)電應(yīng)運(yùn)而生并迅速發(fā)展,分布式電源的大量推廣解決了電力供應(yīng)緊張的問(wèn)題。同時(shí),對(duì)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的研究以及對(duì)其控制也受到了人們的重視。

目前,不同國(guó)家以及研究機(jī)構(gòu)對(duì)微電網(wǎng)的定義各不相同,但不論哪種定義,其相同之處都是:微電網(wǎng)是將分布式電源以及負(fù)荷作為一個(gè)整體,形成可控的、既可與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行也可以獨(dú)立運(yùn)行的部分配電網(wǎng)。微電網(wǎng)中的分布式電源優(yōu)點(diǎn)較多:對(duì)安裝環(huán)境要求低,系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性高;分布式電源大部分采用的是清潔能源發(fā)電技術(shù)并且配備電力電子裝置進(jìn)行系統(tǒng)控制,因而能源利用效率比較高。綜上所述,未來(lái)電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)將離不開(kāi)微電網(wǎng)與分布式發(fā)電,分布式發(fā)電也將作為電力系統(tǒng)的有力補(bǔ)充存在。目前,對(duì)微電網(wǎng)的控制主要集中在對(duì)逆變器接口的控制上?？刂撇呗灾饕幸韵氯N:PQ控制、V/f控制和下垂控制。本文主要對(duì)前兩種控制進(jìn)行研究。

1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)大電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)靈活很多,典型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the typical micro-grid

圖1中,A、B、C是三條放射型的饋線。其中線路A帶有敏感負(fù)荷,并且有光伏發(fā)電作為分布式電源;饋線B上帶有可調(diào)節(jié)負(fù)荷,安裝燃?xì)廨啓C(jī)以及燃料電池作為分布式電源;饋線C帶有非敏感負(fù)荷,當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行無(wú)法提供足夠電能時(shí),可以切斷饋線C。

微電網(wǎng)的分布式電源既可在區(qū)域內(nèi)獨(dú)立運(yùn)行,形成獨(dú)立供電、供熱系統(tǒng),也可以與大電網(wǎng)連接,為大電網(wǎng)供電提供有力補(bǔ)充。

微電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷分為不同等級(jí),根據(jù)負(fù)荷等級(jí)不同配備不同個(gè)數(shù)的分布式電源。分布式電源獨(dú)立運(yùn)行時(shí),需要保證整個(gè)微電網(wǎng)的電壓以及頻率的恒定供給;而并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),則需要對(duì)其諧波進(jìn)行控制,此時(shí)的參考電壓跟頻率由大電網(wǎng)提供,微電網(wǎng)需要將所有出力輸入到大電網(wǎng)。

目前,分布式電源輸出大部分是直流電,需經(jīng)過(guò)DC/AC逆變得到工頻50 Hz交流電進(jìn)行供電或者并網(wǎng)。因此,電力電子技術(shù)尤其是逆變技術(shù)在微電網(wǎng)的運(yùn)行控制中具有不可替代的作用。

2 微電網(wǎng)的PQ控制

PQ控制一般應(yīng)用在并網(wǎng)控制系統(tǒng)中,微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),其輸出功率由逆變器輸出電壓、并網(wǎng)電壓以及連接電感共同決定。

當(dāng)(δU-δE)無(wú)限小時(shí),有功功率由(δU-δE)決定,無(wú)功功率則由電壓幅值決定。所以功率控制就簡(jiǎn)化為逆變器輸出電壓的控制。根據(jù)上述內(nèi)容可知,PQ控制就是將有功、無(wú)功解耦,對(duì)電流進(jìn)行控制,采用比例積分調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差為0。PQ控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 PQ控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 PQ control structure

本文采用的是SPWM調(diào)制方式,逆變器輸出電壓則通過(guò)鎖相環(huán)模塊進(jìn)行跟蹤,然后經(jīng)過(guò)派克變換將三相電壓轉(zhuǎn)為dq0軸的分量。由圖2可知,PQ控制模型由以下三部分組成:派克變換與鎖相環(huán)(software phase locked loop,SPLL)模塊、功率計(jì)算和控制模塊、電流控制模塊。

2.1 派克變換與SPLL分析建模

派克變換是實(shí)現(xiàn)PQ控制的必要條件,目的是將三相交流電壓電流變換到dq0坐標(biāo)系下。并網(wǎng)逆變器輸出三相基波電壓為u,則三相電壓為:

式中:ua、ub、uc為三相電壓;up為相電壓的幅值。

首先定義靜止abc坐標(biāo)系到dq0坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)變,公式為:

由式(4)可得:

上式說(shuō)明在abc坐標(biāo)系下,三相電壓是耦合的,轉(zhuǎn)換到dq0坐標(biāo)系下時(shí),d軸分量與q軸分量之間消除了這種耦合關(guān)系。

鎖相環(huán)的作用是對(duì)電壓、電流以及頻率進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤。在對(duì)短時(shí)間內(nèi)電壓或者電流信號(hào)畸變進(jìn)行跟蹤時(shí)一般采用的是軟件鎖相環(huán)技術(shù),此技術(shù)可以快速響應(yīng)系統(tǒng)信號(hào)微小變化。

三相電壓ua/b/c轉(zhuǎn)換到αβ坐標(biāo)系后,再將其轉(zhuǎn)換到dq0坐標(biāo)系,從而得到dq0軸電壓分量分別為ud和uq。θ*是dq0變換輸出的參考角度,作為派克變換的角度值。uq表示輸出與輸入之差,在頻率完全跟蹤時(shí)差值為0。差值0與q軸電壓分量uq作差后,經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)得到誤差信號(hào)ω,ω與初始角頻率ω0求和,得到積分環(huán)節(jié)的輸角頻率ω*,通過(guò)節(jié)分器最終輸出所需相位θ*。此控制方法需要兩個(gè)輸入量:一個(gè)是從電感流出的三相電流il,另一個(gè)是從逆變器輸出的三相交流電壓。dq0變換的參考頻率是通過(guò)跟蹤大電網(wǎng)頻率而得到的參考角頻率。

2.2 功率控制與電流控制分析建模

功率控制與電流控制是基于電壓源型逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,對(duì)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是電壓信號(hào),所以需要將電流控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓控制信號(hào)。由圖2可得到母線電壓:

式中:k=a,b,c。

經(jīng)派克變換后,母線電壓為:

其中饋線電壓的角頻率為ω。

經(jīng)派克變換到dq0坐標(biāo)后,令q軸分量為零,則分布式電源的有功功率和無(wú)功功率可表示為:

測(cè)得母線電壓后,同時(shí)給定參考功率Pref、Qref,得到流向母線的參考電流,參考電流d軸分量為iLdref,q軸分量為iLqref,可得:

式(7)可變?yōu)?

2.3 PQ控制參數(shù)設(shè)計(jì)

本文應(yīng)用的電流環(huán)控制是通過(guò)設(shè)置PI控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,PQ控制系統(tǒng)的電流環(huán)控制框圖如圖3所示。

圖3 PQ控制系統(tǒng)電流環(huán)控制框圖Fig.3 Current loop control of PQ control system

整個(gè)閉環(huán)回路中,濾波器上較小的電容電流可忽略,以電感電流為控制量,則濾波器的模型為:

逆變器的整個(gè)模型為[1]:

式中:kpwm為放大系數(shù),令kpwm=Udc/2;Tpwm為時(shí)間常數(shù)。

PI調(diào)節(jié)器的模型為:

反饋環(huán)節(jié)G4(s)的模型為(其中,Ts為開(kāi)關(guān)周期時(shí)間):

由以上可知,系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

通過(guò)以上公式可知:

由于Ts很小,所以s2的系數(shù)可以視為0,上式可簡(jiǎn)化為:

經(jīng)過(guò)以上研究,將電流控制環(huán)簡(jiǎn)化為一階函數(shù),仿真分析驗(yàn)證了控制的有效性。

3 微電網(wǎng)的V/f控制

與PQ控制相反,微電網(wǎng)在獨(dú)立運(yùn)行模式下一般采用V/f控制策略,從而保證電壓和頻率的穩(wěn)定。V/f控制是將逆變端電壓與交流側(cè)電壓相比,通過(guò)PI控制器實(shí)現(xiàn)電壓跟頻率的穩(wěn)定,具體實(shí)現(xiàn)方法很多,但常用雙環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn),即電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)控制。雙環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。與PQ控制結(jié)構(gòu)類(lèi)似,V/f控制結(jié)構(gòu)是通過(guò)對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)管進(jìn)行導(dǎo)通控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制;通過(guò)互感器采集逆變器的輸出電壓。此電壓從abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到dq0坐標(biāo)系后,再經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)生成電流內(nèi)環(huán)的參考電流iCdref和iCqref。這兩個(gè)電流與內(nèi)環(huán)采集的電流進(jìn)行比較,調(diào)節(jié)生成的電壓信號(hào),對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制,其控制框圖如圖4所示。

圖4 V/f控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 V/f control structure

由圖4可知控制模型分為兩部分,第一部分為派克變換部分,第二部分為電流電壓雙環(huán)控制部分。逆變側(cè)電壓un和iCn作為dq變換的輸入,并設(shè)置電壓環(huán)的參考輸入電壓ud-ref=380 V,uq-ref=0,頻率為50 Hz。

3.1 dq變換模型

V/f的dq變換模型與PQ控制的dq變換類(lèi)似,也是通過(guò)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)控制量的解耦合,可參照式(3)～式(5)。

3.2 電壓電流雙環(huán)控制原理與模型

經(jīng)過(guò)dq變化后,d軸分量和q軸分量還是呈現(xiàn)一種耦合關(guān)系。d軸和q軸的外環(huán)都是電壓環(huán),通過(guò)PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)與參考電壓的誤差為零,調(diào)節(jié)后的輸出是一個(gè)電流值,這個(gè)值作為電流環(huán)的參考電流。同時(shí),在該環(huán)節(jié)加入電容補(bǔ)償-ωCudref、-ωCuqref。為了提高電流環(huán)的響應(yīng)速度,內(nèi)環(huán)只用比例調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]。

3.3 V/f控制模型參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)基爾霍夫定律,由圖4所示控制框圖可得(Rn的電阻忽略不計(jì)):

將其轉(zhuǎn)化到S域并且加入電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)控制后,可得到V/f控制策略下雙環(huán)控制框圖,如圖5所示。

圖5 V/f控制策略下雙環(huán)控制框圖Fig.5 The double loop control of V/f control strategy

圖5中,kup+kui/S為電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)表達(dá)式,k為電流環(huán)的比例系數(shù),kpwm為逆變器的比例系數(shù),iCn-ref為輸入量,iCn為輸出量,則有:

內(nèi)環(huán)部分的表達(dá)式為:

將un-ref當(dāng)作輸入量,un當(dāng)作輸出量,則得到外環(huán)表達(dá)式為:

將式(23)代入式(21)得到:

則:

式中:Gu(S)為內(nèi)環(huán)表達(dá)式參數(shù);Z(S)為逆變單元的表達(dá)式。

電壓電流環(huán)節(jié)的表達(dá)式是非線性的,其參數(shù)的設(shè)置方法常用極點(diǎn)配置法。該部分所對(duì)應(yīng)的表達(dá)式為:

設(shè)定該環(huán)節(jié)中的極點(diǎn)為:

其中主導(dǎo)極點(diǎn)是S1,2,非主導(dǎo)極點(diǎn)是S3,則可得電壓電流環(huán)節(jié)的整體表達(dá)式:

比較式(28)、式(30)求得:

變化得到:

4 仿真分析

4.1 基于PQ控制的并網(wǎng)仿真分析

本文控制模型參數(shù)如下。

圖6 PQ控制仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of PQ control

從圖6(a)和圖6(b)可以看出,分布式電源在0.5 s時(shí),有功功率從25 kW變?yōu)?0 kW,無(wú)功功率從0變?yōu)?0 kW,此結(jié)果與PQ控制器所設(shè)置參考功率一致,說(shuō)明PQ控制模型有效地控制了微電源發(fā)出的功率。從圖6(c)、6(d)可以看出,在微電網(wǎng)功率發(fā)生突變時(shí),母線電壓基本保持恒定不變,相電壓幅值為311 V,有效值為220 V;頻率在0.5 s開(kāi)始有小的波動(dòng),最大波動(dòng)為0.000 11 Hz,滿足電力系統(tǒng)中頻率偏差不超過(guò)0.2～0.5 Hz的要求,在0.6 s后穩(wěn)定在50 Hz。通過(guò)仿真分析說(shuō)明,所建立的PQ控制模型在微電網(wǎng)并網(wǎng)中能很好地進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

4.2 基于V/f控制的孤島仿真分析

結(jié)合V/f控制結(jié)構(gòu)圖,可對(duì)微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)進(jìn)行Simulink建模,分布式電源可用直流源代替。直流輸入部分Udc=800 V,r=0.1 Ω,電容電感分別為C= 200 μF、L=4 mH。仿真總時(shí)間設(shè)定為2 s,在0～1 s時(shí),Uref=380 V,fref=50 Hz;在1～2 s時(shí),Uref=310 V,fref=50 Hz,也就是在第1 s時(shí)進(jìn)行電壓擾動(dòng),使其線電壓瞬間變?yōu)?10 V,此時(shí),V/f控制模型的參考電壓發(fā)生突變。電壓環(huán)中kup=20、kui=500,電流環(huán)kip=12;負(fù)載功率為P=50 kW、Q=0,仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 V/f控制仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of V/f control

從圖7(a)可以看出,在第1 s時(shí),母線相電壓幅值從380 V瞬時(shí)下降到310 V,與V/f控制器設(shè)置的參考電壓一致,這說(shuō)明V/f控制模型有效地控制了分布式電源發(fā)出的功率。從圖7(b)可以看出,在母線電壓發(fā)生改變時(shí),系統(tǒng)頻率基本保持恒定,能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。以上仿真說(shuō)明了此種控制方法對(duì)分布式電源獨(dú)立運(yùn)行時(shí)控制的有效性,也驗(yàn)證了所建立的V/f控制模型的正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立并網(wǎng)模式下微電網(wǎng)的PQ控制模型,以及獨(dú)立運(yùn)行模式下微電網(wǎng)的V/f控制模型,采用SPWM控制策略對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,并詳細(xì)給出了系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算方法。系統(tǒng)模型調(diào)整速度快,性能穩(wěn)定,通過(guò)仿真算例,驗(yàn)證了系統(tǒng)模型的正確性和控制算法的有效性。

[1] 何俊,彭力,康勇.PWM逆變器PI雙環(huán)模擬控制技術(shù)研究[J].通信電源技術(shù),2007,24(3):1-3.

[2] 肖朝霞.微網(wǎng)控制及運(yùn)行特性分析[D].天津:天津大學(xué),2008.

[3] 魯宗相,王彩霞.微網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2007,31(19): 100-106.

[4] 魯鴻毅.微型電網(wǎng)建模與控制策略的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2010.

[5] 吳浩偉,基于電壓控制模式的PV系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)[D].武漢:華中科技大學(xué),2006.

[6] 王成山,肖朝霞,王首相.微網(wǎng)綜合控制與分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008,32(7):98-102.

[7] Pecas J A,Lopes C L.Defining control strategies for micro grids islanded operation[J].IEEE Transactions on Power Systems,2006, 21(2):916-924.

[8] Kawabata T,Higashino S.Parallel operation of voltage source inverters[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1988, 24(2):281-287.

[9] Barnes M,Kondoh J,Asano H,et al.Real-world micro grids-an overview[C]//IEEE International Conference on System of Systems Engineering,USA,2007:2535-2542.

[10] Hatziargyriou N,Demonstration H,Asano R,et al.An overview of ongoing research,development,and demonstration projects[J]. IEEE Power&Energy Magazine,Fongoing Research,Development, 2007:78-94.

[11] Driesen J,Vermeven P,Belmans R.Protection issues in microgrids with multiple distributed generation units[C]//Fourth Power Conversion Conference,Japan,2007:646-653.

[12] Morozumi S,Nara K.Recent trend of new type power delivery system and its demonstrative project in Japan[J].IEEE Transactions on Power and Energy,2007,127(7):770-775.

[13] Kroposki B,Pink C,Basso T,et al.Microgrid standards and technology development[C]//IEEE Power Engineering Society General Meeting, USA,2007:1-4.

[14] Funabashi T,Yokovama R.Microgrid field test experiences in Japan[C]// IEEE Power Engineering Society General Meeting,Canada,2006:1-2.

[15] Driesen J,Katiraei F.Design for distributed energy resources[J]. IEEE Power and Energy Magazine,2008,6(3):30-40.

Design of the Power Control System for Micro-grid

At present,the application scope of distributed power supply is gradually expanding,as the important supplement of the electric power system,the micro-grid composed of multiple distributed power suppliers is receiving increasing attention,while the operation stability of the micro-grid becomes the research focus.The PQ control strategy of micro-grid under grid-connected operation mode,and the V/f control strategy of micro-grid under grid-disconnected operation mode are analyzed;the Matlab/Simulink simulation models of PQ and V/f control strategies are given.The establishing method of each sub module is expounded,and the design method of controller parameter is given.Finally the correctness of the model and the effectiveness of the control method are verified through simulation examples.

Micro-grid Distributed power supply PQ control V/f control Matlab/Simulink Electric power system Controller

TP202

A

山西省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào):20130321025-03);

太原科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):20122018)。

修改稿收到日期:2014-06-17。

張文煜(1989-),男,現(xiàn)為太原科技大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生;主要從事新能源發(fā)電以及并網(wǎng)技術(shù)的研究。