許磊，徐曄，侯朋飛，石朝泓，胡亞超

（解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，南京 210007）

0 引言

分布式電源（Distributed generations, DGs）能夠減少環(huán)境污染，就地消耗電力減少電能浪費(fèi)，具有很好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。在分布式電源與大電網(wǎng)的并網(wǎng)過(guò)程中需要解決到許多新技術(shù)問(wèn)題，包括新的并網(wǎng)方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制技術(shù)等[1-2]。各分布式電源相互并聯(lián)形成微網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)新能源供電的有效形式，微網(wǎng)將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置及控制裝置等系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤島運(yùn)行[3]。

一段時(shí)間以來(lái)，微網(wǎng)一直是國(guó)內(nèi)外電氣工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，美國(guó)、歐盟、日本在相關(guān)方面都做了深入的研究，也開(kāi)展了一些示范工程[4]。出于對(duì)本國(guó)本地區(qū)實(shí)際情況的考量，世界各地對(duì)微電網(wǎng)的研究側(cè)重點(diǎn)不盡相同，美國(guó)的電力工業(yè)側(cè)重于研究如何提高微電網(wǎng)的電能質(zhì)量和供電可靠性；歐洲微電網(wǎng)的研究更多關(guān)注于多個(gè)微電網(wǎng)的互聯(lián)問(wèn)題；日本則側(cè)重于微電網(wǎng)控制與儲(chǔ)能方面的研究。近些年，我國(guó)在微電網(wǎng)方面加大了投入，也在全國(guó)各地建起了許多示范性的項(xiàng)目，但是我國(guó)的微網(wǎng)建設(shè)與研究還處于起步嘗試階段，還有諸多技術(shù)與實(shí)際問(wèn)題亟待解決。

交流微網(wǎng)、直流微網(wǎng)、交直流混合微網(wǎng)是目前國(guó)內(nèi)外研究的分布式電源的三種典型的并網(wǎng)形式，微網(wǎng)研究主要涉及典型分布式電源特性研究，微網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)研究以及分布式電源并網(wǎng)過(guò)程中所用典型電力電子器件控制策略研究。本文詳細(xì)論述了交流微網(wǎng)、直流微網(wǎng)以及交直流混合微網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)，進(jìn)而研究了交流微網(wǎng)中關(guān)鍵器件控制策略以及直流微網(wǎng)典型分布式電源并網(wǎng)控制策略，最后通過(guò)對(duì)比分析不同微網(wǎng)研究現(xiàn)狀得出直流微網(wǎng)是分布式電源實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)更為簡(jiǎn)便、安全、可靠的結(jié)論。

1 交流微網(wǎng)

交流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1，各分布式電源通過(guò)電力變換裝置連接到交流母線然后以交流的形式對(duì)負(fù)載供電。交流微網(wǎng)中的分布式電源主要包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池、液流電池等，根據(jù)各分布式電源的發(fā)電特性不同，在其并網(wǎng)組成交流微網(wǎng)的過(guò)程中所涉及到的電力電子器件主要是DC/AC逆變器。依據(jù)逆變器所控制電氣參數(shù)的類型，逆變器的控制方式主要有：電壓控制方式及其衍生出的間接功率控制方式；由電流控制方式及其衍生出的直接功率控制[5]。

1.1 電壓控制策略

如圖2所示，該控制策略是將輸出電壓作為分布式電源逆變器的參考電壓，輸出電壓U(a,b,c)和參考電壓U(a,b,c)(ref)通過(guò)dq變換后得到直流電壓Ud和Uq，從而將三相對(duì)稱波形轉(zhuǎn)化為直流波形，PI 控制器的作用對(duì)參考電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)差跟蹤。采用該控制方式在分布式電源孤島運(yùn)行時(shí)能夠?yàn)槲㈦娋W(wǎng)提供參考電壓和頻率。但是多個(gè)電壓控制型逆變器并聯(lián)會(huì)產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生許多問(wèn)題，例如產(chǎn)生無(wú)功環(huán)流難以實(shí)現(xiàn)控制，不能限制故障電流以及對(duì)大電網(wǎng)產(chǎn)生干擾等。

圖1 交流微網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)

圖2 電壓控制策略框圖

1.2 間接功率控制模式

當(dāng)供電線路呈感性時(shí)，分布式電源輸出的有功功率和無(wú)功功率分別正比于輸出電壓的頻率和幅值，因而有功功率的解耦控制可通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓幅值和頻率實(shí)現(xiàn)[6]，控制策略框圖如圖 3所示，有功功率P、無(wú)功功率Q的輸出量和參考值進(jìn)行比較后，將誤差量輸入到PI控制器，進(jìn)而得到輸出電壓波形的參考頻率和幅值。在該控制策略下，調(diào)節(jié)過(guò)程緩慢，調(diào)節(jié)質(zhì)量較差，且調(diào)節(jié)過(guò)程可能造成微電網(wǎng)的擾動(dòng)，但是由于其以電壓控制方式為基礎(chǔ)能夠?qū)ξ㈦娋W(wǎng)的電壓和頻率起支撐作用。

1.3 電流控制策略

如圖4所示，電流控制方式是以電流為被控量和參考，其基本結(jié)構(gòu)和電壓控制方式類似。在該控制方式下有功和無(wú)功能夠完全地實(shí)現(xiàn)解耦，短路電流也能夠得到限制，但是為了調(diào)節(jié)自身輸出功率因數(shù)角，該控制方式需要其他電源提供參考電壓。

1.4 直接功率控制策略

通過(guò)對(duì)三相電壓及電流波形進(jìn)行dq變換可知，在三相平衡條件下，電壓ud一定時(shí)，有功功率P和無(wú)功功率Q只與電流id和iq有關(guān)。如圖5所示，有功功率、無(wú)功功率完全解耦后得到兩個(gè)電流參考值id(ref)、iq(ref)，然后將得到的電流參考值輸入到電流控制器。該控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的完全解耦，調(diào)節(jié)過(guò)程較為平滑且時(shí)間短，但該控制方式也需要有外部電壓參照以計(jì)算出功率因數(shù)角和u的值。

2 直流微網(wǎng)

與交流微網(wǎng)類似，直流微網(wǎng)的微網(wǎng)的分布式電源同樣包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池等。只是各分布式電源通過(guò)電力變換裝置連接到直流母線，以直流的形式對(duì)負(fù)載供電。在直流微網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電單元和光伏陣列是主要發(fā)電單元，其典型特點(diǎn)是發(fā)電功率不可控，輸出功率受環(huán)境影響大。燃料電池具有工作溫度低、能量轉(zhuǎn)化效率高、對(duì)環(huán)境污染小等特點(diǎn)，但燃料電池動(dòng)態(tài)特性慢，因此通常使用超級(jí)電容補(bǔ)償。超級(jí)電容具有充放電速度快的特點(diǎn)，能夠快速補(bǔ)償由于發(fā)電單元發(fā)電量不足或負(fù)載突變而造成的直流母線電壓的變化[7]，直流微電網(wǎng)供電系統(tǒng)如圖6。

圖3 間接功率控制策略框圖

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制器

風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于受風(fēng)速大小的影響其輸出電壓的頻率和幅值很不穩(wěn)定，因此需要接入變流器并加以適當(dāng)?shù)目刂撇拍軌驅(qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)控制器主要通過(guò)轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)和電流控制環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)轉(zhuǎn)速控制環(huán)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)發(fā)出的功率總是保持在最大值。三相整流器輸入電流通過(guò)解耦分解為d和q軸電流id、iq，通過(guò)PI控制環(huán)和PWM發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，進(jìn)而對(duì)三相整流器進(jìn)行控制，使母線電壓趨于穩(wěn)定。其控制器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖4 電流控制策略框圖

圖5 直接功率控制策略框圖

2.2 光伏電池并網(wǎng)控制器

由于受天氣狀況影響光伏電池的輸出電壓變化范圍較大。為了實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定，需要接入DC/DC升壓變換器并加以適當(dāng)?shù)目刂破?，?dāng)由于環(huán)境變化光伏電池的輸出電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，DC/DC升壓變換器的可控開(kāi)關(guān)器件通過(guò)PI控制環(huán)實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷，進(jìn)而使母線電壓的實(shí)際值與設(shè)定的電壓參考值Udcref的誤差維持在允許的范圍之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)母線電壓的相對(duì)穩(wěn)定[8]。其控制器結(jié)構(gòu)如圖8所示。

2.3 超級(jí)電容控制器

根據(jù)超級(jí)電容特性可知其端電壓在充放電過(guò)程中變化較大，對(duì)超級(jí)電容而言其能量是雙向流動(dòng)的，因此可以接入雙向DC／DC變換器對(duì)其加以控制，半橋型雙向DC/DC結(jié)構(gòu)如圖10所示，超級(jí)電容對(duì)母線電壓的穩(wěn)定作用是通過(guò)彌補(bǔ)母線上能量的瞬時(shí)不平衡實(shí)現(xiàn)的。超級(jí)電容控制器的電流內(nèi)環(huán)采用滑?？刂茷樘岣呦到y(tǒng)的響應(yīng)速度和魯棒性。超級(jí)電容輸出電壓uDC和參考電壓UDCref的誤差量輸入到 PI控制器然后經(jīng)過(guò)超級(jí)電容限制函數(shù)得到超級(jí)電容輸出參考電流iSCref，滑?？刂破魍ㄟ^(guò)處理參考電流和采樣電流的誤差量得到控制量d3、d4，使輸出電壓漸進(jìn)跟蹤給定值[9]。

圖6 直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7 風(fēng)力發(fā)電單元控制器結(jié)構(gòu)圖

圖8 光伏發(fā)電單元控制器結(jié)構(gòu)圖

2.4 燃料電池控制器

燃料電池主要有直接電流控制和間接電流控制兩種控制方法[10,11]。直接電流控制法如圖8所示。超級(jí)電容端電壓USCea決定了燃料電池的工作狀態(tài)，超級(jí)電容的端電壓低于設(shè)定值時(shí)，燃料電池就會(huì)啟動(dòng)；超級(jí)電容的端電壓低于設(shè)定值時(shí)，燃料電池則會(huì)關(guān)閉。為使燃料電池啟動(dòng)后運(yùn)行在額定狀態(tài)下以保證工作效率，將燃料電池額定電流IFCN加以斜率限制得到參考電流iFCref，然后將參考電流與反饋電流的誤差量送入電流控制器產(chǎn)生變換器的觸發(fā)脈沖，通過(guò)控制變換器的開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池的控制。

3 交直流混合微網(wǎng)

交直流混合微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖9所示，在交直流混合微網(wǎng)中各分布式電源的并網(wǎng)控制策略與單純的交流和直流微網(wǎng)類似，但是相對(duì)于單純的交流和直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，又具有如下的特點(diǎn)[13]：①在交直流混合微網(wǎng)中，直流電源接入直流母線，交流電源接入交流母線，從而可以減少對(duì)DC/DC和DC/AC等電力電子器件的應(yīng)用；②在交直流混合微網(wǎng)中，直流負(fù)載由直流母線直接供電，交流負(fù)載由交流母線直接供電，可以減少用電設(shè)備對(duì)電力變換設(shè)備的應(yīng)用，進(jìn)而節(jié)約成本。因此采用交直流混合微電網(wǎng)的形式，可以省略許多變換環(huán)節(jié)和變換裝置，使微網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制更加靈活、損耗降低，提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

圖7 超級(jí)電容控制器結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

交流微網(wǎng)是目前微網(wǎng)的主要形式，但交流系統(tǒng)的控制策略和能量管理比較繁瑣復(fù)雜；直流系統(tǒng)不需要處理三相平衡問(wèn)題，不需要很多輔助補(bǔ)償裝置來(lái)提高電能質(zhì)量，迅速發(fā)發(fā)展起來(lái)的分布式電源可以很容易的連接到直流系統(tǒng)而不是交流系統(tǒng)，且不需要考慮移相和頻率的協(xié)調(diào)，因此直流微網(wǎng)較交流微網(wǎng)在控制方面更容易實(shí)現(xiàn)；我國(guó)的微網(wǎng)尚處于起步階段，交直流混合微網(wǎng)更是處

圖8 燃料電池控制器結(jié)構(gòu)圖

于探索過(guò)程中，對(duì)于交直流混合微網(wǎng)的系統(tǒng)規(guī)劃、能量管理和最優(yōu)控制、保護(hù)策略尚沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可循，其關(guān)鍵設(shè)備和經(jīng)濟(jì)性也需要進(jìn)一步研發(fā)和論證。本文論述了交流微網(wǎng)關(guān)鍵器件控制策略以及直流微網(wǎng)典型分布式電源并網(wǎng)控制策略，同時(shí)提出了一種交直流混合微網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)對(duì)比分析不同微網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)指出分布式電源利用直流微網(wǎng)形式實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)更為簡(jiǎn)便、安全、可靠。

圖9 交直流混合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

[1]Kai Sun, Li Zhang, Yan Xing, et al. A distributed control strategy based on DC bus signaling for modular photovoltaic generation systems with battery energy storage [J]. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, 2011, 26(10):3032-3045.

[2]Y. W. Li and C. N. Kao, An accurate power control strategy for powerelectronics-interfaced distributed generation units operating in a low voltage multibus microgrid [J].IEEETrans.Power Electron, 2009,24(2):2977-2988.

[3]Marnay C, Robio F J, Siddiqui A S. Shape of the micro-grid [C]. IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, Columbus, OH, USA, 2001, 1:150-153.

[4]黃遜青. 直流家用電器時(shí)代即將來(lái)臨 [J]. 電器,2009(3): 62-63.

[5]曹旭, 葉建華. 微網(wǎng)分布式電源控制策略研究 [J].低壓電器, 2011,23（27）: 27-31.

[6]GUERRERO J M, VASQUEZ J C, MATAS J, et al.Control strategy for flexible microgrid based on parallel line-Interactive UPS systems［J］.IEEE Trans on Industrial Electronics, 2009, 56( 3) : 726-736.

[7]薛貴挺, 張焰, 祝達(dá)康. 孤立直流微電網(wǎng)運(yùn)行控制策略 [J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備. 2013, 33(3): 112-117.

[8]施婕, 艾芊. 直流微網(wǎng)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用 [J]. 現(xiàn)代建筑電氣. 2010, 6(1): 47-51.

[9]史君海. 光伏燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)與仿真研究［D］. 上海：上海交通大學(xué), 2008.

[10]THOUNTHONG P, RAEL S, DAVAT B. Control strategy of fuel cell and supercapacitors association for a distributed generation system ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54（6）：3225-3233.

[11]楊偉, 林弘, 趙虎. 燃料電池并網(wǎng)控制策略研究 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(21): 132-137.

[12]殷小港, 戴冬云, 韓云, 等. 交直流混合微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究 [J].高壓電器. 2012,48(9): 43-46.