易永輝，任志航，馬紅偉，牛志雷，楊蘊(yùn)華

(1.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000；2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 400014)

分布式電源高滲透率的微電網(wǎng)快速穩(wěn)定控制技術(shù)研究

易永輝1，任志航1，馬紅偉1，牛志雷1，楊蘊(yùn)華2

(1.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000；2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 400014)

通過(guò)分析分布式電源高滲透率微電網(wǎng)的運(yùn)行特性及其給配電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的影響，提出了一種基于三層控制架構(gòu)設(shè)計(jì)多態(tài)多時(shí)間尺度的微電網(wǎng)綜合穩(wěn)定控制方法。從微電網(wǎng)電力電子設(shè)備快速穩(wěn)定控制、微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定控制、微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制、微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定控制四個(gè)層面構(gòu)成了多態(tài)多時(shí)間尺度穩(wěn)定控制的技術(shù)體系，以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)功率快速調(diào)節(jié)、擾動(dòng)快速平抑、故障快速隔離、運(yùn)行效率提高、穩(wěn)定水平趨優(yōu)等控制目標(biāo)。重點(diǎn)研究了微電網(wǎng)內(nèi)電力電子設(shè)備參與微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行控制的實(shí)現(xiàn)方法。相關(guān)工程實(shí)踐表明，該方法效果良好。

高滲透率；微電網(wǎng)；多態(tài)穩(wěn)定；多時(shí)間尺度

0 引言

將分布式電源(DG)以微電網(wǎng)(MG)的形式接入配電網(wǎng)，是利用分布式電源有效的方式之一[1-2]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外微電網(wǎng)方面一些關(guān)鍵共性技術(shù)得到了廣泛的研究，研究熱點(diǎn)主要集中在微電網(wǎng)運(yùn)行控制、供電可靠性及電能質(zhì)量改善、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及安全機(jī)制、仿真分析及工程建設(shè)等方面，均取得了較為明顯的成果[2]。

微電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的高滲透改變了電網(wǎng)中能量傳遞的單向性，隨著分布式電源及含分布式電源微電網(wǎng)在比例不斷增加，給配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、控制保護(hù)等也帶來(lái)了一系列的問(wèn)題。文獻(xiàn)[3-4]研究了微電網(wǎng)的穩(wěn)定控制問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]借助仿真軟件，以12母線測(cè)試系統(tǒng)為對(duì)象，建立了主同步發(fā)電機(jī)及逆變型分布式發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，著重探討了DG對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定的影響，但是未能提出提高DG高滲透率微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行水平的控制方法。文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了微電網(wǎng)的虛擬分區(qū)和控制設(shè)備的邏輯分區(qū)，提出了基于虛擬分區(qū)實(shí)現(xiàn)局部穩(wěn)定，繼而完成整體快速穩(wěn)定的控制方法。該方法需要依賴(lài)于復(fù)雜的高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)建立邏輯分區(qū)，并且其微電網(wǎng)穩(wěn)定控制模型建模復(fù)雜，不能進(jìn)行靈活擴(kuò)展。文獻(xiàn)[5]分析了預(yù)測(cè)誤差對(duì)可再生能源高滲透率微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響，提出了一種由日前計(jì)劃和實(shí)時(shí)調(diào)度兩層組成的可再生能源高滲透率條件下考慮預(yù)測(cè)誤差的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，其需要微電網(wǎng)所配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)有足夠的備用容量且配置有分布式發(fā)電功率預(yù)測(cè)功能，方能有效平抑微電網(wǎng)內(nèi)部功率波動(dòng)，保證其穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在保證其運(yùn)行調(diào)度經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，忽略了微電網(wǎng)建設(shè)成本的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[6-7]中分析了大量分布式電源接入配電網(wǎng)后，造成的配電線路電壓抬升及微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)過(guò)程中暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}，其中文獻(xiàn)[7]提出了一種基于 P/U 下垂調(diào)節(jié)的微電網(wǎng)電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)控制方法，但是其未就因負(fù)荷突然增大或者分布式發(fā)電出力突然減少造成的電壓突降問(wèn)題，給出有效的控制調(diào)節(jié)措施。文獻(xiàn)[8]通過(guò)分析線路阻抗差異、輸出電壓幅值不等以及微電網(wǎng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)等因素對(duì)傳統(tǒng)下垂控制方法造成的影響，提出了一種改進(jìn)下垂控制策略。文獻(xiàn)[9-10]指出因微電網(wǎng)在電源、負(fù)荷、能源轉(zhuǎn)換單元、儲(chǔ)能和運(yùn)行狀態(tài)等方面的多樣性，分布式電源的間歇性和隨機(jī)性，大電網(wǎng)和微電網(wǎng)之間的高滲透率等原因造成微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題比傳統(tǒng)大電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題嚴(yán)重得，其中文獻(xiàn)[10]提出一種多功能電能質(zhì)量控制器，一定程度上可以抑制微電網(wǎng)諧波高滲透率，需要指出的是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容量有限，無(wú)法形成大規(guī)模工程應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]將基于微電網(wǎng)的需求側(cè)響應(yīng)定義進(jìn)行了延伸，指出將電動(dòng)汽車(chē)充電樁作為需求側(cè)響應(yīng)的主要可控負(fù)荷更具可行性，但是未就具有時(shí)空特性的柔性負(fù)荷虛擬儲(chǔ)能展開(kāi)深入探討。

針對(duì)目前微電網(wǎng)發(fā)展所需要首要解決的快速穩(wěn)定控制問(wèn)題，本文開(kāi)展了相關(guān)研究工作，提出了一種基于三層控制架構(gòu)設(shè)計(jì)的多態(tài)多時(shí)間尺度微電網(wǎng)快速穩(wěn)定控制方法，并在某海島微電網(wǎng)工程中得到實(shí)踐驗(yàn)證。

1 微電網(wǎng)多態(tài)多時(shí)間尺度穩(wěn)定控制方法

隨著未來(lái)微電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展深入，未來(lái)配電網(wǎng)將形成如圖1所示的多層級(jí)、交直流混連的微電網(wǎng)架構(gòu)，在不同層級(jí)中均存在運(yùn)行穩(wěn)定控制問(wèn)題。

圖1 不同層級(jí)微電網(wǎng)穩(wěn)定控制Fig. 1 Micro grid stability control at different levels

鑒于分布式電源高滲透率微電網(wǎng)在在運(yùn)行過(guò)程中給配電網(wǎng)帶來(lái)的雙向功率潮流、配網(wǎng)電壓偏差，微電網(wǎng)自動(dòng)并離網(wǎng)切換、微網(wǎng)功率調(diào)度與柔性負(fù)荷控制等全新課題。結(jié)合工程實(shí)踐，本文提出了一種基于三層控制架構(gòu)設(shè)計(jì)的多時(shí)間尺度多態(tài)穩(wěn)定控制的微電網(wǎng)綜合穩(wěn)定控制方法，如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)三層控制架構(gòu)Fig. 2 Three layer control system of micro grid

主站調(diào)度層實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與上級(jí)電網(wǎng)調(diào)度間的互動(dòng)；微電網(wǎng)集中控制層實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)監(jiān)控與能量?jī)?yōu)化管理控制；就地控制層實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息采集與本地自動(dòng)控制。按照控制響應(yīng)的時(shí)間尺度不同，把分布式電源高滲透率微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定控制劃分為以下四個(gè)不同的時(shí)間尺度。

1) 0~50 ms 的快速功率調(diào)節(jié)及運(yùn)行控制，由具備調(diào)節(jié)功能、適用于微電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的微電網(wǎng)內(nèi)部各電力電子裝置自身完成控制。

2) 20~100 ms 的微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定控制，由微電網(wǎng)內(nèi)部保護(hù)、并網(wǎng)點(diǎn)保護(hù)、電源點(diǎn)保護(hù)裝置完成，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)故障的快速識(shí)別與隔離，保證故障切除后的剩余部分微電網(wǎng)可以快速恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。

3) 100~500 ms 的微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制，采用大電網(wǎng)中的穩(wěn)定控制理念，由微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制裝置實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)頻率、電壓分區(qū)穩(wěn)定控制。

4) 1 s~1 min 的微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定控制，由微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行采集信息及上層調(diào)度信息，完成微電網(wǎng)內(nèi)部多源互補(bǔ)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度、交換功率控制、離網(wǎng)能量平衡控制、黑啟動(dòng)控制等功能。

2 微電網(wǎng)內(nèi)電力電子單元快速穩(wěn)定控制技術(shù)

微電網(wǎng)內(nèi)各電力電子單元控制包括分布式電源控制、儲(chǔ)能調(diào)節(jié)控制、柔性負(fù)荷調(diào)度與控制，其共同構(gòu)成了不依賴(lài)于通信手段的微電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)快速自協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制，是分布式電源高滲透率微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定控制的重要一環(huán)，其有效發(fā)揮作用，可以有效提高分布式電源的利用效率，減小微電網(wǎng)后續(xù)穩(wěn)定控制的壓力，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效、協(xié)調(diào)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

2.1 分布式電源電力電子單元快速穩(wěn)定控制技術(shù)

分布式電源電力電子單元參與微電網(wǎng)快速穩(wěn)定控制手段主要包括 DG 自動(dòng)電壓控制、新型 MPPT跟蹤技術(shù)、分布式電源自同步并網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)、虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)等。

2.1.1 DG 自動(dòng)電壓控制技術(shù)

DG無(wú)約束接入會(huì)對(duì)配電網(wǎng)電壓造成電壓偏差和波動(dòng)，甚至可能會(huì)造成分布式電源脫網(wǎng)。DG 自動(dòng)電壓控制技術(shù)是一種基于最大發(fā)電量滲透率特性的隨機(jī)性電源自調(diào)節(jié)技術(shù)。DG 逆變器采用基于 P-U下垂調(diào)節(jié)方法來(lái)抑制過(guò)電壓，改善因大量分布式電源高滲透率接入造成的配電網(wǎng)電壓偏差問(wèn)題。

圖3中橫軸為公共連接點(diǎn)電壓，縱軸為分布式電源有功功率限值，區(qū)間①內(nèi)進(jìn)行 MPPT 跟蹤，區(qū)間②內(nèi)停止 MPPT 跟蹤，區(qū)間③表示 P-U 下垂分段調(diào)節(jié)。對(duì)于不同的電壓偏差水平，采用不同的電壓P-U 下垂系數(shù)。下垂系數(shù)取值不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，取值過(guò)大，則光伏DG出力變化大，能量損失多，系統(tǒng)穩(wěn)定性受到影響；若取值過(guò)小，則調(diào)節(jié)速度過(guò)慢，逆變器可能在標(biāo)準(zhǔn)要求的異常電壓響應(yīng)時(shí)間內(nèi)不能及時(shí)將電壓調(diào)節(jié)到正常范圍而導(dǎo)致逆變器保護(hù)停機(jī)。因此下垂系數(shù)的取值可以通過(guò)仿真研究確定其合理取值。

圖3 DG 逆變器 P-U 下垂控制Fig. 3 DG inverter P-U droop control

2.1.2 新型 MPPT 跟蹤技術(shù)

光伏陣列由光伏模塊串并聯(lián)連接組成。串聯(lián)連接時(shí)，光伏模塊一般并聯(lián)旁路二極管以防止熱斑效應(yīng)，串聯(lián)后經(jīng)過(guò)防逆流二極管并聯(lián)。光強(qiáng)均勻分布時(shí) P-V 特性曲線上只有一個(gè)最大功率點(diǎn)。但光強(qiáng)不均勻、局部遮擋或者光伏組件特性不一致時(shí)，由于旁路二極管和防逆流二極管的存在使得 P-V 曲線呈現(xiàn)多極值的特性，如圖4所示。

圖4 光伏組件多功率極致現(xiàn)象Fig. 4 PV module multi power extreme phenomenon

研究可以辨識(shí)和補(bǔ)償環(huán)境變化帶來(lái)功率變化的新型 MPPT 功率跟蹤算法，解決傳統(tǒng) MPPT 跟蹤控制算法中存在的問(wèn)題，解決光伏電池局部被遮擋或特性不一致帶來(lái)的多功率極值功率跟蹤問(wèn)題，提升分布式電源的發(fā)電效率，節(jié)省度電成本，提高其經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)分布式電源投資建設(shè)。

該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)分布式電源功率的最大化輸出，并且每個(gè)光伏組串都可以實(shí)現(xiàn)快速高精度功率跟蹤，配合上節(jié)的自動(dòng)電壓控制技術(shù)，在負(fù)荷需要時(shí)最大限度滿足負(fù)荷需求，在微電網(wǎng)系統(tǒng)有功率剩余時(shí)，可以有效快速停止 MPPT 跟蹤，維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

2.1.3 微電網(wǎng)自同步并網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)

微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，主電源工作在 V/f控制模式下，輸出穩(wěn)定的電壓和頻率為微電網(wǎng)中其他分布式電源提供電壓和頻率參考。在收到離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)運(yùn)行命令，或者自動(dòng)檢測(cè)到外電網(wǎng)電壓恢復(fù)，需要自動(dòng)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于微電網(wǎng)側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的電壓幅值、相位存在差異，如果直接并網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊。另外，不采用自同步控制逼近，兩側(cè)頻率可能保持相對(duì)無(wú)差的運(yùn)行狀態(tài)，這樣經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間也無(wú)法滿足同期并網(wǎng)條件，造成同期并網(wǎng)失敗。

采用微電網(wǎng)自同步并網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)，在收到微電網(wǎng)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)運(yùn)行指令后，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的微電網(wǎng)側(cè)相位和大電網(wǎng)側(cè)相位，計(jì)算其相位差，如果相位差滿足要求則隨時(shí)可以進(jìn)行并網(wǎng)合閘操作，否則如果微電網(wǎng)側(cè)相位超前大電網(wǎng)側(cè)電壓相位，則減小微電網(wǎng)側(cè)電壓相位，反之加大微電網(wǎng)側(cè)電壓相位，使得兩者之間的相位差逐步逼近，直至最終滿足同期并網(wǎng)所要求的相位差，如圖5所示。

圖5 自同步并網(wǎng)相位逼近流程圖Fig. 5 Flow chart of self synchronous grid connected

相位逐步逼近修訂算法所采用的公式為

其中，

收到離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的指令后，利用電力電子設(shè)備的靈活性，采用幅值和相位逐步逼近的預(yù)同期并網(wǎng)技術(shù)，保證微電網(wǎng)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的“零沖擊”并網(wǎng)與微電網(wǎng)穩(wěn)定控制。

2.1.4 虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)

DG 并網(wǎng)一般采用并網(wǎng)逆變器，常規(guī)并網(wǎng)逆變器響應(yīng)速度快，幾乎沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，難以參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，無(wú)法為含分布式電源的主動(dòng)式配電網(wǎng)提供必要的電壓和頻率支撐。圖6所示為微虛擬同步發(fā)電機(jī)控制示意圖。

圖6 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制示意圖Fig. 6 Schematic control diagram of VSG

借助配備的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，并采用適當(dāng)?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器控制算法，使基于并網(wǎng)逆變器的分布式電源從外特性上模擬出同步發(fā)電機(jī)的頻率及電壓控制特性。

式中：J表示虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；D表示虛擬阻尼系數(shù)；Tm表示負(fù)荷等效機(jī)械阻力矩；Te表示分布式發(fā)電等效電磁力矩。

虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J使得微電網(wǎng)的頻率變化及功率波動(dòng)趨于平緩，虛擬阻尼D使微電網(wǎng)系統(tǒng)在受外界干擾時(shí)的暫態(tài)過(guò)程縮短，使得分布式電源在電網(wǎng)的暫態(tài)過(guò)程中具有 VSG 特性，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性做出貢獻(xiàn)，從而改善分布式系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)電力電子單元快速穩(wěn)定控制技術(shù)

儲(chǔ)能系統(tǒng)參與微電網(wǎng)快速穩(wěn)定控制的調(diào)節(jié)手段主要包括分布式電源出力平滑控制、多儲(chǔ)能主電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的下垂控制，微電網(wǎng)突然離網(wǎng)時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)工作模式快速切換控制。

2.2.1 分布式電源出力平滑控制技術(shù)

在因風(fēng)光資源波動(dòng)出現(xiàn)分布式發(fā)電出力波動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)快速調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率，來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電功率波動(dòng)的快速平抑，減少系統(tǒng)功率波動(dòng)、頻率波動(dòng)及電壓波動(dòng)中的高頻變化分量，并且維持系統(tǒng)頻率在合格范圍內(nèi)。從而改善高滲透率微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量，提高分布式電源高滲透率微電網(wǎng)中用戶的高質(zhì)量可靠用電體驗(yàn)。

分布式電源的實(shí)時(shí)功率輸出因天氣原因會(huì)出現(xiàn)大范圍頻繁波動(dòng)。采用類(lèi)似于一階慣性環(huán)節(jié)低通濾波原理，利用儲(chǔ)能電力電子單元可以進(jìn)行快速充放電調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，來(lái)平抑分布式電源的大范圍波動(dòng)，使得由分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成的微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)其總功率波動(dòng)相對(duì)平緩。

低通濾波控制平滑出力計(jì)算公式為

式中：Pin為分布式電源的實(shí)時(shí)功率輸出；Pout為經(jīng)過(guò)一階慣性環(huán)節(jié)濾波后分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率輸出和；T為一階慣性濾波環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)T參數(shù)選取需綜合考慮微電網(wǎng)系統(tǒng)承受功率波動(dòng)的水平，以及所配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)在充放電控制時(shí)對(duì)功率調(diào)節(jié)的響應(yīng)能力。經(jīng)過(guò)離散化后，可得到儲(chǔ)能系統(tǒng)在分布式電源波動(dòng)平抑過(guò)程中，需要實(shí)施調(diào)節(jié)的儲(chǔ)能參考輸出功率計(jì)算值如式(5)所示。

圖7展示的是儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)分布式電源出力波動(dòng)平抑后的微電網(wǎng)功率波動(dòng)比較。

圖7 分布式電源出力平滑控制Fig. 7 DG output smoothing control

2.2.2 儲(chǔ)能 PCS 下垂控制技術(shù)

利用儲(chǔ)能系統(tǒng)下垂控制特性，實(shí)現(xiàn)不依靠通信互聯(lián)，根據(jù)就地信息自動(dòng)調(diào)節(jié)自身出力來(lái)平抑負(fù)荷波動(dòng)。考慮到下垂控制為有差控制，也可以采用下垂控制和倒下垂控制相結(jié)合的方案，下垂控制逆變器作為主電源為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)的頻率和電壓參考，倒下垂控制逆變器可以通過(guò)調(diào)節(jié)出力，維持系統(tǒng)頻率、電壓在合理區(qū)間內(nèi)，保證微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能量自平衡及頻率電壓穩(wěn)定控制，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定離網(wǎng)運(yùn)行。

在下垂控制策略中可以實(shí)時(shí)檢測(cè)電池組的SOC 狀態(tài)及端電壓，根據(jù)儲(chǔ)能 SOC 狀態(tài)的大小自適應(yīng)的改變頻率調(diào)整系數(shù)，采用多下垂斜率控制對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，這種控制方法可以兼顧儲(chǔ)能的容量和微電網(wǎng)穩(wěn)定控制的功率增減需求，如圖8所示。

圖8 儲(chǔ)能 PCS 多下垂系數(shù) P-f控制Fig. 8 Multi-droop rate P-f control of PCS

2.2.3 儲(chǔ)能 PCS 超高速工作模式切換技術(shù)

儲(chǔ)能 PCS 通常具有 V/F 控制模式，并網(wǎng)充電模式、并網(wǎng)放電模式，下垂控制等多種模式，在并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為離網(wǎng)主電源運(yùn)行時(shí)，以及離網(wǎng)主電源運(yùn)行轉(zhuǎn)為并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要進(jìn)行工作模式切換，其切換速度直接影響了微電網(wǎng)并離網(wǎng)轉(zhuǎn)換的時(shí)間，快速切換工作模式可以有效縮短切換時(shí)間，能夠減少模式切換對(duì)微電網(wǎng)及電力電子器件帶來(lái)的沖擊，保證儲(chǔ)能 PCS的良好運(yùn)行，增加其使用壽命。

2.3 柔性可控負(fù)荷快速穩(wěn)定控制技術(shù)

柔性負(fù)荷參與微電網(wǎng)快速穩(wěn)定控制手段指基于柔性負(fù)荷和需求側(cè)響應(yīng)虛擬儲(chǔ)能控制。

需求側(cè)響應(yīng)作為一種新的靈活源，近年來(lái)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視，需求側(cè)響應(yīng)中的直接負(fù)荷控制技術(shù)具備快速響應(yīng)的特點(diǎn)，配合具備儲(chǔ)能特性的負(fù)荷(例如空調(diào)負(fù)荷蓄熱蓄冷、電熱水器蓄熱、電動(dòng)汽車(chē)蓄電等)參與供需平衡，節(jié)省儲(chǔ)能設(shè)備的建設(shè)成本。利用空調(diào)、熱水器類(lèi)柔性負(fù)荷能量轉(zhuǎn)移時(shí)間跨度大、調(diào)整范圍寬等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中富余功率的轉(zhuǎn)移。研究柔性負(fù)荷、直接負(fù)荷控制虛擬儲(chǔ)能技術(shù)，依靠其虛擬儲(chǔ)能容量消納強(qiáng)隨機(jī)性風(fēng)、光新能源所發(fā)電力，減少儲(chǔ)能設(shè)備的配置，降低成本提高配電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，兼顧儲(chǔ)能設(shè)備減少對(duì)用戶的影響。在微電網(wǎng)功率出現(xiàn)缺口時(shí)，減少或切除柔性負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)功率平衡，通過(guò)柔性負(fù)荷的虛擬儲(chǔ)能控制，可以有效降低微電網(wǎng)中固有儲(chǔ)能容量的配置，從而降低項(xiàng)目投資，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3 工程實(shí)踐

圖9、圖10 分別為某海島獨(dú)立微電網(wǎng)項(xiàng)目工程實(shí)際主接線圖以及控制保護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。

圖9 主接線示意圖Fig. 9 Main wiring diagram

圖10 控制保護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig. 10 Network diagram of control and protection system

該項(xiàng)目基于三層控制架構(gòu)構(gòu)建的微電網(wǎng)多態(tài)穩(wěn)定控制體系可以有效地維持獨(dú)立海島系統(tǒng)的穩(wěn)定。通過(guò)優(yōu)化和完善微電網(wǎng)電力電子設(shè)備控制算法，可以實(shí)現(xiàn)分布式清潔能源的最大化出力，實(shí)現(xiàn)新能源出力波動(dòng)的快速平抑；風(fēng)光柴儲(chǔ)大微網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)基于儲(chǔ)能 PCS 下垂控制實(shí)現(xiàn)多儲(chǔ)能主電源并列運(yùn)行與電壓自動(dòng)控制；通過(guò)自同步并網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)子微網(wǎng)分列運(yùn)行到并列運(yùn)行時(shí)的自動(dòng)準(zhǔn)同期控制。海島微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定控制由基于網(wǎng)絡(luò)化采樣的雙套集中式差動(dòng)保護(hù)構(gòu)成，能夠保證海島微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)快速定位與故障隔離。海島微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制由雙套配置的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制裝置實(shí)時(shí)快速對(duì)電壓、頻率進(jìn)行調(diào)整，解決海島微電網(wǎng)運(yùn)行備用容量小，可參與一次調(diào)整的調(diào)速器，二次調(diào)整的調(diào)頻器能力不夠，分布式電源與負(fù)荷波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定威脅大等問(wèn)題；海島微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定控制由微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，解決海島微電網(wǎng)系統(tǒng)容量小且含有大量不穩(wěn)定的分布式電源，類(lèi)型多樣，其運(yùn)行特征各異，需要統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制與最優(yōu)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從通過(guò)分析分布式電源高滲透率微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)以及分布式電源高滲透率給微電網(wǎng)及配電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的問(wèn)題，提出基于三層控制架構(gòu)構(gòu)建的多態(tài)多時(shí)間尺度微電網(wǎng)穩(wěn)定性控制方法，研究了微電網(wǎng)內(nèi)部電力電子單元自身的控制技術(shù)的研究進(jìn)展與實(shí)現(xiàn)方法，分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、柔性負(fù)荷等一般通過(guò)電力電子裝置接入微電網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)挖掘電力電子單元在微電網(wǎng)穩(wěn)定性控制方面的潛力，可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)功率快速調(diào)節(jié)、擾動(dòng)快速平抑、故障快速隔離、運(yùn)行效率提高、穩(wěn)定水平趨優(yōu)等控制目標(biāo)。

通過(guò)具體的工程實(shí)踐驗(yàn)證了所提出方法的有效性和實(shí)用性，同時(shí)可以滿足工程實(shí)踐項(xiàng)目中對(duì)故障快速定位與隔離、實(shí)時(shí)快速電壓、頻率調(diào)整、微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度及多源協(xié)調(diào)控制的技術(shù)要求。

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(編輯 葛艷娜)

Study on fast stable control technology of high permeability micro-grid with distributed generation

YI Yonghui1, REN Zhihang1, MA Hongwei1, NIU Zhilei1, YANG Yunhua2
(1. XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China; 2. Chongqing Electric Power Company, Chongqing 400014, China)

Operating characteristics of high permeability distributed generator (DG) in micro-grid (MG) is analyzed firstly, and special operation problems of distribution network brought about high permeability DG in MG is also described, on this basis, the multi time scale MG stable control method based on the design of three layer control architecture is proposed. This method is composed of four aspects, including the fast stable control by MG power electronics equipment, transient stable control of MG, dynamic stable control of MG and steady state stable control of MG. This method can complete power rapid adjustment, disturbance quickly stabilization, fault rapid isolation, operation efficiency improvement, and stable level optimization. This paper focuses on the research of realization method of fast stable control which is participated by power electronic equipment. Related engineering applications show that the above method is effective.

high permeability; micro-grid; multi time scale stability; multi time scale

10.7667/PSPC201662

2016-07-05

易永輝(1969-)，男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方 向 為 智 能 電 網(wǎng) 及 智 能 微 電 網(wǎng) 保 護(hù) 控 制 技 術(shù) ； E-mail: yyh6006@163.com

任志航(1973-)，男，工程師，從事保護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作；

馬紅偉(1974-)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事微電網(wǎng)及分布式發(fā)電接入研究。E-mail: mahongwei.xjgc@qq.com