崔屹，周建萍,2，薛亞林，張緯舟，王濤

(1.上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院，上海 200090；2.上海發(fā)電過程智能管控工程技術(shù)研究中心，上海 200090)

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30kW微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)抗負(fù)荷波動仿真研究

崔屹1，周建萍1,2，薛亞林1，張緯舟1，王濤1

(1.上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院，上海 200090；2.上海發(fā)電過程智能管控工程技術(shù)研究中心，上海 200090)

針對30kW微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)存在運(yùn)行不夠穩(wěn)定、功率分配不精確、抗負(fù)荷波動能力差的問題，在PSCAD中搭建了30kW的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，研究了恒功率控制和恒壓恒頻控制的特點(diǎn)。再結(jié)合恒功率控制和恒壓恒頻控制協(xié)調(diào)控制發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行，在并網(wǎng)和離網(wǎng)模式下解決了微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行不夠穩(wěn)定的問題，并使負(fù)荷可以精確分配，提高了系統(tǒng)的抗負(fù)荷波動能力。

分布式電源；微電網(wǎng)；協(xié)調(diào)控制；并網(wǎng)運(yùn)行；孤島運(yùn)行

微電網(wǎng)是由分布式能源、能量轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控和保護(hù)裝置、負(fù)荷等匯集而成的小型電力系統(tǒng)[1-6]，它既可與大電網(wǎng)相連并網(wǎng)運(yùn)行，也可以離網(wǎng)運(yùn)行。由于分布式電源自身的特性，含多個分布式能源的微電網(wǎng)的運(yùn)行有別于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)。無論是并網(wǎng)運(yùn)行還是孤島運(yùn)行，都需要對微電網(wǎng)中的分布式電源進(jìn)行很好地控制。

微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行時，由于有大電網(wǎng)的支撐，一般采用恒功率控制(以下簡稱“PQ控制”)來控制多個分布式電源的運(yùn)行，由微電網(wǎng)中心發(fā)布調(diào)度指令，分布式電源發(fā)出指定的功率。當(dāng)系統(tǒng)孤島運(yùn)行時，失去了大電網(wǎng)的支撐，加之各微電源的隨機(jī)性、波動性強(qiáng)，發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。微型燃?xì)廨啓C(jī)作為一種重要的分布式能源，具有容量大，響應(yīng)速度較快的優(yōu)點(diǎn)，在微電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛[7-9]。目前針對微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究取得了一定進(jìn)展，但30kW微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)還存在很多問題。文獻(xiàn)[10]提出了微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)2種并網(wǎng)方案并進(jìn)行了比較，在并網(wǎng)模式下系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，但在離網(wǎng)模式下的穩(wěn)定性仍存在問題。文獻(xiàn)[11]研究了微型燃?xì)廨啓C(jī)在離網(wǎng)運(yùn)行下的啟動能力，蓄電池等其他微電源協(xié)同微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行取得了良好的穩(wěn)定效果，但對系統(tǒng)運(yùn)行中的突然負(fù)荷波動考慮不足。文獻(xiàn)[12]在微型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)加入了新型的比例積分微分(proportionintegralderivative，PID)控制策略，研究了離網(wǎng)狀態(tài)下微型燃?xì)廨啓C(jī)面對負(fù)荷波動的動態(tài)特性，提高了微型燃?xì)廨啓C(jī)面對負(fù)荷波動的穩(wěn)定性，但效果還不夠理想。

本文針對微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行不穩(wěn)定、功率分配不精確、抗負(fù)荷波動能力差的問題，結(jié)合PQ控制與恒壓恒頻控制(以下簡稱“VF控制”)，研究了微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)在并網(wǎng)與離網(wǎng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性問題；最后，在PSCAD中建立了仿真模型，分別對并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及微電源的控制

圖1為本文所研究的發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包含微型燃?xì)廨啓C(jī)、光伏發(fā)電、蓄電池及負(fù)荷，各分布式電源經(jīng)過逆變器分別接在0.38kV額定電壓的交流母線上。光伏發(fā)電單元和蓄電池單元的逆變器均采用PQ控制方法，其中光伏單元逆變之前首先要實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤(maximumpowerpointtracking，MPPT)，微型燃?xì)廨啓C(jī)的控制方法采用PQ控制和VF控制結(jié)合的方法。

圖1　系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1光伏發(fā)電的仿真結(jié)構(gòu)

光伏系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用PSCAD自帶的光伏模塊，每個陣列分別串并聯(lián)10個光伏單元，參考光照強(qiáng)度和溫度設(shè)定為1 000W/m2和25 ℃。MPPT采用電導(dǎo)增量法，可以快速跟蹤最大功率。

圖2光伏發(fā)電的仿真結(jié)構(gòu)

1.2蓄電池的仿真結(jié)構(gòu)

蓄電池系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用PQ控制，先經(jīng)DC/DC變換器，然后經(jīng)過逆變器輸出功率。蓄電池的響應(yīng)速度快，但容量較小，通常作為備用能源。

圖3　蓄電池的仿真結(jié)構(gòu)

1.3微型燃?xì)廨啓C(jī)的仿真結(jié)構(gòu)

微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)有2種控制模式，如圖4所示。并網(wǎng)時微型燃?xì)廨啓C(jī)作為普通分布式能源，采用PQ控制發(fā)出系統(tǒng)指定功率；離網(wǎng)時微型燃?xì)廨啓C(jī)作為主電源，改為VF控制維持系統(tǒng)的電壓和頻率。

圖4　微型燃?xì)廨啓C(jī)的仿真結(jié)構(gòu)

2　各分布式能源的協(xié)調(diào)控制策略

2.1PQ控制策略

對于各分布式電源的控制，除了主電源外，其余運(yùn)行的微電源的控制均為PQ控制，控制框圖如圖5所示。PQ控制的目的，是當(dāng)逆變器輸出的功率與參考功率不相等時采用比例積分(proportionintegral，PI)調(diào)節(jié)器進(jìn)行功率控制，直至控制器達(dá)到穩(wěn)態(tài)。PQ控制的原理，是將有功功率和無功功率解耦后對電流進(jìn)行控制，再采用PID控制使穩(wěn)態(tài)誤差為零。

Uu、Uv、Uw、Iu、Iv、Iw分別為系統(tǒng)U、V、W三相的逆變器前電壓、電流值，ud、uq為電壓環(huán)的輸入值，id、iq分別為系統(tǒng)電流在d、q軸的分量， id,ref、iq,ref分別為濾波前的電流參考值在d、q軸的分量，Pref、Qref分別為有功、無功功率的參考值，SPWM為正弦波脈寬調(diào)制，sinusoidal pulse width modulation的縮寫。圖5　PQ控制的結(jié)構(gòu)框圖

對于逆變器及濾波器后饋線電壓Uf,k(k表示U、V、W三相)和電流if,k，將其坐標(biāo)系從abc變換到dq，得到濾波后電壓和電流的d、q軸的分量，分別為Uf,d、Uf,q、if,d、if,q，則輸入到系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換為d、q坐標(biāo)軸后就變成：

(1)

式中P、Q分別為系統(tǒng)實(shí)時輸出的有功、無功功率。

在dq坐標(biāo)中，選參考軸Uf,q=0，則：

(2)

由于Uf,q不變，只需通過控制if,d、if,q就可實(shí)現(xiàn)對輸出功率的控制。但采用電壓源逆變器時，由于其輸入的調(diào)制信號控制逆變器輸出的端口電壓，需要將電流控制信號轉(zhuǎn)換為電壓控制信號。饋線電壓可表示為

(3)

式中：Ui,k為逆變器后、濾波器前電壓值，Lf為濾波器的電感值，t為時間。

轉(zhuǎn)換為dq坐標(biāo)后，上式為：

(4)

式中：Ui,d、Ui,q分別為逆變器后、濾波器前的電壓在d、q軸分量，ω為饋線電壓電流頻率。由式(4)可看出其數(shù)學(xué)模型為強(qiáng)耦合項，為了消除耦合項，引入電流狀態(tài)的反饋，方程變?yōu)椋?/p>

(5)

式中：Kp、Ki為PI控制器的參數(shù)，if,d,ref、if,q,ref為濾波后饋線電流參考值在d、q軸上的分量。

再將式(5)代入式(4)中，得

(6)

由式(6)可知，進(jìn)入電流反饋后，電流環(huán)實(shí)現(xiàn)解耦。

由圖5可見，用電網(wǎng)的電壓、電流計算得到功率，經(jīng)外環(huán)功率控制和內(nèi)環(huán)電流控制，將參考電流與輸出電流差值經(jīng)轉(zhuǎn)換送入SPWM，控制逆變單元得到輸出電壓。

2.2VF控制策略

VF控制與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻相似，針對系統(tǒng)的電壓和頻率變化調(diào)節(jié)系統(tǒng)，保證系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定。VF控制主要用于微電源的離網(wǎng)運(yùn)行，為獨(dú)立微電網(wǎng)提供電壓和頻率的支撐。VF控制要實(shí)時檢測系統(tǒng)的電壓U和頻率f，并與設(shè)定好的參考電壓Uref和頻率fref進(jìn)行比較，生成PI控制器的輸入值Uin、fin，即

(7)

Uin、fin為經(jīng)過PI控制器后生成有功功率和無功功率的參考值，與系統(tǒng)實(shí)時的有功、無功功率進(jìn)行比較，生成電壓外環(huán)的輸入值Pin、Qin，即

(8)

經(jīng)過PI控制器后，電流環(huán)的解耦和推導(dǎo)過程同2.1節(jié)。同樣由式(6)可知，進(jìn)入電流反饋后，電流環(huán)實(shí)現(xiàn)解耦，VF控制電流環(huán)與PQ控制電流環(huán)原理相同。VF的控制框圖如圖6所示。

圖6　VF控制結(jié)構(gòu)

電壓外環(huán)輸入經(jīng)PI控制器后與輸出電流的d、q軸分量進(jìn)行比較，再經(jīng)過dq/abc變換，最后輸入到SPWM單元完成調(diào)節(jié)。

3　算例仿真與分析

本文采用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了仿真模型。光伏發(fā)電微電源的參數(shù)為：額定功率10kW，溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度為1 000W/m2。并網(wǎng)運(yùn)行時微型燃?xì)廨啓C(jī)、光伏和蓄電池的參考功率分別為30kW、10kW、10kW；離網(wǎng)運(yùn)行時微型燃?xì)廨啓C(jī)作為主電源，初始功率設(shè)為15kW。下面對該系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行與離網(wǎng)運(yùn)行分別進(jìn)行仿真。

3.1并網(wǎng)運(yùn)行

并網(wǎng)運(yùn)行時，各微電源均采用PQ控制，總負(fù)荷為50kW，圖7為系統(tǒng)各微電源的功率輸出情況，由圖7可以看出各微電源可以快速跟蹤參考功率，在0.1s左右功率輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)?？梢缘贸鲈撓到y(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行響應(yīng)速度快，可以跟蹤負(fù)荷功率，穩(wěn)定性良好。

(a) 光伏發(fā)電　　　　　　　　　　(b) 蓄電池圖7　并網(wǎng)運(yùn)行時微電源輸出功率

3.2離網(wǎng)運(yùn)行

離網(wǎng)運(yùn)行時，微型燃?xì)廨啓C(jī)作為主電源，采用VF控制保證系統(tǒng)的電壓頻率穩(wěn)定；其他分布式能源仍采用PQ控制，發(fā)出指定功率。離網(wǎng)運(yùn)行時功率變化和參數(shù)波動如圖8和圖9所示。初始運(yùn)行狀態(tài)良好，各微電源正常工作。在1s時用戶增加了10kW的凈負(fù)荷，從圖8和圖9可以看出，此時微型燃?xì)廨啓C(jī)作為主電源，增加發(fā)電量，滿足系統(tǒng)功率需求；系統(tǒng)出現(xiàn)了非常明顯的電壓波動，電壓由0.38kV減小為0.35kV，但隨后很快恢復(fù)到0.38kV；頻率小幅波動后也很快恢復(fù)到50Hz。這表明微型燃?xì)廨啓C(jī)作為主電源跟蹤負(fù)荷波動，調(diào)節(jié)發(fā)電量，抗負(fù)荷波動能力良好，保證了系統(tǒng)電壓頻率的穩(wěn)定。

圖8　離網(wǎng)運(yùn)行時微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率變化

(a) 電壓　　　　　　　　　　(b) 頻率圖9　離網(wǎng)運(yùn)行時系統(tǒng)參數(shù)波動

4　結(jié)束語

針對微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，本文采用PSCAD建立了系統(tǒng)模型，并分別對并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真，并網(wǎng)模式下發(fā)電系統(tǒng)可以快速跟蹤參考，各微電源發(fā)出指定功率；離網(wǎng)運(yùn)行時，微型燃?xì)廨啓C(jī)作為主電源保證系統(tǒng)電壓頻率的穩(wěn)定，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有良好的抗負(fù)荷波動能力。

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(編輯霍鵬)

Simulation Research on Anti-load Fluctuation of GenerationSystemof30kWMicroGasTurbine

CUI Yi1, ZHOU Jianping1,2, XUE Yalin1, ZHANG Weizhou1, WANG Tao1

(1.SchoolofAutomationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China; 2.ShanghaiEngineeringResearchCenterofIntelligentManagementandControlforPowerProcess,Shanghai200090,China)

Inallusiontoproblemssuchasunstableoperation,inaccuratepowerdistribution,poorabilityofanti-loadfluctuation,andsoonofthegenerationsystemof30kWmicrogasturbine,asimulationmodelforthegenerationsystemof30kWmicrogasturbineisconstructedinPSCADandcharacteristicsofactivepowerreactivepower(PQ)controlandvoltagefrequency(VF)controlarestudied.PQcontrolandVFcontroliscombinedforcoordinatedcontrolonoperationofthegenerationsystem,whichcansolvetheproblemofunstableoperationofthegenerationsystemundergrid-connectionmodeandoff-gridmodeaswellasaccuratelydistributeloadandimproveanti-loadfluctuationabilityofthesystem.

distributedpowersource;micro-grid;coordinatedcontrol;grid-connectedoperation;islandoperation

2016-04-25

上海市重點(diǎn)科技攻關(guān)計劃(14110500700)；國家自然基金項目(61275038)；上海市科學(xué)技術(shù)委員會工程技術(shù)研究中心項目資助(14DZ2251100)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.005

TM762；TM743

A

1007-290X(2016)08-0022-05

崔屹(1990)，男，山西長治人。在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)能量管理和新能源發(fā)電控制。

周建萍(1978)，女，江西萍鄉(xiāng)人。副教授，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)。

薛亞林(1991)，男，河北石家莊人。在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電控制。