王懷路,成魯鈺

(1.山東科技大學(xué),山東 青島 266590;2.國(guó)網(wǎng)山東檢修公司,濟(jì)南 250118)

?

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的控制策略與仿真分析

王懷路1,成魯鈺2

(1.山東科技大學(xué),山東 青島 266590;2.國(guó)網(wǎng)山東檢修公司,濟(jì)南 250118)

微電網(wǎng)是一種特殊形式的有源配電網(wǎng),它提供了一種分布式電源接入大電網(wǎng)的有效方法,且具有并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式。筆者在列舉討論對(duì)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行控制的基礎(chǔ)上,搭建了基于PSCAD/EMTDA的仿真模型,并通過(guò)分布電源(DG)和負(fù)荷的投切仿真試驗(yàn),驗(yàn)證了微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的可行性。

微電網(wǎng);分布式電源;控制策略;PSCAD/EMTDA仿真;孤島運(yùn)行

隨著世界范圍內(nèi)的一次能源危機(jī)和環(huán)境的日益惡化,各國(guó)越來(lái)越重視微電網(wǎng)的發(fā)展[1-2]。微電網(wǎng)是一種將分布式電源(DG)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷、能量轉(zhuǎn)換裝置、控制與保護(hù)裝置匯集成的小型發(fā)、配、用電系統(tǒng),它在有效的控制方式下具有并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式[3]。并網(wǎng)模式是指在大電網(wǎng)正常供電時(shí)DG作為輔助電源接入,與大電網(wǎng)一起為負(fù)荷供電[4],這種模式下微電網(wǎng)的電壓和頻率是由大電網(wǎng)來(lái)決定的。孤島模式是指當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障而與微電網(wǎng)斷開(kāi)后,DG單獨(dú)向微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷供電,因此,微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的電壓和頻率是由DG來(lái)支撐的。目前,微電網(wǎng)并網(wǎng)模式下的控制技術(shù)和在并網(wǎng)狀態(tài)與孤島狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的研究已較成熟[5-6],但對(duì)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的研究卻還有待深入,故本文就微電網(wǎng)孤島狀態(tài)下的DG和負(fù)荷的投切進(jìn)行仿真,以驗(yàn)證在DG投切和負(fù)荷投切的擾動(dòng)下,微電網(wǎng)是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與控制方式

1.1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)一般通過(guò)斷路器與配電網(wǎng)相連,根據(jù)PCC處斷路器的開(kāi)斷情況,微電網(wǎng)分為并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種運(yùn)行方式。微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)斷路器閉合時(shí),微電網(wǎng)工作在并網(wǎng)狀態(tài),微電網(wǎng)的頻率和電壓由配電網(wǎng)支撐,但是由于微電網(wǎng)內(nèi)的DG出力不能滿足本地負(fù)荷的需求,故配電網(wǎng)需通過(guò)PCC向微電網(wǎng)供電[7];當(dāng)斷路器斷開(kāi)時(shí),微電網(wǎng)工作在孤島狀態(tài),微電網(wǎng)的頻率和電壓由DG支撐,但是由于DG的出力同樣不能滿足本地負(fù)荷,故必須切除一些不重要的負(fù)荷,而保留對(duì)供電敏感的負(fù)荷。

1.2 微電網(wǎng)的控制方式

微電網(wǎng)的綜合控制方式可分為主從控制、對(duì)等控制和分層控制三種。在不同控制方式下,微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行模式為:

1) 在主從控制方式下,微電網(wǎng)的DG至少有一個(gè)作為主控電源,其他為從電源。而當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島模式下時(shí),為保證微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定,主控電源的控制方式為VF(恒壓恒頻)控制,而從電源的控制方式為PQ(恒功率控制)控制。

2) 在對(duì)等控制方式下,所有DG的地位相等,沒(méi)有主從之分。而當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島模式下時(shí),DG一般采用下垂控制,所有DG都參與微電網(wǎng)電壓和頻率的調(diào)節(jié)。此時(shí),當(dāng)負(fù)荷改變時(shí),各分布式電源共同分擔(dān)負(fù)荷的改變量,然后根據(jù)設(shè)定的下垂特性,調(diào)整各自的輸出電壓和頻率值,使系統(tǒng)最終過(guò)渡到一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)功率的合理分配。

2 分布式電源的控制策略

DG的控制一般可分為電壓型控制和電流型控制兩種。PQ控制屬于電壓型控制,VF控制則屬于電流型控制,而Droop控制則既是電壓型控制又是電流型控制。

2.1 PQ控制策略

微電網(wǎng)采用PQ控制的主要目的是使DG按照參考輸出指定的有功功率和無(wú)功功率,即當(dāng)微電網(wǎng)的電壓和頻率在一定范圍內(nèi)變化時(shí),DG輸出的有功功率和無(wú)功功率不變[8],這種控制方式可以保證DG的最大出力。在實(shí)際的微電網(wǎng)系統(tǒng)中,像光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電這樣的分布式發(fā)電電源,其輸出功率受天氣環(huán)境變化等不可控因素的影響較大,發(fā)電具有明顯的波動(dòng)性和間歇性。如果要求此類分布式發(fā)電電源根據(jù)負(fù)荷需求調(diào)整發(fā)電量,則需要配備較大容量的儲(chǔ)能裝置,這很不經(jīng)濟(jì),故對(duì)這些電源的控制目標(biāo)應(yīng)該是保證可再生能源的最大利用率。而在采用PQ控制策略時(shí),有功功率和無(wú)功功率的參考由最大功率跟蹤算法給出。同時(shí),由于PQ控制的分布式電源不能穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓和頻率,因此它不能作為微電網(wǎng)孤島運(yùn)行狀態(tài)下的主電源。

2.2 VF控制策略

VF控制策略可以使DG在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下作為主電源對(duì)微電網(wǎng)的電壓和頻率提供強(qiáng)有力的支撐,從而保證DG連接處微電網(wǎng)的電壓幅值和頻率保持不變。但前提是采用VF控制的分布式電源必須具有較強(qiáng)的儲(chǔ)備能力,滿足負(fù)荷波動(dòng)時(shí)調(diào)整其功率的輸出需要。在實(shí)際的微電網(wǎng)中,燃料電池等分布式發(fā)電電源及蓄電池等儲(chǔ)能裝置,由于其可以根據(jù)負(fù)荷需求調(diào)節(jié)自身的功率輸出,因此常作為微網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下的支撐電壓源來(lái)使用,用以維持微網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡。對(duì)于這類微電源中的逆變器,在微網(wǎng)孤島模式下運(yùn)行時(shí),適合采用VF控制策略。

2.3 Droop控制策略

Droop控制是一種通過(guò)控制逆變器來(lái)使分布式電源的輸出特性和同步發(fā)電機(jī)的輸出特性一致的控制策略[9-10],即通過(guò)調(diào)節(jié)分布式電源逆變器輸出電壓的相位和幅值來(lái)調(diào)節(jié)其輸出有功功率和無(wú)功功率[11]。逆變器輸出的下垂特性如圖2所示。

圖2 下垂特性曲線

從圖2可以看到,逆變器輸出的有功功率和頻率呈線性關(guān)系,逆變器輸出的無(wú)功功率和電壓幅值成線性關(guān)系。故當(dāng)逆變器輸出電壓的頻率和幅值分別為f0和V0時(shí),下垂控制的分布式電壓就工作在下垂曲線中的A點(diǎn),此時(shí)DG輸出的有功功率和無(wú)功功率分別為P0和Q0。而當(dāng)逆變器輸出電壓的頻率和幅值分別為f1和V1時(shí),下垂控制的分布式電壓就工作在下垂曲線中的B點(diǎn),此時(shí)DG輸出的有功功率和無(wú)功功率分別為P1和Q1。因此,可以看出當(dāng)逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率變化時(shí),逆變器輸出電壓的頻率和幅值按照下垂特性曲線線性變化。

3 基于PSCAD的孤島運(yùn)行仿真

由于在對(duì)等控制的微電網(wǎng)中,所有DG是平等的關(guān)系,沒(méi)有主從之分,當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)可即插即用。同時(shí),對(duì)等控制的微電網(wǎng)中的DG采用基于下垂特性的Droop控制,且所有DG按照預(yù)先設(shè)定的控制方式參與有功功率和無(wú)功功率的調(diào)節(jié),故本文采用對(duì)等控制的微電網(wǎng)作為仿真對(duì)象。

利用PSCAD軟件構(gòu)建的仿真電路如圖3所示,微電網(wǎng)通過(guò)PCC處的斷路器與額定電壓為380 V的大電網(wǎng)相連,而DG1和DG2接在不同的母線上,額定電壓都為380 V,額定出力均為0.5 MW。

圖3 微電網(wǎng)仿真模型

3.1 DG的接入與切除

微電網(wǎng)在孤島狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),由于其分布式電源的隨機(jī)性太大,系統(tǒng)總是不可避免地要切除和接入分布式電源。通常切除分布式電源比較簡(jiǎn)單,例如對(duì)于含有直流的分布式電源,調(diào)節(jié)逆變器將電源的輸出功率降為零,然后將分布式電源出口處的斷路器直接斷開(kāi)即可。但是,分布式電源的接入比較復(fù)雜,在分布式電源接入微電網(wǎng)時(shí),它需要滿足與微電網(wǎng)具有相同的電壓幅值和相角,否則將產(chǎn)生嚴(yán)重的暫態(tài)過(guò)程,導(dǎo)致設(shè)備損壞。

DG接入微電網(wǎng)的操作流程如圖4所示。

圖4 DG接入微電網(wǎng)的操作流程圖

當(dāng)DG接收到需要并網(wǎng)的命令時(shí),檢測(cè)模塊分別檢測(cè)出DG和微電網(wǎng)側(cè)的電壓幅值和相角,得出兩者的電壓幅值差ΔU和相角差Δθ。如果ΔU<ΔUmax且Δθ<Δθmax(ΔUmax和Δθmax分別為DG并網(wǎng)時(shí)系統(tǒng)所允許的最大電壓幅值差和相角差),則DG直接并入微電網(wǎng)。否則,調(diào)節(jié)DG側(cè)輸出電壓幅值和相角,直到達(dá)到要求為止。電壓幅值和相角的調(diào)節(jié)通過(guò)DG逆變器的控制單元實(shí)現(xiàn)。

利用PSCAD對(duì)微電網(wǎng)模型(見(jiàn)圖3)進(jìn)行DG的接入和切除仿真。設(shè)負(fù)荷1和負(fù)荷2消耗的功率相同,有功功率和無(wú)功功率分別為0.25 MW和0.15 Mvar。初始微電網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開(kāi),即PCC處的短路器處于打開(kāi)狀態(tài),DG1和DG2均并入微電網(wǎng)。仿真時(shí)間為3 s,系統(tǒng)在1 s時(shí)將DG2切除,在2 s時(shí)再將DG2并入。仿真結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 DG2接入時(shí)A相電壓瞬時(shí)值

圖6 DG的輸出功率

圖7 微電網(wǎng)的電壓和頻率

從圖5可以看出,DG2在2 s接收到并網(wǎng)指令后,迅速調(diào)整其電壓幅值和相角,約在一個(gè)周期(20 ms)內(nèi)DG2和微電網(wǎng)同步,DG2并入微電網(wǎng)。 從圖6可以看出,1 s之前,DG1和DG2同時(shí)并入微電網(wǎng),均分負(fù)荷消耗的有功功率和無(wú)功功率。在1～2 s內(nèi),只有DG1并入微電網(wǎng),單獨(dú)向微電網(wǎng)供電。2 s時(shí),DG2并入電網(wǎng), DG2需要吸收有功和無(wú)功功率。由于調(diào)整DG2滿足并網(wǎng)條件需要一定時(shí)間,故延遲一段時(shí)間后DG2并網(wǎng),且0.5 s后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。從圖7可以看出,在DG2接入和斷開(kāi)時(shí)系統(tǒng)的電壓和頻率有微小波動(dòng),但波動(dòng)范圍在允許的范圍內(nèi)。

3.2 負(fù)荷波動(dòng)的仿真

對(duì)微電網(wǎng)模型(見(jiàn)圖3)進(jìn)行孤島狀態(tài)下負(fù)荷的投切仿真。設(shè)DG1和DG2同時(shí)運(yùn)行,正常狀態(tài)下滿負(fù)荷運(yùn)行,并分別對(duì)切除和投入50%的負(fù)荷進(jìn)行仿真,分析其對(duì)微電網(wǎng)的影響;設(shè)負(fù)荷1和負(fù)荷2消耗的功率相同,有功功率和無(wú)功功率分別為0.5 MW和0.3 Mvar。仿真時(shí)間為3 s,系統(tǒng)在1 s時(shí)將負(fù)荷2切除,在2 s時(shí)再將負(fù)荷2并入微電網(wǎng)。仿真結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 DG的輸出功率

圖9 微電網(wǎng)的電壓和頻率

從圖8可以看出,由于DG采用下垂控制,DG1和DG2的有功功率和無(wú)功功率輸出相同,在負(fù)荷2切除時(shí),兩個(gè)DG的輸出同時(shí)下降,而在負(fù)荷2重新并網(wǎng)時(shí),兩個(gè)DG又同時(shí)增加輸出。而從圖9中可以看出,在負(fù)荷2投切時(shí),微電網(wǎng)的電壓和頻率都發(fā)生了微小的波動(dòng),但波動(dòng)在允許的范圍之內(nèi)。因此,微電網(wǎng)在孤島狀態(tài)下運(yùn)行,負(fù)荷的投切不會(huì)影響微電網(wǎng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

微電網(wǎng)有并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行方式,本文基于PSCAD對(duì)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行進(jìn)行了仿真研究,驗(yàn)證了微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行方式下,對(duì)等控制方式DG投切和負(fù)荷投切時(shí)的穩(wěn)定性,同時(shí)也對(duì)連續(xù)調(diào)節(jié)DG的電壓幅值和相角使DG并入微電網(wǎng)的方式進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明,在DG投切和負(fù)荷投切時(shí),微電網(wǎng)均能穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

[1] 盛鹍,孔力,齊智平,等. 新型電網(wǎng)-微電網(wǎng)(Microgrid)研究綜述[J]. 繼電器,2007,12:75-81.SHENG Kun, KONG Li, QI Zhiping, et al. A survey on research of microgrid-a new power system [J]. Relay, 2007,12:75-81.

[2] 魯宗相,王彩霞,閔勇,等. 微電網(wǎng)研究綜述[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2007,19:100-107.

LU Zongxiang, WANG Caixia, MIN Yong, et al. Overview on microgrid research [J]. Automation of Electric Power Systems, 2007,19:100-107.

[3] 王鶴,李國(guó)慶. 含多種分布式電源的微電網(wǎng)控制策略[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備,2012,05:19-23.

WANG He, LI Guoqing. Control strategy of microgrid with different DG types [J]. Electric Power Automation Equipment, 2012,05:19-23.

[4] 楊志淳, 樂(lè)健, 劉開(kāi)培, 等. 微電網(wǎng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012, 40(2): 66-71.

YANG Zhichun, LE Jian, LIU Kaipei, et al. Study on the standard of the grid-connected microgrids [J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(2): 66-71.

[5] 王鶴,李國(guó)慶,李鴻鵬,等. 微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤島運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換方法[J]. 中國(guó)電力,2012,01:59-63.

WANG He, LI Guoqing, LI Hongpeng, et al. Transfer method of micro-grid operation between grid-connected and islanding modes [J]. Electric Power, 2012,01:59-63.

[6] 鄭競(jìng)宏,王燕廷,李興旺,等. 微電網(wǎng)平滑切換控制方法及策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011,18:17-24.

ZHENG Jinghong, WANG Yanting, LI Xingwang, et al. Control methods and strategies of microgrid smooth switchover [J]. Automation of Electric Power Systems, 2011,18:17-24.

[7] 黃偉,牛銘. 微電網(wǎng)非計(jì)劃孤網(wǎng)控制策略分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011, 9:42-46.

HUANG Wei, NIU Ming. Analysis on non-planned isolated control strategy for microgrid [J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 9:42-46.

[8] 蔣偉. 微網(wǎng)接入配電網(wǎng)的保護(hù)控制關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].西南交通大學(xué),2011.

JIANG Wei. Research on the key problems in protection control for microgrid-connected distribution network [D]. Southwest Jiaotong University, 2011.

[9] 肖朝霞. 微網(wǎng)控制及運(yùn)行特性分析[D].天津大學(xué),2009.

XIAO Zhaoxia. Analysis of characteristics of microgrid control and operation [D]. Tianjing University, 2009.

[10] KATRAEI F, IRAVANI M R. Power management strategies for a microgrid with multiple distributed generation units[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2006, 21(4): 1821-1831.

[11] 張中鋒. 微網(wǎng)逆變器的下垂控制策略研究[D].南京航空航天大學(xué),2013.

ZHANG Zhongfeng. Research on droop control strategy for microgrid inverter [D]. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2013.

(責(zé)任編輯 郭金光)

Control strategy and simulation analysis of microgrid island operation

WANG Huailu1, CHENG Luyu2

(1.Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;2. State Grid Shandong Maintenance Company, Jinan 250118, China)

Microgrid is a special distribution network with distributed generation, providing an effective method for distributed generation contacting to large distributed power grid. Microgrid can operate in two modes: grid-connected mode and islanded mode. This paper listed and discussed the control strategy of microgrid island operation, and built a simulation model, through which simulated DG and load switching to verify the feasibility of microgrid island operation based on PSCAD/EMTDA simulation software.

microgrid; distributed generation; control strategy; PSCAD/EMTDA simulation; island operation

2015-10-18。

王懷路(1989—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。

TM743

A

2095-6843(2016)01-0043-04