焦小路

（中海油阜寧熱電有限責(zé)任公司）

0 引言

微電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，既可以工作在獨立運行模式下，又可以工作在并網(wǎng)運行模式下[1]。當(dāng)微電網(wǎng)工作在獨立模式下時，由其內(nèi)部的微電源為微電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率，微電網(wǎng)會自動對其內(nèi)部產(chǎn)生的電壓波動和功率波動進行調(diào)節(jié)，內(nèi)部只有一個微電源時，采用電壓/頻率控制策略，內(nèi)部有多個微電源時，采用下垂控制策略[2-3]。

通常情況下，微電網(wǎng)獨立運行時都采用儲能單元或燃?xì)獍l(fā)電單元作為主電源提供電壓和頻率，當(dāng)微電網(wǎng)主電源進行切換時，系統(tǒng)微電網(wǎng)會出現(xiàn)短時停電現(xiàn)象，因此必須對微電網(wǎng)獨立運行時儲能單元和燃?xì)獍l(fā)電單元的協(xié)調(diào)控制進行深入研究，以保證微電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性[4-5]。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及控制策略

本文所研究的獨立運行微電網(wǎng)系統(tǒng)包含了光伏發(fā)電單元、燃?xì)獍l(fā)電單元、儲能單元等微電源[6]，以及若干負(fù)荷，每一個微電源都通過與其對應(yīng)的逆變器接入到微電網(wǎng)中，具體的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 獨立運行微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

微電網(wǎng)中各個微電源的控制策略如下。

（1）光伏發(fā)電單元

光伏發(fā)電單元包括光伏陣列、DC/DC變換器、并網(wǎng)逆變器，光伏發(fā)電單元由其DC/DC變換器實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制，其輸出的功率波動性較大，其并網(wǎng)逆變器采用恒功率控制策略[7-8]。其具體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電單元結(jié)構(gòu)

（2）燃?xì)獍l(fā)電單元

燃?xì)獍l(fā)電單元包括燃?xì)廨啓C、永磁電機、四象限、并網(wǎng)逆變器，并網(wǎng)逆變器采用下垂控制策略[9]，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 燃?xì)獍l(fā)電單元結(jié)構(gòu)

其中，燃?xì)廨啓C會將燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)換為動能驅(qū)動渦輪做功，繼而帶動永磁電機高速旋轉(zhuǎn)發(fā)出高頻率的交流電，在經(jīng)過四象限和逆變器進行交流－直流－交流的變換得到工頻電，出送到微電網(wǎng)中。燃?xì)獍l(fā)電單元采用下垂控制策略后，再采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制后，得到頻率和電壓可控的交流電，實現(xiàn)維持微電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定的功能[10-11]。

（3）儲能單元

儲能單元在微電網(wǎng)中主要起到能量存儲的作用，在微電網(wǎng)出現(xiàn)異常時提供電能、抑制負(fù)荷波動，儲能單元包括儲能電池、DC/DC變換器、并網(wǎng)逆變器[12]，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 儲能單元結(jié)構(gòu)

儲能單元中的DC/DC變換器和并網(wǎng)逆變器都能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動，并網(wǎng)逆變器采用了恒功率控制策略和下垂控制策略，兩種控制策略能夠無縫切換。

當(dāng)燃?xì)獍l(fā)電單元工作時，儲能單元采用恒功率控制方式，由燃?xì)獍l(fā)電單元提供微電網(wǎng)工作的電壓和頻率，儲能單元配合燃?xì)獍l(fā)電單元工作，對微電網(wǎng)的功率波動進行抑制，恒功率控制策略的控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 恒功率控制結(jié)構(gòu)

如圖5所示采用了雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，當(dāng)并網(wǎng)逆變器輸出的功率P和Q與參考功率Pref和Qref的誤差不為零時，采用比例積分控制器對誤差進行調(diào)節(jié)，將誤差調(diào)節(jié)到零后，并網(wǎng)逆變器工作在穩(wěn)態(tài)。

當(dāng)燃?xì)獍l(fā)電單元不工作時，由儲能單元提供微電網(wǎng)工作的電壓和頻率，儲能單元采用了下垂控制策略。根據(jù)下垂控制方程得到下垂參考電壓Udref和Uqref，再采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制后，得到頻率和電壓可控的交流電，實現(xiàn)維持微電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定的功能。

2 燃?xì)獍l(fā)電單元與儲能單元

2.1 燃?xì)獍l(fā)電單元與儲能單元協(xié)調(diào)控制策略

燃?xì)獍l(fā)電單元與儲能單元協(xié)調(diào)控制時，獨立運行的微電網(wǎng)中包含了兩組燃?xì)獍l(fā)電單元、光伏發(fā)電單元、儲能單元。兩組燃?xì)獍l(fā)電單元通過同步并網(wǎng)開關(guān)連接到微電網(wǎng)，燃?xì)獍l(fā)電單元與儲能單元之間的切換通過解列開關(guān)實現(xiàn)，協(xié)調(diào)控制單元向燃?xì)獍l(fā)電單元和儲能單元下發(fā)并網(wǎng)運行指令和參考功率指令，從而實現(xiàn)燃?xì)獍l(fā)電單元與儲能單元的協(xié)調(diào)控制。

當(dāng)燃?xì)獍l(fā)電單元作為微電網(wǎng)主電源時，儲能單元的并網(wǎng)逆變器采用恒功率控制策略；當(dāng)儲能單元作為主電源時，其并網(wǎng)逆變器采用下垂控制策略。

2.2 切換控制策略

當(dāng)儲能單元或燃?xì)獍l(fā)電單元收到作為微電網(wǎng)主電源的運行指令后，需要并入微電網(wǎng)運行，并網(wǎng)運行的前提條件是并網(wǎng)單元的電壓幅值和頻率必須與微電網(wǎng)的電壓幅值和頻率保持完全一致，否則的話會對微電網(wǎng)造成沖擊。進行并網(wǎng)切換，會產(chǎn)生沖擊電流為：

式中，uinv和us分別為并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和微電網(wǎng)的電壓，Zs為微電網(wǎng)側(cè)的等效阻抗：

要減小沖擊電流，實現(xiàn)無縫切換，就必須采用鎖相環(huán)技術(shù)來對微電網(wǎng)電壓的相位和頻率進行實時跟蹤。

當(dāng)燃?xì)獍l(fā)電單元退出運行時，燃?xì)獍l(fā)電單元連接至微電網(wǎng)的解列開關(guān)斷開時間要長于儲能單元從恒功率控制方式切換到下垂控制方式的時間，因此在短時間內(nèi)存在燃?xì)獍l(fā)電單元和儲能單元同時作為主電源的狀態(tài)，為了保證無縫切換，當(dāng)儲能單元轉(zhuǎn)變?yōu)橄麓箍刂品绞綍r，其參考電壓的幅值和相位仍然由燃?xì)獍l(fā)電單元決定。在燃?xì)獍l(fā)電單元退出運行前，其發(fā)出的有功率越大，與微電網(wǎng)斷開瞬間對微電網(wǎng)的沖擊也就越大，因此在進行切換前最大限度降低流過解列開關(guān)的電流。

當(dāng)儲能單元作為微電網(wǎng)主電源時，由其提供微電網(wǎng)工作的電壓和頻率，燃?xì)獍l(fā)電單元在并網(wǎng)運行前需要檢測微電網(wǎng)的電壓幅值、頻率、相位，并以此為基準(zhǔn)調(diào)整自身輸出的電壓、幅值、相位，完全一致時，閉合解列開關(guān)，完成并網(wǎng)。

當(dāng)協(xié)調(diào)控制單元檢測到燃?xì)獍l(fā)電單元重新并網(wǎng)運行后，向燃?xì)獍l(fā)電單元和儲能單元下發(fā)運行方式切換指令、參考功率指令，切換后微電網(wǎng)工作的電壓和頻率由燃?xì)獍l(fā)電單元提供。在切換時需要保證儲能單元的輸出功率保持恒定，完成切換后，再逐步降低儲能單元的輸出功率，將負(fù)荷平滑地轉(zhuǎn)移到燃?xì)獍l(fā)電單元上。

3 實例分析

構(gòu)建獨立的微電網(wǎng)系統(tǒng)，微電網(wǎng)的基本架構(gòu)如圖1所示。其中光伏發(fā)電單元的額定輸出功率為200kW，兩臺燃?xì)獍l(fā)電單元的單臺額定輸出功率為200kW，儲能單元的額定容量為200kVA，系統(tǒng)負(fù)荷為200kW。

（1）燃?xì)獍l(fā)電單元作為微電網(wǎng)主電源情況

在第0s時刻微電網(wǎng)中的負(fù)荷為120kW，第3s時，負(fù)荷突增80kW，達(dá)到了200kW。如圖6所示，在第3s時，由于負(fù)荷突然增加，整個微電網(wǎng)的有功功率也進行了調(diào)節(jié)，并且維持微電網(wǎng)工作電壓的燃?xì)獍l(fā)電單元采用的是下垂控制方式，微電網(wǎng)的頻率略微有所下降，但還是維持在允許范圍內(nèi)；在第3s時，燃?xì)獍l(fā)電單元輸出的有功功率從80kW增加到160kW；儲能單元輸出的有功功率設(shè)定為30kW。燃?xì)獍l(fā)電單元能夠根據(jù)負(fù)荷的變化快速調(diào)節(jié)輸出的有功功率，負(fù)荷的突變對獨立運行的微電網(wǎng)的電壓和頻率影響都較小，微電網(wǎng)能對電壓和頻率進行快速的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

圖6 燃?xì)獍l(fā)電單元作為主電源時系統(tǒng)波形

（2）燃?xì)獍l(fā)電單元與儲能單元切換情況

在燃?xì)獍l(fā)電單元與儲能單元進行切換時，微電網(wǎng)的負(fù)荷為180kW，其中光伏發(fā)電單元承擔(dān)了25kW，在第1s時刻燃?xì)獍l(fā)電單元退出運行，儲能單元由輔助電源變?yōu)橹麟娫?，其控制方式由恒功率控制變?yōu)橄麓箍刂?；在?s時刻燃?xì)獍l(fā)電單元重新啟動，當(dāng)電壓相位、頻率、幅值滿足要求時，完成并網(wǎng)，儲能單元由主電源變?yōu)檩o助電源，控制方式由下垂控制變?yōu)楹愎β士刂?。燃?xì)獍l(fā)電單元與儲能單元切換時的波形如圖7所示。

圖7 燃?xì)獍l(fā)電單元與儲能單元切換時系統(tǒng)波形

4 結(jié)束語

本文對獨立運行的微電網(wǎng)的穩(wěn)定性關(guān)鍵因素進行分析，并且搭建了獨立微電網(wǎng)的模型，其中包含光伏發(fā)電單元、燃?xì)獍l(fā)電單元、儲能單元，給出了不同單元相對應(yīng)的控制策略。根據(jù)其穩(wěn)定性關(guān)鍵因素，提出了儲能單元與燃?xì)獍l(fā)電單元的協(xié)調(diào)控制策略。經(jīng)過實際高壓試驗驗證，本文所提出的協(xié)調(diào)控制策略完全能夠保證獨立運行微電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性，該策略具備進行大規(guī)模推廣應(yīng)用的價值，對于保持獨立運行的微電網(wǎng)的穩(wěn)定性具有重要意義。