趙 洪

（北京首都開發(fā)股份有限公司首開同信分公司，北京 100000）

當(dāng)前能源供應(yīng)現(xiàn)狀和能源分布結(jié)構(gòu)面臨調(diào)整，構(gòu)建高效低碳的綠色能源網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫，以光伏、風(fēng)力為代表的新能源發(fā)電技術(shù)得到快速發(fā)展[1-2]。微電網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)⒎植际诫娫磁c就地負(fù)荷有效鏈接成微電網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)而抑制分布式電源并網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問題，并保證了孤網(wǎng)運行時的供電能力。其中，交直流混合微電網(wǎng)結(jié)合了交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)的優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)和使用上具有優(yōu)越靈活性和穩(wěn)定安全性[3-5]，但其功能實現(xiàn)主要依賴于控制方式和運行模式[6]。因此，本文針對分布式電源并網(wǎng)下交直混合微電網(wǎng)的運行控制問題，對交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分布式電源及其控制策略進(jìn)行研究。

1 交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

交直流混合微電網(wǎng)有并網(wǎng)運行和獨立運行2種常態(tài)運行方式。當(dāng)遇到大電網(wǎng)故障時，微電網(wǎng)從并網(wǎng)運行模式切換到孤島運行模式，并保障微電網(wǎng)內(nèi)一些重要負(fù)荷的供電；當(dāng)大電網(wǎng)故障切除后，微電網(wǎng)可以恢復(fù)到并網(wǎng)運行模式；此外，當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)弱電網(wǎng)情況時，大電網(wǎng)還能從微電網(wǎng)內(nèi)注入和吸收無功功率，實現(xiàn)自身的電壓支撐。交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由圖1可知，系統(tǒng)中包含不同類型的分布式電源。在并網(wǎng)模式下，交直流混合微電網(wǎng)通過大電網(wǎng)的箝位作用使得交流微電網(wǎng)的頻率與大電網(wǎng)保持同步，蓄電池可以作為可控的分布式電源接入到風(fēng)光儲微電網(wǎng)中，負(fù)荷也可以通過大電網(wǎng)獲得符合要求的電能。交直流微電網(wǎng)因為大電網(wǎng)的存在使得自身功率可以保持平衡，此時交直流微電網(wǎng)的運行控制難點主要在集中在控制方面。

圖1 交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 分布式電源分析與搭建

由于分布式電源一般由小功率模塊組成且須兼顧周圍環(huán)境，具有小容量分散化的特點，因此以光伏系統(tǒng)為例進(jìn)行電源特性分析與模型搭建。

2.1 光伏發(fā)電的原理和特性

光伏系統(tǒng)依靠光伏陣列生成電勢，然后利用逆變器將進(jìn)行逆變及相角和頻率控制進(jìn)行并網(wǎng)輸出。光伏陣列的電路模型如圖2所示。

圖2中，iph、Dph、Rs、Rsh、iD、ish、ipv和upv分別為光生電流、PN結(jié)、等效串聯(lián)電阻、等效并聯(lián)電阻、流經(jīng)PN結(jié)的電流、流經(jīng)等效并聯(lián)電阻電流、光伏陣列輸出電流和光伏陣列輸出電壓。通過對其進(jìn)行電路原理計算可以得到光伏陣列的輸出電流電壓分別為

圖2 光伏陣列等效電路

式中：Isat、a、k、T、q和·LambertW（O）分別為反向飽和電流、二極管的品質(zhì)系數(shù)、波茲曼常數(shù)、溫度、電荷量和朗伯W函數(shù)。通過上述可求得的光伏陣列的輸出功率Ppv為

由式（3）可知，由于日照和溫度的不定性，光伏陣列的電壓和功率輸出會有較大變化[7]，變化情況具體如圖3所示。

在圖3中，圖3（a）為溫度15~45℃時的4條曲線，圖3（b）為光照強(qiáng)度200~1 000 W/m2時的5條曲線。通過對比曲線變化趨勢可知：恒光照下，光伏電池的輸出電壓及輸出功率隨溫度升高而變小；恒溫下，光伏電池的輸出電壓及輸出功率隨光照增強(qiáng)而變大。

圖3 光伏電池功率-電壓變化曲線

2.2 光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤技術(shù)

光伏電源本身具有出力不穩(wěn)定性，直接接入電網(wǎng)會引起電能質(zhì)量問題。工程中常采用最大功率點追蹤（MPPT）技術(shù)能對功率進(jìn)行控制使其輸出最大功率[8-9]，達(dá)到并網(wǎng)要求。其中，利用增量電壓法可以實現(xiàn)MPPT的光伏輸出功率穩(wěn)定在最大功率點附近，其主要原理是[10]：利用MPPT算法得到的光伏輸出電壓參考值與實時電壓作比較，并通過控制器的調(diào)節(jié)獲取光伏輸出電流參考值與實時電流作比較，然后基于脈沖寬度調(diào)制（PWM）發(fā)生器獲取控制信號實現(xiàn)，最終實現(xiàn)MPPT功能。具體步驟為[9]：首先，根據(jù)光伏陣列當(dāng)前開關(guān)周期的輸出電壓和輸出電流計算出當(dāng)前開關(guān)周期光伏陣列的輸出功率；其次，將當(dāng)前開關(guān)周期光伏陣列輸出功率與上一開關(guān)周期光伏陣列輸出功率相比較，為參考電壓的整定提供判斷依據(jù)；再次，比較當(dāng)前開關(guān)周期光伏陣列輸出電壓與上一開關(guān)周期光伏陣列的輸出電壓，為參考電壓的整定提供判斷依據(jù)；最后，結(jié)合光伏陣列輸出電壓和輸出功率的比較結(jié)果，對光伏陣列輸出電壓的參考值進(jìn)行整定。

2.3 光伏電源仿真模型搭建

本文利用PSCAD平臺建立仿真模型，光伏電源的具體情況如圖4所示。

由圖4可知，光伏發(fā)電的主要元器件是光伏電池，因為單一光伏電池產(chǎn)生的電壓電流較小，所以將光伏電池串并聯(lián)制成光伏陣列，以提升電壓電流水平。此外，光伏陣列將光能轉(zhuǎn)化為電能時產(chǎn)生的是直流電，但可以通過逆變器將其轉(zhuǎn)化為交流電。

圖4 光伏電源仿真模型

3 交直流混合微電網(wǎng)運行控制策略

為讓微電網(wǎng)系統(tǒng)運行在既能穩(wěn)定為負(fù)荷提供電能，又可降低電網(wǎng)運行中損耗的最優(yōu)狀態(tài)下，需要依據(jù)實際運行情況建立起安全穩(wěn)定的控制策略。此外，微電網(wǎng)因為可以自由切換運行模式，當(dāng)發(fā)生切換時，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會發(fā)生不同程度的變化，為了保障微電網(wǎng)對負(fù)載的穩(wěn)定供電能力，還需要對其內(nèi)部的分布式電源和模式開關(guān)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。對于微電網(wǎng)系統(tǒng)，應(yīng)針對不同情況提供相應(yīng)的控制方式，使其工作時滿足不同的運行要求，因此在每個微電網(wǎng)都建立起運行控制中心，經(jīng)由系統(tǒng)內(nèi)的各級通信單元傳輸信息和指令，合理兼容微網(wǎng)的不同運行方式，達(dá)到最優(yōu)控制目的。

3.1 并網(wǎng)運行控制策略

當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行狀態(tài)時，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并聯(lián)運行，自身頻率與大電網(wǎng)同步，對系統(tǒng)內(nèi)的電壓控制有較高需求。此時的控制策略為：控制中心自主判斷各節(jié)點的電壓是否滿足要求，若不符合要求，就需要采取相關(guān)的措施進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。具體表現(xiàn)為依靠無功潮流來控制分布式電源和儲能設(shè)備的出力，使微網(wǎng)盡可能地不會被切除出大電網(wǎng)；通過優(yōu)化無功分布及平衡無功潮流，保證電壓滿足標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 孤島運行控制策略

當(dāng)交直流微電網(wǎng)處于孤島運行模式時，需要保證內(nèi)部分布式電源的快速響應(yīng)，優(yōu)化負(fù)荷潮流分布，使得系統(tǒng)可以滿足內(nèi)部的電能需求及電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。此外，還要對線路、設(shè)備以及負(fù)載進(jìn)行保護(hù)，防止出現(xiàn)故障。所以在孤島運行模式下的控制策略為：通過微電網(wǎng)中的控制中心進(jìn)行統(tǒng)籌管理實現(xiàn)各個分布式電源的調(diào)整。

3.3 運行方式切換方法

微電網(wǎng)系統(tǒng)可借助電力電子技術(shù)，實現(xiàn)孤島運行模式和并網(wǎng)運行模式的切換，這樣可以降低分布式電源對大電網(wǎng)造成的沖擊。當(dāng)進(jìn)行2種運行模式的切換時，要先選擇合適的控制策略作為相應(yīng)切換動作觸發(fā)的前提。此外，在進(jìn)行并網(wǎng)操作時應(yīng)緩慢調(diào)節(jié)微電網(wǎng)電壓以減小沖擊電流。

4 交直流微電網(wǎng)的仿真

微電網(wǎng)運行的基礎(chǔ)與核心是內(nèi)部對分布式電源的控制，其基本目的是使微電網(wǎng)可以為負(fù)荷提供正常工作的環(huán)境，并且保障電能質(zhì)量安全可靠。對于多種分布式電源的仿真，光伏電源與儲能系統(tǒng)通過電橋?qū)蜗嚯妷弘娏鬓D(zhuǎn)換為三相電壓電流，然后利用三相斷路器控制模塊進(jìn)行開閉動作。而風(fēng)力電源則將發(fā)出的三相電壓電流直接匯入微電網(wǎng)中。綜上所述，利用PSCAD平臺搭建圖1所示的交直流混合微電網(wǎng)仿真模型，并進(jìn)行運行策略控制，得到交流電源側(cè)的電壓變化情況如圖5所示。

圖5 交流電源側(cè)的電壓變化

由仿真結(jié)果可知，交流電源側(cè)的電壓波形不存在畸變現(xiàn)象，滿足電能質(zhì)量需求。

5 結(jié)論

本文通過分析交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，首先，闡述了不同分布式電源的并網(wǎng)方式；其次，以光伏系統(tǒng)為例進(jìn)行分布式電源的原理和特性分析；再次，厘清了交直流混合微電網(wǎng)在不同運行方式下的控制策略和運行方式切換時的處理方法；最后，利用PSCAD平臺搭建模型進(jìn)行電壓情況的仿真驗證。研究結(jié)果表明，利用微電網(wǎng)技術(shù)來進(jìn)行分布式電源的并網(wǎng)處理，可以實現(xiàn)輸出電壓的有效控制，這為可再生能源的開發(fā)與利用提供新的思路。