符 楊，黃麗莎，趙晶晶，呂 雪

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

隨著化石燃料供應(yīng)的日益緊張和用電需求的不斷增大，基于可再生能源的分布式發(fā)電技術(shù)開(kāi)始受到人們的廣泛關(guān)注.分布式發(fā)電將成為未來(lái)大型電網(wǎng)的有力補(bǔ)充和有效支撐，是未來(lái)電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一.［1-3］為充分發(fā)揮分布式發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可將多個(gè)分布式電源(DG)、儲(chǔ)能裝置和可控負(fù)荷按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成微電網(wǎng).并網(wǎng)運(yùn)行模式是微電網(wǎng)與主電網(wǎng)連接運(yùn)行的狀態(tài)，孤島運(yùn)行模式是微電網(wǎng)與主電網(wǎng)斷開(kāi)孤立運(yùn)行的狀態(tài)，兩種模式都是微電網(wǎng)的正常運(yùn)行狀態(tài).采用合理的微電網(wǎng)控制策略是保證微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的關(guān)鍵.［4］而微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行模式與孤島運(yùn)行模式的平滑切換是微電網(wǎng)控制策略研究的重點(diǎn)和難點(diǎn).因此，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的平滑切換對(duì)提高微電網(wǎng)的穩(wěn)定性及其供電可靠性具有重要意義.

目前，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者針對(duì)微電網(wǎng)的平滑切換控制策略進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)［5］設(shè)計(jì)了一種由超級(jí)電容器和蓄電池組成的復(fù)合儲(chǔ)能裝置，當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，以該復(fù)合儲(chǔ)能裝置為主電源，通過(guò)合理的充放電控制實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑切換.文獻(xiàn)［6］通過(guò)切換雙向逆變器的控制策略，將儲(chǔ)能裝置控制方式由PQ控制切換為V/f控制，以達(dá)到穩(wěn)定孤島狀態(tài)下微電網(wǎng)電壓和頻率的目的，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)模式和孤島模式的平滑切換.這是目前普遍采用的微電網(wǎng)平滑切換策略，但這種方法忽略了兩種切換的不同步性，容易造成切換過(guò)程中出現(xiàn)并網(wǎng)電流沖擊大、負(fù)載電壓波動(dòng)等問(wèn)題.為抑制電壓電流的沖擊，文獻(xiàn)［7］提出了一種電壓電流加權(quán)控制策略，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，確保切換過(guò)程中暫態(tài)變量的可控性，使切換過(guò)程更加平滑，但文中未考慮并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島時(shí)功率缺額的情況.

微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換的過(guò)程中，尤其是切換瞬間，由于控制器切換與運(yùn)行模式切換的不同步，加之可能存在微電源容量與微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷不匹配的情況，容易引起切換瞬間電壓和電流的大幅波動(dòng)，會(huì)對(duì)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響，可能導(dǎo)致頻率失穩(wěn)、電壓崩潰等嚴(yán)重后果.為減小切換過(guò)程電壓和頻率的暫態(tài)波動(dòng)，本文采用基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法，將其應(yīng)用到微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行的過(guò)程中，并在DIgSILENT PowerFactory軟件平臺(tái)搭建微電網(wǎng)模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的有效性.

1 微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤島運(yùn)行控制策略

1.1 微電網(wǎng)綜合控制策略

本文采用的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.光伏單元和蓄電池單元兩個(gè)分布式電源分別通過(guò)各自的逆變器和變壓器接入10kV配電網(wǎng)，并為微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載供電.其中負(fù)荷C和負(fù)荷D分別接在0.4kV低壓側(cè)，由光伏和蓄電池直接供電.

在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)的光伏逆變器和蓄電池逆變器均采用PQ控制，DG運(yùn)行在額定功率輸出狀態(tài).此時(shí)，微電網(wǎng)的電壓和頻率由公共配電網(wǎng)支撐.當(dāng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)斷開(kāi)，蓄電池逆變器的控制方式由PQ控制切換為V/f控制，光伏逆變器的控制方式不變.此時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載僅由DG供電，蓄電池作為主電源為微電網(wǎng)提供電壓和頻率支持.

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 分布式電源控制方式

本文所采用的PQ和V/f控制，其框圖分別如圖2和圖3所示.PQ控制采用雙環(huán)的控制方式.其中外環(huán)為功率環(huán)，保證逆變器的輸出跟蹤基準(zhǔn)功率;內(nèi)環(huán)則采用電流PI控制，最終輸出控制逆變器脈寬調(diào)制信號(hào).PLL鎖相環(huán)的作用則是保證逆變器的輸出與電網(wǎng)保持同步.V/f控制采用功率、電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的多閉環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)，功率外環(huán)得到d軸電流參考值idref，電壓外環(huán)得到q軸電流參考值iqref，且功率外環(huán)中的有功功率基準(zhǔn)值要隨著頻率的變化而變化.［8］

圖2 PQ控制示意

圖3 V/f控制示意

2 基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法

當(dāng)微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)為孤島模式運(yùn)行，蓄電池逆變器控制方式的切換如圖4所示.

圖4 蓄電池逆變器控制方式的切換

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，K1閉合，K2斷開(kāi)，蓄電池逆變器采用PQ控制方式.當(dāng)檢測(cè)到微電網(wǎng)與配電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，K1斷開(kāi)，K2閉合，運(yùn)行方式切換為V/f控制，產(chǎn)生不同的電流參考值idref和iqref，通過(guò)電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)，進(jìn)而改變逆變器的控制方式.但這種普通的控制器切換方式在切換時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生較大的暫態(tài)波動(dòng)，究其原因是由切換過(guò)程中兩種控制器的輸出狀態(tài)不匹配造成的.并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，PQ控制器輸出控制信號(hào)，輸入電流內(nèi)環(huán)控制器，此時(shí)V/f控制器的輸出信號(hào)為零.切換至孤島模式時(shí)，PQ控制器退出，V/f控制器的輸出信號(hào)瞬間被切入，電流內(nèi)環(huán)控制器的輸入信號(hào)瞬間由某一數(shù)值跳變?yōu)榱?因此，微電網(wǎng)的電壓和頻率在切換時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生較大的暫態(tài)波動(dòng).

為避免兩個(gè)控制器切換過(guò)程中輸出狀態(tài)的跳變，本文采用基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法，［9］其原理如圖5所示.

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，K1和K4閉合，K2和K3打開(kāi)，蓄電池逆變器釆用PQ控制，將V/f控制器狀態(tài)與PQ控制器的輸出設(shè)計(jì)為一個(gè)負(fù)反饋?zhàn)鳛閂/f控制器的輸入，經(jīng)PI控制器無(wú)差調(diào)節(jié)使V/f控制器跟隨PQ控制器的輸出狀態(tài)，以保證兩個(gè)控制器的輸出狀態(tài)時(shí)刻一致.運(yùn)行模式切換時(shí)，K1和K4打開(kāi)，K2和K3閉合，PQ控制器退出運(yùn)行，蓄電池儲(chǔ)能采用V/f控制，避免了控制器切換瞬間電流內(nèi)環(huán)控制器輸入信號(hào)的跳變，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行模式的平滑切換.

圖5 基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)圖1所示的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，本文利用DIgSILENT PowerFactory軟件搭建微電網(wǎng)仿真平臺(tái)，仿真主要參數(shù)設(shè)置如下:光伏單元參考功率Pref=2 MW，Qref=0.5 MW;蓄電池參考功率Pref=2 MW，Qref=0.5 MW.

假設(shè)蓄電池最大輸出功率滿足微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)電源和負(fù)荷功率平衡的要求.恒功率負(fù)荷PA=1.5 MW，QA=0.2 MW，PB=1 MW，QB=0.1 MW，PC=1 MW，QC=0.1 MW，PD=1 MW，QD=0.1 MW.忽略變壓器和線路損耗.采用基于控制器狀態(tài)跟隨的方法改進(jìn)V/f控制器結(jié)構(gòu)，比較分析改進(jìn)前后的控制方法對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換的影響.

3.2 微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)過(guò)程

在仿真時(shí)間為1 s時(shí)將微電網(wǎng)與配電網(wǎng)斷開(kāi)，由并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)孤島模式運(yùn)行.仿真時(shí)間為3 s.運(yùn)行模式切換前后微電網(wǎng)內(nèi)的潮流分布情況如表1所示.由表1可以看出，在并網(wǎng)模式下運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)的DG和配電網(wǎng)同時(shí)為負(fù)荷供電，其中DG按額定功率發(fā)電.僅靠DG輸出的有功功率無(wú)法滿足負(fù)荷需求，故負(fù)荷缺額部分由配電網(wǎng)承擔(dān)，配電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送0.5 MW 有功功率.DG多發(fā)的0.5 MW無(wú)功功率通過(guò)聯(lián)絡(luò)線輸送至配電網(wǎng).此時(shí)配電網(wǎng)起到保持微電網(wǎng)內(nèi)功率平衡、維持微電網(wǎng)內(nèi)電壓和頻率穩(wěn)定的作用.切換至孤島運(yùn)行模式后，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)斷開(kāi)，配電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間不再發(fā)生功率交換.蓄電池逆變器的控制方式由PQ控制改為V/f控制，以維持微電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定為目標(biāo)調(diào)整有功及無(wú)功出力.蓄電池發(fā)出的有功功率由2 MW 增加至2.5 MW，無(wú)功功率由0.5 MW減少至零.微電網(wǎng)內(nèi)部依然保持功率平衡.

表1 微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換前后潮流分布情況 MW

改進(jìn)后的微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換前后微電網(wǎng)內(nèi)的潮流分布情況與改進(jìn)前的結(jié)果相同，表明基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法對(duì)微電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程無(wú)影響.

3.2 微電網(wǎng)暫態(tài)過(guò)程

改進(jìn)前后光伏和蓄電池的輸出功率變化曲線如圖6和圖7所示.為更清楚地對(duì)比頻率曲線的變化情況，將圖6和圖7中的橫坐標(biāo)范圍縮短，放大曲線便于觀察.

圖6 改進(jìn)前后光伏輸出功率變化曲線

圖7 改進(jìn)前后蓄電池輸出功率變化曲線

由圖6和圖7可以看出，控制方法改進(jìn)前，光伏和蓄電池的輸出功率變化范圍較大，尤其是切換瞬間波動(dòng)幅度非常大.采用基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法后，各DG的輸出功率變化明顯減小，但進(jìn)入孤島穩(wěn)態(tài)后的功率大小不變.由此表明改進(jìn)的控制方法減小了切換過(guò)程功率變化過(guò)大對(duì)設(shè)備的影響，同時(shí)也減小了功率波動(dòng)對(duì)微電網(wǎng)的沖擊.由于DG功率波動(dòng)與微電網(wǎng)電壓、頻率的波動(dòng)存在著緊密的關(guān)系，因此控制方法的改進(jìn)提高了微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定性.

改進(jìn)前后微電網(wǎng)電壓和頻率的變化曲線如圖8所示.

圖8 改進(jìn)前后微網(wǎng)電壓和頻率變化曲線

由圖8可以看出，控制方法改進(jìn)前，微電網(wǎng)的電壓和頻率均出現(xiàn)了較大幅度的波動(dòng)，電壓最大波動(dòng)范圍超過(guò)15%，頻率波動(dòng)范圍達(dá)到4%.經(jīng)過(guò)短暫的波動(dòng)后，蓄電池逆變器通過(guò)V/f控制，調(diào)節(jié)有功和無(wú)功出力，以保持微電網(wǎng)內(nèi)的功率平衡.進(jìn)入孤島穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，微電網(wǎng)電壓和頻率均恢復(fù)到正常值.因此，盡管存在一定的功率缺額，但微電網(wǎng)仍具備穩(wěn)定電壓和頻率的能力.然而切換瞬間電壓和頻率的波動(dòng)幅度較大，容易對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備安全造成威脅，影響微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行.改進(jìn)控制方法后，采用基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法可以有效抑制切換過(guò)程中電壓和頻率的波動(dòng)，電壓和頻率的最低點(diǎn)均有所抬升.電壓波動(dòng)的最大幅度由15%減小至約2%，頻率波動(dòng)的最大幅度由4%減小至1%以內(nèi)，大大減小了暫態(tài)過(guò)程對(duì)微電網(wǎng)的沖擊.另外，改進(jìn)后頻率波動(dòng)的持續(xù)時(shí)間較改進(jìn)前有所減少，表明微電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性得到了提高.

4 結(jié)論

(1)蓄電池采用V/f控制能夠維持孤島運(yùn)行狀態(tài)下微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，但傳統(tǒng)的控制器切換方式對(duì)切換過(guò)程的暫態(tài)穩(wěn)定性影響較大;

(2)基于控制器狀態(tài)跟隨的微電網(wǎng)平滑切換控制方法對(duì)切換瞬間各DG的有功功率、無(wú)功功率波動(dòng)具有平抑作用，可以平滑DG的輸出功率進(jìn)而提高微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定性;

(3)該方法有效減小了微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換瞬間電壓和頻率的波動(dòng)幅度，并縮短了頻率波動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，減小對(duì)微電網(wǎng)的沖擊，提高了微電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性;

(4)基于控制器狀態(tài)跟隨的微電網(wǎng)平滑切換控制方法僅對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換的暫態(tài)過(guò)程有影響，對(duì)穩(wěn)態(tài)過(guò)程無(wú)影響.

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