,，，，

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031,2.重慶黔江電力公司，重慶 400000)

1 引言

隨著新型技術(shù)的應(yīng)用，尤其是電力電子接口和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，微電網(wǎng)的概念出現(xiàn)了。微電網(wǎng)將額定功率為幾十千瓦的發(fā)電單元—微源(MS)、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置及控制裝置等結(jié)合，形成了一個(gè)單一的可控的單元，同時(shí)向用戶供給電能和熱能?；谖㈦娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)調(diào)整能夠方便大規(guī)模的分布式能源(DER)互聯(lián)并接入中低壓配電系統(tǒng)，提供了一種充分利用DER發(fā)電單元的機(jī)制[1]。

與傳統(tǒng)的集中式能源系統(tǒng)相比，微電網(wǎng)接近負(fù)荷，不需要建設(shè)大電網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離高壓或超高壓輸電，可以減少線損，節(jié)省輸配電建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用；由于兼具發(fā)電、供熱、制冷等多種服務(wù)功能，分布式能源可以有效地實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，達(dá)到更高的能源綜合利用效率。微電網(wǎng)能以非集中程度更高的方式協(xié)調(diào)分布式能源，因而可以減輕電網(wǎng)控制的負(fù)擔(dān)并能夠完全發(fā)揮分布式電源的優(yōu)勢(shì)。所以，與大電網(wǎng)單獨(dú)供電方式相比，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)結(jié)合具有明顯優(yōu)勢(shì)[2,3]。

2 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及概念

微電網(wǎng)(Micro-grid)是指由分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換設(shè)施、控制系統(tǒng)等組成的小型發(fā)電系統(tǒng)，可以看作是基于分布式發(fā)電裝置的、管理局部能量供求關(guān)系的小電網(wǎng)，它既可以與主系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以與主系統(tǒng)分離后孤立運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。圖1中的微電網(wǎng)由兩個(gè)并聯(lián)的分布式發(fā)電裝置DG1和DG2、電網(wǎng)、開關(guān)K以及負(fù)載組成。在運(yùn)行于并網(wǎng)模式時(shí)，微電網(wǎng)通過開關(guān)K與電網(wǎng)相連，連接點(diǎn)為公共藕合點(diǎn)，DG1和DG2只向重要負(fù)載提供部分能量(電網(wǎng)也提供一部分能量)。這種運(yùn)行模式減輕了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，并且提高了重要負(fù)載的抗干擾性。但是在電網(wǎng)故障或檢修的情況下，開關(guān)K將跳開，電網(wǎng)被切離，系統(tǒng)中的DG1和DG2將負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)負(fù)載電壓，并按預(yù)先設(shè)定的功率分配的原則向微電網(wǎng)中所有重要負(fù)載供電，此時(shí)微電網(wǎng)工作于獨(dú)立運(yùn)行模式即孤島運(yùn)行模式。在電網(wǎng)故障清除后，微電網(wǎng)要在開關(guān)K閉合之前重新取得與電網(wǎng)的同步，以便平穩(wěn)恢復(fù)到并網(wǎng)運(yùn)行模式[5]。

圖1 微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)圖

微電網(wǎng)一般采用混合發(fā)電方式，如風(fēng)力發(fā)電以及滿足局部供電需求的以化石能源為燃料的發(fā)電裝置等。其優(yōu)勢(shì)是：將小規(guī)模的發(fā)電裝置與負(fù)載組成一個(gè)整體，更靈活的滿足局部負(fù)載的需求；還可以通過控制負(fù)載來實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)短期的能量平衡。

3 微電網(wǎng)的控制方法

微電網(wǎng)系統(tǒng)有與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種運(yùn)行模式[6]。并網(wǎng)模式是指在正常情況下，微電網(wǎng)與常規(guī)電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)向電網(wǎng)提供多余的電能或由電網(wǎng)補(bǔ)充自身發(fā)電量的不足。孤網(wǎng)運(yùn)行方式是指當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時(shí)，微電網(wǎng)可以與主網(wǎng)斷開形成孤島模式，由DG向微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷供電。

根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況，不同類型的DG采用不同的控制方法，才能在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)能源的最大利用率。對(duì)逆變電源的控制方法通常有：恒功率(PQ)控制、恒壓恒頻(V/f)控制，下垂(Droop)控制。

(1)恒功率控制

一個(gè)分布式電源接口逆變器采用PQ控制，表示其控制目的是使分布式電源輸出的有功功率和無功功率等于其參考功率。通常PQ控制方式用于微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的逆變電源控制[7]。在該狀態(tài)下，微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷波動(dòng)、頻率和電壓擾動(dòng)由大電網(wǎng)承擔(dān)，各DG不考慮頻率調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)，直接依照電網(wǎng)頻率和電壓作為調(diào)節(jié)基礎(chǔ)，控制逆變器按照給定的參考值進(jìn)行有功功率和無功功率的輸出[8]。這樣DG僅發(fā)出或吸收功率，可以有效避免因DG直接參與電網(wǎng)饋線的電壓調(diào)節(jié)，而造成對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)面影響[9]。

(2)恒壓恒頻(V/f)控制

該控制的基本思想是不管分布式電源輸出功率如何變化，其輸出電壓的幅值和頻率一直維持不變[10]。通常V/f控制方式用于微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的逆變電路[11]。在該狀態(tài)下，微電網(wǎng)中必須至少有一個(gè)DG作為主控電源，為整個(gè)獨(dú)立的微電網(wǎng)提供電壓和頻率的參考值，來保證電壓和頻率始終運(yùn)行在一定水平。V/f控制方式的實(shí)質(zhì)是不論逆變電源的輸出功率如何變化，逆變器輸出的電壓幅值和頻率一直維持不[12]。

(3)下垂(Droop)控制

下垂控制主要用于微電網(wǎng)運(yùn)行中多個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的逆變電源[13]。主要是指分布式電源控制方式與傳統(tǒng)同步電機(jī)相仿，微電源逆變器輸出的有功功率主要取決于電壓矢量間的功角差，無功功率主要取決于電壓矢量間的幅值差。該控制利用分布式電源輸出有功功率和頻率呈線性關(guān)系而無功功率和電壓幅值成線性關(guān)系的原理而進(jìn)行控制。采用該控制方式的分布式電源實(shí)時(shí)檢測(cè)本地變量，根據(jù)各自的下垂特性輸出相應(yīng)的功率。在該控制方法下，當(dāng)微網(wǎng)中存在功率波動(dòng)時(shí)，各微電源動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各自出力，共同參與微網(wǎng)電壓頻率調(diào)整。

4 微網(wǎng)的下垂特性

4.1 常規(guī)微電源有功-頻率下垂特性

圖2所示為微電源下垂示意圖。微電源并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率為[14]。

(1)

由公式(1)可知，微電源并網(wǎng)逆變器的有功功率輸出主要取決于電壓矢量間的功角差δP，通過控制功角，可以達(dá)到控制有功功率的改變。因此，可在微電源并網(wǎng)逆變器的控制策略中加入有功功率-頻率下垂控制方法，模擬傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)的控制特性，對(duì)微電源的輸出功率進(jìn)行控制。

圖2 常規(guī)微電源下垂控制示意圖

圖3 微電源有功功率-頻率下垂特性

圖3所示為微電源的有功功率-頻率下垂特性。設(shè)曲線的斜率為m,交流母線的額定頻率為f,在額定頻率f下對(duì)應(yīng)的功率為交流母線的輸出額定功率PN。則當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在頻率f時(shí)，根據(jù)數(shù)學(xué)特性可以得出反應(yīng)有功功率-頻率下垂特性的表達(dá)式：

f-fN=-m(P-PN)

(2)

4.2 改進(jìn)有微電源的功功率-頻率下垂控制

從圖3以及數(shù)學(xué)表達(dá)式(3)可以看出，當(dāng)微電源斜率也即下垂系數(shù)m固定時(shí)，頻率的變化必然會(huì)引起功率的變化，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行頻率大于額定頻率時(shí)，則系統(tǒng)的有功功率則會(huì)小于系統(tǒng)的額定功率；當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行頻率大于額定頻率時(shí)，則系統(tǒng)的有功功率則會(huì)大于額定功率。

所以，在系統(tǒng)的運(yùn)行過程當(dāng)中，當(dāng)負(fù)荷需求變化時(shí)，微電源輸出的有功功率則會(huì)增大或者減少，而有功的變化必定會(huì)造成微電網(wǎng)頻率的偏差，嚴(yán)重時(shí)可能影對(duì)電網(wǎng)造成解列。根據(jù)國標(biāo)《GBT 15945-2008 電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定微網(wǎng)運(yùn)行時(shí)頻率偏差應(yīng)維持在±0.2～±0.5Hz范圍內(nèi)。因此，為保證微電源輸出有功功率P在0≤P≤Pmax范圍內(nèi)，頻率仍然滿足電能質(zhì)量的要求，可以按照下述條件得到一種改進(jìn)的有功功率-頻率下垂控制方法：

(1)當(dāng)微電源輸出有功功率P=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率f=fmax；

(2)當(dāng)微電源輸出的有功功率P=PN時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率f=fN；

(3)當(dāng)微電源輸出的有功功率P=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率f=fmin；

根據(jù)上述三個(gè)條件，提出了基于拉格朗日插值法的改進(jìn)有功功率-頻率下垂控制公式：

(3)

從公式(4)可以看出來，拉個(gè)朗日插值法實(shí)際上是多點(diǎn)逼近方法，改進(jìn)之后的頻率特性受PN,Pmax,Pmin,fN,fmax,fmin共同作用，抗擾動(dòng)能力明顯比公式(3)所揭示的頻率特性要強(qiáng)。

通過以上分析可知，微電源并網(wǎng)逆變器采用上述改進(jìn)有功功率頻率下垂特性控制，可以適當(dāng)減小交流母線處頻率的偏移，使微電源具有一定的調(diào)頻能力，保持并網(wǎng)。

5 仿真驗(yàn)證

5.1 原控制策略下的仿真級(jí)果

為了驗(yàn)證改進(jìn)有功功率-頻率下垂特性控制方法的有效性和正確性，在Matlab中搭建了如圖4所示的Droop控制小系統(tǒng)[15]。仿真中用直流源代替,負(fù)荷load1和load2都采用恒功率負(fù)荷。仿真總時(shí)間為1s，其中在0.3～0.6s切除load2。

圖4 Droop控制仿真模型

具體的控制算例參數(shù)設(shè)置如表1：

表1

仿真結(jié)果如下：

圖5 母線電壓電流波形

圖6 DG輸出有功功率

從仿真結(jié)果圖6～7可以看出，0.3～0.6s切除load2，DG發(fā)出的有功功率從9000W減少到了7500W；DG發(fā)出的無功功率從750W增加到了860W，但是最終都能趨于穩(wěn)定值。從圖5可以看出，母線電壓略有下降，但是下降幅度不大，從圖(8)可以看出，頻率由50Hz增加到了50.15Hz，波動(dòng)范圍為0.15Hz。由此可見，Droop控制模型滿足P-f和Q-V控制原理，并且能保證電壓變化不大于5%，頻率變化不大于1%。以上仿真表明，所建立的Droop控制模型的有效性。

5.2 改進(jìn)之后的仿真結(jié)果

原控制算法的仿真結(jié)果已經(jīng)驗(yàn)證了建立Droop模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，利用所提出的朗格朗日插值法，建立的改進(jìn)之后的有功功率-頻率模型。最后得到的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖7 DG輸出無功功率

圖8 系統(tǒng)頻率

圖9 改進(jìn)算法之后的系統(tǒng)頻率

通過圖8與圖9的比較分析可知，在負(fù)荷減少相同的情況下，下垂系數(shù)恒定時(shí)，系統(tǒng)的頻率在0.3～0.6s時(shí)間內(nèi)由50Hz上升到50.15Hz，頻率波動(dòng)為0.15Hz；改進(jìn)算法之后的系統(tǒng)頻率在0.3～0.6s時(shí)間內(nèi)由50Hz上升到50.1Hz，頻率波動(dòng)為0.1Hz。波動(dòng)范圍明顯比當(dāng)下垂系數(shù)固定時(shí)的頻率波動(dòng)要小。雖然兩種情況下頻率波動(dòng)范圍都在允許范圍內(nèi)，但是很顯然頻率波動(dòng)變化越小，對(duì)電網(wǎng)的沖擊也就越小，改進(jìn)算法之后的頻率下垂特性具有一定的優(yōu)越性。從仿真結(jié)果頁可以看出，在負(fù)荷減少相同的情況下，采用改進(jìn)之后的有功功率-頻率下垂控制方法可以減少頻率波動(dòng)，提高微網(wǎng)的電能質(zhì)量。

6 結(jié)語

本文針對(duì)微電網(wǎng)中常規(guī)下垂特性的不足，提出了一種改進(jìn)之后的下垂特性控制方法，其中主要研究的是有功功率-頻率下垂特性。通過Matlab仿真，驗(yàn)證了改進(jìn)算法的可行性，仿真的結(jié)果表明，系統(tǒng)頻率的偏移有了改善，但是這種新型的算法是建立在以往數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上提出的，缺乏一定的實(shí)時(shí)性，這個(gè)缺點(diǎn)在以后的研究中有待進(jìn)一步改善。

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