（長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212）

現(xiàn)代電網(wǎng)的特征表現(xiàn)為可再生能源利用和智能化，分布式發(fā)電因具有環(huán)保、高效和靈活等特點(diǎn)而備受關(guān)注。目前，分布式發(fā)電技術(shù)形式主要有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和微型燃?xì)廨啓C(jī)等幾種。電源的輸出隨外部條件的變化而變化，可調(diào)度性差，而微網(wǎng)的提出能解決電源的控制問(wèn)題。微網(wǎng)是一個(gè)可控的獨(dú)立供電系統(tǒng)，由電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置和控制裝置組成。微網(wǎng)可與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可與電網(wǎng)斷開(kāi)離網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生嚴(yán)重的閃變或者跌落時(shí)，微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行。為保證電網(wǎng)供電的持續(xù)穩(wěn)定，研究微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)具有一定的意義。

1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)在離網(wǎng)運(yùn)行模式下，各電源所發(fā)揮的作用不同，其控制模式也不同。微網(wǎng)的控制模式分為主從控制模式、對(duì)等控制模式和分層控制模式。主從控制模式，是指微網(wǎng)在離網(wǎng)運(yùn)行模式下，其中一個(gè)電源的控制器為其它電源提供工作的頻率和電壓參考，而其他電源的控制器可根據(jù)主控制器來(lái)決定各自的運(yùn)行方式；對(duì)等控制模式，各電源的控制器之間不存在主從關(guān)系，而是直接根據(jù)系統(tǒng)接入點(diǎn)的電壓和頻率信息就地進(jìn)行控制；分層控制模式，是指系統(tǒng)設(shè)有中央控制器，由其向微網(wǎng)的各電源發(fā)出控制信息。

各電源的有效控制是微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。微網(wǎng)中大部分電源都是基于電力電子技術(shù)的逆變型電源，需要配置相應(yīng)的電能變換裝置?？捎糜谧儞Q電能的裝置分為DC／DC變換器、DC／AC變換器、AC／DC變換器和 AC／AC變換器?？紤]到交流微網(wǎng)是微網(wǎng)的主要形式，且光伏陣列、燃料電池、蓄電池等電源的輸出為直流。

本系統(tǒng)的控制模式選擇主從模式，電能變換裝置為逆變器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)中含有一個(gè)主電源和一個(gè)從電源。主／從電源通過(guò)三相逆變器和濾波電感與交流母線連接。開(kāi)關(guān)K1接通時(shí)，微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)時(shí)，微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行。主電源接有可中斷負(fù)荷Load2，可通過(guò)開(kāi)關(guān)S2進(jìn)行切斷。從電源接有重要負(fù)荷Load1。主電源的綜合線路阻抗用電阻R1表示，線路感抗用X1表示。從電源的綜合線路阻抗用電阻R2表示，線路感抗用X2表示。Ufabc表示主電源線路中逆變器的輸出電壓，Uiabc表示從電源線路中逆變器的輸出電壓。微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，如果電網(wǎng)內(nèi)部功率的供需無(wú)法平衡時(shí)，主電源的控制器將切除可中斷負(fù)荷Load2，維持交流母線電壓和頻率的穩(wěn)定來(lái)確保從電源的重要負(fù)荷load1正常運(yùn)行。從電源的控制器確保輸出功率恒定。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行方法

電源的類型不同，其逆變器的控制策略也不相同。常見(jiàn)的電源逆變器控制方法有PQ控制、V／F控制和Droop控制。PQ控制是指逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率分別為其參考值Pref和Qref，該控制方法不能保證微網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，通常用在微網(wǎng)并網(wǎng)或者離網(wǎng)情況下從電源的控制。V／F控制是指維持逆變器所接交流母線的電壓和頻率不變。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)承擔(dān)微網(wǎng)輸出電壓和頻率出現(xiàn)的擾動(dòng)，故該控制方法通常用于微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行。Droop控制是模擬發(fā)電機(jī)組功頻靜特性的控制方法。該方法分別通過(guò)P／f（有功／頻率）下垂控制和Q／V（無(wú)功／電壓）下垂控制來(lái)獲取穩(wěn)定的頻率和電壓。

2.1 主電源逆變器控制方法

根據(jù)主從控制要求，微網(wǎng)系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)主電源中逆變器采用V／F控制。V／F控制的目的是當(dāng)電源輸出功率發(fā)生變化時(shí)，其輸出電壓的幅值和頻率的維持恒定，從而保障微網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。V／F控制模式下控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。Ufd和Ufq分別為主電源逆變器輸出電壓的檢測(cè)值經(jīng)dq變換后的分量，Ufdef和Ufqef分別為主電源逆變器電壓的d軸和q軸參考值，Id和Iq分別為主電源逆變器輸出電流的檢測(cè)值經(jīng)dq變換后的分量，Idref和Iqref分別為主電源逆變器輸出電流的d軸和q軸參考值，θ角為d軸與α軸的夾角。w=2πf，f為50Hz。主電源的控制器采用電壓電流雙環(huán)控制，電壓檢測(cè)值與參考值的誤差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器電壓作為電流環(huán)的參考值。圖2中電流控制器為PI調(diào)節(jié)器。電壓環(huán)穩(wěn)定輸出負(fù)載電壓，且輸出結(jié)果作為電流環(huán)的輸入指令，使得輸出電流可控，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力。

圖2 V／F控制模式下控制器結(jié)構(gòu)

2.2 從電源逆變器控制方法

從電源采用PQ控制確保在電源內(nèi)部功率發(fā)生變化時(shí)，重要負(fù)荷正常工作。逆變器的有功功率和無(wú)功功率分別與輸出電流的dq軸分量成正比，因此，控制逆變器輸出電流即可控制其功率。PQ控制模式下控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示，Pref和Qref分別為從電源輸出的有功功率和無(wú)功功率的參考值。Iod和Ioq分別為從電源逆變器輸出電流的檢測(cè)值經(jīng)dq變換后的分量，Iodref和Ioqref分別為從電源逆變器輸出電流的d軸和q軸參考值。Uoid和Uoiq分別為從電源逆變器輸出電壓的檢測(cè)值經(jīng)dq變換后的分量?？刂破髦泄β实膮⒖夹盘?hào)按照一定比例變換后作為電流的參考信號(hào)，實(shí)測(cè)電流信號(hào)與參考信號(hào)產(chǎn)生的誤差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后，通過(guò)電壓前饋補(bǔ)償和交叉耦合補(bǔ)償，得到輸出電壓控制信號(hào)Uod和Uoq。

圖3 PQ控制模式下控制器結(jié)構(gòu)

3 仿真與結(jié)果分析

為驗(yàn)證以上控制方法的可行性，本系統(tǒng)采用MATLAB／Simulink搭建離網(wǎng)運(yùn)行的仿真模型。該模型中主、從電源均采用直流電壓模擬，其仿真原理如圖4所示。主電源接有可中斷負(fù)荷load1，從電源接重要負(fù)荷load2。主電源與load1之間用可控的三相斷路器模塊連接，該短路器的閉合和斷開(kāi)受階躍函數(shù)控制。階躍函數(shù)初始值為1，此時(shí)三相斷路器模塊閉合，即主電源與load1連接。階躍函數(shù)在0.2s時(shí)變?yōu)?，此時(shí)三相斷路器模塊斷開(kāi)，模擬主電源切除可中斷負(fù)荷load1。主電源線路中，濾波電感Ls=2.8mH，直流側(cè)電源為750V，電網(wǎng)頻率為50Hz，開(kāi)關(guān)頻率為4kHz，負(fù)荷load1為純電阻：有功功率P1=5kW，無(wú)功功率Q1=0var。負(fù)荷load2為感性負(fù)載：有功功率P2=1kW，無(wú)功功率Q2=100var。V／F控制器中電壓環(huán)控制器的比例系數(shù)Kpu為2，積分系數(shù)Kiu為40，電流環(huán)控制器中比例系數(shù)Kpi為0.15，積分系數(shù)Kii為1.154。交流母線電壓參考值為380V，頻率為50Hz。仿真采樣時(shí)間為1×105s。

圖4 系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行仿真原理圖

仿真結(jié)果如圖5和6所示。圖5為交流母線電壓的波形，從圖中可以看出在0.2s時(shí)，交流母線電壓出現(xiàn)波動(dòng)，但基本維持在380V?？梢?jiàn)，切除可中斷負(fù)荷后，主電源的控制器能夠維持交流母線電壓不變，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。圖6為從電源的逆變器輸出有功功率波形，有功功率在0.2s時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，但很快又恢復(fù)到設(shè)定值?？梢?jiàn)，切除可中斷負(fù)荷后，從電源的控制器能維持重要負(fù)荷的有功功率不變。

圖5 交流母線電壓波形

圖6 從電源逆變器輸出的有功功率