王懷路,成魯鈺

(1.山東科技大學(xué),山東 青島 266590;2.國網(wǎng)山東檢修公司,濟(jì)南 250118)

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微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的控制策略與仿真分析

王懷路1,成魯鈺2

(1.山東科技大學(xué),山東 青島 266590;2.國網(wǎng)山東檢修公司,濟(jì)南 250118)

微電網(wǎng)是一種特殊形式的有源配電網(wǎng),它提供了一種分布式電源接入大電網(wǎng)的有效方法,且具有并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式。筆者在列舉討論對微電網(wǎng)孤島運(yùn)行控制的基礎(chǔ)上,搭建了基于PSCAD/EMTDA的仿真模型,并通過分布電源(DG)和負(fù)荷的投切仿真試驗,驗證了微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的可行性。

微電網(wǎng);分布式電源;控制策略;PSCAD/EMTDA仿真;孤島運(yùn)行

隨著世界范圍內(nèi)的一次能源危機(jī)和環(huán)境的日益惡化,各國越來越重視微電網(wǎng)的發(fā)展[1-2]。微電網(wǎng)是一種將分布式電源(DG)、儲能系統(tǒng)、負(fù)荷、能量轉(zhuǎn)換裝置、控制與保護(hù)裝置匯集成的小型發(fā)、配、用電系統(tǒng),它在有效的控制方式下具有并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式[3]。并網(wǎng)模式是指在大電網(wǎng)正常供電時DG作為輔助電源接入,與大電網(wǎng)一起為負(fù)荷供電[4],這種模式下微電網(wǎng)的電壓和頻率是由大電網(wǎng)來決定的。孤島模式是指當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障而與微電網(wǎng)斷開后,DG單獨(dú)向微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷供電,因此,微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時的電壓和頻率是由DG來支撐的。目前,微電網(wǎng)并網(wǎng)模式下的控制技術(shù)和在并網(wǎng)狀態(tài)與孤島狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的研究已較成熟[5-6],但對微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的研究卻還有待深入,故本文就微電網(wǎng)孤島狀態(tài)下的DG和負(fù)荷的投切進(jìn)行仿真,以驗證在DG投切和負(fù)荷投切的擾動下,微電網(wǎng)是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與控制方式

1.1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)一般通過斷路器與配電網(wǎng)相連,根據(jù)PCC處斷路器的開斷情況,微電網(wǎng)分為并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種運(yùn)行方式。微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)斷路器閉合時,微電網(wǎng)工作在并網(wǎng)狀態(tài),微電網(wǎng)的頻率和電壓由配電網(wǎng)支撐,但是由于微電網(wǎng)內(nèi)的DG出力不能滿足本地負(fù)荷的需求,故配電網(wǎng)需通過PCC向微電網(wǎng)供電[7];當(dāng)斷路器斷開時,微電網(wǎng)工作在孤島狀態(tài),微電網(wǎng)的頻率和電壓由DG支撐,但是由于DG的出力同樣不能滿足本地負(fù)荷,故必須切除一些不重要的負(fù)荷,而保留對供電敏感的負(fù)荷。

1.2 微電網(wǎng)的控制方式

微電網(wǎng)的綜合控制方式可分為主從控制、對等控制和分層控制三種。在不同控制方式下,微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行模式為:

1) 在主從控制方式下,微電網(wǎng)的DG至少有一個作為主控電源,其他為從電源。而當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島模式下時,為保證微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定,主控電源的控制方式為VF(恒壓恒頻)控制,而從電源的控制方式為PQ(恒功率控制)控制。

2) 在對等控制方式下,所有DG的地位相等,沒有主從之分。而當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島模式下時,DG一般采用下垂控制,所有DG都參與微電網(wǎng)電壓和頻率的調(diào)節(jié)。此時,當(dāng)負(fù)荷改變時,各分布式電源共同分擔(dān)負(fù)荷的改變量,然后根據(jù)設(shè)定的下垂特性,調(diào)整各自的輸出電壓和頻率值,使系統(tǒng)最終過渡到一個新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)功率的合理分配。

2 分布式電源的控制策略

DG的控制一般可分為電壓型控制和電流型控制兩種。PQ控制屬于電壓型控制,VF控制則屬于電流型控制,而Droop控制則既是電壓型控制又是電流型控制。

2.1 PQ控制策略

微電網(wǎng)采用PQ控制的主要目的是使DG按照參考輸出指定的有功功率和無功功率,即當(dāng)微電網(wǎng)的電壓和頻率在一定范圍內(nèi)變化時,DG輸出的有功功率和無功功率不變[8],這種控制方式可以保證DG的最大出力。在實(shí)際的微電網(wǎng)系統(tǒng)中,像光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電這樣的分布式發(fā)電電源,其輸出功率受天氣環(huán)境變化等不可控因素的影響較大,發(fā)電具有明顯的波動性和間歇性。如果要求此類分布式發(fā)電電源根據(jù)負(fù)荷需求調(diào)整發(fā)電量,則需要配備較大容量的儲能裝置,這很不經(jīng)濟(jì),故對這些電源的控制目標(biāo)應(yīng)該是保證可再生能源的最大利用率。而在采用PQ控制策略時,有功功率和無功功率的參考由最大功率跟蹤算法給出。同時,由于PQ控制的分布式電源不能穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓和頻率,因此它不能作為微電網(wǎng)孤島運(yùn)行狀態(tài)下的主電源。

2.2 VF控制策略

VF控制策略可以使DG在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下作為主電源對微電網(wǎng)的電壓和頻率提供強(qiáng)有力的支撐,從而保證DG連接處微電網(wǎng)的電壓幅值和頻率保持不變。但前提是采用VF控制的分布式電源必須具有較強(qiáng)的儲備能力,滿足負(fù)荷波動時調(diào)整其功率的輸出需要。在實(shí)際的微電網(wǎng)中,燃料電池等分布式發(fā)電電源及蓄電池等儲能裝置,由于其可以根據(jù)負(fù)荷需求調(diào)節(jié)自身的功率輸出,因此常作為微網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下的支撐電壓源來使用,用以維持微網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡。對于這類微電源中的逆變器,在微網(wǎng)孤島模式下運(yùn)行時,適合采用VF控制策略。

2.3 Droop控制策略

Droop控制是一種通過控制逆變器來使分布式電源的輸出特性和同步發(fā)電機(jī)的輸出特性一致的控制策略[9-10],即通過調(diào)節(jié)分布式電源逆變器輸出電壓的相位和幅值來調(diào)節(jié)其輸出有功功率和無功功率[11]。逆變器輸出的下垂特性如圖2所示。

圖2 下垂特性曲線

從圖2可以看到,逆變器輸出的有功功率和頻率呈線性關(guān)系,逆變器輸出的無功功率和電壓幅值成線性關(guān)系。故當(dāng)逆變器輸出電壓的頻率和幅值分別為f0和V0時,下垂控制的分布式電壓就工作在下垂曲線中的A點(diǎn),此時DG輸出的有功功率和無功功率分別為P0和Q0。而當(dāng)逆變器輸出電壓的頻率和幅值分別為f1和V1時,下垂控制的分布式電壓就工作在下垂曲線中的B點(diǎn),此時DG輸出的有功功率和無功功率分別為P1和Q1。因此,可以看出當(dāng)逆變器輸出的有功功率和無功功率變化時,逆變器輸出電壓的頻率和幅值按照下垂特性曲線線性變化。

3 基于PSCAD的孤島運(yùn)行仿真

由于在對等控制的微電網(wǎng)中,所有DG是平等的關(guān)系,沒有主從之分,當(dāng)系統(tǒng)需要時可即插即用。同時,對等控制的微電網(wǎng)中的DG采用基于下垂特性的Droop控制,且所有DG按照預(yù)先設(shè)定的控制方式參與有功功率和無功功率的調(diào)節(jié),故本文采用對等控制的微電網(wǎng)作為仿真對象。

利用PSCAD軟件構(gòu)建的仿真電路如圖3所示,微電網(wǎng)通過PCC處的斷路器與額定電壓為380 V的大電網(wǎng)相連,而DG1和DG2接在不同的母線上,額定電壓都為380 V,額定出力均為0.5 MW。

圖3 微電網(wǎng)仿真模型

3.1 DG的接入與切除

微電網(wǎng)在孤島狀態(tài)下運(yùn)行時,由于其分布式電源的隨機(jī)性太大,系統(tǒng)總是不可避免地要切除和接入分布式電源。通常切除分布式電源比較簡單,例如對于含有直流的分布式電源,調(diào)節(jié)逆變器將電源的輸出功率降為零,然后將分布式電源出口處的斷路器直接斷開即可。但是,分布式電源的接入比較復(fù)雜,在分布式電源接入微電網(wǎng)時,它需要滿足與微電網(wǎng)具有相同的電壓幅值和相角,否則將產(chǎn)生嚴(yán)重的暫態(tài)過程,導(dǎo)致設(shè)備損壞。

DG接入微電網(wǎng)的操作流程如圖4所示。

圖4 DG接入微電網(wǎng)的操作流程圖

當(dāng)DG接收到需要并網(wǎng)的命令時,檢測模塊分別檢測出DG和微電網(wǎng)側(cè)的電壓幅值和相角,得出兩者的電壓幅值差ΔU和相角差Δθ。如果ΔU<ΔUmax且Δθ<Δθmax(ΔUmax和Δθmax分別為DG并網(wǎng)時系統(tǒng)所允許的最大電壓幅值差和相角差),則DG直接并入微電網(wǎng)。否則,調(diào)節(jié)DG側(cè)輸出電壓幅值和相角,直到達(dá)到要求為止。電壓幅值和相角的調(diào)節(jié)通過DG逆變器的控制單元實(shí)現(xiàn)。

利用PSCAD對微電網(wǎng)模型(見圖3)進(jìn)行DG的接入和切除仿真。設(shè)負(fù)荷1和負(fù)荷2消耗的功率相同,有功功率和無功功率分別為0.25 MW和0.15 Mvar。初始微電網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開,即PCC處的短路器處于打開狀態(tài),DG1和DG2均并入微電網(wǎng)。仿真時間為3 s,系統(tǒng)在1 s時將DG2切除,在2 s時再將DG2并入。仿真結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 DG2接入時A相電壓瞬時值

圖6 DG的輸出功率

圖7 微電網(wǎng)的電壓和頻率

從圖5可以看出,DG2在2 s接收到并網(wǎng)指令后,迅速調(diào)整其電壓幅值和相角,約在一個周期(20 ms)內(nèi)DG2和微電網(wǎng)同步,DG2并入微電網(wǎng)。 從圖6可以看出,1 s之前,DG1和DG2同時并入微電網(wǎng),均分負(fù)荷消耗的有功功率和無功功率。在1～2 s內(nèi),只有DG1并入微電網(wǎng),單獨(dú)向微電網(wǎng)供電。2 s時,DG2并入電網(wǎng), DG2需要吸收有功和無功功率。由于調(diào)整DG2滿足并網(wǎng)條件需要一定時間,故延遲一段時間后DG2并網(wǎng),且0.5 s后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。從圖7可以看出,在DG2接入和斷開時系統(tǒng)的電壓和頻率有微小波動,但波動范圍在允許的范圍內(nèi)。

3.2 負(fù)荷波動的仿真

對微電網(wǎng)模型(見圖3)進(jìn)行孤島狀態(tài)下負(fù)荷的投切仿真。設(shè)DG1和DG2同時運(yùn)行,正常狀態(tài)下滿負(fù)荷運(yùn)行,并分別對切除和投入50%的負(fù)荷進(jìn)行仿真,分析其對微電網(wǎng)的影響;設(shè)負(fù)荷1和負(fù)荷2消耗的功率相同,有功功率和無功功率分別為0.5 MW和0.3 Mvar。仿真時間為3 s,系統(tǒng)在1 s時將負(fù)荷2切除,在2 s時再將負(fù)荷2并入微電網(wǎng)。仿真結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 DG的輸出功率

圖9 微電網(wǎng)的電壓和頻率

從圖8可以看出,由于DG采用下垂控制,DG1和DG2的有功功率和無功功率輸出相同,在負(fù)荷2切除時,兩個DG的輸出同時下降,而在負(fù)荷2重新并網(wǎng)時,兩個DG又同時增加輸出。而從圖9中可以看出,在負(fù)荷2投切時,微電網(wǎng)的電壓和頻率都發(fā)生了微小的波動,但波動在允許的范圍之內(nèi)。因此,微電網(wǎng)在孤島狀態(tài)下運(yùn)行,負(fù)荷的投切不會影響微電網(wǎng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 語

微電網(wǎng)有并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行方式,本文基于PSCAD對微電網(wǎng)孤島運(yùn)行進(jìn)行了仿真研究,驗證了微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行方式下,對等控制方式DG投切和負(fù)荷投切時的穩(wěn)定性,同時也對連續(xù)調(diào)節(jié)DG的電壓幅值和相角使DG并入微電網(wǎng)的方式進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明,在DG投切和負(fù)荷投切時,微電網(wǎng)均能穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Control strategy and simulation analysis of microgrid island operation

WANG Huailu1, CHENG Luyu2

(1.Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;2. State Grid Shandong Maintenance Company, Jinan 250118, China)

Microgrid is a special distribution network with distributed generation, providing an effective method for distributed generation contacting to large distributed power grid. Microgrid can operate in two modes: grid-connected mode and islanded mode. This paper listed and discussed the control strategy of microgrid island operation, and built a simulation model, through which simulated DG and load switching to verify the feasibility of microgrid island operation based on PSCAD/EMTDA simulation software.

microgrid; distributed generation; control strategy; PSCAD/EMTDA simulation; island operation

2015-10-18。

王懷路(1989—),男,碩士研究生,主要研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。

TM743

A

2095-6843(2016)01-0043-04