吳 萍

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽472000）

前言

近些年，微電網(wǎng)技術(shù)取得了巨大的發(fā)展?，F(xiàn)如今微電網(wǎng)運(yùn)行模式已經(jīng)由原來的單一并網(wǎng)運(yùn)行模式變?yōu)楣聧u運(yùn)行模式和并網(wǎng)運(yùn)行模式靈活切換。和傳統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行模式相比，孤島運(yùn)行模式具有極大的優(yōu)勢(shì)，這種優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在微電網(wǎng)系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和持續(xù)性方面。本文將整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行分解為四部分，然后針對(duì)每一部分的具體特性進(jìn)行解析，重點(diǎn)討論如何通過對(duì)微電網(wǎng)的平滑切換進(jìn)行合理控制，而解決電網(wǎng)系統(tǒng)不間斷供電的技術(shù)難題。

1、微電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)系統(tǒng)是一種小型的集發(fā)電、配電和用電于一體的多功能電力系統(tǒng)，具體來說，其由分布式電源、監(jiān)控和保護(hù)裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷等組合而成。同時(shí)微電網(wǎng)系統(tǒng)也是一個(gè)自制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以進(jìn)行多方面的功能自我控制，同時(shí)還可以進(jìn)行能量自我管理?，F(xiàn)在的技術(shù)條件下，微電網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了既可和外部的電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)也可以進(jìn)行孤島運(yùn)行。這種由分布式電源所組成的微電網(wǎng)運(yùn)行模式的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：①電網(wǎng)的配電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)中分布式電源所提供的電能的接納能力得到了顯著提高。②間歇式可再生能源的使用效率得到了大大提高，即便是在冷、熱、電這樣的多種負(fù)荷需求的條件下，也極有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)于電能的使用模式的優(yōu)化。使得配電網(wǎng)自身的能耗大大降低了，極大地優(yōu)化了電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行模式。③在這種微電網(wǎng)系統(tǒng)供電的模式下，即便是局部的電網(wǎng)出現(xiàn)了一些故障，電網(wǎng)也可以采用孤島模式正常運(yùn)行，從而保證局部區(qū)域的負(fù)荷供電，極大地提高了電網(wǎng)系統(tǒng)持續(xù)供電的穩(wěn)定性。

下面對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各主要組成部分的功能進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

（1）負(fù)荷控制器和微電源控制器

一個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)可大可小，既可以設(shè)計(jì)得復(fù)雜，也可以設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單，最終采用什么樣的結(jié)構(gòu)，要視具體情況而定。如圖1所示，一個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，在其所有單元的電子輸出端以及輸出端所對(duì)應(yīng)的公共耦合點(diǎn)上，均使用負(fù)荷控制器和微源控制器對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試獲取的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)诫娋W(wǎng)系統(tǒng)的中心控制器中，以便對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行進(jìn)一步的整合處理。

負(fù)荷控制器所對(duì)應(yīng)的中心控制器在接收到指令以后，會(huì)對(duì)負(fù)荷控制器進(jìn)行投切處理，從而測(cè)定出各回負(fù)荷線路上的功率、電流等數(shù)據(jù)值。微源控制器主要負(fù)責(zé)測(cè)定其所對(duì)應(yīng)的微電源出口處的功率、電流等數(shù)據(jù)值，并將這些數(shù)據(jù)值上傳到相應(yīng)的中心控制器中。

（2）電網(wǎng)系統(tǒng)的中心控制器

對(duì)于一個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)來說，中心控制器很好地起到了協(xié)調(diào)和優(yōu)化整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)各項(xiàng)功能以保證其正常運(yùn)行的作用，具體體現(xiàn)在四個(gè)方面。其一，對(duì)微電網(wǎng)自身和主電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)合控制器上傳的數(shù)據(jù)信息及時(shí)做出判斷，運(yùn)行中自動(dòng)地進(jìn)行并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種模式的自由轉(zhuǎn)換；其二，電網(wǎng)系統(tǒng)的中心控制器依據(jù)電力市場(chǎng)的反饋信息以及主網(wǎng)調(diào)度的具體需求，及時(shí)對(duì)公共耦合點(diǎn)處的潮流做出調(diào)整；其三，微電網(wǎng)的中心控制器還可以根據(jù)

另外，需要說明的是，圖1中所標(biāo)示出的結(jié)構(gòu)組成部分并不是所有微電網(wǎng)系統(tǒng)都必須要全部包含的，具體選擇什么樣的結(jié)構(gòu)配置，還要結(jié)合具體的工程實(shí)踐要求靈活選擇。在進(jìn)行電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，主要考慮兩個(gè)方面的因素，其一是本地需求負(fù)荷對(duì)微電網(wǎng)有什么樣的性能要求；其二是微電網(wǎng)自身容量的大小。

圖1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

（3）較大功率的快速開關(guān)結(jié)構(gòu)

通常，為了確保電力供應(yīng)的安全性，微電網(wǎng)系統(tǒng)中的電源禁止使用低電壓穿越這一功能。就目前來說，微電網(wǎng)系統(tǒng)中離網(wǎng)模式和并網(wǎng)模式之間的高效的平滑切換技術(shù)仍然還沒有得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要一定的時(shí)間和過程。

在我國(guó)當(dāng)前的技術(shù)水平條件下，許多電力方面的專家和學(xué)者們都建議暫時(shí)先憑借靈活多變的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和先進(jìn)的控制策略來彌補(bǔ)沒有平滑切換技術(shù)這一缺陷，如此便可在一定程度上保證電網(wǎng)配電的持續(xù)性。因此，為了在離網(wǎng)模式下構(gòu)建一個(gè)可以快速平衡供電的子區(qū)域，就需要在回路結(jié)構(gòu)的入口處安裝一個(gè)較大功率的快速開關(guān)結(jié)構(gòu)。如此以來，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)了被動(dòng)離網(wǎng)的突發(fā)狀況時(shí)，此開關(guān)就會(huì)在并網(wǎng)和離網(wǎng)模式之間的快速切換中發(fā)揮極為重要的作用。

2、微電網(wǎng)平滑切換控制的方法策略

畢竟微電網(wǎng)系統(tǒng)中的微電源容量有限，很多時(shí)候并不能滿足負(fù)荷增長(zhǎng)的實(shí)際需求。在實(shí)際的負(fù)荷需求功率和電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率數(shù)值之間的差額較大的時(shí)候，整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓頻率值在離線狀態(tài)下就會(huì)偏離系統(tǒng)電壓頻率的額定值，此種狀態(tài)之下，微電網(wǎng)系統(tǒng)中兩種運(yùn)行模式的自由平穩(wěn)切換已經(jīng)不能僅僅依靠借助參數(shù)進(jìn)行切換的方法和利用技術(shù)手段進(jìn)行控制的方法了。此時(shí)，還必須借助于切負(fù)荷技術(shù)措施才能維持微電網(wǎng)系統(tǒng)能量的平衡性。

孤島現(xiàn)象是并網(wǎng)運(yùn)行模式下經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的問題，一旦出現(xiàn)孤島現(xiàn)象，就會(huì)使得微電網(wǎng)系統(tǒng)和主網(wǎng)斷開，造成供電中斷，孤島現(xiàn)象一般主要由自然因素和電氣故障引發(fā)。若是電網(wǎng)系統(tǒng)沒有能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)孤島現(xiàn)象的發(fā)生，使得電網(wǎng)系統(tǒng)中的分布式電源結(jié)構(gòu)繼續(xù)進(jìn)行持續(xù)的供電，這樣在公共電網(wǎng)系統(tǒng)中就形成了一個(gè)自給供電性的網(wǎng)絡(luò)，并且不受電網(wǎng)的控制。該自給供電系統(tǒng)雖然也發(fā)生著電能的傳輸和消耗的過程，但是卻和整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)之間相互隔離，因此把這種現(xiàn)象稱之為“孤島現(xiàn)象”[1]。

對(duì)于微電網(wǎng)系統(tǒng)來說，電能存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)非常重要。電能存儲(chǔ)單元是整個(gè)微電網(wǎng)單元的主網(wǎng)單元，在大電網(wǎng)開始運(yùn)行的時(shí)候，可以將微電網(wǎng)系統(tǒng)的分布式電源轉(zhuǎn)換成P-Q模式運(yùn)行，將大電網(wǎng)和微電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行。若是儲(chǔ)能換流器系統(tǒng)（Power Converter System，可以簡(jiǎn)寫成PCS）對(duì)電能質(zhì)量和大電網(wǎng)故障的要求比較高的時(shí)候，PCS系統(tǒng)可以將P-Q運(yùn)行模式自動(dòng)切換成V-F運(yùn)行模式。并且當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障或是負(fù)荷對(duì)功率的要求和電網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率不相匹配的時(shí)候，可以進(jìn)行就地控制，將并網(wǎng)連接處的開關(guān)斷開，從而實(shí)現(xiàn)從并網(wǎng)運(yùn)行模式到離網(wǎng)運(yùn)行模式之間的平滑切換操作。若電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行后，還可以再切換成并網(wǎng)運(yùn)行模式。微電網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)/離網(wǎng)運(yùn)行模式的切換控制原理圖如圖2。

圖2 微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)/離網(wǎng)運(yùn)行模式控制原理圖

（1）微電網(wǎng)系統(tǒng)從并網(wǎng)模式到離網(wǎng)模式的平滑切換控制策略[2]

微電網(wǎng)系統(tǒng)中，其運(yùn)行模式可以由并網(wǎng)模式無縫自動(dòng)切換到離網(wǎng)運(yùn)行模式的核心技術(shù)手段，主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容模塊。模塊一主要對(duì)大電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的監(jiān)控；模塊二則主要是儲(chǔ)能換流器系統(tǒng)穩(wěn)定地將P-Q運(yùn)行模式自動(dòng)切換成V-F運(yùn)行模式。

電能存儲(chǔ)單元作為整個(gè)微電網(wǎng)單元的主網(wǎng)單元，其通過PCS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而對(duì)大電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控。根據(jù)數(shù)據(jù)信息的反饋結(jié)果，對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)和大電網(wǎng)系統(tǒng)之間的并網(wǎng)開關(guān)進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行模式之間的自動(dòng)平滑切換。

在進(jìn)行監(jiān)控的時(shí)候，被動(dòng)式的識(shí)別是一種比較好的實(shí)施方案，仔細(xì)分析負(fù)載與電網(wǎng)系統(tǒng)之間的功率匹配度和電網(wǎng)運(yùn)行的頻率、電壓等這些具體參數(shù)變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過對(duì)頻率和電壓值的分析而判斷出負(fù)載與電網(wǎng)系統(tǒng)之間功率的匹配程度。在分析主動(dòng)式識(shí)別方式和鎖相環(huán)的輸出偏差兩者之間關(guān)系的時(shí)候，比較好的實(shí)施方案是基于鎖相技術(shù)的主動(dòng)式識(shí)別技術(shù)。

進(jìn)行運(yùn)行模式切換的時(shí)候，主電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)短暫的斷電現(xiàn)象，此時(shí)可以通過分析微電網(wǎng)系統(tǒng)的輸出電壓以及頻率等特性來判定電網(wǎng)系統(tǒng)之間是否存在電力做功不匹配現(xiàn)象。在計(jì)算的時(shí)候，可以將微電網(wǎng)看成一個(gè)離網(wǎng)運(yùn)行模式的電力供應(yīng)系統(tǒng)，離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的電網(wǎng)系統(tǒng)頻率特征方程為：

式子（1）中：

R－離網(wǎng)系統(tǒng)中的負(fù)荷等效電阻

Wi－離網(wǎng)系統(tǒng)的頻率

L－離網(wǎng)系統(tǒng)中的負(fù)荷等效電感

P－離網(wǎng)系統(tǒng)中的電源有功出力

Q－離網(wǎng)系統(tǒng)中的電源無功出力

C－離網(wǎng)系統(tǒng)中的負(fù)荷等效電容

q－離網(wǎng)系統(tǒng)中的負(fù)荷品質(zhì)因素

由（1）式可得離網(wǎng)系統(tǒng)的頻率為：

式子（3）中：

Ui－離網(wǎng)系統(tǒng)的電壓幅值

Pload－離網(wǎng)系統(tǒng)的有功負(fù)荷

UN－離網(wǎng)系統(tǒng)的額定電壓

從上邊的公式推導(dǎo)結(jié)果來看，若是離網(wǎng)系統(tǒng)與微電網(wǎng)系統(tǒng)所供應(yīng)的有功功率存在嚴(yán)重不匹配（也即ΔP的絕對(duì)數(shù)值比較大ΔP=Pload-P；），那么在斷網(wǎng)的時(shí)候，電壓幅度值的數(shù)值也會(huì)相應(yīng)比較大。

式子（4）中：

εN－離網(wǎng)系統(tǒng)中電壓幅度偏差允許值

從（2）可得，若是微電網(wǎng)所供應(yīng)的無功功率和離網(wǎng)系統(tǒng)所需要的無功功率嚴(yán)重不匹配時(shí)（也即ΔQ的絕對(duì)數(shù)值比較大ΔQ=Qload-Q；），那么在斷網(wǎng)的時(shí)候，ωi的數(shù)值變化幅度也會(huì)比較大。

式子（5）中：

ωN－離網(wǎng)前系統(tǒng)的頻率值

εω－離網(wǎng)系統(tǒng)的電壓頻率幅度偏差允許值

基于鎖相環(huán)的頻率擾動(dòng)主動(dòng)式的系統(tǒng)識(shí)別，注意微電網(wǎng)在并行時(shí)，每個(gè)工期的鎖相角度：

式子（6）中：

Δθ－開關(guān)周期對(duì)應(yīng)角度的電壓值

θ0工頻周期鎖相角度初始數(shù)值

fs－電網(wǎng)的控制系統(tǒng)開關(guān)頻率值

第一工頻周期開關(guān)所對(duì)應(yīng)的電壓相角值θk可以表示為：

第二工頻周期第m個(gè)開關(guān)所對(duì)應(yīng)工頻相角值可以表示為：

式子（8）中：

θm－第m個(gè)開關(guān)所對(duì)應(yīng)的鎖相環(huán)輸出的電壓相角值。

若是θm〉2π，則相應(yīng)的Δθ=Δθ0+Δψ。

其中Δψ代表的是鎖相環(huán)發(fā)生擾動(dòng)的步長(zhǎng)值。

則第二工頻周期第k個(gè)開關(guān)所對(duì)應(yīng)工頻相角值θk可以表示為：

這樣可得鎖相環(huán)控制系統(tǒng)中，任一開關(guān)對(duì)應(yīng)電壓的角度值計(jì)算，均可使用公式（9）來進(jìn)行計(jì)算。鎖相環(huán)通過擾動(dòng)步長(zhǎng)可實(shí)現(xiàn)有差鎖相，借助有差鎖相進(jìn)而增加系統(tǒng)的頻率擾動(dòng)，最后通過這種頻率擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)這種基于鎖相環(huán)的主動(dòng)識(shí)別方式[3]。

4、結(jié)語(yǔ)

離網(wǎng)運(yùn)行模式向并網(wǎng)運(yùn)行模式的切換相對(duì)簡(jiǎn)單，就地控制公共連接點(diǎn)PCC控制器對(duì)主電網(wǎng)的電壓和頻率值進(jìn)行采集，根據(jù)數(shù)據(jù)反饋結(jié)果，調(diào)相器對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得微電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的電壓和頻率等數(shù)值偏差穩(wěn)定在電網(wǎng)運(yùn)行允許的范圍之內(nèi)，并將PCC開關(guān)閉合，將儲(chǔ)能單元運(yùn)行模式調(diào)節(jié)為P/Q工作模式，閉合并網(wǎng)開關(guān)即進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行模式。

[1]劉敬玉,仵海濤.微電網(wǎng)平滑切換控制方法及策略[J].科技研究,2014.

[2]肖澤亮.微電網(wǎng)平滑切換控制方法及仿真研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2015.

[3]張巖.微電網(wǎng)平滑切換控制策略的研究 [D].遼寧工業(yè)大學(xué),2016.