基于光伏發電的微電網控制技術

湖北工業大學電氣與電子工程學院 吳 烜 席自強 張志文 彭文麗

基于光伏發電的微電網控制技術

湖北工業大學電氣與電子工程學院 吳 烜 席自強 張志文 彭文麗

隨著新能源的發展，越來越多的新能源發電技術應用到生活中。本文主要介紹利用新能源發電的微電網技術，微網技術是綜合考慮光伏孤立發電系統和光伏并網發電系統的一門新的光伏發電技術。采用主從控制法的微電網系統可以更好應用到農村用電系統，滿足農村用電的需求。

微電網；主從控制策略；光伏逆變器

0 引言

隨著電力需求的不斷增長，大電網在過去數十年里體現出來的優勢使其得以快速發展，成為主要的電力供應渠道。然而，集中式大電網也存在一些弊端：成本高，運行難度大，難以滿足用戶越來越高的安全性和可靠性要求。尤其近幾年來，世界范圍內發生了幾次大面積停電事故以后，暴露出了大電網的脆弱性。因此，人們開始對電力系統的發展模式另辟蹊徑。利用新能源以及可再生能源在負荷處就近供電，降低符合對大電網的依賴，改善電網峰谷性能，提高供電可靠性，是大電網的有力補充和有效支撐。在農村電網的改造中，可以更多地參照微電網運行模式。利用不同類型的可再生能源相互配合來匹配農村用電負荷的特性，支撐農電系統使其安全平穩運行，提高供電的可靠性。

1 微電網概念的提出［1］

為了發揮分布式電源積極的作用，同時降低其帶來的不利影響，可以將分布式電源和電力負荷一起作為一個電力系統——微電網（Microgrid）。微電網可以實現微電源的控制，并配有儲能裝置，還可以進行冷、熱、電共同提供的系統。微電網兩種工作方式為并網與獨立運行，具有高度的可靠性和穩定性。

在國家大力發展智能電網的形式下，微電網是智能電網的重要組成部分，是新能源發展的重要支撐。

2 微電網的基本結構

微電網基本結構示意圖如圖1所示［2］，圖中包含多個DG和儲能元件，這些系統和元件聯合向負荷供電，整個微電網相對大電網來說是個整體，通過一個斷路器與上級電網的變電站相連接。圖中的微電網包括3條饋線、 ，裝置與配電系統相連，可實現孤網與并網運行模式間的平滑無縫轉換。其中A和B為敏感負荷，安裝有多個DG，饋線A中含有一個運行于熱電聯產的DG，該DG向用戶提供熱能和電能。饋線C為非敏感性負荷，孤網情況下微電網內部過負荷運行時，可以切斷系統對C的供電。當外界大電網出現故障停電或電力質量問題時，微電網可以通過主斷路器切斷與電網的聯系，孤網運行。此時，微電網的負荷全部由DG承擔，饋線C繼續通過母線得到來自主電網的電能維持正常運行。如果孤網情況下無法保證電能的供需平衡，可以斷開饋線C，停止對非重要負荷供電。當故障消除后，主斷路器重新合上，微電網重新恢復和主電網聯系同步運行，保證系統平穩度過到孤網運行狀態。在微電網的這種結構下，多個DG局部就地向重要負荷提供電能和電壓支撐，這在很大程度上減少了直接從大電網買電和電力傳輸的負擔，并可增強重要負荷抵御來自主電網故障影響能力。此外，在大電網發生故障或其電能質量不符合系統標準的情況下，微電網可以以孤網模式獨立運行，保證微電網自身和大電網的正常運行，從而提高供電可靠性和安全性。［3］

3 微電網的控制方法

3.1 主從控制法（Master－Slave Control）［4］

主從型控制法是將各個微電源采取不同的控制方法，并賦予不同的職能。其中，一個（或幾個）作為主電源，來檢測電網中的各種電氣量，根據電網的運行情況來采取相應的調節手段，通過通信線路來控制其他“從屬”電源的輸出來達到整個微電網的功率平衡，使電壓頻率穩定在額定值。主從法控制的一般過程如下：

（1）當檢測單元檢測到孤島、或者電網主動從配電網斷開進入孤島運行模式時，微電網控制切換到主從模式，通過調整各個微電源的出力來達到功率平衡。

（2）當微電網負載變化時，首先由主電源自動根據負荷變化調節輸出電流，增大或者減小輸出功率；同時檢測并計算功率的變化量，根據現有的發電單元的可用容量來調節某些從屬電源的設定值，增大或減小它們的輸出功率；當其他電源輸出功率增大時，主電源的輸出相應地自動減小，從而保證主電源始終有足夠的容量來調節瞬時功率變化［5］。

（3）當電網中無可調用的有功或無功容量時，只能依靠主單元來調節。當負荷增加時，根據負荷的電壓依賴特性，可以考慮適當減小電壓值；如果仍然不能實現功率平衡，可以采取切負荷的措施來維持微電網運行。主從控制策略也存在一些缺點。首先，主電源采用Vf控制法，其輸出的電壓是恒定的，要增加輸出功率，只能增大輸出電流；而負荷的瞬時波動通常首先是由主電源來進行平衡的，因而要求主電源有一定的容量；其次，由于整個系統是通過主電源來協調控制其他電源，一旦主電源出現故障，整個微電網也就不能繼續運行；另外，主從法依賴于通信，因此通信的可靠性對系統的可靠性有很大的影響，而且通信設備會使系統的成本和復雜性增大。

主從式并聯系統由一個電壓控制的PWM逆變器（VCPI）單元，若干個電流控制PWM逆變器（CCPI）單元和功率分配器單元組成［6］。VCPI作為主控單元，為系統提供穩定的電壓輸出，這里由公共電網提供。CCPI作為從單元，具有電流跟隨作用，無逆流并網光伏系統結構圖如圖2所示。

圖2 無逆流并網光伏系統結構圖

無逆流并網光伏系統的功能說明：

①當太陽能功率＞負載功率時，此時不需要市政電網提供功率，將市政電網功率分配為0。

②當太陽能功率＜負載功率時，此時市政電網需要提供的功率為負載與太陽能的差額。

③當太陽能功率＜某一定值時，此時太陽能提供的功率為0，市政電網提供負荷的全部功率。

3.2 光伏逆變電源設計

VCPI表示為一個穩定正弦電壓源和一個由電感Lr和電容Cr構成的輸出濾波器；CCPI受功率分配器控制的電流源以及扼流電感Li（i＝1，2，…n），扼流電感使輸出電流平滑。每個CCPI單元的參考電壓由功率分配器根據負載電流生產。必須指出的是，盡管CCPI跟蹤參考電流的快速電流響應，但每個CCPI單元的輸出電流和負載電流之間仍有時間的延遲或相位差，主單元VCPI的輸出電流超前從單元的CCPI，但這并不影響并聯系統的性能，因為電流響應快，這個時間延遲小。

（1）電壓控制PWM 逆變器（VCPI）［7］。VCPI是在并聯系統的主控單元，提供恒壓恒頻的正弦輸出，這里由公共電網代替。

（2）電流控制PWM逆變器（CCPI）。電流控制PWM技術已廣泛應用于AC驅動和無功補償系統，文獻中介紹的典型電流控制逆變器包括滯后控制器、正弦PWM控制器、超前電流控制和狀態連接控制器。本并聯運行系統有N套CCPI單元，使電流參考跟蹤上功率分配器的分配電流。CCPI具有快速電流跟蹤特性，所以無需PLL鎖相電路，各并聯單元就能實現并聯運行同步。CCPI從單元基本控制方框圖3所示。

圖3 從模塊基本控制方框圖

控制器內設一個參考電流前饋，用來加快電流響應。CCPI可以用任何控制器來設計，只要電流響應快。并聯系統輸出電壓看成CCPI的一個干擾信號，用一個前饋來對其進行補償。

3.2.1 光伏逆變部分結構說明

采用電壓霍爾對輸出電壓進行采樣，采樣周期為20kHz［8］。電壓霍爾輸出信號經調理電路送入DSP模／數轉換單元，并將轉換結果暫存于DSP中，由此得到輸出電壓的反饋信息。將采樣得到的反饋信息與給定正弦表的相應數據進行比較，得到偏差信號。將偏差信號及給定信號按一定的控制算法進行計算，就得到脈寬控制量。在本系統中，控制算法采用的是重復控制加PID控制的方法，前者保證輸出波形的穩態性能，后者保證輸出波形的動態性能。

由該控制量可以計算出當前時刻SPWM波的占空比，使得輸出波形的占空比按正弦規律變化，這樣就得到了高頻SPWM波。考慮到全橋逆變的上下橋臂不能直通，還必須在DSP的PWM口輸出中加入相應的死區。死區的加入極為方便，只需軟件編程時，對DSP內部的死區寄存器進行設置，其就會自動在已有的PWM波中加入死區，并且死區時間是可以通過對寄存器設置不同的值來調整的。高頻SPWM波再通往驅動電路。由驅動電路產生的驅動脈沖控制功率開關管的通斷，從而產生按正弦規律變化的SPWM波，然后再經LC濾波，去除高頻分量從而得到正弦波輸出電壓。［9］

3.2.2 光伏逆變器的控制算法與實現

重復控制的基本概念來源于控制理論中的內模原理［10］，內模原理指出：系統穩定狀態下無靜差跟蹤輸入信號的前提是閉環系統穩定且包含輸入信號保持器，例如，包含一階積分環節的控制系統可以實現對階躍指令的無靜差跟蹤，然而，積分環節1／s正是一個階躍信號保持器，這是它能實現對階躍指令無靜差跟蹤的根本原因。

在設計一個重復控制器的過程中，必須要有一個周期信號保持器用來消除周期參考信號或者擾動引起的周期跟蹤誤差。這個周期信號既可以用模擬方式產生，也可以由數字方式產生。然而在實際系統中，用模擬方法產生任意波形是非常困難的，相反，通過軟件控制方法可以很容易得到一個周期信號。

3.3 整體系統設計

交流配電箱和直流配電箱的設計，設計之前需要對防雷器、接觸器、斷路器等器件的工作原理以及選型參數有所了解。選擇防雷器時一般會考慮防雷器的殘壓和最大持續工作電壓。殘壓是壓敏型避雷器在沖擊電流作用下，壓敏電阻兩端所產生的電壓，殘壓在2KVA以下（20KA 8／20us）就能對用戶設備提供足夠的保護，最大持續工作電壓一般按照系統最大電壓的1.5～2倍選取。接觸器在系統中主要用于交流側的防逆流，在并網點的市電側安裝有3個電流互感器，每個互感器對應一相，將電流互感器的二次側接入到防逆流繼電器中，防逆流繼電器通過判斷電流的大小控制交流接觸器的通斷，從而達到防逆流的目的，接觸器和短路器的選擇滿足相應的電流和電壓參數即可。

4 結語

主電網只解決中心地區和經濟發達地區的用電，無法覆蓋偏遠地區，而為幾十戶居民拉幾十甚至上百公里的電網要耗費幾千萬元的成本。具有發電、輸電及配電功能的微網，更像一個本地化的獨立小電網，無需長距離輸電。太陽能、風能、水能、生物質能，都是農村中常見的可再生能源，利用微電網這種供電方式為農村供電，是一種適合農村負荷特性的供電方案。既可以減少農民用電的負擔，同時又可以使電力輸出更加可靠、更加平穩地為農村負荷供電。

［1］張建華，黃偉.微電網運行控制與保護技術.北京：中國電力出版社，2010.7.

［2］魯宗相，王彩霞等.微電網研究綜述［J］.電力系統自動化，2007.31（19）：100～106.

［3］劉楊華，吳政球，涂有慶等.分布式發電及其并網技術綜述［J］.電網技術，2008，32（15）.

［4］Lassetter R，Akhil A，Marnay C，et al.The CERTS Micro Grid Concept［EBOL］.CERTS.［5］Nikos Hatziargyriou，Hiroshi Asano，et al.An Overview of Ongoing Research，Development，and Demonstration Projects［J］.IEEE power and energy magazine，2007：79～94.

［6］Benjamin Kroposki，Robert Lasseter，et al.A Look at Microgrid Technologies and Testing，Pojects from Around the Word［J］.IEEE power and energy magazine，2008：41～53.

［7］B.Lasseter.Mirogrid.［Distributed power generation］.In IEEE Power Engineering Society Winter Meeting，2001，volume 1，146～149，Columbus，Ohio，feb.2001.

［8］Iravani R，Control and protection requirements for microgrids［EB／OL］，［2006－10－23］.

［9］Piagi P，Lasseter R H.Autonomous control of microgrids［C］.Power Engineering Society General Meeting，IEEE.2006：8～15.

［10］楊恢宏，余高旺等.微電網系統控制器的研發及實際應用［J］.電力系統保護與控制，2011.10.

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2012－03－20）