微電網(wǎng)含多PCS下的混合控制策略研究

白 迪，曹華鋒，趙志剛

（沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

微電網(wǎng)含多PCS下的混合控制策略研究

白 迪，曹華鋒，趙志剛

（沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

在傳統(tǒng)的微電網(wǎng)控制策略中，下垂控制在微電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)過高時(shí)造成其電壓與頻率偏移較大，而V／F控制對(duì)儲(chǔ)能的容量要求過高。針對(duì)此缺陷，提出了一種混合式的控制策略，彌補(bǔ)了兩種策略的缺陷。在該策略下，當(dāng)作為主電源的儲(chǔ)能系統(tǒng)無法支撐微網(wǎng)的電壓與頻率時(shí)，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄麓箍刂疲瑫r(shí)其他的儲(chǔ)能系統(tǒng)由P／Q控制模式自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄麓箍刂疲纬啥嘀刂鲝目刂疲詣?dòng)協(xié)調(diào)多個(gè)PCS（儲(chǔ)能逆變器）的有功輸出。該策略可根據(jù)實(shí)際微電網(wǎng)的容量進(jìn)行設(shè)定并且自行控制，具有自適應(yīng)性。最后，搭建了MATLAB／SIMULINK的仿真模型，驗(yàn)證了新策略的正確性。

微電網(wǎng)；主從控制；控制策略；PCS

微電網(wǎng)儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)離網(wǎng)模式下穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，微電網(wǎng)在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的電壓與頻率不易控制，各分布式電源主要采用主從控制或者對(duì)等控制［1］。在主從模式下，通常會(huì)以容量最大的儲(chǔ)能系統(tǒng)為V／F控制單元，建立基準(zhǔn)電壓與頻率，其余分布式電源采用P／Q控制方式跟隨運(yùn)行。但是該控制方式對(duì)于主控源的容量有著很高要求與依賴性。在對(duì)等控制下，各分布式電源采用下垂控制，解決了V／F控制的缺陷，但是由于下垂控制是一種有差調(diào)節(jié)，對(duì)于大幅度的功率波動(dòng)無法長時(shí)間維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

本文基于微網(wǎng)傳統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種具有多種控制輸出特性的混合策略，當(dāng)微電網(wǎng)功率處于小功率波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)采用主從控制模式。在微電網(wǎng)出現(xiàn)高功率波動(dòng)時(shí)，微電網(wǎng)的多個(gè)儲(chǔ)能裝置同時(shí)轉(zhuǎn)變成下垂控制，形成多主控制單元，防止單主控制的儲(chǔ)能模塊因?yàn)楣β瘦敵霾蛔阍斐晌㈦娋W(wǎng)崩潰的局面出現(xiàn)。

1 儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)與控制策略的研究

圖1 微電網(wǎng)多PCS并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)多PCS并聯(lián)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、蓄電池儲(chǔ)能、PCS和負(fù)載。微電網(wǎng)多PCS的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，通常采用主從控制策略或者對(duì)等控制。在主從控制模式中，1臺(tái)PCS為V／F控制，其余PCS為P／Q控制；在對(duì)等控制模式中，所有PCS均采用下垂控制模式。

1.1 下垂控制方法與V／F控制方法

下垂控制［2］是讓分布式電源模擬發(fā)電機(jī)組“工頻靜特性”的一種控制方法，利用有功功率與頻率近似呈線性關(guān)系，無功功率與電壓幅值近似呈線性關(guān)系的原理控制，P－f與Q－v下垂控制的方程式為

式中：m為頻率／有功下垂系數(shù)；n為電壓／無功下垂系數(shù)。

如圖2所示，分布式電源系統(tǒng)的初始運(yùn)行點(diǎn)為B，輸出的有功功率為p0，系統(tǒng)頻率為f0。當(dāng)系統(tǒng)有功負(fù)荷突然增加時(shí)，有功功率不足，會(huì)導(dǎo)致頻率下降，此時(shí)下垂控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)分布式電源輸出的有功功率按照下垂特性相應(yīng)增大，負(fù)荷功率也因頻率下降而減少，最終在控制系統(tǒng)下垂特性和負(fù)荷的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)中達(dá)到新的功率平衡，過渡到C點(diǎn)運(yùn)行。由此可見，下垂控制是一種有差調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)中的負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，逆變器輸出的電壓幅值與頻率也會(huì)相應(yīng)改變，若微電網(wǎng)功率波動(dòng)幅度較大，系統(tǒng)頻率與電壓也會(huì)出現(xiàn)較大偏移，甚至?xí)鲇秒姌?biāo)準(zhǔn)，影響用戶端的電能質(zhì)量。

圖2 下垂控制原理

V／F控制［3］是一種恒壓恒頻控制，微電網(wǎng)無論出現(xiàn)多大幅度的功率波動(dòng)，采用V／F控制的主控源輸出功率會(huì)隨之改變，使系統(tǒng)交流母線的電壓幅值與頻率維持不變。其控制原理如圖3所示，分布式電源系統(tǒng)的初始運(yùn)行點(diǎn)為B，系統(tǒng)輸出頻率為frate，頻率控制器通過調(diào)節(jié)分布式電源輸出的有功功率，使頻率維持在給定的參考值，電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)分布式電源輸出的無功功率，使電壓維持在給定參考值。可見V／F控制是一種無差調(diào)節(jié)，但是V／F控制對(duì)主控單元的容量要求較高，只有主控單元的功率輸出滿足維持系統(tǒng)的電壓、頻率穩(wěn)定的條件下，微電網(wǎng)才能夠穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)V／F控制的電源出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)微電網(wǎng)就會(huì)崩潰，無法正常運(yùn)行。

圖3 V／F控制原理

1.2 多PCS下混合控制方法與策略

在含有多PCS并聯(lián)結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)中，可以把多個(gè)PCS等效為2個(gè)PCS，如圖1所示。蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)編號(hào)分別為PCS1、PCS2。為了解決傳統(tǒng)主從控制與對(duì)等控制的缺陷，本文提出多主從控制，設(shè)計(jì)了V／F－droop控制與P／Q－droop控制。對(duì)PCS1采用V／F－droop控制，其工作原理如圖4所示，采用該策略的PCS，設(shè)定在充放功率的絕對(duì)值小于pn時(shí)，采用的V／F控制形式進(jìn)行無差調(diào)節(jié)，此時(shí)微電網(wǎng)處于穩(wěn)定高質(zhì)量的運(yùn)行模式。當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)突然出現(xiàn)大功率波動(dòng)時(shí)，即充放功率大于pn時(shí)，PCS的工作模式會(huì)由V／F自動(dòng)切換成下垂控制模式，從而減少電流對(duì)系統(tǒng)的沖擊。其控制策略如圖5所示，內(nèi)環(huán)均采用電流環(huán)控制，外環(huán)與內(nèi)環(huán)之間增加功率判斷條件，來進(jìn)行控制模式切換。

對(duì)PCS2采用P／Q與droop控制相結(jié)合的方法，形成P／Q－droop控制，其控制原理如圖6所示。

圖4 V／F－droop控制原理

圖5 V／F－droop控制策略

圖6 P／Q－droop控制原理

采用該策略的PCS2，在PCS1的充放功率小于pn時(shí)采用P／Q控制，恒功率充放電，與主控單元協(xié)調(diào)運(yùn)行。當(dāng)PCS1的充放功率大于等于pn時(shí)，PCS2由P／Q控制模式切換為droop控制模式，與PCS1形成對(duì)等控制。2個(gè)PCS作為雙主控制源，增大了儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率，從而保證了微電網(wǎng)在功率波動(dòng)幅度出現(xiàn)較大變化時(shí)微網(wǎng)的電壓不受影響。PCS2的控制策略如圖7所示。

2 仿真算例

為了驗(yàn)證新策略的正確性，利用SIMULINK對(duì)圖1所示的微電網(wǎng)建立了仿真模型。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

在仿真過程中，微電網(wǎng)始終運(yùn)行在離網(wǎng)模式下。設(shè)定主控源功率判定值pn＝20 kW，在微電網(wǎng)運(yùn)行初期的負(fù)載功率為30 kW，在0.5 s時(shí)增加20 kW負(fù)載，在0.7 s時(shí)再增加20 kW負(fù)載。

圖7 P／Q－droop控制策略

在微電網(wǎng)運(yùn)行的0～0.5 s的時(shí)間段內(nèi)，PCS1的輸出功率為10 kW，如圖8所示。PCS2的輸出功率為20 kW，如圖9所示。此時(shí)，PCS1作為主控單元處于V／F控制模式，PCS2作為從控制單元處于P／Q控制模式。在0.5 s時(shí)把功率為30 kW的負(fù)載接入微電網(wǎng)，微網(wǎng)出現(xiàn)大功率波動(dòng)；與此同時(shí)，PCS1從V／F控制模式下轉(zhuǎn)變?yōu)橄麓箍刂疲琍CS2由P／Q控制模式轉(zhuǎn)變?yōu)橄麓箍刂疲?臺(tái)PCS在下垂控制的協(xié)調(diào)下同時(shí)增加有功出力。本仿真采用的蓄電電池儲(chǔ)能容量一致，設(shè)定的下垂因數(shù)一致，因此在2臺(tái)PCS都處于下垂控制時(shí)，輸出功率也一致，由圖8、圖9在0.5 s后的功率輸出波形可以得到驗(yàn)證。在0.7 s時(shí)增加20 kW負(fù)載，PCS1與PCS2輸出功率依舊保持一致，圖10為微電網(wǎng)隨著時(shí)間變化接入的負(fù)載功率。

圖8 PCS1輸出功率

圖9 PCS2輸出功率

圖10 負(fù)載功率

由圖11、圖12所示的電壓與電流波形圖可以看出，文中所提的策略在控制模式切換過程中不會(huì)出現(xiàn)電壓波動(dòng)，也不會(huì)出現(xiàn)沖擊電流；由圖13所示的系統(tǒng)頻率可以看出，在微電網(wǎng)負(fù)載增加以及PCS工作模式的切換過程中始終維持在50 Hz。綜上所述，新策略是可行、有效的。

3 結(jié)束語

圖11 PCS1的電壓與電流波形

圖12 PCS2的電壓與電流波形

圖13 系統(tǒng)頻率

微電網(wǎng)是未來能源的發(fā)展趨勢(shì)，本文針對(duì)多個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)，在傳統(tǒng)的對(duì)等控制與主從控制的基礎(chǔ)上提出單主從與多主從控制混合控制。通過整合傳統(tǒng)控制中的下垂控制、P／Q控制與V／F控制，實(shí)現(xiàn)具有混合輸出特性的控制模式，解決了單一主從控制與對(duì)等控制的缺陷。通過在MAT?LAB／SIMLINK平臺(tái)上搭建仿真模型驗(yàn)證了所提策略的正確性，為微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)提供參考。

［1］牛 萌，劉海軍，林培峰，等.一種混合儲(chǔ)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（3）：312－315.

［2］趙興勇.楊 濤，王玲梅.基于負(fù)荷儲(chǔ)能的微電網(wǎng)運(yùn)行方式切換控制策略［J］.高電壓技術(shù)，2015，41（7）：2 142－2 147.

［3］李建林，李 蓓，惠 東.智能電網(wǎng)中的風(fēng)光儲(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［4］郭 捷.胡文平，劉 曼.適用于直流配電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電防孤島方法［J］.東北電力技術(shù)，2015，36（12）：23－27.

［5］孫力勇.大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問題分析及應(yīng)對(duì)策略研究［J］.東北電力技術(shù)，2015，36（10）：1－4.

Study on Hybrid Control Strategy of Microgrid with Several PCS

BAI Di，CAO Hua?feng，ZHAO Zhi?gang
（School of Electrical Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China）

For traditional micro?grid control，micro?grid voltage and frequency offset larger when large fluctuations in load fluctuations under droop control，V／F control requires high energy storage capacity.A hybrid control strategy is proposed.When the storage system operating as a main power can not support micro?grid voltage and frequency，it automatically converts to droop control.Other energy storage system by the P／Q automatically becomes droop control to form a multiple master?slave control.The policy can be set according to the capacity to control their own actual microgrid，it has high suitability.MATLAB／SIMLINK simulation platform is builted to verify the feasibility of strategy.

Microgrid；Master?slave control；Control Strategy；PCS

TM921.5

A

1004－7913（2016）07－0005－04

白 迪（1979—），女，副教授，從事微電網(wǎng)運(yùn)行控制策略的研究。

2016－04－28）