微電網技術在航天供電系統中的應用

梁化成　趙軼峰　趙京勇（北京航天試驗技術研究所，北京　100074）

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微電網技術在航天供電系統中的應用

梁化成趙軼峰趙京勇
（北京航天試驗技術研究所，北京100074）

摘要隨著分布式發電技術的不斷發展，將分布式發電供能系統以微電網的形式運行，與大電網互為支撐，成為發揮分布式發電供能系統能效的最有效方式之一。航天電力系統由于具有較強的分布式特點，而其對供電可靠性要求高，適合采用微電網系統。在歸納總結微電源模型的基礎上，分別在獨立運行和并網運行時分析了微電源逆變器的控制特性，根據不同微電源的類型分別采用PQ控制和V/f控制策略，提出了相應的控制器設計方法，建立了微電網模型。試驗結果表明，微電網技術適合在航天供電系統中應用發展。

關鍵詞分布式發電，微電網，逆變器，航天電力系統

引言

航天電力系統通常具有較強的分散性，對供電可靠性要求高，且需要有靈活的運行方式，而微電網的結構和特點特別適合在航天供電系統中應用。微電網是隨著分布式發電技術的不斷發展而發展起來的供電系統技術，其將分布式發電功能系統以微電網的形式運行，與大電網互為支撐，可有效地發揮分布式能源的系統能效[1, 2]。微電網中多個分布式電源的分散布局，使其在偏遠地區也能持續可靠供電；既可以利用地方大電網供電，也可利用微電網本身的分布式電源發電，必要時還可以甩掉非重要負荷繼續保證關鍵部位供電。

目前，多個國家已開展了微電網的研究，立足于本國電力系統的實際問題與國家的可持續發展能源目標，提出了各自的微電網發展目標。美國CERTS最早提出了微電網的概念[3]。日本立足于國內能源緊缺、負荷日益增長的現狀開展了微電網研究，但其發展目標主要定位于能源供給多樣化、減少污染、滿足用戶的個性化電力需求等。歐洲提出要充分利用分布式能源、智能技術、先進電力電子技術等實現集中供電與分布式發電的高效、緊密結合。微電網以其智能化、能量利用多元化等特點也成為歐洲未來電網的組成部分。

本文在總結分析各種微電源類型的基礎上，等效出了一種通用的微電源逆變器模型，并以單相半橋型逆變電路為例，對其進行了數學建模分析；針對微電源獨立和并網運行兩種模式，在不同的工況下，對逆變器的控制策略系統地進行了分析，針對微電源接入微電網的兩種方式，即PQ控制和V/f控制，詳細分析了這兩種控制方式的原理和方法，并建立了與航天供電系統相適應的微電網模型。

1　微電源的工作原理

微電源主要為可再生能源，發電系統類型可為微型燃氣輪機、內燃機、燃料電池、太陽能電池、風力發電機、生物質能等[4]。根據微電源的燃料和發電方式的不同，可以將微電源分為以下3類：

（1）交直交電源，如微型燃氣輪機等，其發出的是高頻的交流電，需要對其整流后再逆變，如圖1所示。

圖1　交直交電源

（2）直流電源，如光伏發電、燃料電池，以及儲能裝置等。其發出的是直流電，需要逆變后并網，如圖2所示。

圖2　直流逆變電源

（3）工頻交流電源，如風力發電機和傳統的小功率發電機。

本文主要研究微電網，因此，將（1)、（2）中的電源假設為直流電源或經整流后的直流源，等效模型如圖3所示。

圖3　直流逆變并網

2　微電源的控制策略

微電源的控制主要是逆變器的控制。逆變器的主要作用是將直流電變成交流電并網或者供給附近的負荷。逆變器有獨立運行和并網運行兩種工作模式。當獨立運行時，要求電壓質量能夠滿足負荷要求，逆變器作為一個穩定的電壓源運行；當并網運行時，要求減小逆變器對電網的污染，提高輸出功率因數，減小進網電流的失真度，逆變器作為一個電流源運行，向電網注入功率。

早期的逆變器采用輸出電壓平均值反饋控制調節輸出電壓有效值，但是難以獲得良好的動靜態性能。為了滿足高性能電能指標要求，研究人員提出了很多新的控制方案，如電壓瞬時值反饋控制、電壓電流雙閉環控制[5]。逆變器的雙環控制分為以濾波電感電流為內環、電壓外環，以及以濾波電容電流為內環、電壓外環控制兩類。電流電感內環控制可以對逆變器起到限流作用，但是輸出受負載電流的影響很大。采用電容電流內環控制能夠較好地抑制負載電流的影響，可以采取一些附加措施實現電流限制和短路保護功能。

本文以單相半橋型PWM逆變器為例[6]，分析了其在獨立和并網兩種運行方式下控制系統的穩定性。單相半橋式逆變電路的電路圖如圖4所示。

圖4　單相半橋式逆變電路

在電壓源逆變器中，采用濾波電容電流ic作為內環反饋比較廣泛，因ic被瞬時控制，使得輸出電壓uc 因ic的微分作用而提前得到矯正，因此，帶負載能力較強。本文選擇電容電流ic內環電壓外環控制方式，其原理如圖5所示。

圖5　雙環控制的逆變器原理框圖

并網運行時，由于逆變器輸出直接與電網連接，輸出電壓不可控，而要求輸出電流穩定，向大電網注入功率。此時逆變器采用電流控制方式。根據IEEE Std 1547-2003分布式電源系統并網的標準要求，并網工作時電網電壓正常范圍為標準電壓的88%～110%；并網系統不允許對電網造成污染，總諧波不超過5%。圖6即為并網運行時逆變器控制原理圖，采用內環PI控制來實現輸出對電流的跟蹤。

圖6　并網運行時電流控制原理框圖

微電網中要求微電源逆變器能夠在獨立與并網兩種不同運行工況下運行，并能夠保證兩種模式切換過程的平滑過渡。當逆變器獨立運行時，該系統與電網的連接開關K斷開，此時，逆變器為雙閉環控制方式，輸出穩定的電壓。當逆變器并網運行時，在給出并網信號后，電壓過零點閉合開關K，通過增加逆變器電流基準指令Iref，此時逆變器為電流控制，輸出穩定的電流，向電網注入功率。該控制過程原理框圖如圖7所示。

圖7　雙模式運行逆變器控制原理圖

3　微網的模型及控制策略

3.1三相逆變器數學模型

目前，我國常用的是三相電力系統，因此，需要對三相逆變器電路及控制進行分析。根據圖8的三相SPWM逆變電路的結構，取電感電流和電容電壓為狀態變量，列出電路狀態方程如下：

式中：L1為輸出濾波電感；C*為輸出濾波電容C星形接法的等效電容值；v1為逆變橋輸出電壓向量；vo為逆變器輸出電壓向量；i1為逆變橋輸出電流向量；iL為負載電流向量。

圖8　三相逆變器電路圖

由上式經過派克變換，將三相交流量轉換到dq軸的直流量，可得控制框圖如圖9所示。

圖9　控制系統框圖

當微電網中的負荷或網絡結構發生變化時，如何通過對微電網中各種分布式電源進行有效的協調控制，來保證微電網在不同運行模式下都能夠滿足負荷的電能質量要求，是微電網能否可靠運行的關鍵。在實際微電網中，不同種類的分布式電源的控制特性可能差異很大，對于微型燃氣輪機和燃料電池等電源，控制比較容易實現，既可以按照給定的有功功率和無功功率進行控制，也可以很方便地實現V/f控制，而后者可以用于保證微電網頻率和電壓的穩定性；對于風力發電和光伏發電等電源，其輸出功率的大小受天氣影響較大，發電具有明顯的間歇性，要保證恒定的功率輸出，則需配備較大容量的儲能裝置，這有時是很不經濟的，這種電源的控制目標應該是保證可再生能源的最大利用率，為此一般采用P-Q控制方法。

3.2P-Q控制方法

當逆變器接入微電網時，逆變器的輸出電壓即為電網電壓，通過調節逆變器的輸出電流，實現對注入有功功率和無功功率的控制。

當逆變器接入微電網運行時，將其參考電壓切換為電網電壓，給定一個參考電流，經過PI調節其輸出電流。三相逆變器同樣通過派克變換將三相交流量變換為DQ0坐標上的直流量，該控制方法的控制原理如圖10所示。

3.3V/f控制方法

當微電網和大電網脫離微電網運行時，必須有微電源保證微電網中電壓和頻率的穩定性。此類微電源采用V/f控制方法。

在傳統電網中，發電機之間的內阻抗通常大到足以防止產生環流。而在放射性結構的微電網中，大的感性電流環流是個問題。若無本地電壓調節，連有大量微電源的系統將經歷電壓或無功功率振蕩。電壓控制需要確保沒有大的感性電流環流出現在電源之間。當產生于微電源中的感性電流變成容性的時候，母線電壓的整定值就需要降低。相反，當電流變成感性的時候，母線電壓的設定值就要提高。這種控制策略的原理框圖如圖11所示。

圖10　PQ控制系統原理圖

圖11　V/f控制系統原理圖

綜上所述的微電源MS1和MS2，組成如圖12所示用于航天供電的微電網，其中，微電源MS1采用P-Q控制，微電源MS2采用V/f控制。當地方電網有充足電能時，合上開關K0，此時微電網和配電網連接運行。當地方電網電能不足，或地方電網發生故障時，斷開開關，微電網與配電網斷開孤立運行。這種靈活的電網結構可以滿足航天電力系統的需求。

4　結束語

航天電力系統用電負荷比較分散，采用可再生能源既解決了能源問題，又保證了航天用電的穩定、可靠。本文歸納總結了幾種微電源模型，并分別在獨立和并網運行時分析了微電源逆變器的控制特性，根據不同微電源的類型分別采用P-Q控制和V/f控制策略，提出了相應的控制器設計方法，建立了適用于航天電力系統的微電網模型。通過分析表明，微電網在航天供電系統中具有較為廣闊的發展前景。

圖12　微電網的模型結構

參考文獻

1魯宗相, 王彩霞, 閔勇, 等. 微電網研究綜述[J]. 電力系統自動化, 2007, 31(19): 100～106

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5VENKATARAMANAN G, DIVAN D M, JAHNS T M. Discrete Pulse Modulation Strategies for High-Frequency Inverter Systems[C]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1993

6徐德鴻. 電力電子系統建模及控制[M]. 北京: 機械工業出版社, 2005

Application of Micro-grid Technology in Aerospace Power Supply System

Liang HuachengZhao YifengZhao Jingyong
(Beijing Institute of Aerospace Testing Technology, Beijing100074)

AbstractWith the development of the distributed power generation technology, the micro-grid, which takes a part together with the power grid, has been one of the most effective ways to make use of the distributed power supply. Aerospace power systems are distributed systems, demanding of high reliability. Micro-grid system is suitable for Aerospace power systems. The micro-cell model is analyzed, and the control strategy of the inverter both on stand-alone mode and grid-connected mode are studied. PQ control method and V/f control method are used separately due to different micro-cells. Corresponding control strategies are designed, and the micro-grid model is established. Experiments show that the micro-grid technology is suitable for aerospace power supply system.

KeywordsDistributed generation, Micro-grid, Inverter, Aerospace power system

文章編號：1009-8119（2016）05（1）-0053-04