微電網孤島運行的控制策略與仿真分析

王懷路,成魯鈺

(1.山東科技大學,山東 青島 266590;2.國網山東檢修公司,濟南 250118)

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微電網孤島運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,山東 青島 266590;2.國網山東檢修公司,濟南 250118)

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

微電網;分布式電源;控制策略;PSCAD/EMTDA仿真;孤島運行

隨著世界范圍內的一次能源危機和環境的日益惡化,各國越來越重視微電網的發展[1-2]。微電網是一種將分布式電源(DG)、儲能系統、負荷、能量轉換裝置、控制與保護裝置匯集成的小型發、配、用電系統,它在有效的控制方式下具有并網和孤島兩種運行模式[3]。并網模式是指在大電網正常供電時DG作為輔助電源接入,與大電網一起為負荷供電[4],這種模式下微電網的電壓和頻率是由大電網來決定的。孤島模式是指當大電網發生故障而與微電網斷開后,DG單獨向微電網內的負荷供電,因此,微電網孤島運行時的電壓和頻率是由DG來支撐的。目前,微電網并網模式下的控制技術和在并網狀態與孤島狀態之間轉換的研究已較成熟[5-6],但對微電網孤島運行的研究卻還有待深入,故本文就微電網孤島狀態下的DG和負荷的投切進行仿真,以驗證在DG投切和負荷投切的擾動下,微電網是否能夠穩定運行。

1 微電網的結構與控制方式

1.1 微電網的結構

微電網一般通過斷路器與配電網相連,根據PCC處斷路器的開斷情況,微電網分為并網運行和孤島運行兩種運行方式。微電網系統結構如圖1所示。

圖1 微電網系統結構圖

當斷路器閉合時,微電網工作在并網狀態,微電網的頻率和電壓由配電網支撐,但是由于微電網內的DG出力不能滿足本地負荷的需求,故配電網需通過PCC向微電網供電[7];當斷路器斷開時,微電網工作在孤島狀態,微電網的頻率和電壓由DG支撐,但是由于DG的出力同樣不能滿足本地負荷,故必須切除一些不重要的負荷,而保留對供電敏感的負荷。

1.2 微電網的控制方式

微電網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,微電網的孤島運行模式為:

1) 在主從控制方式下,微電網的DG至少有一個作為主控電源,其他為從電源。而當微電網處于孤島模式下時,為保證微電網電壓和頻率的穩定,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。而當微電網處于孤島模式下時,DG一般采用下垂控制,所有DG都參與微電網電壓和頻率的調節。此時,當負荷改變時,各分布式電源共同分擔負荷的改變量,然后根據設定的下垂特性,調整各自的輸出電壓和頻率值,使系統最終過渡到一個新的穩定運行狀態,從而實現功率的合理分配。

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,即當微電網的電壓和頻率在一定范圍內變化時,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。在實際的微電網系統中,像光伏發電和風力發電這樣的分布式發電電源,其輸出功率受天氣環境變化等不可控因素的影響較大,發電具有明顯的波動性和間歇性。如果要求此類分布式發電電源根據負荷需求調整發電量,則需要配備較大容量的儲能裝置,這很不經濟,故對這些電源的控制目標應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定系統的電壓和頻率,因此它不能作為微電網孤島運行狀態下的主電源。

2.2 VF控制策略

VF控制策略可以使DG在微電網孤島運行模式下作為主電源對微電網的電壓和頻率提供強有力的支撐,從而保證DG連接處微電網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的儲備能力,滿足負荷波動時調整其功率的輸出需要。在實際的微電網中,燃料電池等分布式發電電源及蓄電池等儲能裝置,由于其可以根據負荷需求調節自身的功率輸出,因此常作為微網孤島運行模式下的支撐電壓源來使用,用以維持微網系統的功率平衡。對于這類微電源中的逆變器,在微網孤島模式下運行時,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電機的輸出特性一致的控制策略[9-10],即通過調節分布式電源逆變器輸出電壓的相位和幅值來調節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系,逆變器輸出的無功功率和電壓幅值成線性關系。故當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,此時DG輸出的有功功率和無功功率分別為P0和Q0。而當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,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的孤島運行仿真

由于在對等控制的微電網中,所有DG是平等的關系,沒有主從之分,當系統需要時可即插即用。同時,對等控制的微電網中的DG采用基于下垂特性的Droop控制,且所有DG按照預先設定的控制方式參與有功功率和無功功率的調節,故本文采用對等控制的微電網作為仿真對象。

利用PSCAD軟件構建的仿真電路如圖3所示,微電網通過PCC處的斷路器與額定電壓為380 V的大電網相連,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 微電網仿真模型

3.1 DG的接入與切除

微電網在孤島狀態下運行時,由于其分布式電源的隨機性太大,系統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,調節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雜,在分布式電源接入微電網時,它需要滿足與微電網具有相同的電壓幅值和相角,否則將產生嚴重的暫態過程,導致設備損壞。

DG接入微電網的操作流程如圖4所示。

圖4 DG接入微電網的操作流程圖

當DG接收到需要并網的命令時,檢測模塊分別檢測出DG和微電網側的電壓幅值和相角,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并網時系統所允許的最大電壓幅值差和相角差),則DG直接并入微電網。否則,調節DG側輸出電壓幅值和相角,直到達到要求為止。電壓幅值和相角的調節通過DG逆變器的控制單元實現。

利用PSCAD對微電網模型(見圖3)進行DG的接入和切除仿真。設負荷1和負荷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。初始微電網與大電網斷開,即PCC處的短路器處于打開狀態,DG1和DG2均并入微電網。仿真時間為3 s,系統在1 s時將DG2切除,在2 s時再將DG2并入。仿真結果如圖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 微電網的電壓和頻率

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

3.2 負荷波動的仿真

對微電網模型(見圖3)進行孤島狀態下負荷的投切仿真。設DG1和DG2同時運行,正常狀態下滿負荷運行,并分別對切除和投入50%的負荷進行仿真,分析其對微電網的影響;設負荷1和負荷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,系統在1 s時將負荷2切除,在2 s時再將負荷2并入微電網。仿真結果如圖8、9所示。

圖8 DG的輸出功率

圖9 微電網的電壓和頻率

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,在負荷2切除時,兩個DG的輸出同時下降,而在負荷2重新并網時,兩個DG又同時增加輸出。而從圖9中可以看出,在負荷2投切時,微電網的電壓和頻率都發生了微小的波動,但波動在允許的范圍之內。因此,微電網在孤島狀態下運行,負荷的投切不會影響微電網的可靠穩定運行。

4 結 語

微電網有并網和孤島兩種運行方式,本文基于PSCAD對微電網孤島運行進行了仿真研究,驗證了微電網在孤島運行方式下,對等控制方式DG投切和負荷投切時的穩定性,同時也對連續調節DG的電壓幅值和相角使DG并入微電網的方式進行了仿真。結果表明,在DG投切和負荷投切時,微電網均能穩定可靠運行。

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(責任編輯 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及其自動化。

TM743

A

2095-6843(2016)01-0043-04