基于分布式發電的微電網并網運行控制策略

陳永杰，王斌，彭濤

（江蘇省電力公司太倉市供電公司，江蘇蘇州，215400；2.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇蘇州，215000）

基于分布式發電的微電網并網運行控制策略

陳永杰1，王斌2，彭濤1

（江蘇省電力公司太倉市供電公司，江蘇蘇州，215400；2.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇蘇州，215000）

微電網雖然在運行控制方式上具有明顯優勢，但在多種電源的接入下，尋找正確的方式實現微電網的安全運行是目前急需解決的問題之一。本文分析風力發電、光伏發電、燃料電池的運行特性，通過對逆變器控制方式的靈活切換，實現分布式電源接入的有效控制；在Matlab/Simulink的仿真環境下搭建微電網以及逆變器控制模型，仿真結果驗證了所提出的微電網控制策略的合理性，能夠保證在不同工況下負荷的頻率和電壓在允許范圍。

微電網；并網控制；P-Q控制

0 引言

隨著常規化石能源的不斷枯竭，迫使人們尋找新的替代能源。大量可再生能源分布式發電系統的接入給原有電力系統帶來很多新的問題，微電網提出能夠有效緩解分布式發電系統接入對電力系統的沖擊[1]。微電網集分布式發電系統、負荷及儲能與一體，通過合理的控制能夠盡量減少分布式發電系統隨機性、波動性對電力系統的影響[2]。

近年來，基于可再生能源分布式發電系統的微電網技術發展迅速，通過合理的調度和控制，使微電網在電網運行中扮演重要角色。文獻[3]針對多源微電網系統，設計了一種微電網控制策略實現了微電網運行模式切換以及孤島下切增負荷的建模仿真。文獻[4]設計了一種自適應調節下垂洗漱的微電網控制策略。文獻[5]針對微電網運行特性，設計了一種用于削峰填谷調度的微電網控制策略。文獻[6]設計了一種基于坐標旋轉虛擬阻抗的微電網控制策略，實現了功率解耦和分配的準確性。

本文設計了一種基于風力發電系統、太陽能發電系統、固體燃料電池以及儲能的微電網系統。通過分布式電源的恒功率控制實現微電網系統的并網運行。最后通過matlab仿真驗證本文所構建微電網系統運行的可行性和可靠性，為微電網的開發利用提供了一種可行方案。

1 分布式發電系統

1.1 風力發電系統

風力發電系統一般由風力機、傳動系統、發電機和槳距角控制系統四部分組成，風力發電系統結構圖如圖1所示。

圖1 風力發電系統結構圖

風力機風能捕獲的過程直接決定了風力發電系統的風能利用效率。風速恒定情況下，風輪產生的機械功率如式（1-3）所示：

其中，Pwt為風輪捕獲的風能；ρ為空氣密度；R為風輪掃過的面積；v為風速；λ為葉尖速比（風輪葉尖線速度和風速的比值）；β為葉片漿距角； Cρ(λ,β）為風能轉換效率；Ωl為風速的轉速。

1.2 光伏發電系統

光伏發電系統由光伏陣列、逆變器和控制器組成，如圖2所示。光伏陣列實現光電轉換；逆變器實現交直流變換；控制器實現光伏電池的MPPT、逆變器端的恒功率輸出。

光伏電池板的輸出的功率和溫度、日照強度的關系可以用式（4-6）來描述。

圖2 光伏發電系統示意圖

其中，Ppv(t)為光伏電池在光照強度G(t)時的輸出功率；Gstc、Tstc、Pstc為標準測試環境下的光照強度、光伏溫度和最大輸出功率；k為溫度系數。T(t)為t時刻光伏電池表面溫度；Vw為風速，Tair(t)為任意時刻的溫度值；Tmax，Tmin為溫度的最大值和最小值；tp為時間點。

1.3 固體燃料電池

SOFC由燃料燃燒處理模塊、電池發電模塊和能量儲存回收模塊組成。它以天然氣為燃料，空氣經過壓縮器壓縮進入預熱器預熱，通入電池的陰極。陰陽極氣體在燃燒器中發生一定的電化學反應，電池發電模塊工作，使電池發出電能，同時，由于電化學反應是放熱反應，產生的熱量能再加熱燃燒器中沒有完全反應的氣體，使之充分反應，提高利用率。

2 微電網運行控制

微電網控制的目標是緩解分布式電源的接入對大電網的沖擊，保證用戶的用電質量。在微電網并網運行時，網內分布式電源采用P-Q恒功率控制。在該種控制方式下，電壓和頻率由大電網提供。但考慮到微電網需要一定的無功功率控制能力，在無功功率設定值時，要減少微電網中各分布式電源之間、微電網和大電網之間的無功功率交換。保證微電源的輸出功率恒定。P-Q控制框圖如圖3所示。

圖3 P-Q控制框圖

實現P-Q控制，需要采集網側逆變器輸出端電流，由鎖相環提取網側的相位信息并對三相電壓電流進行派克變換。在外環功率環中，根據（7）式的關系由設定的參考功率給內環電流環提供電流參考；在內環電流環中，三相電流的dq分量與參考電流做差進行PI調節，通過電壓前饋補償和交叉耦合補償，輸出控制信號Pmd、Pmq，進而驅動SPWM波發生器驅動逆變器。

3 微電網并網運行控制仿真分析

3.1 微電網系統參數配置

本文在Matlab/simulink環境下建立模型，如圖4所示。其中，微電網內部電源由蓄電池、SOFC、風力發電、光伏發電四個部分并聯組成，微網內部負載為圖中RLC1。在并網模式下，微電網經過隔離變壓器后與電壓等級為35kV的大電網連接。在該模式下，微電網內部電壓頻率由大電網支撐，保持穩定，有功功率和無功功率能得到有效控制，微電網輸出功率穩定。

圖4 微電網模型

（1）蓄電池：設定其標準電壓為380V，額定容量為50Ah，初始SOC為90%。圖5為直流母線端電壓，初始階段存在超調量，快速調節后穩定在額定電壓。

圖5 蓄電池直流端電壓

（2）固體氧化物燃料電池：額定功率為40kW，額定電壓650V，額定電流51.5A。

（3）光伏發電：該模塊采用了MPPT擾動算法，實時采集光伏陣列的電壓電流，跟蹤光伏發電的最大功率電，其仿真模型如圖6所示。設定其日照為1000w/m2，溫度為25℃。

圖6 MPPT最大功率跟蹤模塊仿真模型

（4）風力發電：設定值風速為12m/s，風輪機額定功率為10kW。

3.2 仿真分析

在并網模式下微電網內所有分布式電源都采用恒功率控制模式，恒功率控制模式成為了整個微電網的主要控制策略。PQ控制模塊仿真模型如圖7所示。

圖7 P-Q控制模塊仿真模型

將微電網各組成部分連接成完整的并網系統，仿真時間為0.1s，網內負載完全成阻性為40kW，在0.06s時突加負載（P=10kW,Q=3.6kVar），0.08s對負載進行切除，PCC處三相電壓波形如圖8所示，波形穩定性好，由于并網時，電壓頻率都有大電網提供，所以保持不變。圖9為光伏發電輸出功率波形，MPPT算法能夠快速跟蹤到最大功率，P-Q控制策略能夠穩定最大功率持久輸出。微電源的有功功率和無功功率能夠隨著負荷切換進行相應的調整變化，如圖10所示，并保持穩定，驗證恒功率控制策略的正確性。

4 結論

微電網是緩解分布式發電系統接入沖擊的有效方法，本文通過分析不同分布式發電系統的運行特性，討論分布式發電系統的控制策略及控制方法，分析微電網不同運行方式下分布式電源的控制方式，并通過仿真驗證了一種基于風光儲微電網并網控制策略的可行性，為分布式電源的開發利用以及微電網的安全穩定運行提供了一種借鑒。

[1]余貽鑫,欒文鵬.智能電網的基本理念[J].天津大學學報,2011,44(05): 377-384.

[2]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):100-107.

[3]畢大強,牟曉春,任先文,等.含多微源的微電網控制策略設計[J].高電壓技術,2011,37(3):687-693.

[4]鄭永偉，陳民鈾，李闖，等.自適應調節下垂系統的微電網控制策略[J].電力系統自動化,2013,37（7）：6-11.

[5]黃秀瓊，魯籍元，牛煥娜，等.用于主網削峰填谷調度的風/光/儲微電網控制策略[J].中國電力，2013,46（2）：87-92.

[6]王瑞琪，程艷，孫樹敏，等.基于坐標旋轉虛擬阻抗的微電網控制與性能分析[J].電力系統保護與控制，2014,4（12）：78-86

Microgrid operational control strategy under grid-connected mode

Chen Yongjie1, Wang Bin2, Peng Tao1
(1.State Grid Jiangsu Electrical Power Company, Taicang power supply bureau, Suzhou Jiangsu,215400; 2. State Grid Jiangsu Electrical Power Company Operation & Maintenance Branch, Suzhou Jiangsu,215000）

The secure and steady operation of microgrid is the key problem with the high penetration of distribution generation, although microgrid has obvious advantages in the connectional control of distribution generations. The paper analyzes the operation characteristics of different distribution generation, such as wind generation, PV and SOFC. Distribution generation connected into microgrid through the inverter with a flexible control strategy between the PQ or VF control mode. A microgrid and inverter control mode are build in the matlab/simulink, the results show that the proposed control strategy is efficient and microgrid can operate under different load level.

Microgrid;Grid-Connected Control;PQ Control Strategy

圖8 PCC處三相電壓波形

圖9 光伏輸出功率

圖10 并網模式下功率的波形