微電網(wǎng)平滑切換控制方法及策略研究

吳 萍

（三門峽職業(yè)技術(shù)學院，河南 三門峽472000）

前言

近些年，微電網(wǎng)技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。現(xiàn)如今微電網(wǎng)運行模式已經(jīng)由原來的單一并網(wǎng)運行模式變?yōu)楣聧u運行模式和并網(wǎng)運行模式靈活切換。和傳統(tǒng)的并網(wǎng)運行模式相比，孤島運行模式具有極大的優(yōu)勢，這種優(yōu)勢主要體現(xiàn)在微電網(wǎng)系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和持續(xù)性方面。本文將整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行分解為四部分，然后針對每一部分的具體特性進行解析，重點討論如何通過對微電網(wǎng)的平滑切換進行合理控制，而解決電網(wǎng)系統(tǒng)不間斷供電的技術(shù)難題。

1、微電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)系統(tǒng)是一種小型的集發(fā)電、配電和用電于一體的多功能電力系統(tǒng)，具體來說，其由分布式電源、監(jiān)控和保護裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負荷等組合而成。同時微電網(wǎng)系統(tǒng)也是一個自制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以進行多方面的功能自我控制，同時還可以進行能量自我管理。現(xiàn)在的技術(shù)條件下，微電網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了既可和外部的電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運行，同時也可以進行孤島運行。這種由分布式電源所組成的微電網(wǎng)運行模式的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在四個方面：①電網(wǎng)的配電系統(tǒng)對電網(wǎng)系統(tǒng)中分布式電源所提供的電能的接納能力得到了顯著提高。②間歇式可再生能源的使用效率得到了大大提高，即便是在冷、熱、電這樣的多種負荷需求的條件下，也極有可能實現(xiàn)對于電能的使用模式的優(yōu)化。使得配電網(wǎng)自身的能耗大大降低了，極大地優(yōu)化了電網(wǎng)系統(tǒng)的運行模式。③在這種微電網(wǎng)系統(tǒng)供電的模式下，即便是局部的電網(wǎng)出現(xiàn)了一些故障，電網(wǎng)也可以采用孤島模式正常運行，從而保證局部區(qū)域的負荷供電，極大地提高了電網(wǎng)系統(tǒng)持續(xù)供電的穩(wěn)定性。

下面對微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各主要組成部分的功能進行簡要介紹。

（1）負荷控制器和微電源控制器

一個微電網(wǎng)系統(tǒng)可大可小，既可以設(shè)計得復雜，也可以設(shè)計得簡單，最終采用什么樣的結(jié)構(gòu)，要視具體情況而定。如圖1所示，一個微電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，在其所有單元的電子輸出端以及輸出端所對應的公共耦合點上，均使用負荷控制器和微源控制器對其進行測試，并將測試獲取的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)诫娋W(wǎng)系統(tǒng)的中心控制器中，以便對數(shù)據(jù)信息進行進一步的整合處理。

負荷控制器所對應的中心控制器在接收到指令以后，會對負荷控制器進行投切處理，從而測定出各回負荷線路上的功率、電流等數(shù)據(jù)值。微源控制器主要負責測定其所對應的微電源出口處的功率、電流等數(shù)據(jù)值，并將這些數(shù)據(jù)值上傳到相應的中心控制器中。

（2）電網(wǎng)系統(tǒng)的中心控制器

對于一個電網(wǎng)系統(tǒng)來說，中心控制器很好地起到了協(xié)調(diào)和優(yōu)化整個微電網(wǎng)系統(tǒng)各項功能以保證其正常運行的作用，具體體現(xiàn)在四個方面。其一，對微電網(wǎng)自身和主電網(wǎng)的運行進行監(jiān)控，結(jié)合控制器上傳的數(shù)據(jù)信息及時做出判斷，運行中自動地進行并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種模式的自由轉(zhuǎn)換；其二，電網(wǎng)系統(tǒng)的中心控制器依據(jù)電力市場的反饋信息以及主網(wǎng)調(diào)度的具體需求，及時對公共耦合點處的潮流做出調(diào)整；其三，微電網(wǎng)的中心控制器還可以根據(jù)

另外，需要說明的是，圖1中所標示出的結(jié)構(gòu)組成部分并不是所有微電網(wǎng)系統(tǒng)都必須要全部包含的，具體選擇什么樣的結(jié)構(gòu)配置，還要結(jié)合具體的工程實踐要求靈活選擇。在進行電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的時候，主要考慮兩個方面的因素，其一是本地需求負荷對微電網(wǎng)有什么樣的性能要求；其二是微電網(wǎng)自身容量的大小。

圖1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

（3）較大功率的快速開關(guān)結(jié)構(gòu)

通常，為了確保電力供應的安全性，微電網(wǎng)系統(tǒng)中的電源禁止使用低電壓穿越這一功能。就目前來說，微電網(wǎng)系統(tǒng)中離網(wǎng)模式和并網(wǎng)模式之間的高效的平滑切換技術(shù)仍然還沒有得以實現(xiàn)。當然，這一技術(shù)的實現(xiàn)需要一定的時間和過程。

在我國當前的技術(shù)水平條件下，許多電力方面的專家和學者們都建議暫時先憑借靈活多變的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和先進的控制策略來彌補沒有平滑切換技術(shù)這一缺陷，如此便可在一定程度上保證電網(wǎng)配電的持續(xù)性。因此，為了在離網(wǎng)模式下構(gòu)建一個可以快速平衡供電的子區(qū)域，就需要在回路結(jié)構(gòu)的入口處安裝一個較大功率的快速開關(guān)結(jié)構(gòu)。如此以來，當電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)了被動離網(wǎng)的突發(fā)狀況時，此開關(guān)就會在并網(wǎng)和離網(wǎng)模式之間的快速切換中發(fā)揮極為重要的作用。

2、微電網(wǎng)平滑切換控制的方法策略

畢竟微電網(wǎng)系統(tǒng)中的微電源容量有限，很多時候并不能滿足負荷增長的實際需求。在實際的負荷需求功率和電網(wǎng)系統(tǒng)的實際輸出功率數(shù)值之間的差額較大的時候，整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓頻率值在離線狀態(tài)下就會偏離系統(tǒng)電壓頻率的額定值，此種狀態(tài)之下，微電網(wǎng)系統(tǒng)中兩種運行模式的自由平穩(wěn)切換已經(jīng)不能僅僅依靠借助參數(shù)進行切換的方法和利用技術(shù)手段進行控制的方法了。此時，還必須借助于切負荷技術(shù)措施才能維持微電網(wǎng)系統(tǒng)能量的平衡性。

孤島現(xiàn)象是并網(wǎng)運行模式下經(jīng)常會出現(xiàn)的問題，一旦出現(xiàn)孤島現(xiàn)象，就會使得微電網(wǎng)系統(tǒng)和主網(wǎng)斷開，造成供電中斷，孤島現(xiàn)象一般主要由自然因素和電氣故障引發(fā)。若是電網(wǎng)系統(tǒng)沒有能夠及時地發(fā)現(xiàn)孤島現(xiàn)象的發(fā)生，使得電網(wǎng)系統(tǒng)中的分布式電源結(jié)構(gòu)繼續(xù)進行持續(xù)的供電，這樣在公共電網(wǎng)系統(tǒng)中就形成了一個自給供電性的網(wǎng)絡，并且不受電網(wǎng)的控制。該自給供電系統(tǒng)雖然也發(fā)生著電能的傳輸和消耗的過程，但是卻和整個電網(wǎng)系統(tǒng)之間相互隔離，因此把這種現(xiàn)象稱之為“孤島現(xiàn)象”[1]。

對于微電網(wǎng)系統(tǒng)來說，電能存儲結(jié)構(gòu)非常重要。電能存儲單元是整個微電網(wǎng)單元的主網(wǎng)單元，在大電網(wǎng)開始運行的時候，可以將微電網(wǎng)系統(tǒng)的分布式電源轉(zhuǎn)換成P-Q模式運行，將大電網(wǎng)和微電網(wǎng)進行并網(wǎng)運行。若是儲能換流器系統(tǒng)（Power Converter System，可以簡寫成PCS）對電能質(zhì)量和大電網(wǎng)故障的要求比較高的時候，PCS系統(tǒng)可以將P-Q運行模式自動切換成V-F運行模式。并且當電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障或是負荷對功率的要求和電網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率不相匹配的時候，可以進行就地控制，將并網(wǎng)連接處的開關(guān)斷開，從而實現(xiàn)從并網(wǎng)運行模式到離網(wǎng)運行模式之間的平滑切換操作。若電網(wǎng)恢復正常運行后，還可以再切換成并網(wǎng)運行模式。微電網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)/離網(wǎng)運行模式的切換控制原理圖如圖2。

圖2 微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)/離網(wǎng)運行模式控制原理圖

（1）微電網(wǎng)系統(tǒng)從并網(wǎng)模式到離網(wǎng)模式的平滑切換控制策略[2]

微電網(wǎng)系統(tǒng)中，其運行模式可以由并網(wǎng)模式無縫自動切換到離網(wǎng)運行模式的核心技術(shù)手段，主要包括兩個方面的內(nèi)容模塊。模塊一主要對大電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行實時精準的監(jiān)控；模塊二則主要是儲能換流器系統(tǒng)穩(wěn)定地將P-Q運行模式自動切換成V-F運行模式。

電能存儲單元作為整個微電網(wǎng)單元的主網(wǎng)單元，其通過PCS系統(tǒng)可以實現(xiàn)對大電網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)進行采集，從而對大電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行有效監(jiān)控。根據(jù)數(shù)據(jù)信息的反饋結(jié)果，對微電網(wǎng)系統(tǒng)和大電網(wǎng)系統(tǒng)之間的并網(wǎng)開關(guān)進行操作，以實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)運行模式之間的自動平滑切換。

在進行監(jiān)控的時候，被動式的識別是一種比較好的實施方案，仔細分析負載與電網(wǎng)系統(tǒng)之間的功率匹配度和電網(wǎng)運行的頻率、電壓等這些具體參數(shù)變化之間的對應關(guān)系，通過對頻率和電壓值的分析而判斷出負載與電網(wǎng)系統(tǒng)之間功率的匹配程度。在分析主動式識別方式和鎖相環(huán)的輸出偏差兩者之間關(guān)系的時候，比較好的實施方案是基于鎖相技術(shù)的主動式識別技術(shù)。

進行運行模式切換的時候，主電網(wǎng)會出現(xiàn)短暫的斷電現(xiàn)象，此時可以通過分析微電網(wǎng)系統(tǒng)的輸出電壓以及頻率等特性來判定電網(wǎng)系統(tǒng)之間是否存在電力做功不匹配現(xiàn)象。在計算的時候，可以將微電網(wǎng)看成一個離網(wǎng)運行模式的電力供應系統(tǒng)，離網(wǎng)運行時的電網(wǎng)系統(tǒng)頻率特征方程為：

式子（1）中：

R－離網(wǎng)系統(tǒng)中的負荷等效電阻

Wi－離網(wǎng)系統(tǒng)的頻率

L－離網(wǎng)系統(tǒng)中的負荷等效電感

P－離網(wǎng)系統(tǒng)中的電源有功出力

Q－離網(wǎng)系統(tǒng)中的電源無功出力

C－離網(wǎng)系統(tǒng)中的負荷等效電容

q－離網(wǎng)系統(tǒng)中的負荷品質(zhì)因素

由（1）式可得離網(wǎng)系統(tǒng)的頻率為：

式子（3）中：

Ui－離網(wǎng)系統(tǒng)的電壓幅值

Pload－離網(wǎng)系統(tǒng)的有功負荷

UN－離網(wǎng)系統(tǒng)的額定電壓

從上邊的公式推導結(jié)果來看，若是離網(wǎng)系統(tǒng)與微電網(wǎng)系統(tǒng)所供應的有功功率存在嚴重不匹配（也即ΔP的絕對數(shù)值比較大ΔP=Pload-P；），那么在斷網(wǎng)的時候，電壓幅度值的數(shù)值也會相應比較大。

式子（4）中：

εN－離網(wǎng)系統(tǒng)中電壓幅度偏差允許值

從（2）可得，若是微電網(wǎng)所供應的無功功率和離網(wǎng)系統(tǒng)所需要的無功功率嚴重不匹配時（也即ΔQ的絕對數(shù)值比較大ΔQ=Qload-Q；），那么在斷網(wǎng)的時候，ωi的數(shù)值變化幅度也會比較大。

式子（5）中：

ωN－離網(wǎng)前系統(tǒng)的頻率值

εω－離網(wǎng)系統(tǒng)的電壓頻率幅度偏差允許值

基于鎖相環(huán)的頻率擾動主動式的系統(tǒng)識別，注意微電網(wǎng)在并行時，每個工期的鎖相角度：

式子（6）中：

Δθ－開關(guān)周期對應角度的電壓值

θ0工頻周期鎖相角度初始數(shù)值

fs－電網(wǎng)的控制系統(tǒng)開關(guān)頻率值

第一工頻周期開關(guān)所對應的電壓相角值θk可以表示為：

第二工頻周期第m個開關(guān)所對應工頻相角值可以表示為：

式子（8）中：

θm－第m個開關(guān)所對應的鎖相環(huán)輸出的電壓相角值。

若是θm〉2π，則相應的Δθ=Δθ0+Δψ。

其中Δψ代表的是鎖相環(huán)發(fā)生擾動的步長值。

則第二工頻周期第k個開關(guān)所對應工頻相角值θk可以表示為：

這樣可得鎖相環(huán)控制系統(tǒng)中，任一開關(guān)對應電壓的角度值計算，均可使用公式（9）來進行計算。鎖相環(huán)通過擾動步長可實現(xiàn)有差鎖相，借助有差鎖相進而增加系統(tǒng)的頻率擾動，最后通過這種頻率擾動實現(xiàn)這種基于鎖相環(huán)的主動識別方式[3]。

4、結(jié)語

離網(wǎng)運行模式向并網(wǎng)運行模式的切換相對簡單，就地控制公共連接點PCC控制器對主電網(wǎng)的電壓和頻率值進行采集，根據(jù)數(shù)據(jù)反饋結(jié)果，調(diào)相器對微電網(wǎng)進行調(diào)節(jié)，使得微電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的電壓和頻率等數(shù)值偏差穩(wěn)定在電網(wǎng)運行允許的范圍之內(nèi)，并將PCC開關(guān)閉合，將儲能單元運行模式調(diào)節(jié)為P/Q工作模式，閉合并網(wǎng)開關(guān)即進入并網(wǎng)運行模式。

[1]劉敬玉,仵海濤.微電網(wǎng)平滑切換控制方法及策略[J].科技研究,2014.

[2]肖澤亮.微電網(wǎng)平滑切換控制方法及仿真研究[D].沈陽工業(yè)大學,2015.

[3]張巖.微電網(wǎng)平滑切換控制策略的研究 [D].遼寧工業(yè)大學,2016.