微電網(wǎng)中分布式電源控制在不同負(fù)荷條件下的措施分析

姚翔

摘? 要：文章從光伏發(fā)電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩個(gè)方面，對(duì)微電網(wǎng)中分布式電源進(jìn)行分析，隨后提出不同負(fù)荷條件下的微電網(wǎng)分布式電源控制措施，期望能夠?qū)ξ㈦娋W(wǎng)控制水平及運(yùn)行穩(wěn)定性的提升有所幫助。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng);分布式電源;控制

中圖分類號(hào)：TM727 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）34-0109-02

Abstract： This paper analyzes the distributed generation in microgrid from two aspects of photovoltaic generator and wind turbine， and then puts forward the control measures of distributed generation in microgrid under different load conditions，in the hope of helping improve the control level and operation stability of microgrid.

Keywords： microgrid; distributed generation; control

1 微電網(wǎng)中的光伏與風(fēng)力發(fā)電機(jī)

微電網(wǎng)實(shí)質(zhì)上就是小型的電網(wǎng)系統(tǒng)，儲(chǔ)能裝置、分布式發(fā)電機(jī)是重要組成部分。在微電網(wǎng)當(dāng)中，發(fā)電機(jī)分布在不同的位置處，主要有光伏以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)，均為獨(dú)立運(yùn)行。若是有需要，則可組合到一起，形成一個(gè)全新的系統(tǒng)，可以為用戶提供所需的電能。當(dāng)新系統(tǒng)中的某個(gè)發(fā)電機(jī)因故障退出后，它所負(fù)責(zé)的供電任務(wù)將會(huì)由系統(tǒng)中其它的發(fā)電機(jī)替代完成。

1.1 光伏發(fā)電機(jī)

光伏發(fā)電機(jī)是微電網(wǎng)中不可或缺的組成部分之一，它與微電網(wǎng)之間借助逆變器進(jìn)行連接，逆變器可以對(duì)電能形式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將直流變?yōu)榻涣鳌Ｖ灰㈦娋W(wǎng)當(dāng)中的分布式發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能為直流，都可以借助逆變器轉(zhuǎn)化為交流。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

微電網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以經(jīng)定子繞組后連接大電網(wǎng)，由大電網(wǎng)負(fù)責(zé)提供定子電壓，而轉(zhuǎn)子則與變流器相連。因變流器能夠提供頻率可以變化的電流，通過變流器向轉(zhuǎn)子注入電流，能達(dá)到補(bǔ)償機(jī)械與電頻率差的效果，這樣便可確保定子側(cè)的輸出電壓質(zhì)量與微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載需求相符。

2 不同負(fù)荷條件下的微電網(wǎng)分布式電源控制措施

在微電網(wǎng)中，光伏發(fā)電機(jī)是核心部分，它以太陽(yáng)能光伏電池板來(lái)完成能量轉(zhuǎn)換。風(fēng)力發(fā)電機(jī)以直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)為主，其與雙饋式風(fēng)電機(jī)組最為明顯的不同之處在于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且直驅(qū)式無(wú)變速齒輪箱，降低了造價(jià)和故障幾率。在微電網(wǎng)中，風(fēng)電與光電的原理存在差別，但卻有一個(gè)共性，即全部都是經(jīng)逆變器與微電網(wǎng)相連，這個(gè)逆變器也被稱為公共接口電路。本文重點(diǎn)研究的是在不同負(fù)荷條件下，微電網(wǎng)中分布式電源的控制措施，這里的電源具體是指光伏和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，而控制對(duì)象則是二者的逆變器，即公共接口電路，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。公共接口電路的總體框架如圖1所示。

2.1 控制思路

公共接口電路在并聯(lián)的方式下會(huì)具備相應(yīng)的功率特性，針對(duì)這一特性，業(yè)內(nèi)的專家學(xué)者提出基于電壓幅值和頻率下垂的控制思路，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)中分布式發(fā)電機(jī)的自動(dòng)調(diào)控。具體的控制原理如下：光伏與風(fēng)力發(fā)電機(jī)在公共接口電路并聯(lián)的系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)輸出電流與電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，利用瞬時(shí)功率定理，能夠計(jì)算出自身的輸出功率，然后再借助下垂控制的曲線方程式，通過相關(guān)數(shù)值的帶入，便可對(duì)輸出電壓給定值進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)系統(tǒng)中的逆變電源會(huì)按照自身特點(diǎn)對(duì)輸出電壓進(jìn)行微調(diào)，從而使微電網(wǎng)當(dāng)中的功率供需達(dá)到平衡狀態(tài)。

通常情況下，采用反向調(diào)節(jié)的方法，能夠使電網(wǎng)保持穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行狀態(tài)，由于反向調(diào)節(jié)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，故此需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整。光伏與風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過自我調(diào)節(jié)，可以使系統(tǒng)的電壓幅值與頻率始終保持在一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài);利用下垂特性可以對(duì)功率進(jìn)行合理分配，在確保微電網(wǎng)幅值頻率穩(wěn)定的前提下，使光伏與風(fēng)力發(fā)電機(jī)完成相應(yīng)的發(fā)電任務(wù)，這樣在不通信的情況下，也可以使系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 控制器的設(shè)計(jì)方法

在公共接口電路中，主要的控制回路有下垂控制、電壓電流以及虛擬阻抗等，下面重點(diǎn)對(duì)這些回路的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析。

2.2.1 下垂控制回路的設(shè)計(jì)

下垂控制回路的工作原理如下：

上式當(dāng)中，P代表逆變器輸出的有功功率;Q代表逆變器輸出的無(wú)功功率;E代表逆變器的輸出電壓;V代表公共連接點(diǎn)位置處的電壓幅值;？覫代表功率角;θ代表輸出阻抗的角度。P、Q與E、V之間存在耦合的關(guān)系，在解耦時(shí)，可以進(jìn)行如下兩種假設(shè)：第一種是輸出公共接口電路所在的線路阻抗為感性阻抗，在這個(gè)假設(shè)下，可將上式改寫為：

微電網(wǎng)當(dāng)中存在著數(shù)量眾多的具有感性特征的濾波裝置，并且輸電線路的阻抗也以感性為主。由于公共接口電路當(dāng)中的輸出阻抗主要與所控制對(duì)象的回路特性有關(guān)。故此，可通過控制回路來(lái)達(dá)到改變輸出阻抗的目的。可見，第一種假設(shè)在實(shí)際中完全成立。

第二種假設(shè)是？覫非常小，并滿足如下條件：sin？覫≈？覫，cos？覫≈1，這樣可以得到簡(jiǎn)化后的公式：

上式中的X代表輸出阻抗幅值，P、Q與？覫、E之間呈現(xiàn)出一種典型的線性關(guān)系，在這個(gè)關(guān)系下，光伏、風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身的參數(shù)只要不發(fā)生較大的變化，控制算法便可以保持良好的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能，由此能夠使發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能滿足用戶的供電需求。上述兩種假設(shè)在大多數(shù)實(shí)際場(chǎng)合中均具有良好的適用性。如果E-V的變化不大，那么？覫將會(huì)非常小，此時(shí)？覫主要與P相關(guān)，而公共接口電路與微電網(wǎng)的電壓，則與無(wú)功功率有關(guān)，可采用調(diào)節(jié)有功功率的方法，對(duì)微電網(wǎng)的頻率進(jìn)行有效控制，即利用下垂特性方程控制電壓幅值，這樣能夠使功率輸出找到微電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)，從而使微電網(wǎng)能夠?qū)β蔬M(jìn)行自動(dòng)分配，確保電能質(zhì)量。

在微電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中，通過下垂控制回路的應(yīng)用，能夠有效解決如下問題：負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，確保電網(wǎng)的功率處于平衡狀態(tài)。微電網(wǎng)存在大量的負(fù)載，當(dāng)無(wú)法滿足負(fù)載所需的功率時(shí)，便會(huì)影響到微電網(wǎng)的電壓，從而引起不平衡的情況。可以通過下垂控制回路來(lái)進(jìn)行處理，由電流控制環(huán)向逆變器輸出參考電壓值，這樣便可使微電網(wǎng)的電壓保持穩(wěn)定。

2.2.2 電壓電流回路的設(shè)計(jì)

在電壓電流回路設(shè)計(jì)的過程中，需要先對(duì)三相靜止坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)閮上嘈D(zhuǎn)坐標(biāo)系，然后利用PI控制器對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于三相逆變器而言，其電路三相具有對(duì)稱的特點(diǎn)，所以只需要對(duì)其中的一相進(jìn)行分析即可。相關(guān)研究結(jié)果表明，逆變器的輸出電壓變化后，電路中的電容電流將會(huì)受到一定程度的影響，而逆變器本身的輸出電壓則會(huì)受到電感電容的影響，根據(jù)這一原理，可以對(duì)電壓電流控制回路進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)電壓外環(huán)進(jìn)行控制，除了能夠確保輸出電壓的穩(wěn)定性之外，還可以大幅度增強(qiáng)對(duì)參考信號(hào)的跟蹤能力，對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的保障具有重要意義。

2.2.3 虛擬阻抗回路的設(shè)計(jì)

采用下垂控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)，其輸出阻抗為感性電阻，功率的分配精度將會(huì)受到總輸出阻抗的影響。故此，為確保下垂控制的假設(shè)條件能夠成立，需要設(shè)計(jì)虛擬阻抗回路。通過該回路的加入，使輸出總阻抗趨于感性。試驗(yàn)結(jié)果表明，虛擬阻抗的加入能夠使輸出阻抗發(fā)生改變，并無(wú)限接近于感性阻抗。在下垂控制回路當(dāng)中，可以將阻抗的特性細(xì)分為以下兩個(gè)部分，即線路和逆變器等效，當(dāng)虛擬阻抗加入后，總的回路阻抗隨之發(fā)生改變，達(dá)到預(yù)期效果。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在不同負(fù)荷條件下，對(duì)微電網(wǎng)中的分布式電源進(jìn)行控制時(shí)，可以采用下垂控制策略。我們可以依托公共接口電路，設(shè)計(jì)相關(guān)的回路，達(dá)到預(yù)期中的控制效果，從而提高微電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

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