新能源電網(wǎng)中微電源并網(wǎng)控制方法

魏 琛，馬洪敬

(山東和盛電氣有限公司，山東 濟(jì)南 250022)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電能需求量呈現(xiàn)逐年穩(wěn)步增加的發(fā)展態(tài)勢，傳統(tǒng)能源難以滿足實(shí)際需求。在這一背景下，基于分布式發(fā)電方式的微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，逐漸取代了火力發(fā)電、水力發(fā)電等方式，這對發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)體系有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-5]。

微電網(wǎng)有著并網(wǎng)時易產(chǎn)生較大瞬時電流、電壓與頻率等參數(shù)控制難度高、微電源出力波動的特性，如果不加控制，將會對微電網(wǎng)自身性能與所并入大電網(wǎng)性能造成明顯影響，產(chǎn)生安全隱患。基于此，對微電源并網(wǎng)采取控制措施，是確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，本文就此開展研究。

1 新能源電網(wǎng)中的微電源種類及性質(zhì)

1.1 光伏電池

現(xiàn)階段，在多數(shù)光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)中，普遍使用到半導(dǎo)體光伏電池，其基于PV光生伏特效應(yīng)，將電池板所吸收太陽能持續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娏鞑⑿纬呻娏魍罚谪?fù)載電阻兩端部位形成負(fù)載電壓，在三極管兩端部位形成偏置電壓，最終形成直流電能。同時，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況來看，單塊光伏電池所轉(zhuǎn)換電能的功率以及電壓相對較低，難以滿足微電網(wǎng)負(fù)荷需求，以電壓為例，在使用硅電池以及鍺電池的情況下，平均電壓分別為0.7 V和0.3 V。針對這一問題，為提高電壓與功率輸出值，需要在光伏發(fā)電系統(tǒng)中安裝多塊光伏電池，保持各塊電池的串聯(lián)狀態(tài)，以此來形成光伏陣列。

此外，光伏電池輸出電流等參數(shù)的穩(wěn)定性較差，由于受到光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等多項(xiàng)因素影響，存在不確定性，會導(dǎo)致光伏電池在并網(wǎng)期間會對微電網(wǎng)與大電網(wǎng)運(yùn)行狀況造成一定程度的影響，在選擇并網(wǎng)控制方法時，必須高度關(guān)注這一問題。

1.2 微型燃?xì)廨啓C(jī)

在微電網(wǎng)中，相比于其他種類微電源，微型燃?xì)廨啓C(jī)有著輸出功率穩(wěn)定、系統(tǒng)自身具備差值調(diào)節(jié)功能的優(yōu)勢，不易在并網(wǎng)時對電網(wǎng)性能造成負(fù)面影響，這有利于電網(wǎng)實(shí)際使用壽命的延長。 微型燃?xì)廨啓C(jī)雖然仍舊以柴油、汽油等不可再生的化石能源作為燃料，發(fā)電成本相對較高，但相比于常規(guī)的火電機(jī)組，其有著運(yùn)行噪聲小、污染物排放量小的優(yōu)勢。因而在新能源電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，屬于一種過渡式的微電源。

微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)由濾波電路、整流器、負(fù)荷以及永磁發(fā)電機(jī)等部分組成，多數(shù)型號微型燃?xì)廨啓C(jī)的平均輸出功率保持在25 kW上下，在運(yùn)行期間重復(fù)開展活塞運(yùn)動，以此來帶動汽輪機(jī)運(yùn)行，在回?zé)崾耶a(chǎn)生熱量，操縱電控設(shè)備來實(shí)現(xiàn)電能傳輸。與此同時，雖然機(jī)組在運(yùn)行期間的各項(xiàng)參數(shù)會產(chǎn)生一定程度的偏差，如額定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差、預(yù)期和實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時間偏差等，但由于微型燃?xì)廨啓C(jī)控制信號由參數(shù)差值組成，可采取有差調(diào)節(jié)方式，根據(jù)參數(shù)偏差情況進(jìn)行糾偏調(diào)整，將各項(xiàng)參數(shù)的偏差值控制在允許范圍內(nèi)，這將起到維持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況、減小并網(wǎng)時造成沖擊影響、降低葉片老化磨損速率等多重作用。

1.3 蓄電池

在微電網(wǎng)中，儲能系統(tǒng)可分為分輪儲能、超級電容器儲能、超導(dǎo)磁儲能以及蓄電池儲能4種。

綜合考量儲能效果、建設(shè)成本、大電流放電條件、后期維護(hù)保養(yǎng)等因素，以蓄電池儲能系統(tǒng)的應(yīng)用最為常見。蓄電池儲能有著材料可回收、性能穩(wěn)定、成本低廉以及易于維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)勢，并且蓄電池可用于充當(dāng)功率源、電壓源或是電流源等多種用途。相比于其他種類電池，蓄電池在結(jié)構(gòu)和能源轉(zhuǎn)換層面上與化學(xué)電池較為相似，依賴于化學(xué)物質(zhì)在接觸期間產(chǎn)生的一系列反應(yīng)來完成能源轉(zhuǎn)換任務(wù)，并將所轉(zhuǎn)換的多余電力能源臨時存儲在化學(xué)物質(zhì)當(dāng)中，憑借這一特性，使得蓄電池在微電網(wǎng)中起到儲存多余電能、維持電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)、控制電壓與電流頻率等運(yùn)行參數(shù)的作用，可以有效避免電網(wǎng)波動等故障問題的出現(xiàn)。同時，蓄電池由輔助控制器和直流轉(zhuǎn)換器兩部分組成，在運(yùn)行期間，輔助控制器起到調(diào)節(jié)儲存狀態(tài)的作用，在儲電量達(dá)到額定值時切換狀態(tài)，預(yù)防電能儲存過多現(xiàn)象的出現(xiàn)，而直流轉(zhuǎn)換器則起到轉(zhuǎn)換電能的作用，將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源。在使用蓄電池秦為微電源時，需要額外加裝雙向變流器，用于連接蓄電池和電網(wǎng)。

2 新能源電網(wǎng)中的微電源并網(wǎng)控制方法

2.1 最大功率跟蹤控制

在使用光伏電池作為微電源時，主要面臨輸出電流等參數(shù)穩(wěn)定性差的并網(wǎng)控制難題，如果外部環(huán)境溫度或是光照強(qiáng)度等條件發(fā)生明顯變化，總輸出功率、開路電壓等參數(shù)也將隨之改變。光伏電池輸出功率與輸出電壓自身也存在波動特性，盡管外部環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度始終保持固定不變狀態(tài)，光伏電池自身輸出電壓等參數(shù)也將隨著時間的推移而持續(xù)波動變化，在缺乏人工干預(yù)的前提下，無法長時間保持在最大功率點(diǎn)，因而在并網(wǎng)時會對電網(wǎng)造成沖擊，且發(fā)電效率存在提升空間。針對這一問題，需要應(yīng)用到最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制方法，具體方法包括擾動觀察、電導(dǎo)增量、模糊控制、二次差值以及固定電壓5種。

(1)擾動觀察法。提前由工作人員根據(jù)光伏電池情況來設(shè)定預(yù)定周期，系統(tǒng)基于程序運(yùn)行準(zhǔn)則，在各預(yù)定周期內(nèi)自動向光伏電池施加擾動電壓，準(zhǔn)確計(jì)算擾動電壓施加前后的輸出功率，根據(jù)差值來預(yù)測下個周期的變化情況，并對擾動電壓進(jìn)行設(shè)定或調(diào)整。

(2)電導(dǎo)增量法。提前對光伏電池的P-V曲線特性加以分析，在運(yùn)行期間持續(xù)對比瞬時電導(dǎo)值以及電導(dǎo)變化量，根據(jù)對比結(jié)果針對性地采取糾偏措施，如果光伏電池保持最大輸出功率，則瞬時電導(dǎo)值將保持為0。根據(jù)實(shí)際控制情況來看，相比于其他控制方法，電導(dǎo)增量法有著跟蹤準(zhǔn)確度高、在外部環(huán)境條件改變時可以短時間內(nèi)鎖定最大功率點(diǎn)的優(yōu)勢，但技術(shù)層面的實(shí)現(xiàn)難度較大，對硬件設(shè)備性能也提出了嚴(yán)格要求，實(shí)際應(yīng)用范圍有限。

(3)模糊控制法。應(yīng)用到全新的模糊邏輯推理算法，在算法模型中導(dǎo)入?yún)⒖贾担劳兄R庫，對參考值依次進(jìn)行模糊化、模糊推理、反模糊化處理，最終按照控制對象輸出計(jì)算值，下達(dá)控制指令，始終將光伏電池的實(shí)時輸出功率保持在最大功率點(diǎn)左右。

(4)二次差值法。以光伏電池P-V曲線特性為參照，建立與之高度相似的二次函數(shù)，在二次函數(shù)中導(dǎo)入實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)來計(jì)算最大輸出功率對應(yīng)的電壓值，下達(dá)控制指令來調(diào)節(jié)電壓，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制目的，確保光伏電池運(yùn)行期間不會出現(xiàn)明顯的振蕩現(xiàn)象，并將功率損失控制在合理范圍內(nèi)。

(5)固定電壓法。通過仿真計(jì)算結(jié)果來掌握不同光照強(qiáng)度下最大功率點(diǎn)對應(yīng)的輸出電壓值，通過保持電壓值固定不變，使光伏電池的實(shí)際輸出功率控制在最大功率點(diǎn)附近。

2.2 主從控制

在微電網(wǎng)中，主從控制是選擇1個及以上數(shù)量的微電源，將其設(shè)定為主控電源，負(fù)責(zé)在并網(wǎng)運(yùn)行期間持續(xù)監(jiān)測所接入電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，在其基礎(chǔ)上選擇恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)手段，經(jīng)由通信系統(tǒng)向電網(wǎng)內(nèi)接入的剩余微電源下達(dá)協(xié)調(diào)控制指令，調(diào)節(jié)頻率以及電壓等參數(shù)，強(qiáng)調(diào)體現(xiàn)不同微電源間的主從關(guān)系，以此來起到改善電能質(zhì)量、始終維持產(chǎn)生消耗功率平衡狀態(tài)的控制作用，分別對主控電源和剩余電源采取V/f、PQ控制方式。

此外，微電源并網(wǎng)主從控制的流程可分為以下3個階段。

在第一階段，當(dāng)配電網(wǎng)以及微電網(wǎng)處于斷開連接狀態(tài)時，出現(xiàn)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行現(xiàn)象，在微電網(wǎng)內(nèi)采取主從控制方式，將電網(wǎng)接入的全部微電源調(diào)整至適當(dāng)?shù)墓β剩S持功率平衡狀態(tài)。

在第二階段，如果微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行期間出現(xiàn)承載負(fù)荷功率明顯波動情況時，主控電源向全部微電源按順序下達(dá)輸出功率調(diào)整指令，且主電源以及從屬電源的輸出功率呈現(xiàn)反比調(diào)節(jié)狀態(tài)，在減少主控電源輸出功率時，增加從屬電源功率。

在第三階段，如果微電網(wǎng)可調(diào)用無功容量以及有功容量不足，甚至無法滿足實(shí)際需求時，則由主控電源根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀況，向全部微電源下達(dá)無功調(diào)節(jié)或是有功調(diào)節(jié)指令，并在電網(wǎng)負(fù)荷功率驟然增加時通過調(diào)節(jié)電壓方式來壓低負(fù)荷功率。

2.3 對等控制

相比于主從控制方法，對等控制的區(qū)別點(diǎn)在于，對新能源電網(wǎng)中接入的全部微電源采取完全一致的控制措施，保持微電源間的對等狀態(tài)，根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況來下達(dá)功率調(diào)節(jié)指令，確保在電網(wǎng)運(yùn)行期間始終維持頻率以及電壓參數(shù)的穩(wěn)定狀態(tài)。

在對等控制過程中，由于電網(wǎng)中接入的各個微電源均處于獨(dú)立調(diào)節(jié)狀態(tài)，不會出現(xiàn)相互干擾的問題，做到對微電源故障影響范圍的控制，并在電網(wǎng)功率失衡時自動把不平衡功率合理分配至微電源，再采取獨(dú)立調(diào)節(jié)方式，從而在短時間內(nèi)恢復(fù)電網(wǎng)功率平衡狀態(tài)。此外，根據(jù)新能源電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況來看，對等控制、主從控制方法互有優(yōu)勢，適用場景有所不同，必須根據(jù)實(shí)際情況加以選擇。

2.4 協(xié)調(diào)控制

根據(jù)新能源電網(wǎng)的微電源并網(wǎng)控制情況來看，在微電網(wǎng)自孤島狀態(tài)切換至并網(wǎng)狀態(tài)，或是自并網(wǎng)狀態(tài)切換到孤島狀態(tài)時，存在切換過程不平滑、饋線潮流調(diào)控效果不理想等問題。針對于此，可選擇采取協(xié)調(diào)控制方法，根據(jù)實(shí)際情況來采取相應(yīng)的并網(wǎng)控制方法。

在電網(wǎng)中接入蓄電池以及光伏電池作為微電源時，將蓄電池設(shè)定為主控電源，根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)來制定協(xié)調(diào)控制措施，如在電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行期間，按照PQ方式來控制蓄電池，獲取光伏電池輸出功率值并加以濾波處理，運(yùn)算處理后輸出后濾波、電網(wǎng)承載負(fù)荷所消耗功率值二者的差值，在其基礎(chǔ)上下達(dá)功率控制指令，避免因光伏電池輸出功率持續(xù)波動而影響電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)光伏電池以及蓄電池的功率互補(bǔ)目的。同時，在電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時，優(yōu)先采取V/f方式來控制蓄電池，持續(xù)監(jiān)測電網(wǎng)交流母線的頻率以及電壓參數(shù)，對比實(shí)時監(jiān)測數(shù)值和預(yù)設(shè)額定值，根據(jù)參數(shù)差值情況，向蓄電池下達(dá)充電或是放電的控制指令，這將起到改善電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性以及提升響應(yīng)速率的效果。

2.5 并離網(wǎng)控制

配電網(wǎng)中并入或脫離微電網(wǎng)時，都會對電網(wǎng)造成一定程度的沖擊，對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，為改善控制效果，實(shí)現(xiàn)對微電網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑切換，保持微電網(wǎng)、配電網(wǎng)二者的同步運(yùn)行狀態(tài)，需要應(yīng)用到并離網(wǎng)控制方法。

首先，并網(wǎng)控制方法以自對準(zhǔn)同期并網(wǎng)為主，工作人員或是系統(tǒng)基于程序準(zhǔn)則對配電網(wǎng)以及微電網(wǎng)的實(shí)時電壓加以檢測，檢測內(nèi)容包括相角、幅值與頻率等，對檢測結(jié)果進(jìn)行差值處理，直至各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到同步并網(wǎng)條件后，再執(zhí)行并網(wǎng)操作，避免并網(wǎng)效果受到兩側(cè)電壓相角差、電壓頻率差等因素影響。

其次，離網(wǎng)控制方法由孤島檢測、離網(wǎng)邏輯控制組成。其中，孤島檢測是采取被動檢測、電壓諧波檢測、過/欠電壓檢測等方法手段，對微電網(wǎng)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，判斷其是否處于孤島狀態(tài)。

3 結(jié)語

為切實(shí)滿足日益提高的微電網(wǎng)并網(wǎng)控制需求，預(yù)防和減少電網(wǎng)故障問題出現(xiàn)，使電網(wǎng)在運(yùn)行期間取得理想的使用效益，電力企業(yè)必須對新能源電網(wǎng)中的微電源并網(wǎng)控制問題予以高度重視。可根據(jù)微電網(wǎng)的實(shí)際情況，靈活采取最大功率跟蹤控制、主從控制、對等控制、協(xié)調(diào)控制、并離網(wǎng)控制等方法，從而解決微電源大規(guī)模接入問題。