基于并網(wǎng)/孤島不同策略的多換流器微電網(wǎng)運行控制策略研究*

田素娟 王慧麗 王藝龍

(1.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系,內(nèi)蒙古 包頭 014030; 2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司,南京 211102)

目前,國內(nèi)的微電網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展,但是對于基于并網(wǎng)/孤島不同策略的多換流器微電網(wǎng)運行控制策略穩(wěn)定性研究還不夠深入,本文基于并網(wǎng)/孤島不同策略的多換流器微電網(wǎng)運行控制策略為新型研究方向,開展研究。

隨著國家經(jīng)濟的不斷向前發(fā)展,人民的生活質(zhì)量不停提升,國民的環(huán)保意識逐漸增強,對青山綠水的生態(tài)環(huán)境也更加的向往,由于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)具有污染少、可循環(huán)、易普及等優(yōu)點,受到了各國的高度關(guān)注,但是由于分布式電源單獨的并網(wǎng),其容量和并網(wǎng)點會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響,所以在最初的分布式電源并網(wǎng)標準中對分布式電源的容量和并網(wǎng)點都有大量的限制,這樣勢必會阻遏新能源的利用率,難以達到國家減少碳排放的目標,以分布式電源和負荷共同構(gòu)建的微電網(wǎng),微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行時采用PQ控制保證微電源的最大利用,在孤島運行時采用V/f控制,既可以保障負荷供電可靠性也進一步促進了微電源利用。

1 基于并網(wǎng)/孤島不同策略的多換流器微電網(wǎng)運行控制策略

基于并網(wǎng)/孤島不同策略的多換流器微電網(wǎng)運行控制策略研究,其中的微電源主要由當前具有巨大應(yīng)用前景的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電這兩種互補的新能源系統(tǒng)組成,儲能裝置擬采用當前技術(shù)相對成熟可靠的磷酸鐵鋰電池。

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用國內(nèi)、外示范工程主流的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)——主從結(jié)構(gòu),設(shè)計了多換流器微電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)類型,多換流器微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 多換流器微電網(wǎng)拓撲圖

1.2 PQ控制策略

PQ控制主要應(yīng)用在輸出不恒定的微電源(如:風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電等)。因這類微電源受天氣的影響較大,具有不連續(xù)性,需要配套大容量的儲能裝置來穩(wěn)定負荷的波動,從而增加了成本。所以間歇類微電源的控制并不是要滿足負荷的波動,而是要保證可循環(huán)新能源的最大利用率,故采用PQ控制,以確保有多少功率就能輸出多少功率。采用PQ控制方式的微電源不需要承擔(dān)微電網(wǎng)內(nèi)的頻率和電壓的穩(wěn)定,微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行時由大電網(wǎng)來實現(xiàn)功率和電壓的穩(wěn)定,當處于孤島運行時由微電網(wǎng)內(nèi)燃氣輪機、蓄電池等能夠保持恒定出力的微電源來提供電壓和頻率的穩(wěn)定。

PQ控制能夠最大限度的保證微電源輸出恒定的P(有功功率)和Q(無功功率),從而實現(xiàn)新能源的最大利用。PQ控制下的微電源在潮流計算中相當于電力系統(tǒng)中的PQ節(jié)點,根據(jù)參考值的Pref和Qref輸出功率。控制器采用雙環(huán)控制結(jié)構(gòu),外環(huán)主要用于實現(xiàn)控制目的以及產(chǎn)生內(nèi)環(huán)所需信號,內(nèi)環(huán)主要用于精細化調(diào)節(jié),用于改善輸出電能質(zhì)量。

(2-1)

式中,Pref、Qref為有功功率和無功功率參考值;kp1、ki1、kp2、ki2為外環(huán)PI控制器參數(shù);P0、Q0為實際值;idref、iqref為電流環(huán)參考值。

(2-2)

式中,ud、uq為內(nèi)環(huán)控制器輸出d、q軸電壓;kpi1、kii1、kpi2、kii2為內(nèi)環(huán)PI控制器參數(shù)。

經(jīng)過濾波電路的dq方程:

(2-3)

式中,Vsd、Vsq為經(jīng)過電感補償后的d、q軸電壓;ωLiq、ωLid為濾波電感補償量。

逆變器出口瞬時功率為:

(2-4)

由式子(2-1)至(2-4)可設(shè)計出如圖2的PQ控制器的控制框架圖,利用其來分析PQ的控制原理。

圖2 PQ控制器

圖3 PQ控制特性圖

如圖3所示為PQ控制特性圖,將進一步對PQ控制的原理進行分析。在微電網(wǎng)頻率為工頻50Hz、微電源出口電壓為額定值UN時,微電源運行在f0、U0對應(yīng)的A點,輸出額定的有功功率(Pref)和無功功率(Qref);當微電網(wǎng)的頻率增大或減小,同時微電源的出口電壓幅值也增大或減小,則微電源的運行點將從A點向C點或B點逐步移動,但是輸出的有功功率(Pref)和無功功率(Qref)將保持不變。綜上所述,采用PQ控制的微電源能夠很好地實現(xiàn)有功功率和無功功率的恒定輸出但并不能承擔(dān)調(diào)節(jié)電壓和頻率的任務(wù),需要微電網(wǎng)中存在維持電壓和頻率的微電源或大電網(wǎng)來提供電壓和頻率的支撐。

1.3 V/F控制策略

無論PQ控制還是Droop控制最大的缺陷就是不能使處于孤島運行的微電網(wǎng)保持電壓和頻率的穩(wěn)定,然而微電網(wǎng)的電壓和頻率的不穩(wěn)定,勢必會造成微電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量下滑,從而可能進一步引起孤島運行的微電網(wǎng)崩潰,因此微電網(wǎng)孤島運行時需要改變微電源的控制策略才行,而由于V/F控制能夠保證電壓和頻率的穩(wěn)定,因而需要在孤島運行時,將主控微電源切換至V/F控制器,來實現(xiàn)微電網(wǎng)孤島運行時電壓和頻率的穩(wěn)定 。圖4為V/F控制的結(jié)構(gòu)圖,采用的是雙環(huán)控制原理即電壓外環(huán),電流內(nèi)環(huán)。

圖4 V/F結(jié)構(gòu)圖

2 仿真及試驗驗證

在大型電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC中初步建立了仿真模型,如圖5所示。DG3作為主控微電源采用V/f控制設(shè)置參考電壓為0.38KV、頻率為50Hz,DG1、DG2作為從控微電源,DG1給定有功功率和無功功率為:100KW、20KVar,DG2給定有功功率和無功功率為:200KW、40KVar,微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)總的負荷有功功率為0.69MW,還采用功率因數(shù)為0.95配置無功功率為0.222MVar。大電網(wǎng)三相電壓經(jīng)過派克變換得到udgrid、uqgrid在分別與逆變器出口d軸和q軸的電壓vd、vq進行比較,差值通過PI控制器與電流內(nèi)環(huán)輸出電壓進行運算得到預(yù)同步后的參考電壓ud1ref、uq1ref,再分別和vd、vd以及濾波電感電壓補償從而得到d軸、q軸的輸出參考電壓。通過鎖相環(huán)鎖定大電網(wǎng)的相角PHI,然后與逆變器出口處相角thS進行比較,然后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器作用,在與設(shè)定頻率運算,輸出參考頻率。仿真時長為3S,并網(wǎng)連接點PCC在1.5S發(fā)出并網(wǎng)信號,微電網(wǎng)檢測電能參數(shù),傳輸給微電源,實現(xiàn)并網(wǎng)運行。

通過用理想電壓源模擬微電源然后通過逆變器(DC/AC)變成交流電,來與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行,在微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行時,采用PQ控制來實現(xiàn)對微電源的最大利用,并在并網(wǎng)運行不同時段改變負荷大小,驗證PQ控制的可行性;并且模擬故障發(fā)生后,微電網(wǎng)通過PCC與大電網(wǎng)斷開連接,主控微電源采用V/f控制來實現(xiàn)微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定,從而實現(xiàn)保障供電的目的。通過PSCAD/EMTDC軟件來實現(xiàn)并網(wǎng)和孤島運行的試驗研究。

圖5 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 并網(wǎng)控制策略試驗研究

用理想交流電壓源通過10.5kV/0.4kV變壓器變成低壓0.4kV模擬大電網(wǎng)(低壓配電網(wǎng)),微電源DG采用PQ控制輸出額定功率0.1MW、0.02MVar,微電網(wǎng)內(nèi)總的有功負荷為0.69MW;按功率因數(shù)0.95計無功負荷為0.222MVar,具體為非敏感負荷load1為0.12MW、0.036MVar;敏感負荷load2為0.27MW、0.09MVar;敏感負荷load3為0.3MW、0.096MVar,所采用的的負載為恒定功率的感性負載模型,dP/dV=dQ/dV=0,dP/dF=dQ/dF=0,每條線路電阻為0.001Ω,微電源控制采用PQ控制模塊。直流電壓源電壓為1.2KV;濾波電感為0.0005H;功率外環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為:2、0.01S;電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為:0.3、0.0005S,載波頻率4950Hz。

在仿真過程并網(wǎng)連接點PCC一直處于閉合狀態(tài),設(shè)置仿真時長3S,在仿真開始1S后斷開非敏感負荷0.12MW、0.036MVar,仿真2s后斷開敏感負荷0.27MW、0.09MVar,研究建立的PQ控制模型在微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時的可行性。

微電源在并網(wǎng)運行時采用PQ控制,無論系統(tǒng)中的負荷如何的變動都應(yīng)保持微電源的出力不變,由大電網(wǎng)來進行微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡,即微電源有功功率輸出0.1MW和無功功率輸出0.02MVar不變,大電網(wǎng)跟隨負荷的變動來彌補微電網(wǎng)內(nèi)的功率缺額,并且給微電源提供電壓和頻率的穩(wěn)定支撐,仿真時長3S,在1S之前,由于微電源所發(fā)功率不能滿足微電網(wǎng)的需求因而由大電網(wǎng)提供其缺額功率即有功功率P1:0.59MW、無功功率Q1:0.202MVar,1S時斷路器動作切除非敏感負荷即P2:0.12MW、Q2:0.036MVar,1s～2s期間由于切除了非敏感負荷0.06MW、0.012MVar,微電網(wǎng)內(nèi)需求功率減少,微電源的輸出功率保持不變,因而需大電網(wǎng)調(diào)整輸出功率,變?yōu)?.47MW、0.166MVar,保持微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)功率平衡,在2s-3s期間又切除敏感負荷即P3:0.27MW、Q3:0.09MVar,微電源輸出功率依據(jù)保持不變,因而大電網(wǎng)需進一步調(diào)整輸出功率P1、Q1,變?yōu)?.2MW、0.076MVar,來維持微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡。

通過上述的過程從而來說明微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時采用PQ控制可以達到最大限度的利用微電源的目的。

如圖6、7所示為微電網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率和無功功率的波形圖,P1、Q1為并網(wǎng)節(jié)點PCC處的有功功率和頻率代表著輸送微電網(wǎng)中的有功功率和無功功率;P2、Q2為load1的有功功率和無功功率監(jiān)測;P3、Q3為load2的有功功率和無功功率監(jiān)測;P4、Q4為load3微電網(wǎng)側(cè)的有功功率和無功功率監(jiān)測,負號代表以大電網(wǎng)流向為正方向,微電網(wǎng)向系統(tǒng)內(nèi)輸送功率;P5、Q5為load3大電網(wǎng)側(cè)的有功功率和無功功率,代表大電網(wǎng)彌補微電源發(fā)出的電能未能滿足load3的缺額功率。

圖6 微電網(wǎng)內(nèi)有功功率圖

圖7 微電網(wǎng)內(nèi)無功功率圖

圖8為微電源內(nèi)的有功功率和無功功率監(jiān)測,從中可以看出,微電源的輸出功率在PQ控制策略下能夠很好的保持功率的穩(wěn)定輸出。

圖8 微電源輸出功率

綜上所述波形圖可以看出微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時,微電源采用PQ控制在大電網(wǎng)的支撐下,微電網(wǎng)內(nèi)的電壓、頻率以及功率在微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)負荷發(fā)生變動時,都能夠達到很好的穩(wěn)定,從而說明了微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時,微電網(wǎng)源采用PQ控制能夠達到在負荷發(fā)生波動的情況下,都能夠保持微電源的最大功率輸出以及保持微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)電壓、頻率等電能參數(shù)的穩(wěn)定,從而驗證了并網(wǎng)運行時微電源采用所建立的PQ控制模塊的可行性。為后續(xù)的模式切換研究奠定了基礎(chǔ)。

2.2 孤島控制策略試驗

微電網(wǎng)在外部電網(wǎng)故障、檢修等情況下不可避免會出現(xiàn)脫離大大電網(wǎng)情況的發(fā)生,因而微電網(wǎng)的孤島運行能力是其優(yōu)勢的重要體現(xiàn),能否在脫離大電網(wǎng)的的獨立狀態(tài)下,保持微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的電壓和頻率穩(wěn)定具有重要的現(xiàn)實意義,不僅可以提升微電網(wǎng)的可靠性而且能擴大其應(yīng)用范圍,故對微電網(wǎng)孤島運行進行試驗研究具有很大的必要性,考慮同一微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行與孤島運行具有更加重要的實際意義,因此在并網(wǎng)運行模式的基礎(chǔ)上搭建了微電網(wǎng)孤島運行的試驗?zāi)Ｐ?采用理想的電壓源逆變代替微電源,模擬大容量的主控微電源,能夠輸出足夠大的功率來平衡微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的負荷功率,微電網(wǎng)內(nèi)總的有功負荷為0.69MW;按功率因數(shù)0.95計無功負荷為0.222MVar,具體為非敏感負荷load1為0.12MW、0.036MVar;敏感負荷load2為0.27MW、0.09MVar;敏感負荷load3為0.3MW、0.096MVar,所采用的的負載為恒定功率的感性負載模型dP/dV=dQ/dV=0,dP/dF=dQ/dF=0,每條線路電阻為0.001Ω,采用第二章所建立的V/f控制模塊。設(shè)置微電源參考電壓為0.38KV;參考頻率為工頻50Hz。

圖9為微電網(wǎng)母線的頻率,在孤島運行過程,沒有進行負荷操作等造成系統(tǒng)功率變化的情況下,功率能夠保持很好的穩(wěn)定,圖10為微電網(wǎng)系統(tǒng)主要電壓的監(jiān)測點,U1為母線處電壓;U2為load1處的電壓監(jiān)測;U3為load2處的電壓監(jiān)測;U4為load3處的電壓監(jiān)測,從波形圖中可以看出,這四個主要點的電壓保持一致,因此,圖9和圖10充分說明了微電網(wǎng)在孤島運行的情況采用V/f控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的電壓和頻率的穩(wěn)定。

圖9 微電網(wǎng)頻率波形圖

圖10 微電網(wǎng)內(nèi)電壓波形圖

綜上所述,微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行時采用PQ控制策略,孤島運行時采用V/f控制策略能夠滿足系統(tǒng)內(nèi)電能質(zhì)量要求。

3 結(jié)論

本文對多換流器微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島不同工況下運行時進行了研究,提出了基于并網(wǎng)/孤島不同策略的多換流器微電網(wǎng)運行控制策略,通過理論和試驗證明在不同工況下采取不同的控制策略下,多換流器微電網(wǎng)可以更加穩(wěn)定運行,從而提高多換流器微電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。仿真和實驗結(jié)果證明了本文所提基于并網(wǎng)/孤島不同策略的多換流器微電網(wǎng)運行控制策略的有效性。