用于微電網(wǎng)孤島運行的逆變電源控制方法①

吳蓓蓓， 蘇建徽， 張軍軍， 朱 丹

(1.合肥工業(yè)大學(xué)教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心， 合肥 230009；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院， 南京 210003)

用于微電網(wǎng)孤島運行的逆變電源控制方法①

吳蓓蓓1，2， 蘇建徽1， 張軍軍2， 朱 丹1，2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心， 合肥 230009；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院， 南京 210003)

闡述了微電網(wǎng)孤島運行時對逆變電源的要求，提出了一種基于同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的逆變電源控制策略，并借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中頻率及電壓幅值控制方法，設(shè)計了微網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡及頻率幅值控制方法。文中采用一次調(diào)頻和二次調(diào)頻實現(xiàn)負(fù)荷有功功率變化時所有微源間變化功率的合理分配，維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定；電壓調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)勵磁電壓，維持輸出電壓的穩(wěn)定，實現(xiàn)無功功率的合理分配，最后，對孤島運行模式下切/增負(fù)荷進(jìn)行了仿真，證明了該理論的可行性。

微網(wǎng)； 虛擬同步發(fā)電機(jī)； 頻率調(diào)節(jié)； 電壓調(diào)節(jié)； 功率平衡

近年來，分布式發(fā)電技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和可靠性等優(yōu)點得到國內(nèi)外學(xué)者的青睞。盡管分布式發(fā)電[1]優(yōu)點顯著，但存在的一些問題也引起了重視，例如：控制困難，單機(jī)接入成本高，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量、網(wǎng)損產(chǎn)生影響等[2，3]。為了更好地發(fā)揮分布式發(fā)電的潛能，美國電氣可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會CERTS(consortium for electric reliability technology solutions)提出了“微網(wǎng)”的概念，即由各種無限的分布式能源連同負(fù)荷、儲能裝置和控制裝置組成的一個系統(tǒng)[4，5]。微網(wǎng)中的電源被稱為微源，為了提高經(jīng)濟(jì)性，微源在向負(fù)載供電的同時，可提供熱量?，F(xiàn)有的微源主要包括：燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池等[6]。無論是哪種分布式能源形式，一般都可通過AC/DC或者DC/DC轉(zhuǎn)化為直流，再經(jīng)過DC/AC逆變并網(wǎng)運行。

微網(wǎng)可以聯(lián)網(wǎng)運行或孤島運行[7]。無論哪種運行模式，都需要對微源進(jìn)行有效的控制，維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。聯(lián)網(wǎng)時，由大電網(wǎng)提供電壓支持，各微源采用PQ控制，微網(wǎng)被當(dāng)作一個可調(diào)度的可控電流源[6]。孤島時，要求各微源能跟隨負(fù)載變化自動調(diào)整功率輸出，同時滿足輸出電壓變化在允許范圍之內(nèi)。文獻(xiàn)[8～10]設(shè)計了孤島運行時微源控制方法，但都基于傳統(tǒng)下垂法，存在頻率和幅值偏離額定值的問題。本文所利用同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，提出了同步發(fā)電機(jī)模型跟蹤的控制方法，使逆變電源具有同步發(fā)電機(jī)特性，簡稱虛擬同步發(fā)電機(jī)VSG(virtual synchronous generator)，并設(shè)計了孤島運行時頻率調(diào)節(jié)器和幅值調(diào)節(jié)器，保證了孤島模式下微網(wǎng)的可靠運行。

1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一組放射狀的饋線ABC、饋線ABC上的負(fù)載和微源，當(dāng)微網(wǎng)和大電網(wǎng)之間存在問題時，微網(wǎng)可以利用靜態(tài)開關(guān)脫離大電網(wǎng)，進(jìn)入孤島運行模式。

圖1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 微源控制方案

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的發(fā)電單元是同步旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，在暫態(tài)過程中能夠提供旋轉(zhuǎn)備用容量，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用?；趦δ苎b置的微源大多以逆變器作為接口并聯(lián)運行的，缺少旋轉(zhuǎn)容量，但是逆變電源快速的動態(tài)響應(yīng)能力使其跟蹤同步發(fā)電機(jī)特性成為可能。

2.1 同步發(fā)電機(jī)模型跟蹤的原理

圖2為模型跟蹤方法的示意。其中，虛擬同步發(fā)電機(jī)算法可采用同步發(fā)電機(jī)的二階、三階、四階、六階等模型。對于一個多機(jī)微網(wǎng)系統(tǒng)，若采用多階模型，再加上頻率控制、電壓幅值控制等，會給計算分析帶來極大的困難。本文采用最簡單經(jīng)典的二階模型[11]，即

(1)

圖2 同步發(fā)電機(jī)模型跟蹤法原理

逆變電源中，輸出有功功率相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)電磁功率Pe；原動機(jī)輸入功率Pm為控制器給定值，穩(wěn)態(tài)時Pm=Pe；負(fù)載電流i做為電樞電流,通過二階模型計算，得到定子端電壓u，作為逆變器輸出電壓給定值，由電壓環(huán)反饋，逆變器輸出電壓的基波分量跟隨給定值。

2.2 微電網(wǎng)的有功功率平衡和頻率調(diào)節(jié)

電力系統(tǒng)中，實際負(fù)荷由3種不同變化規(guī)律的變化負(fù)荷組成[12]，負(fù)荷變化引起頻率相應(yīng)變化，因此針對三種不同變化負(fù)荷，設(shè)計了一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和三次調(diào)頻。本文設(shè)計了微電網(wǎng)中基于VSG的頻率調(diào)節(jié)器，可實現(xiàn)有功功率的合理分配。

2.2.1 頻率的一次調(diào)整

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化時，VSG輸出功率Pe發(fā)生變化，功率平衡遭到破環(huán)，引起角頻率ω的變化，一次調(diào)頻將自動改變Pm的大小，阻止頻率的變化。圖3為VSG組一次調(diào)頻控制框圖，采用比例調(diào)節(jié)，為有差調(diào)節(jié)，其中

Pm=P0+Kf1(fref-f)

(2)

式中：Pm稱為VSG的功率-頻率靜態(tài)特性；Kf1稱為虛擬同步發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率，其中

(3)

式中，δ稱為靜態(tài)調(diào)差系數(shù)，表示負(fù)荷改變時相應(yīng)的頻率偏移，δ愈小，頻率偏移亦愈小。理論上，靜態(tài)調(diào)差系數(shù)可以控制的任意小，但在實際應(yīng)用中由于受到逆變電源硬件誤差以及數(shù)字控制器精度的影響，需要取一個折中的值。在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于能源的不同，各逆變電源的容量也不盡相同。為了確保每臺逆變電源能夠依據(jù)其額定容量合理分配有功負(fù)載，調(diào)差系數(shù)δi的選取應(yīng)參考的原則，即

δ1S1=δ2S2=…=δnSn

(4)

式中：S1，S2，…，Sn為各逆變電源的額定容量。如果容量相等，δ相同，輸出功率相同；若容量不同，δ越小，承擔(dān)的有功功率越多。

圖3 虛擬同步發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻控制框圖

要確定微網(wǎng)中負(fù)荷變化引起的頻率變化，需同時考慮負(fù)荷及VSG組兩者的調(diào)節(jié)作用，為簡單起見，先考慮一臺VSG的情況。如圖4所示，直線1為VSG的功頻特性，直線2、3為不同負(fù)荷的功頻特性。初始狀態(tài)下，負(fù)荷的功頻特性為直線2，它和直線1的交點A(fref，P0)確定了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時頻率為fref，負(fù)荷功率和VSG的輸出功率為P0。假設(shè)負(fù)荷增加了ΔPD，其特性曲線變?yōu)橹本€3，由于輸出功率Pe的增加，VSG輸出電壓頻率下降，一次調(diào)頻使得最后的穩(wěn)定點為直線1和3的交點B(f1，P1)。此時頻率變化量Δf=f1-fref<0，輸出功率的變化量ΔP=-Kf1Δf。由此可見，系統(tǒng)負(fù)荷增加，一次調(diào)頻使VGS輸出功率增加，但頻率低于初始值；反之，負(fù)荷減小，輸出功率減小，頻率高于初始值。

圖4 頻率調(diào)節(jié)示意

2.2.2 頻率的二次調(diào)整

一次調(diào)頻的結(jié)果使頻率偏離給定值，如果頻率變化較大，影響用電設(shè)備的正常運行。本文設(shè)計的二次調(diào)頻控制器，通過平移VSG的功頻特性調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率、分配機(jī)組間的有功功率。如圖4所示，假設(shè)初始狀態(tài)為點A，負(fù)荷增加ΔPD，一次調(diào)頻后，穩(wěn)定點為B，系統(tǒng)頻率為f1，在二次調(diào)頻的作用下，VSG的功頻特性上移為直線4，運行穩(wěn)定點也隨之移動到B1點。此時，功率輸出增量ΔP=ΔPD，頻率偏移為0，實現(xiàn)了頻率的無差調(diào)節(jié)。二次調(diào)頻是由自動發(fā)電控制單元[13]AGC(automatic generation control)檢測到頻率偏移不在允許范圍內(nèi)，通過頻率變化率計算出系統(tǒng)恢復(fù)頻率初始值所需要的計劃外功率，再通過功率分配模塊分配給具有二次調(diào)頻功能的VSG。控制框圖如圖5所示。其中，PBX(X=0，1，…，N)為上位機(jī)通過負(fù)荷預(yù)測、能源預(yù)測等分配給各微源的發(fā)電計劃。頻率調(diào)節(jié)器采用PID控制，比例環(huán)節(jié)可以增加系統(tǒng)快速性和穩(wěn)態(tài)精度，如果太小，響應(yīng)較慢，如果太大，容易超調(diào)，甚至不穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)可以保證系統(tǒng)是穩(wěn)態(tài)誤差為0，但會使系統(tǒng)滯后，微分環(huán)節(jié)可以增加擾動突變時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力。通常，在選取各部分參數(shù)時，應(yīng)使I部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的低頻段，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；而使D部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的中頻段，以改善系統(tǒng)動態(tài)性能。

圖5 虛擬同步發(fā)電機(jī)二次調(diào)頻控制框圖

2.3 微電網(wǎng)的無功功率平衡和電壓調(diào)節(jié)

微網(wǎng)系統(tǒng)中，各種無功電源的無功輸出應(yīng)滿足系統(tǒng)負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)損耗在額定電壓下對無功的需求，否則電壓就會偏離額定值，影響用電設(shè)備的正常運行。根據(jù)無功平衡的需求，應(yīng)添增必要的無功補(bǔ)償容量，并按照無功功率就地平衡的原則進(jìn)行補(bǔ)償容量的合理分配，達(dá)到無功功率平衡。但是VSG在不同的運行方式下，可能會出現(xiàn)無功功率不足或者過剩的情況，使得VSG的端電壓幅值偏離額定值，本文借鑒同步發(fā)電機(jī)自動勵磁調(diào)節(jié)的原理，設(shè)計了電壓調(diào)節(jié)器。VSG轉(zhuǎn)子方程為

(5)

(6)

圖6 VSG向量圖

圖7 虛擬同步發(fā)電機(jī)電壓控制框圖

3 微網(wǎng)控制系統(tǒng)仿真分析

為了證明前述理論的正確性，本文利用MATLAB/simulink仿真軟件搭建了兩臺VSG組網(wǎng)運行的模型。每臺VSG的額定頻為50 Hz，輸出相電壓幅值額定值為220 V，轉(zhuǎn)動慣量J=0.16 kg·m2，電樞電阻ra=0，同步電抗xd=0.3 mH，濾波電感L=1 mH，濾波電容C=30 μF，都具有一次調(diào)頻的功能，只有VSG2具有二次調(diào)頻功能，補(bǔ)充計劃外功率。仿真模型如圖8所示。

圖8 仿真模型

圖中，負(fù)載1為10 kW，負(fù)載2為6 kW，負(fù)載3為1 kW，負(fù)載4為1 kW。0 s時，閉合開關(guān)K1和K2，總負(fù)荷為16 kW，AGC的輸出指令P01=P02=8 kW，系統(tǒng)運行在額定狀態(tài)。0.2 s時，閉合K3。0.4 s時，閉合K4。圖9為仿真結(jié)果，圖9(a)為系統(tǒng)頻率變化波形，初始狀態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定運行在額定頻率，突加小功率負(fù)載后，系統(tǒng)頻率下降，一次調(diào)頻的作用使頻率穩(wěn)定，略小于50 Hz，負(fù)載4使頻率下降不在允許范圍之內(nèi)，二次調(diào)頻使系統(tǒng)頻率恢復(fù)50 Hz。圖9(b)和(c)為VSG1和VSG2輸出有功功率波形。0.2 s時，輸出功率變大，但由于一次調(diào)頻的作用，使穩(wěn)定時總輸出功率小于17 kW。0.4 s后，由于一次調(diào)頻使輸出頻率變化較大，二次調(diào)頻改變VSG2輸出功率指令，VSG2輸出功率變大，穩(wěn)態(tài)時，負(fù)載2和負(fù)載3由VSG2承擔(dān)，系統(tǒng)頻率恢復(fù)給定值。

(a) 系統(tǒng)頻率變化波形

(b) VSG1輸出有功功率變化波形

(c) VSG2輸出有功功率變化波形

4 結(jié)語

在以逆變器為接口的微網(wǎng)系統(tǒng)中，逆變單元的穩(wěn)定性運行和組網(wǎng)控制技術(shù)是實現(xiàn)微網(wǎng)的關(guān)鍵問題之一。本文設(shè)計的同步發(fā)電機(jī)模型跟蹤的方法，使逆變單元具有同步發(fā)電機(jī)特性，并借鑒大電網(wǎng)中的相關(guān)控制策略，設(shè)計了應(yīng)用于微網(wǎng)中的頻率調(diào)節(jié)器和電壓幅值調(diào)節(jié)器。最后，利用MATLAB/simulink軟件搭建了仿真模型，證明了虛擬同步發(fā)電機(jī)理論的可行性。針對不同形式的分布式電源，可能需要相應(yīng)的控制算法，作為虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制輸入，如光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的最大功率跟蹤、直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的母線電壓穩(wěn)定控制等。

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ControlStrategiesofInverterinMicrogridIslandOperation

WU Bei-bei1，2， SU Jian-hui1， ZHANG Jun-jun2， ZHU Dan1，2

(1.Research Center for Photovoltaic System Engineering Ministry of Education,Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 210003, China)

This article introduced the requirements of the inverters in island and presented a new control strategy based on mechanical model of synchronous generator. By learning from the traditional control methods of power system frequency and voltage amplitude, the control methods of power balance and frequency amplitude in microgrid were designed. In the article, first and second frequency regulation realized a reasonable distribution of variational active power among all the microgrid sources when the power of load varied and maintained frequency stability. Voltage regulator maintained the stability of output voltage and achieved a reasonable distribution for reactive power by adjusting the excitation voltage. Finally, the feasibility of the theory in the paper has been demonstrated by simulating the load changes in islanded operation.

microgrid； virtual synchronous generator； frequency regulation； voltage regulation； power balance

2009-10-12

2010-01-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(50777015)；教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項目(306004)

TM727

A

1003-8930(2011)01-0001-05

吳蓓蓓(1986-)，女，碩士研究生，研究方向為電力電子變換技術(shù)。Email:wubeibei@sgepri.sgcc.com.cn 蘇建徽(1963-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為光伏系統(tǒng)技術(shù)、分布式發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)等。Email:su_chen@126.com 張軍軍(1982-)，男，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電技術(shù)。Email:zhangjunjun@sgepri.sgcc.com.cn