微電網(wǎng)帶負(fù)荷并網(wǎng)的平滑切換條件及控制策略

李興旺，鄭競宏，劉鵬飛，朱守真，祝洪博

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.清華大學(xué)電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京100084)

0 引言

隨著微電源容量的增加以及微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性日益增強(qiáng)，越來越多的微電網(wǎng)接入到大電網(wǎng)中，不可避免的會給大電網(wǎng)造成沖擊［1］。因此如何減小微電網(wǎng)并網(wǎng)時對大電網(wǎng)造成的影響，使其能夠由孤島模式平滑切換到并網(wǎng)運(yùn)行模式，實現(xiàn)同期并網(wǎng)，成為一個重要的研究內(nèi)容［2］。文獻(xiàn)［3］給出微電網(wǎng)在并網(wǎng)時必須滿足條件:并網(wǎng)瞬間，開關(guān)的兩側(cè)電壓差必須接近于0;并網(wǎng)時電流的方向必須從大電網(wǎng)流向微電網(wǎng)。文獻(xiàn)［4］指出，若使電流方向由大網(wǎng)流向微網(wǎng)，則需使電網(wǎng)電壓必須超前微電網(wǎng)電壓，并且電網(wǎng)頻率要高于微電網(wǎng)頻率。文獻(xiàn)［5］指出，并網(wǎng)開關(guān)兩側(cè)的電壓差對大網(wǎng)的沖擊要比頻率差對大網(wǎng)的沖擊小得多，而微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時，頻率往往小于大網(wǎng)頻率，當(dāng)其最大有功輸出小于本地負(fù)荷需求時，則不能通過傳統(tǒng)方式調(diào)節(jié)有功，從而需要通過犧牲電壓差改變微網(wǎng)頻率和相位，使微網(wǎng)近似滿足并網(wǎng)條件。但這些文獻(xiàn)沒有具體給出電壓差、相角差和頻率差三者對并網(wǎng)造成沖擊的比較分析。因此，本文研究的重點是以微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時采用v/f控制為研究對象，建立仿真模型，通過仿真分別驗證了微電網(wǎng)的并網(wǎng)所需滿足的最佳并網(wǎng)條件，同時對電壓差、頻率差和相角差因素對并網(wǎng)造成的影響進(jìn)行比較，得出其中對并網(wǎng)切換動態(tài)過程影響大小的相對關(guān)系，提出相應(yīng)的控制方法和策略，實現(xiàn)微電網(wǎng)自動根據(jù)大電網(wǎng)的條件調(diào)節(jié)微電網(wǎng)內(nèi)部的電壓和頻率，并在合適的相位下進(jìn)行并網(wǎng)。最后通過仿真驗證所提出的平滑切換控制方法和策略的有效性。

1 電壓差、頻率差和相角差對并網(wǎng)造成的影響

差頻并網(wǎng)是指電網(wǎng)與電網(wǎng)之間相序相同，且并網(wǎng)開關(guān)兩側(cè)電壓差、相角差和頻率差在允許范圍之內(nèi)的并網(wǎng)操作。微電網(wǎng)一般電壓等級比較低，故并網(wǎng)前與大網(wǎng)的電壓差值不應(yīng)超過額定電壓的10%，相角差不應(yīng)超過10°，頻率差值不應(yīng)超過額定頻率的0.5%，即不能超過0.25 Hz。下面分別選取電壓差、相角差和頻率差為最大允許偏差的80%時，即并網(wǎng)前分別使頻率差∣ Δf∣ =0.2 Hz，相角差∣Δδ∣=8°，電壓差∣ΔU∣=0.08 p.u.，進(jìn)行并網(wǎng)仿真分析，所得結(jié)果如圖1所示。

圖1 電壓差、頻率差和相角差情況下電壓、相角和頻率波形

從圖1中可以看出，有相角差時對并網(wǎng)切換造成的影響最大，頻率震蕩的幅值要遠(yuǎn)大于其它兩種情況。而從圖1中難以比較出電壓差和頻率差兩者對并網(wǎng)造成影響的大小，將其單獨進(jìn)行對比，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 電壓差和頻率差對并網(wǎng)影響的對比

從圖2中可以看出，切換時電壓差和頻率差對電網(wǎng)電壓造成的影響都比較小，而頻率差對系統(tǒng)頻率震蕩的影響要較大于電壓差對頻率震蕩造成的影響。

根據(jù)以上分析可知，在同期并網(wǎng)允許條件下，相角差在并網(wǎng)切換時對系統(tǒng)造成的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電壓差和頻率差對其造成的影響。頻率差其次，電壓差對并網(wǎng)造成的影響最小。

為從定量上比較3種因素造成的影響程度，下面通過仿真分別討論在相角差和頻率差減小到何種程度時，其對并網(wǎng)造成的影響程度與存在有0.08 p.u.(即8%)的電壓差造成的影響相當(dāng)。

1.1 相角差與電壓差對并網(wǎng)影響的比較

首先令微網(wǎng)電壓高于大網(wǎng)，使ΔV=0.08 p.u.(8%)，頻率差和相角差為零，進(jìn)行并網(wǎng)切換，得出1組結(jié)果;然后令開關(guān)兩側(cè)電壓差和頻率差為零，而改變相角差的大小，分別令 Δδ1=1°和 Δδ2=0.5°，進(jìn)行并網(wǎng)仿真，得出兩組結(jié)果，對3組仿真結(jié)果進(jìn)行比較，所得圖形如圖3所示。

圖3 不同相角差與電壓差對切換影響的比較

可以看出，在電網(wǎng)電壓低于微電網(wǎng)電壓時，切換過程中頻率會首先有一個向下的波動，然后慢慢增加至穩(wěn)定值(圖中實線所示);而在大網(wǎng)電壓超前于微電網(wǎng)電壓時，切換過程頻率會首先有一個向上的波動，然后慢慢減小到額定值。當(dāng)相角差逐漸減小時，頻率的波動也會逐漸減小，當(dāng)減小至0.5°時(短線所示)，其對頻率造成的影響與電壓差為8%時所造成的影響大致相當(dāng)。

1.2 頻率差與電壓差對并網(wǎng)影響的比較

令微網(wǎng)電壓高于大網(wǎng)，ΔV=0.08 p.u.(即8%)，頻率差和相角差為零，進(jìn)行并網(wǎng)切換，得出1組結(jié)果;在電壓差和相角差為零的情況下，改變頻率差，分別令 Δf1=0.2 Hz和 Δf2=0.1 Hz，進(jìn)行并網(wǎng)仿真，得出另2組結(jié)果，3組結(jié)果的電壓和頻率如圖4所示。

可以看出，頻率差逐漸減小時，系統(tǒng)頻率的波動會逐漸減小，當(dāng)減小至0.1 Hz時(圖4中短線所示)，對頻率造成的影響與電壓差為8%(p.u.)時所造成的影響大致相當(dāng)。

圖4 不同頻率差與電壓差對切換影響的比較

2 微電網(wǎng)并網(wǎng)控制方法及策略

2.1 并網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時采用v/f控制，自身提供電壓和頻率的支撐。在運(yùn)行過程中，微網(wǎng)的電壓和頻率與大電網(wǎng)會分別有一個偏差ΔV和Δf。如果超過允許值，就會對并網(wǎng)切換造成很大影響，故需在v/f控制器中加入電網(wǎng)電壓和頻率自動跟蹤控制環(huán)節(jié)，使微網(wǎng)電壓和頻率能夠跟蹤到大電網(wǎng)并調(diào)節(jié)到并網(wǎng)允許范圍之內(nèi)，最終實現(xiàn)平滑并網(wǎng)。在v/f控制中的電壓和頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中，頻率調(diào)節(jié)環(huán)首先將大網(wǎng)頻率fs與微網(wǎng)頻率fDG進(jìn)行比較，其差值通過PI調(diào)節(jié)器加入到頻率給定值fc側(cè)，使微網(wǎng)能夠根據(jù)大網(wǎng)自動調(diào)節(jié)自身頻率，從而達(dá)到減小頻率差值的目的;同理，電壓調(diào)節(jié)器是將大網(wǎng)電壓Us與微網(wǎng)電壓UDG進(jìn)行比較，所得差值通過PI調(diào)節(jié)器加入到電壓給定值Uref上，使微網(wǎng)能夠根據(jù)大網(wǎng)自動調(diào)節(jié)自身電壓，從而減小電壓差，使其符合并網(wǎng)要求。

2.2 并網(wǎng)控制策略

微電網(wǎng)并網(wǎng)的最佳條件是大電網(wǎng)電壓相角超前于微電網(wǎng)，頻率高于微電網(wǎng)。而實際獨立運(yùn)行中微網(wǎng)的電壓一般都不高于大網(wǎng)電壓，且電壓差的影響對并網(wǎng)切換影響最小，故在以下仿真中令VDG＜VS，fDG＜fS，δDG＜δS。對微網(wǎng)進(jìn)行直接并網(wǎng)仿真與采用控制方法后進(jìn)行并網(wǎng)仿真比較，驗證控制策略的有效性。

根據(jù)并網(wǎng)具體標(biāo)準(zhǔn):為保證并網(wǎng)安全，需要滿足并網(wǎng)前電壓差值不應(yīng)超過額定電壓的10%，相角差不應(yīng)超過10°，頻率差值不應(yīng)超過額定頻率的0.5%，即不能超過0.25 Hz。這里經(jīng)過仿真比較，選擇相角超前微電網(wǎng)3°，幅值低于微電網(wǎng)0.05 p.u.，頻率高于微電網(wǎng)0.2 Hz。

根據(jù)并網(wǎng)要求，文中采用如圖5所示的流程圖實現(xiàn)并網(wǎng)控制。獨立運(yùn)行過程中，當(dāng)微網(wǎng)與大網(wǎng)的電壓差、相角差和頻率差任何一個因素沒有達(dá)到上述控制策略的允許范圍內(nèi)時(Δδ≤3°，ΔV≤0.05 p.u.，Δf≤0.2 Hz)，微電網(wǎng)均不能進(jìn)行并網(wǎng)操作;而當(dāng)檢測到電壓差和頻率差在允許范圍內(nèi)后，通過自動檢測裝置觀測大網(wǎng)與微網(wǎng)的相角差，在其滿足并網(wǎng)條件的時刻，自動發(fā)出并網(wǎng)操作命令，閉合并網(wǎng)開關(guān)，并將控制方式由v/f控制切換為PQ控制，最終實現(xiàn)微電網(wǎng)的并網(wǎng)平滑切換。

圖5 并網(wǎng)控制流程圖

3 并網(wǎng)切換仿真

微網(wǎng)初始時工作在孤島狀態(tài)，采用v/f控制方式，初始頻率為fDG=49 Hz，而大網(wǎng)頻率fS=50 Hz，頻率差Δf1大于并網(wǎng)允許值;孤島模式時，微網(wǎng)電壓值VDG=0.82 p.u.，大網(wǎng)電壓 VS=1 p.u.，其差值ΔV1也大于允許值。

將控制方法及策略應(yīng)用于仿真系統(tǒng)中的微電網(wǎng)控制，考察其并網(wǎng)的過渡過程，分析其控制效果，并與未加并網(wǎng)平滑切換控制的情況進(jìn)行對比分析。并網(wǎng)開關(guān)閉合后，微電源的控制方式均由v/f控制切換為PQ控制。

進(jìn)行并網(wǎng)切換控制時，相角在t=2.98 s時達(dá)到并網(wǎng)條件合閘;而不加切換控制時，相角在t=3 s時達(dá)到并網(wǎng)條件合閘，但此時微電網(wǎng)的頻率和電網(wǎng)卻沒有調(diào)整至允許的范圍，與大電網(wǎng)有一定偏差。為了進(jìn)行二者的對比，仿真圖中特將未加切換控制的并網(wǎng)時刻移至2.98 s，與加上調(diào)節(jié)環(huán)時的并網(wǎng)時刻重合。

所得仿真結(jié)果如圖6-圖10中實線所示，其中圖6為未加切換控制直接并網(wǎng)與采用控制策略后并網(wǎng)時開關(guān)兩側(cè)相角差的對比。2.9 s之前開關(guān)兩側(cè)的相角差都比較大，不適合并網(wǎng)，故圖中從2.9 s時刻開始比較分析。從圖中可以看出，直接并網(wǎng)時相角差為12°(圖中實線所示)，超出合閘允許范圍，加上控制策略后相角差為3°(圖中虛線所示)，相角差得到了改善;圖7和圖8是上述兩種情況下并網(wǎng)時微網(wǎng)的電壓和頻率波動曲線。而在t=0.2 s時刻加上控制環(huán)節(jié)之后，微網(wǎng)的電壓值升至0.95 p.u.，頻率升至49.8 Hz，達(dá)到并網(wǎng)要求，與直接并網(wǎng)相比頻率的震蕩程度明顯減小;圖9和圖10分別為負(fù)荷的有功功率和無功功率吸收情況?？梢钥闯鲋苯硬⒕W(wǎng)時切換過程震蕩幅度很大，而采用控制策略以后有了明顯改善，切換過程震蕩比較緩和。因此，該控制方法及策略可以嚴(yán)格控制電壓差、相角差和頻率差在允許范圍之內(nèi)，能有效的實現(xiàn)微網(wǎng)由獨立運(yùn)行向并網(wǎng)運(yùn)行的平滑切換。

4 結(jié)束語

通過上述微電網(wǎng)帶負(fù)荷并網(wǎng)對大電網(wǎng)影響的分析，提出了微電網(wǎng)并網(wǎng)控制方法及策略，設(shè)計了電壓調(diào)節(jié)器和頻率調(diào)節(jié)器，確保了電壓差、頻率差和相角差能控制在并網(wǎng)允許范圍之內(nèi)。通過仿真驗證，表明了該方法及策略能夠有效地實現(xiàn)微網(wǎng)的平滑切換。

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