分布式電源并網(wǎng)方式及控制策略研究

許磊，徐曄，侯朋飛，石朝泓，胡亞超

（解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，南京 210007）

0 引言

分布式電源（Distributed generations, DGs）能夠減少環(huán)境污染，就地消耗電力減少電能浪費(fèi)，具有很好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。在分布式電源與大電網(wǎng)的并網(wǎng)過程中需要解決到許多新技術(shù)問題，包括新的并網(wǎng)方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制技術(shù)等[1-2]。各分布式電源相互并聯(lián)形成微網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)新能源供電的有效形式，微網(wǎng)將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置及控制裝置等系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤島運(yùn)行[3]。

一段時(shí)間以來，微網(wǎng)一直是國(guó)內(nèi)外電氣工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，美國(guó)、歐盟、日本在相關(guān)方面都做了深入的研究，也開展了一些示范工程[4]。出于對(duì)本國(guó)本地區(qū)實(shí)際情況的考量，世界各地對(duì)微電網(wǎng)的研究側(cè)重點(diǎn)不盡相同，美國(guó)的電力工業(yè)側(cè)重于研究如何提高微電網(wǎng)的電能質(zhì)量和供電可靠性；歐洲微電網(wǎng)的研究更多關(guān)注于多個(gè)微電網(wǎng)的互聯(lián)問題；日本則側(cè)重于微電網(wǎng)控制與儲(chǔ)能方面的研究。近些年，我國(guó)在微電網(wǎng)方面加大了投入，也在全國(guó)各地建起了許多示范性的項(xiàng)目，但是我國(guó)的微網(wǎng)建設(shè)與研究還處于起步嘗試階段，還有諸多技術(shù)與實(shí)際問題亟待解決。

交流微網(wǎng)、直流微網(wǎng)、交直流混合微網(wǎng)是目前國(guó)內(nèi)外研究的分布式電源的三種典型的并網(wǎng)形式，微網(wǎng)研究主要涉及典型分布式電源特性研究，微網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)研究以及分布式電源并網(wǎng)過程中所用典型電力電子器件控制策略研究。本文詳細(xì)論述了交流微網(wǎng)、直流微網(wǎng)以及交直流混合微網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)，進(jìn)而研究了交流微網(wǎng)中關(guān)鍵器件控制策略以及直流微網(wǎng)典型分布式電源并網(wǎng)控制策略，最后通過對(duì)比分析不同微網(wǎng)研究現(xiàn)狀得出直流微網(wǎng)是分布式電源實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)更為簡(jiǎn)便、安全、可靠的結(jié)論。

1 交流微網(wǎng)

交流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1，各分布式電源通過電力變換裝置連接到交流母線然后以交流的形式對(duì)負(fù)載供電。交流微網(wǎng)中的分布式電源主要包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池、液流電池等，根據(jù)各分布式電源的發(fā)電特性不同，在其并網(wǎng)組成交流微網(wǎng)的過程中所涉及到的電力電子器件主要是DC/AC逆變器。依據(jù)逆變器所控制電氣參數(shù)的類型，逆變器的控制方式主要有：電壓控制方式及其衍生出的間接功率控制方式；由電流控制方式及其衍生出的直接功率控制[5]。

1.1 電壓控制策略

如圖2所示，該控制策略是將輸出電壓作為分布式電源逆變器的參考電壓，輸出電壓U(a,b,c)和參考電壓U(a,b,c)(ref)通過dq變換后得到直流電壓Ud和Uq，從而將三相對(duì)稱波形轉(zhuǎn)化為直流波形，PI 控制器的作用對(duì)參考電壓實(shí)現(xiàn)無差跟蹤。采用該控制方式在分布式電源孤島運(yùn)行時(shí)能夠?yàn)槲㈦娋W(wǎng)提供參考電壓和頻率。但是多個(gè)電壓控制型逆變器并聯(lián)會(huì)產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生許多問題，例如產(chǎn)生無功環(huán)流難以實(shí)現(xiàn)控制，不能限制故障電流以及對(duì)大電網(wǎng)產(chǎn)生干擾等。

圖1 交流微網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)

圖2 電壓控制策略框圖

1.2 間接功率控制模式

當(dāng)供電線路呈感性時(shí)，分布式電源輸出的有功功率和無功功率分別正比于輸出電壓的頻率和幅值，因而有功功率的解耦控制可通過調(diào)節(jié)輸出電壓幅值和頻率實(shí)現(xiàn)[6]，控制策略框圖如圖 3所示，有功功率P、無功功率Q的輸出量和參考值進(jìn)行比較后，將誤差量輸入到PI控制器，進(jìn)而得到輸出電壓波形的參考頻率和幅值。在該控制策略下，調(diào)節(jié)過程緩慢，調(diào)節(jié)質(zhì)量較差，且調(diào)節(jié)過程可能造成微電網(wǎng)的擾動(dòng)，但是由于其以電壓控制方式為基礎(chǔ)能夠?qū)ξ㈦娋W(wǎng)的電壓和頻率起支撐作用。

1.3 電流控制策略

如圖4所示，電流控制方式是以電流為被控量和參考，其基本結(jié)構(gòu)和電壓控制方式類似。在該控制方式下有功和無功能夠完全地實(shí)現(xiàn)解耦，短路電流也能夠得到限制，但是為了調(diào)節(jié)自身輸出功率因數(shù)角，該控制方式需要其他電源提供參考電壓。

1.4 直接功率控制策略

通過對(duì)三相電壓及電流波形進(jìn)行dq變換可知，在三相平衡條件下，電壓ud一定時(shí)，有功功率P和無功功率Q只與電流id和iq有關(guān)。如圖5所示，有功功率、無功功率完全解耦后得到兩個(gè)電流參考值id(ref)、iq(ref)，然后將得到的電流參考值輸入到電流控制器。該控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無功功率的完全解耦，調(diào)節(jié)過程較為平滑且時(shí)間短，但該控制方式也需要有外部電壓參照以計(jì)算出功率因數(shù)角和u的值。

2 直流微網(wǎng)

與交流微網(wǎng)類似，直流微網(wǎng)的微網(wǎng)的分布式電源同樣包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池等。只是各分布式電源通過電力變換裝置連接到直流母線，以直流的形式對(duì)負(fù)載供電。在直流微網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電單元和光伏陣列是主要發(fā)電單元，其典型特點(diǎn)是發(fā)電功率不可控，輸出功率受環(huán)境影響大。燃料電池具有工作溫度低、能量轉(zhuǎn)化效率高、對(duì)環(huán)境污染小等特點(diǎn)，但燃料電池動(dòng)態(tài)特性慢，因此通常使用超級(jí)電容補(bǔ)償。超級(jí)電容具有充放電速度快的特點(diǎn)，能夠快速補(bǔ)償由于發(fā)電單元發(fā)電量不足或負(fù)載突變而造成的直流母線電壓的變化[7]，直流微電網(wǎng)供電系統(tǒng)如圖6。

圖3 間接功率控制策略框圖

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制器

風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于受風(fēng)速大小的影響其輸出電壓的頻率和幅值很不穩(wěn)定，因此需要接入變流器并加以適當(dāng)?shù)目刂撇拍軌驅(qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)控制器主要通過轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)和電流控制環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。通過轉(zhuǎn)速控制環(huán)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)發(fā)出的功率總是保持在最大值。三相整流器輸入電流通過解耦分解為d和q軸電流id、iq，通過PI控制環(huán)和PWM發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，進(jìn)而對(duì)三相整流器進(jìn)行控制，使母線電壓趨于穩(wěn)定。其控制器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖4 電流控制策略框圖

圖5 直接功率控制策略框圖

2.2 光伏電池并網(wǎng)控制器

由于受天氣狀況影響光伏電池的輸出電壓變化范圍較大。為了實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定，需要接入DC/DC升壓變換器并加以適當(dāng)?shù)目刂破鳎?dāng)由于環(huán)境變化光伏電池的輸出電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，DC/DC升壓變換器的可控開關(guān)器件通過PI控制環(huán)實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷，進(jìn)而使母線電壓的實(shí)際值與設(shè)定的電壓參考值Udcref的誤差維持在允許的范圍之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)母線電壓的相對(duì)穩(wěn)定[8]。其控制器結(jié)構(gòu)如圖8所示。

2.3 超級(jí)電容控制器

根據(jù)超級(jí)電容特性可知其端電壓在充放電過程中變化較大，對(duì)超級(jí)電容而言其能量是雙向流動(dòng)的，因此可以接入雙向DC／DC變換器對(duì)其加以控制，半橋型雙向DC/DC結(jié)構(gòu)如圖10所示，超級(jí)電容對(duì)母線電壓的穩(wěn)定作用是通過彌補(bǔ)母線上能量的瞬時(shí)不平衡實(shí)現(xiàn)的。超級(jí)電容控制器的電流內(nèi)環(huán)采用滑?？刂茷樘岣呦到y(tǒng)的響應(yīng)速度和魯棒性。超級(jí)電容輸出電壓uDC和參考電壓UDCref的誤差量輸入到 PI控制器然后經(jīng)過超級(jí)電容限制函數(shù)得到超級(jí)電容輸出參考電流iSCref，滑?？刂破魍ㄟ^處理參考電流和采樣電流的誤差量得到控制量d3、d4，使輸出電壓漸進(jìn)跟蹤給定值[9]。

圖6 直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7 風(fēng)力發(fā)電單元控制器結(jié)構(gòu)圖

圖8 光伏發(fā)電單元控制器結(jié)構(gòu)圖

2.4 燃料電池控制器

燃料電池主要有直接電流控制和間接電流控制兩種控制方法[10,11]。直接電流控制法如圖8所示。超級(jí)電容端電壓USCea決定了燃料電池的工作狀態(tài)，超級(jí)電容的端電壓低于設(shè)定值時(shí)，燃料電池就會(huì)啟動(dòng)；超級(jí)電容的端電壓低于設(shè)定值時(shí)，燃料電池則會(huì)關(guān)閉。為使燃料電池啟動(dòng)后運(yùn)行在額定狀態(tài)下以保證工作效率，將燃料電池額定電流IFCN加以斜率限制得到參考電流iFCref，然后將參考電流與反饋電流的誤差量送入電流控制器產(chǎn)生變換器的觸發(fā)脈沖，通過控制變換器的開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池的控制。

3 交直流混合微網(wǎng)

交直流混合微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖9所示，在交直流混合微網(wǎng)中各分布式電源的并網(wǎng)控制策略與單純的交流和直流微網(wǎng)類似，但是相對(duì)于單純的交流和直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，又具有如下的特點(diǎn)[13]：①在交直流混合微網(wǎng)中，直流電源接入直流母線，交流電源接入交流母線，從而可以減少對(duì)DC/DC和DC/AC等電力電子器件的應(yīng)用；②在交直流混合微網(wǎng)中，直流負(fù)載由直流母線直接供電，交流負(fù)載由交流母線直接供電，可以減少用電設(shè)備對(duì)電力變換設(shè)備的應(yīng)用，進(jìn)而節(jié)約成本。因此采用交直流混合微電網(wǎng)的形式，可以省略許多變換環(huán)節(jié)和變換裝置，使微網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制更加靈活、損耗降低，提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

圖7 超級(jí)電容控制器結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

交流微網(wǎng)是目前微網(wǎng)的主要形式，但交流系統(tǒng)的控制策略和能量管理比較繁瑣復(fù)雜；直流系統(tǒng)不需要處理三相平衡問題，不需要很多輔助補(bǔ)償裝置來提高電能質(zhì)量，迅速發(fā)發(fā)展起來的分布式電源可以很容易的連接到直流系統(tǒng)而不是交流系統(tǒng)，且不需要考慮移相和頻率的協(xié)調(diào)，因此直流微網(wǎng)較交流微網(wǎng)在控制方面更容易實(shí)現(xiàn)；我國(guó)的微網(wǎng)尚處于起步階段，交直流混合微網(wǎng)更是處

圖8 燃料電池控制器結(jié)構(gòu)圖

于探索過程中，對(duì)于交直流混合微網(wǎng)的系統(tǒng)規(guī)劃、能量管理和最優(yōu)控制、保護(hù)策略尚沒有經(jīng)驗(yàn)可循，其關(guān)鍵設(shè)備和經(jīng)濟(jì)性也需要進(jìn)一步研發(fā)和論證。本文論述了交流微網(wǎng)關(guān)鍵器件控制策略以及直流微網(wǎng)典型分布式電源并網(wǎng)控制策略，同時(shí)提出了一種交直流混合微網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，最后通過對(duì)比分析不同微網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)指出分布式電源利用直流微網(wǎng)形式實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)更為簡(jiǎn)便、安全、可靠。

圖9 交直流混合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

[1]Kai Sun, Li Zhang, Yan Xing, et al. A distributed control strategy based on DC bus signaling for modular photovoltaic generation systems with battery energy storage [J]. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, 2011, 26(10):3032-3045.

[2]Y. W. Li and C. N. Kao, An accurate power control strategy for powerelectronics-interfaced distributed generation units operating in a low voltage multibus microgrid [J].IEEETrans.Power Electron, 2009,24(2):2977-2988.

[3]Marnay C, Robio F J, Siddiqui A S. Shape of the micro-grid [C]. IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, Columbus, OH, USA, 2001, 1:150-153.

[4]黃遜青. 直流家用電器時(shí)代即將來臨 [J]. 電器,2009(3): 62-63.

[5]曹旭, 葉建華. 微網(wǎng)分布式電源控制策略研究 [J].低壓電器, 2011,23（27）: 27-31.

[6]GUERRERO J M, VASQUEZ J C, MATAS J, et al.Control strategy for flexible microgrid based on parallel line-Interactive UPS systems［J］.IEEE Trans on Industrial Electronics, 2009, 56( 3) : 726-736.

[7]薛貴挺, 張焰, 祝達(dá)康. 孤立直流微電網(wǎng)運(yùn)行控制策略 [J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備. 2013, 33(3): 112-117.

[8]施婕, 艾芊. 直流微網(wǎng)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用 [J]. 現(xiàn)代建筑電氣. 2010, 6(1): 47-51.

[9]史君海. 光伏燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)與仿真研究［D］. 上海：上海交通大學(xué), 2008.

[10]THOUNTHONG P, RAEL S, DAVAT B. Control strategy of fuel cell and supercapacitors association for a distributed generation system ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54（6）：3225-3233.

[11]楊偉, 林弘, 趙虎. 燃料電池并網(wǎng)控制策略研究 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(21): 132-137.

[12]殷小港, 戴冬云, 韓云, 等. 交直流混合微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究 [J].高壓電器. 2012,48(9): 43-46.