微電網(wǎng)帶負(fù)荷并網(wǎng)切換控制策略研究

李興旺,李金鑫,朱建軍,王燕廷,李洪立

(1.國網(wǎng)襄陽襄州供電公司,湖北 襄陽 441000;2.國網(wǎng)襄陽供電公司 檢修分公司,湖北 襄陽 441100;3.齊齊哈爾市電業(yè)局,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

(1.Xiang zhou Area of Xiangyang Power Supply Company,State Grid Xiangyang 441000,China;2.Maintenance Branch, State Grid Xiangyang Power Supply Company, Xiangyang 441100, China；3.Qiqihar Electric Power Bureau, Qiqihar 161006, China)

微電網(wǎng)帶負(fù)荷并網(wǎng)切換控制策略研究

李興旺1,李金鑫1,朱建軍2,王燕廷3,李洪立1

(1.國網(wǎng)襄陽襄州供電公司,湖北 襄陽 441000;2.國網(wǎng)襄陽供電公司 檢修分公司,湖北 襄陽 441100;3.齊齊哈爾市電業(yè)局,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

為研究微電網(wǎng)由孤島運(yùn)行狀態(tài)平滑切換到并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的控制策略,以下垂孤島控制方式的微電網(wǎng)為研究對象,利用MATLAB/simulink軟件建立了微電網(wǎng)模型,提出了基于電壓和頻率調(diào)節(jié)環(huán)及狀態(tài)跟隨的控制策略,使微網(wǎng)根據(jù)大網(wǎng)調(diào)節(jié)自身的電壓和頻率,有效減小了微電網(wǎng)兩種運(yùn)行狀態(tài)切換過程中的暫態(tài)振蕩,實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)由孤島到并網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑切換。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制方法及策略的有效性。

微電網(wǎng);下垂控制;平滑切換;控制策略

(1.Xiang zhou Area of Xiangyang Power Supply Company,State Grid Xiangyang 441000,China;2.Maintenance Branch, State Grid Xiangyang Power Supply Company, Xiangyang 441100, China；3.Qiqihar Electric Power Bureau, Qiqihar 161006, China)

微電網(wǎng)有孤島與并網(wǎng)兩種運(yùn)行狀態(tài)[1-2]。正常情況下,微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行,大電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)過渡到孤島運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)大電網(wǎng)故障解除后,微電網(wǎng)又可以從孤島運(yùn)行狀態(tài)平滑切換到并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),從而保證向微電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)負(fù)荷不間斷供電[3]。因此,實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式向并網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑過渡,可減小切換過程中的暫態(tài)振蕩對微電網(wǎng)所帶負(fù)荷的影響,保證微電網(wǎng)的可靠供電[4]。

目前,國內(nèi)外專家主要從微網(wǎng)的模型、保護(hù)和控制等方面進(jìn)行了研究,并取得了一定的成果。文獻(xiàn)[5]用PSCAD仿真軟件建立了微電網(wǎng)模型,通過仿真軟件研究了微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行切換至獨(dú)立運(yùn)行過程中的暫態(tài)振蕩情況。文獻(xiàn)[6]通過對下垂控制方式的微電網(wǎng)孤島運(yùn)行小信號穩(wěn)定分析獲得了一些規(guī)律。文獻(xiàn)[7]利用MATLAB/simulink軟件建立了微電網(wǎng)模型,提出了基于狀態(tài)跟隨的控制器平滑切換的控制方法。文獻(xiàn)[8]對微電網(wǎng)在下垂控制的孤島運(yùn)行模式下,多機(jī)協(xié)調(diào)出力的控制策略進(jìn)行了研究。但對微電網(wǎng)由下垂控制方式下的孤島運(yùn)行模式向并網(wǎng)運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)平滑切換的控制策略還沒有深入的研究。因此,本文提出了基于電壓、頻率調(diào)節(jié)環(huán)和基于狀態(tài)跟隨的控制器平滑切換的控制方法,有效抑制了微電網(wǎng)從孤島向并網(wǎng)運(yùn)行切換時(shí)的暫態(tài)振蕩,并通過仿真驗(yàn)證了所提出控制方法和策略的有效性。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)介紹

1.1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分析

本文建立的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。微電源由三相電壓源型逆變器設(shè)計(jì)而成,所帶負(fù)荷是RLC并聯(lián)負(fù)荷。微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)采用下垂控制方式,由自身提供電壓和頻率;切換至并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)采用PQ恒功率控制方式,由大電網(wǎng)提供電壓和頻率以及調(diào)節(jié)。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 并網(wǎng)控制器模型

并網(wǎng)控制器為PQ控制,控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示,分為兩部分:功率外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制。其中外環(huán)控制是恒功率控制,并為內(nèi)環(huán)控制器提供電流參考值。

圖2 并網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)

1.3 孤島控制器模型

孤島控制器由下垂控制和電壓控制兩部分組成。下垂控制部分利用下垂特性對功率進(jìn)行合理分配[9],所得參考值可以直接用于微電源的控制。由于這是一種單環(huán)控制,微電源的輸出電壓受負(fù)荷不對稱和非線性的影響較大。下垂控制增加了電壓控制,為避免產(chǎn)生電壓波動,將其輸出值提供給電流內(nèi)環(huán)控制器做為電流參考信號。下垂控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 下垂控制器結(jié)構(gòu)

2 基于調(diào)節(jié)環(huán)的切換控制方法及仿真研究

微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行狀態(tài)下采用下垂控制方式時(shí),微電網(wǎng)與大電網(wǎng)在電壓和頻率上會分別有一個(gè)偏差。如果偏差超過允許范圍,強(qiáng)行并網(wǎng),會在狀態(tài)過程中產(chǎn)生較大振蕩,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此,在下垂控制器中加入電網(wǎng)電壓和頻率調(diào)節(jié)環(huán),使微網(wǎng)電壓和頻率能夠跟蹤到大網(wǎng)并自動調(diào)節(jié),從而減小與大電網(wǎng)的偏差,最終實(shí)現(xiàn)平滑切換,如圖4所示。

圖4 下垂控制中電壓和頻率調(diào)節(jié)器

具體實(shí)現(xiàn)方法如下:頻率調(diào)節(jié)器首先將大網(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)器并除以下垂系數(shù)KP,加入到有功功率給定值Pref側(cè),然后微電網(wǎng)根據(jù)其調(diào)節(jié)自身有功功率的輸出,進(jìn)而通過調(diào)節(jié)自身的頻率與大網(wǎng)頻率一致,從而減小并網(wǎng)時(shí)與大電網(wǎng)的頻率差值;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,然后除以下垂系數(shù)KQ,加入到無功功率給定值Qref上,微電網(wǎng)以此調(diào)節(jié)自身無功的輸出,進(jìn)而通過調(diào)節(jié)自身的電壓與大網(wǎng)電壓保持一致,從而減小并網(wǎng)時(shí)與大電網(wǎng)的電壓差值,符合并網(wǎng)要求。

下面通過仿真驗(yàn)證控制策略的有效性。仿真參數(shù)設(shè)定:電壓基準(zhǔn)值Vbase=310 V,功率基準(zhǔn)值Sbase=10 kVA;微電源額定功率Pref=0.4(p.u.),Qref=0.1(p.u.);微電源電壓VDG=380 V,頻率fDG=50 Hz;電網(wǎng)電壓VS=380 V,頻率fS=50 Hz;線路參數(shù)Rg=3 Ω,Xg=0.1 Ω,Rl=0.2 Ω,Xl=0.03 Ω;負(fù)荷額定功率為Pload=4000 W,Qload=1000 var;在0.5 s時(shí)微電網(wǎng)由孤島運(yùn)行模式切換到并網(wǎng)運(yùn)行模式。仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 切換過程中微電網(wǎng)電壓和頻率波形

Fig.5 Micro grid voltage and frequency waveform in switching process

圖6 切換過程中微電網(wǎng)有功和無功波形

Fig.6 Micro grid active and reactive waveform in switching process

從圖5、圖6仿真結(jié)果可以看出:在加入控制策略之前,切換過程中微網(wǎng)電壓U和頻率f的振蕩比較厲害,振幅也較大;加入控制策略之后電壓和頻率的振蕩明顯得到改善,但有功功率輸出P和無功功率輸出Q在切換過程的波動還是比較大。為解決這一問題,本文在此基礎(chǔ)上加入了基于狀態(tài)跟隨的切換控制方法。

3 基于狀態(tài)跟隨的切換控制方法

微電網(wǎng)孤島控制器和并網(wǎng)控制器完全不相同,因此要實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)從孤島到并網(wǎng)的平滑切換,就要同時(shí)通過邏輯開關(guān)實(shí)現(xiàn)孤島控制器到下垂控制器的切換。切換控制器結(jié)構(gòu)如圖7所示,其中孤島控制器為下垂控制方式,并網(wǎng)控制器為PQ控制方式。

當(dāng)微電網(wǎng)由孤島運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換到并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí),控制器由下垂孤島控制切換到PQ并網(wǎng)控制,但在兩種控制方式切換過程中會產(chǎn)生較大的暫態(tài)振蕩,如圖8所示。

圖7 切換控制器結(jié)構(gòu)

圖8 并網(wǎng)切換過程微網(wǎng)的電壓和頻率波形

Fig.8 Voltage and frequency waveform of micro grid in synchronize and close switching process

通過對圖7、圖8分析發(fā)現(xiàn),暫態(tài)振蕩是由于切換過程中孤島控制器與并網(wǎng)控制器的狀態(tài)不匹配造成的。當(dāng)下垂孤島控制器運(yùn)行時(shí),PQ并網(wǎng)控制器也一直在運(yùn)行,致使兩種控制器輸出狀態(tài)不同,切換時(shí)造成控制器輸出發(fā)生跳變,從而在切換中發(fā)生振蕩。為解決這些問題,采取了狀態(tài)跟隨的控制方法,其控制結(jié)構(gòu)如圖9所示。將下垂控制器的輸出與PQ控制器的輸出差值作為PQ控制器的一個(gè)輸入,使PQ控制器在并網(wǎng)之前能跟隨下垂控制器的輸出,從而使兩個(gè)控制器的輸出狀態(tài)能夠保持一致。孤島運(yùn)行時(shí),K1、K4閉合,K2、K3開關(guān)打開;切換時(shí),K1、K4打開,K2、K3開關(guān)閉合。

在加入電壓和頻率調(diào)節(jié)環(huán)的基礎(chǔ)上,同時(shí)加入狀態(tài)跟隨策略,可以更加有效解決并網(wǎng)過程中的暫態(tài)振蕩問題。仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。其中,虛線為控制器上只加有電壓、頻率調(diào)節(jié)器時(shí)各參數(shù)在切換過程中的暫態(tài)波形,實(shí)線為在加有電壓、頻率調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上,同時(shí)加入狀態(tài)跟隨控制時(shí)各參數(shù)的暫態(tài)波形。

圖9 基于狀態(tài)跟隨的切換控制圖

圖10 并網(wǎng)切換過程中微網(wǎng)電壓和頻率波形

Fig.10 Voltage and frequency waveform of micro grid in synchronize and close switching process

圖11 并網(wǎng)切換過程中微網(wǎng)有功和無功波形

Fig.11 Active and reactive waveform of micro grid in synchronize and close switching process

從圖10、圖11可以看出,兩種控制策略同時(shí)運(yùn)用時(shí),切換過程中微網(wǎng)電壓U和頻率f的暫態(tài)振蕩幅值更小,有功輸出P和無功輸出Q的振蕩幅度也得到有效控制。

4 結(jié) 論

1) 采用逆變器為接口的微電網(wǎng)模型,設(shè)計(jì)了下垂孤島控制和PQ并網(wǎng)控制器,并提出了微電網(wǎng)由孤島運(yùn)行向并網(wǎng)運(yùn)行切換過程的控制方法及策略。設(shè)計(jì)了電壓和頻率調(diào)節(jié)器,有效減小了電壓和頻率的暫態(tài)振蕩,并通過仿真驗(yàn)證了控制策略的有效性。

2) 提出了基于狀態(tài)跟隨的切換控制策略,克服了電壓和頻率調(diào)節(jié)器的不足,更為有效地減小了微電網(wǎng)由孤島運(yùn)行模式切換到并網(wǎng)運(yùn)行模式過程中產(chǎn)生的暫態(tài)振蕩,實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)的平滑切換,并通過仿真驗(yàn)證了控制策略的有效性。

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(責(zé)任編輯 侯世春)

Control strategies of smooth-switching for microgrid connecting to grid with loads

LI Xingwang1, LI Jinxin1, ZHU Jianjun2,WANG Yanting3,LI Hongli1

In order to study the control strategy for smooth-switching of microgrid from islanded mode to parallel mode, this paper, taking the microgrid with droop control operating in islanded mode, establishes microgrid mode by MATLAB/simulink, proposes a corresponding control strategy adjusting the voltage and frequency, and another control strategy based on controller status followed, so microgrid can adjust the voltage and frequency according the grid. These strategies can reduce the transient oscillations in the switching of microgrid, and achieve the smooth-switching of microgrid from islanded mode to parallel mode. The simulation proves the effectiveness of the control strategies.

microgrid; droop control; smooth-switching; control strategies.

2015-02-20。

李興旺(1985—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)。

TM732

A

2095-6843(2015)04-0353-04