基于分布式發(fā)電的微電網(wǎng)黑啟動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 針對(duì)電網(wǎng)故障的不可預(yù)測(cè)性，基于逆變器控制的基本原理，對(duì)鎖相環(huán)技術(shù)以及SPWM技術(shù)的數(shù)學(xué)建模分析，提出多種控制模式下微電網(wǎng)的黑啟動(dòng)控制策略。對(duì)分布式電源的控制方法進(jìn)行了研究，分析比較了微電網(wǎng)控制模式，并將逆變器的控制方法應(yīng)用到微電網(wǎng)控制中去，在此基礎(chǔ)上提出一種新型的恢復(fù)速度更快的并行恢復(fù)黑啟動(dòng)方案，基于Matlab對(duì)其進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了微電網(wǎng)串行恢復(fù)和并行恢復(fù)的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞： 微電網(wǎng)； 逆變器控制； 黑啟動(dòng)； 并行恢復(fù)

中圖分類號(hào)： TN915.03?34； TQ028.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）13?0140?05

Abstract： For the unpredictability of the power grid fault， the mathematical modeling of SPWM technology and phase?locked loop technology are analyzed based on the basic principle of inverter control. The microgrid black start control strategy under multiple control modes is put forward. In this paper， the control methods for distributed power are studied， and the microgrid control modes are analyzed and compared. The control method of the inverter is applied to the microgrid control. A new parallel black start scheme with fast recovery rate is proposed， and simulated with Matlab. The validity and feasibility of microgrid serial recovery and parallel recovery were verified.

Keywords： microgrid； inverter control； black start； parallel recovery

隨著全球工業(yè)化進(jìn)程不斷加速，各個(gè)國(guó)家對(duì)電力資源的需求飛速增長(zhǎng)，人們把越來(lái)越多的目光投向了既可以提高化石燃料的利用效率又能充分利用各種清潔能源的分布式發(fā)電技術(shù)[1]。進(jìn)而，以分布式電源為基礎(chǔ)的微電網(wǎng)成為了電網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢(shì)。但是，由于電網(wǎng)故障具有不可預(yù)測(cè)性，當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行出現(xiàn)故障，未能正確處理時(shí)，可能導(dǎo)致整個(gè)微電網(wǎng)全黑[2]。為了保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定供電，就要求微電網(wǎng)具有黑啟動(dòng)能力應(yīng)對(duì)不確定的事故。

本文針對(duì)各種微電源的特性，首先，對(duì)分布式電源控制技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)三種控制方式進(jìn)行仿真驗(yàn)證；其次，對(duì)比分析了微電網(wǎng)主從控制和對(duì)等控制方式的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)其性能進(jìn)行分析驗(yàn)證；最后，設(shè)計(jì)了一套含有串行恢復(fù)的分模塊并行恢復(fù)方案，并利用Matlab對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 分布式電源控制方法研究

分布式電源是微電網(wǎng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，而分布式電源是通過(guò)各種電力電子逆變器接口接入微電網(wǎng)的，所以對(duì)這種電源的控制可以轉(zhuǎn)化成對(duì)逆變器的控制。目前對(duì)逆變器的控制主要有三種方式：恒功率控制（PQ control）、恒壓恒頻控制（V/f control）以及下垂控制（Droop control）。

1.1 恒功率控制

恒功率控制是將無(wú)功電流和有功電流進(jìn)行解耦控制，利用PI調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，通過(guò)SPWM調(diào)節(jié)控制逆變器保證分布式電源輸出的有功功率和無(wú)功功率保持在一個(gè)固定值[3]。設(shè)計(jì)一個(gè)電流閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電流的實(shí)時(shí)跟蹤。控制器主要包括鎖相環(huán)、變換器、電流環(huán)控制以及SPWM控制。

1.2 恒壓恒頻控制

V/f控制使用電壓電流雙閉環(huán)控制方式，電壓外環(huán)使逆變器能夠穩(wěn)定輸出電壓，為其他分布式電源提供支持；電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減少諧波含量，提高微電網(wǎng)中各個(gè)微電源的可控性[4]。V/f控制主要應(yīng)用于主從控制模式中，主要作用是使微電網(wǎng)中的主控制器輸出的電壓和頻率在可調(diào)范圍之內(nèi)，使從控制單元不用承擔(dān)支撐微電網(wǎng)電壓頻率的任務(wù)，從而能夠正常穩(wěn)定輸出。

1.3 下垂控制

下垂控制器利用傳感器對(duì)逆變器輸出電壓電流進(jìn)行采樣，計(jì)算得到逆變器輸出的有功和無(wú)功功率，然后經(jīng)過(guò)下垂控制模塊得到電壓和頻率的參考值輸入給電壓電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)對(duì)參考值進(jìn)行跟隨，得到無(wú)靜差的正弦信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)SPWM調(diào)制，控制逆變器的開關(guān)管通斷。

2 微電網(wǎng)控制模式建模

2.1 主從控制模式

主從控制模式是指根據(jù)各個(gè)分布式電源的自身情況不同，運(yùn)用不同的控制策略，實(shí)現(xiàn)其不同的作用。微電網(wǎng)中，一個(gè)分布式電源作為主控制單元測(cè)量網(wǎng)側(cè)的各種電氣量，根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，而其他從控制單元通過(guò)通信線路與主控制單元相連接，按照給定進(jìn)行輸出，使整個(gè)電網(wǎng)的負(fù)載和輸出達(dá)到功率平衡[5]。主從控制中的主控制單元采用恒壓恒頻控制，輸出穩(wěn)定的電壓頻率，而其他從控制單元依然采用恒功率控制其輸出功率來(lái)維持系統(tǒng)與本地負(fù)荷的功率平衡。

2.2 對(duì)等控制模式

對(duì)等控制模式是指在整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)中，各個(gè)分布式電源在控制上都有著相等的地位，不存在從屬關(guān)系，每一個(gè)分布式電源都根據(jù)接入系統(tǒng)的電壓和頻率信息進(jìn)行控制。目前普遍使用的分布式電源的控制方法是Droop控制，各個(gè)微電源獨(dú)立運(yùn)行[6?7]。在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)的電壓幅值和頻率由配電網(wǎng)支撐，各個(gè)微電源按照額定功率輸出電能；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在孤島模式時(shí)，電網(wǎng)中的每一個(gè)采用下垂控制的分布式電源都參與到微電網(wǎng)的電壓和頻率的調(diào)節(jié)中。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，各個(gè)分布式電源自動(dòng)根據(jù)下垂系數(shù)分擔(dān)負(fù)載的變化量。

3 微電網(wǎng)黑啟動(dòng)

3.1 微電網(wǎng)恢復(fù)步驟

黑啟動(dòng)電源在輸出端為0的情況下，能夠自行進(jìn)行啟動(dòng)，建立微電網(wǎng)的電壓，并且?guī)?dòng)其他非黑啟動(dòng)的電源啟動(dòng)，逐漸擴(kuò)大微電網(wǎng)系統(tǒng)的容量，最終實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)在離網(wǎng)狀態(tài)下的正常帶載運(yùn)行，具體操作步驟如下：

斷開微電網(wǎng)中的本地負(fù)荷以及微電源；選擇黑啟動(dòng)電源；啟動(dòng)黑啟動(dòng)電源；模式切換與同期并列；啟動(dòng)非黑啟動(dòng)微電源，并入微電網(wǎng)中；增加微電網(wǎng)的本地負(fù)載。

3.2 傳統(tǒng)微電網(wǎng)串行恢復(fù)方案

串行恢復(fù)，啟動(dòng)順序?yàn)橛梢粋€(gè)黑啟動(dòng)電源啟動(dòng)，建立電網(wǎng)電壓頻率后，其余電源逐個(gè)啟動(dòng)，隨后組網(wǎng)[8]。微電網(wǎng)進(jìn)行串行恢復(fù)，首先柴油發(fā)電機(jī)在不連接外部電網(wǎng)的情況下進(jìn)行帶載自啟動(dòng)，建立起微電網(wǎng)的電壓和頻率，在運(yùn)行穩(wěn)定后，其余的兩個(gè)分布式電源采用恒功率控制進(jìn)行啟動(dòng)，直接并入主參考源中，電壓頻率跟隨柴油發(fā)電機(jī)，自身按照恒定的功率輸出。穩(wěn)定運(yùn)行后接入負(fù)載，微電源對(duì)輸出功率自行調(diào)整，保證輸出功率與負(fù)載平衡。

3.3 微電網(wǎng)并行恢復(fù)方案

按照?qǐng)D1設(shè)計(jì)黑啟動(dòng)方案，建立混合控制的微電網(wǎng)。在微電網(wǎng)黑啟動(dòng)初期，將微電網(wǎng)分成三個(gè)子模塊，其中一個(gè)模塊采用串行恢復(fù)，一個(gè)分布式電源采用恒壓恒頻控制，作為主參考源對(duì)電網(wǎng)中的重要負(fù)載供電，其余兩個(gè)模塊中的分布式電源采用下垂控制，保證能夠在黑啟動(dòng)的第一時(shí)間啟動(dòng)，保證負(fù)載的供電。由于采用下垂控制的逆變器抗擾動(dòng)能力較差，所以在分布式電源均啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行后，采用下垂控制的逆變器需要轉(zhuǎn)換控制模式，轉(zhuǎn)為恒功率控制，并入到主參考源中，這時(shí)整個(gè)微電網(wǎng)為主從控制模式，整個(gè)微電網(wǎng)的抗擾動(dòng)能力增強(qiáng)，能夠向負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。

4 仿真分析

4.1 基于分布式電源控制方法的仿真分析

4.1.1 基于Matlab/Simulink的PQ控制仿真

搭建基于PQ控制的三相逆變器運(yùn)行仿真模型，仿真分為主電路模塊和控制模塊。系統(tǒng)電壓為380 V，頻率為50 Hz。逆變器負(fù)載端帶有兩個(gè)負(fù)載，均為10 kW，初始狀態(tài)時(shí)load2是斷開的，0.5 s之后load2接入，觀察負(fù)載變化時(shí)逆變器和電網(wǎng)側(cè)輸出功率的變化，如圖2所示。

從圖2可知，逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率始終跟蹤給定值，不隨負(fù)載的變化而變化，符合恒功率控制原理，同時(shí)也驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

4.1.2 基于Matlab/Simulink的V/f控制仿真

在恒壓恒頻控制中微電源離網(wǎng)運(yùn)行，參考線電壓為380 V，頻率為50 Hz。帶有負(fù)載load1和load2，load1為5 kW，load2為10 kW，初始運(yùn)行時(shí)只接入load1，0.55 s后接入load2，觀察負(fù)載變化對(duì)V/f控制逆變器的影響，如圖3所示。

由圖3可得，無(wú)論負(fù)載如何變化，微電源輸出的電壓和頻率總是跟隨給定值，符合恒壓恒頻控制基本原理。而逆變器的輸出功率時(shí)刻跟隨負(fù)荷變化，說(shuō)明采用恒壓恒頻控制的逆變器需要有較大功率容量，輸出可調(diào)，隨時(shí)補(bǔ)充網(wǎng)內(nèi)功率缺額，可在微電網(wǎng)主從控制中作為主控制器使用。

4.2 基于微電網(wǎng)控制模式的仿真分析

4.2.1 主從控制仿真分析

搭建離網(wǎng)運(yùn)行下的主從控制仿真模型，模型中的參數(shù)如表1所示。根據(jù)搭建好的主從控制仿真模型，設(shè)計(jì)一系列開關(guān)動(dòng)作，初始運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行，接有本地負(fù)載load1，load2，0.1 s時(shí)將load2切出，0.2 s接入load3觀察負(fù)載變化對(duì)微電網(wǎng)的影響，0.3 s時(shí)將PQ控制的逆變器切出，如圖4所示。

由圖4可得，負(fù)載變化產(chǎn)生的功率變化均由采用恒壓恒頻控制的主控制器跟蹤。而且主控制器的暫態(tài)過(guò)程良好，對(duì)功率變化的響應(yīng)速度很快。由0.3 s時(shí)的仿真結(jié)果可以看出，主控制單元不僅僅承擔(dān)了負(fù)載的變化，還承擔(dān)了分布式電源的波動(dòng)。

4.2.2 對(duì)等控制仿真分析

利用Simulink搭建含有兩個(gè)分布式電源的微電網(wǎng)，兩個(gè)微電網(wǎng)均采用Droop控制，獨(dú)自采集本地電壓、電流和頻率信息，對(duì)逆變器進(jìn)行控制；兩個(gè)分布式電源都分別帶有本地負(fù)荷，微電網(wǎng)中還有一個(gè)公共可以切入切出的負(fù)荷，所有的逆變器和負(fù)荷通過(guò)母線與配電網(wǎng)相連，仿真中的配電網(wǎng)用大容量的三相交流電源代替。

設(shè)計(jì)對(duì)等控制仿真步驟：初始時(shí)，系統(tǒng)處于離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，0.3 s后系統(tǒng)與電網(wǎng)側(cè)斷開連接，進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，查看微電網(wǎng)并/離網(wǎng)狀態(tài)切換是否穩(wěn)定，以及系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行性能；0.8 s后系統(tǒng)重新離網(wǎng)運(yùn)行，1 s后將其中一個(gè)負(fù)載切出，1.2 s后接入另一個(gè)負(fù)載，通過(guò)開關(guān)模擬負(fù)載變化，驗(yàn)證其下垂特性以及功率跟蹤能力，如圖5所示。

從圖5（a）仿真結(jié)果可以得出，兩個(gè)逆變器快速進(jìn)行了響應(yīng)，重新分配功率輸出保證負(fù)載的供電，同時(shí)，驗(yàn)證了對(duì)等控制微電網(wǎng)在離網(wǎng)模式運(yùn)行時(shí)采用下垂控制策略的有效性。在圖5（b）的對(duì)等控制中，系統(tǒng)對(duì)單個(gè)微電源的依賴性不強(qiáng)，負(fù)載的變化由網(wǎng)內(nèi)的微電源共同承擔(dān)。

4.3 基于微電網(wǎng)黑啟動(dòng)仿真分析

4.3.1 基于串行恢復(fù)方案的仿真分析

柴油發(fā)電機(jī)作為主控制器，采用V/f控制運(yùn)行，額定線電壓的幅值為380 V，頻率為50 Hz，輸出功率可調(diào)，其余逆變器采用PQ控制，微電網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)見表2。

按照表3進(jìn)行黑啟動(dòng)操作，串行恢復(fù)負(fù)載功率仿真結(jié)果如圖6（a）所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，PQ控制逆變器能夠經(jīng)過(guò)自身的調(diào)解平定沖擊，將輸出恢復(fù)到設(shè)定值。在本地負(fù)載依次接入時(shí)，由于柴油發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的容量大，并且容量可調(diào)，保證了負(fù)載的穩(wěn)定供電。但是，由于使用柴油發(fā)電機(jī)作為黑啟動(dòng)電源，響應(yīng)速度較慢，建立網(wǎng)側(cè)電壓時(shí)間較長(zhǎng)，面對(duì)網(wǎng)側(cè)突變導(dǎo)致的頻率變化調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)，具體如圖6（b）所示。雖然順利完成黑啟動(dòng)，但是速度較慢。

4.3.2 基于并行恢復(fù)方案的仿真分析

建立由三個(gè)逆變器組成的微電網(wǎng)。采用V/f控制的微電源作為主參考電源，將微電網(wǎng)分成三個(gè)模塊，主模塊主參考源采用V/f控制進(jìn)行黑啟動(dòng)，其余模塊中微電源采用droop控制進(jìn)行啟動(dòng)，如表4所示。

按照表5進(jìn)行黑啟動(dòng)操作，并行恢復(fù)負(fù)載功率仿真結(jié)果如圖7（a）所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，利用這種方式進(jìn)行黑啟動(dòng)，所有負(fù)載第一時(shí)間恢復(fù)供電，其余時(shí)間只是逆變器的控制變換。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)各種微電源的特性以及控制方式，充分利用各個(gè)微電源的黑啟動(dòng)能力制定黑啟動(dòng)方案。主要對(duì)分布式電源的控制技術(shù)以及微電網(wǎng)的控制方式進(jìn)行了研究，確立了微電網(wǎng)黑啟動(dòng)的步驟，基于此結(jié)合并行恢復(fù)以及串行恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套含有串行恢復(fù)的分模塊并行恢復(fù)方案，并且通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的有效性和可行性。在以后的研究中，可從微電網(wǎng)的控制方式和控制器結(jié)構(gòu)等方向入手，研究如何減小功率沖擊。

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