基于模糊控制器的孤島微網(wǎng)低頻減載策略研究

葛宜然，葛 愿，黃 超

(安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

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基于模糊控制器的孤島微網(wǎng)低頻減載策略研究

葛宜然，葛 愿*，黃 超

(安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

在微網(wǎng)孤島模式下，由于分布式電源發(fā)電量和負(fù)載之間的不平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的變化過(guò)大，從而無(wú)法滿足電能質(zhì)量要求．提出一種基于模糊邏輯控制器的孤島模式下微網(wǎng)低頻減載策略，該控制策略包含模糊邏輯控制器和負(fù)載控制器，以頻率f和頻率變化率df/dt作為輸入，通過(guò)模糊控制器來(lái)預(yù)算需要切斷的負(fù)荷量△P，再由負(fù)載控制器完成對(duì)負(fù)載的切斷．基于Matlab/Simulink建立了光伏微網(wǎng)仿真模型，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提低頻減載策略的有效性．

微網(wǎng)；孤島模式；模糊邏輯控制器；頻率控制；低頻減載

隨著地球上石油、煤炭等不可再生能源的日漸減少，由各種形式的分布式電源(Distributed Generation，DG)、負(fù)荷和保護(hù)控制裝置組成的微網(wǎng)系統(tǒng)成為各個(gè)國(guó)家專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一[1-2]．

在微網(wǎng)的并網(wǎng)和孤島運(yùn)行時(shí)，頻率的穩(wěn)定一直都是電能質(zhì)量的重要標(biāo)志[3]．當(dāng)微網(wǎng)運(yùn)行于并網(wǎng)模式下，系統(tǒng)內(nèi)部頻率由大電網(wǎng)支持，DG一般按照m給定的值輸出有功功率和無(wú)功功率，即控制方式為P/Q控制．當(dāng)微網(wǎng)運(yùn)行于孤島模式下時(shí)，頻率則需要靠系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)．當(dāng)微網(wǎng)采用對(duì)等控制時(shí)，一般對(duì)各DG采用下垂控制方式；當(dāng)微網(wǎng)采用主從控制時(shí)，在系統(tǒng)中配置儲(chǔ)能單元，代替大電網(wǎng)來(lái)維持微電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定．儲(chǔ)能單元由蓄電池和超級(jí)電容組成，采用V/f控制，其他DG則繼續(xù)用P/Q控制．微網(wǎng)處于孤島模式下出現(xiàn)發(fā)電量和負(fù)荷量不平衡的情況時(shí)，儲(chǔ)能單元是無(wú)法完全平息頻率波動(dòng)的，因此，需要給出一種控制策略來(lái)解決此時(shí)的頻率波動(dòng)問(wèn)題．

低頻減載(Underfrequency Load Shedding，UFLS)是電力系統(tǒng)中用于抑制頻率下降和維持頻率穩(wěn)定的方法[4]．目前對(duì)微網(wǎng)中采用低頻減載策略的研究較少，因此，對(duì)于孤島模式下微網(wǎng)的低頻減載技術(shù)的研究很有意義．文獻(xiàn)[5]提出的計(jì)及負(fù)荷頻率特性的低頻減載方法，研究對(duì)象是大電網(wǎng)，不適于微電網(wǎng)系統(tǒng)．文獻(xiàn)[4]提出的基于PID算法，在微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)采用粗調(diào)輪、細(xì)調(diào)輪和緊急啟動(dòng)輪等控制策略．該策略需細(xì)化負(fù)荷量，且文中沒(méi)有給出具體計(jì)算方法．文獻(xiàn)[6]在多代理結(jié)構(gòu)下，提出了通過(guò)各代理信息交互來(lái)產(chǎn)生負(fù)載切除動(dòng)作，但此方法負(fù)載切除量不準(zhǔn)確．文獻(xiàn)[7-8]提出的用頻率和微電網(wǎng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)得到功率缺額的方法，然而微電網(wǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，等效的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不準(zhǔn)確，得到的功率缺額偏差較大．

圖1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

為了解決上述問(wèn)題，提出一種基于模糊邏輯控制器的孤島模式下微網(wǎng)低頻減載策略．利用頻率和頻率的變化率，并設(shè)置模糊規(guī)則，可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算功率缺額，最后通過(guò)負(fù)載控制器快速完成減載動(dòng)作．

1 微網(wǎng)仿真模型

建立微網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示．由圖1可知，微網(wǎng)仿真模型主要由微電源、儲(chǔ)能裝置、整流逆變裝置和負(fù)載等構(gòu)成．大電網(wǎng)上10 kV電壓經(jīng)變壓器得到380 V電壓光伏陣列，蓄電池和超級(jí)電容經(jīng)整流逆變裝置連接到微網(wǎng)交流母線上．負(fù)載分為可控負(fù)載和不可控負(fù)載,其中負(fù)載1、負(fù)載2、負(fù)載3為可控負(fù)載，通過(guò)可控開(kāi)關(guān)連接到微網(wǎng)交流母線;負(fù)載4為不可控負(fù)載，直接連到微網(wǎng)交流母線．微網(wǎng)交流母線和380 V外網(wǎng)之間通過(guò)公共連接點(diǎn)(PCC)連接．

光伏陣列功率為50 kW，采用最大功率點(diǎn)追蹤控制(MPPT)，可以讓光伏陣列在光照強(qiáng)度變化的同時(shí)保持最大功率發(fā)電[9]．30 kW的蓄電池和20 kW的超級(jí)電容組成混合儲(chǔ)能裝置，可以減少微電網(wǎng)中電壓波動(dòng)，提高頻率穩(wěn)定性[10]，同時(shí)能減緩并網(wǎng)離網(wǎng)模式切換瞬間的波動(dòng)．

2 基于模糊邏輯控制器的低頻減載策略

圖2 低頻減載控制器框圖

圖3 低頻減載控制流程圖

當(dāng)微網(wǎng)處于孤島模式下，負(fù)載量突然增加或微電源供能下降時(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率下降．當(dāng)混合儲(chǔ)能裝置也無(wú)法改善頻率下降時(shí)，則需要切除多余的負(fù)載來(lái)保證頻率在合適范圍內(nèi)．為了保證孤島模式下的頻率穩(wěn)定，提出一種基于模糊邏輯控制器的低頻減載策略．策略中所用的低頻減載控制器包含模糊邏輯控制器和負(fù)載控制器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載饋線上的頻率f和頻率變化率df/dt，將f和df/dt作為模糊邏輯控制器的輸入，模糊邏輯控制器輸出為預(yù)計(jì)切負(fù)載量△P．再將△P作為負(fù)載控制器的輸入值，由負(fù)載控制器控制斷路器，按序按量實(shí)施減載動(dòng)作．低頻減載控制器框圖如圖2所示．當(dāng)微網(wǎng)中各微電源都以最大功率輸出且頻率f仍然低于設(shè)定值49.8 Hz時(shí)，即實(shí)施低頻減載策略．微電網(wǎng)孤島模式下低頻減載控制流程如圖3所示．

3 模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)

模糊邏輯控制系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示．由圖4可知，模糊邏輯控制器的輸入量為f和df/dt，輸出量為功率缺額△P．對(duì)輸入量f、df/dt和輸出量△P進(jìn)行模糊分割并確定其隸屬函數(shù)．其中頻率的模糊子集F(f)={NL(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)}；頻率變化率的模糊子集F(df/dt)={NL(負(fù)大)，NS(負(fù)小)，PS(正小)，PL(正大)}；切負(fù)載量的模糊子集F(△P)={S(小)，M(中)，L(大)}．隸屬函數(shù)均采用三角形法表達(dá)．模糊邏輯控制器輸入量和輸出量的隸屬函數(shù)分布圖如圖5、圖6、圖7所示．由圖7可知，輸出量△P為小，表示切除占總負(fù)載量0～20%的負(fù)載；△P為中，表示切除占總負(fù)載量20%～50%的負(fù)載；△P為大，表示切除占總負(fù)載量50%～80%的負(fù)載．

圖4 模糊邏輯控制系統(tǒng)框圖

對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理后，則需要設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則庫(kù)．根據(jù)之前設(shè)計(jì)的模糊集合，列出模糊邏輯控制規(guī)則如表1所示.

圖5 頻率的隸屬函數(shù) 圖6 頻率變化率的隸屬函數(shù)

圖7 切負(fù)載量的隸屬函數(shù)

表1 模糊邏輯控制規(guī)則表

4 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提低頻減載方案的有效性，按上述微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在Matlab/Simulink中建立微網(wǎng)仿真模型 ．微網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式，光伏陣列容量為50kW，鉛酸蓄電池容量為30 kW，超級(jí)電容容量為20 kW．負(fù)載按百分比分為負(fù)載1、負(fù)載2、負(fù)載3．其中負(fù)載1占總負(fù)載的20%，負(fù)載2占總負(fù)載的30%，負(fù)載3占總負(fù)載的30%，剩下的20%為不可切除負(fù)載．仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)考慮了兩種情況下的低頻，一種為當(dāng)供能充足時(shí)，系統(tǒng)突增負(fù)載導(dǎo)致的低頻；另一種為系統(tǒng)供能不足時(shí)導(dǎo)致的低頻.分別對(duì)這兩種情況造成的低頻進(jìn)行仿真分析．

系統(tǒng)過(guò)載時(shí)導(dǎo)致的低頻，將未采用和采用控制策略的系統(tǒng)頻率曲線進(jìn)行對(duì)比如圖8所示．由圖8可知，系統(tǒng)提供的額定功率為100 kW，在0～0.5 s時(shí)，系統(tǒng)供能充足，頻率穩(wěn)定；0.5 s時(shí)，突加50 kW且不采用低頻減載控制策略時(shí)，頻率從50 Hz下降到49.4 Hz左右，即當(dāng)前頻率不滿足負(fù)荷需求；當(dāng)采用低頻減載控制策略時(shí)，切除負(fù)載1和負(fù)載2，頻率穩(wěn)定在49.9 Hz左右，即滿足負(fù)荷需求，也達(dá)到了所提低頻減載策略的預(yù)期效果．

在0.5 s突加負(fù)載的情況下，負(fù)載控制器切除的負(fù)載量如圖9所示．由圖9可知，P1、P2、P3分別代表負(fù)載1、負(fù)載2和負(fù)載3的負(fù)載功率．P1和P2在0.5 s后功率為0，說(shuō)明負(fù)載1和負(fù)載2被切除；P3為30 kW，即負(fù)載3未被切除；負(fù)載3的30 kW和不可切除負(fù)載的20 kW，再加上突增的50 kW負(fù)載，剛好等于系統(tǒng)提供的額定功率100 kW．因此也證明了負(fù)載3不需要切除．

圖8 突曾負(fù)載未采用和采用控制策略的系統(tǒng)頻率 圖9 負(fù)載功率

系統(tǒng)供能不足導(dǎo)致的低頻，將未采用和采用控制策略的系統(tǒng)頻率曲線進(jìn)行對(duì)比如圖10所示.由圖10可知，由于分布式電源的供電間斷性，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)供能不足的情況．當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)供能不足，仿真時(shí)假設(shè)此時(shí)系統(tǒng)只能提供50 kW功率，而負(fù)載量則為100 kW．不采用低頻減載控制策略時(shí)，頻率從50 Hz下降到49.5 Hz左右；當(dāng)采用低頻減載控制策略時(shí)，經(jīng)0.1 s的調(diào)整，最終頻率大致穩(wěn)定在49.85 Hz左右．在供能不足情況下，負(fù)載控制器切除的負(fù)載量如圖11所示．由圖11可知，P1和P2為0，說(shuō)明此時(shí)負(fù)載1和負(fù)載2已經(jīng)被切除；P3是負(fù)載3的負(fù)載功率，為30 kW，未被切除；負(fù)載3的30 kW和不可切除負(fù)載的20 kW，也剛好等于供能不足時(shí)系統(tǒng)提供的50 kW功率，也證明了負(fù)載3不需要切除．

從仿真結(jié)果可以看出，對(duì)于這兩種不同情況造成的低頻，所提出的低頻減載策略都可以較為有效快速地切除負(fù)載，并使頻率在期望范圍內(nèi)．

圖10 供能不足時(shí)未采用和采用控制策略的系統(tǒng)頻率 圖11 負(fù)載功率

5 結(jié)論

在Matlab/Simulink中建立了包含光伏陣列、蓄電池和超級(jí)電容以及控制器等的微電網(wǎng)孤島仿真模型．通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在不同低頻情況下，所提出的基于模糊控制的低頻減載策略的有效性和可靠性．微電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定是整個(gè)系統(tǒng)可靠性的標(biāo)志之一，研究考慮了在低頻情況下的切負(fù)載控制．當(dāng)微電網(wǎng)的微電源發(fā)電多余或造成高頻情況時(shí)，則需要提出一種高頻切機(jī)策略，來(lái)維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定．低頻減載和高頻切機(jī)結(jié)合使用，才能有效地維持微電網(wǎng)在孤島模式下的頻率穩(wěn)定，這也是下一步的研究目標(biāo)．

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Study on Underfrequency Load Shedding Strategy for Islanded Microgrid Based on Fuzzy Controller

GE Yi-ran，GE Yuan*，HUANG Chao

(College of Electrical Engineering,Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

In islanded mode of microgrid,due to the imbalance between distributed generators and loads,the change of system frequency is too large,to meet the requirements of power quality.This paper presents an underfrequency load shedding(UFLS) strategy in islanded mode of microgrid based on fuzzy logic controller. The control strategy includes a load controller and a fuzzy logic controller. With the input of frequency f and rate of change of frequency df/dt,the fuzzy logic controller budgets the load capacity △P to be cut off.Then,the load will be cut off by the load controller.A photovoltaic microgrid model is set up with Matlab/simulink,and the result of simulation experiment verifies the effectiveness of the proposed under-frequency load shedding strategy.

microgrid;islanded mode;fuzzy logic controller;frequency control;underfrequency load shedding

1672-2477(2016)05-0080-05

蕪湖市科技計(jì)劃重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(2014CXY05)

葛宜然(1991-)，男，安徽合肥人，碩士研究生.

葛 愿(1979-)，男，安徽蕪湖人，教授，碩導(dǎo).

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