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    微電網(wǎng)孤立與重連的控制策略綜述

    2017-11-28 15:41:37何世雄袁三男田梁玉
    山東工業(yè)技術 2017年23期
    關鍵詞:微電網(wǎng)控制策略

    何世雄 袁三男 田梁玉

    摘 要:在集中式大電網(wǎng)的發(fā)展遇到瓶頸的背景下,微電網(wǎng)的研究得到了廣泛的關注。目前微電網(wǎng)的研究熱點在于微電網(wǎng)的運行控制策略和經(jīng)濟性評估2個方面,該文目的在于闡述微電網(wǎng)的運行控制策略,即實現(xiàn)微電網(wǎng)的運行方式的無縫切換。論文重點討論并網(wǎng)模式的控制策略、孤島模式的控制策略,最后結(jié)合當前并、離網(wǎng)控制策略的優(yōu)缺點對進一步的發(fā)展研究進行展望。

    關鍵詞:微電網(wǎng);控制策略;無縫切換

    DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.159

    傳統(tǒng)的大電網(wǎng)具有較長的建設周期、復雜的網(wǎng)絡結(jié)構、資源的不合理浪費和環(huán)境造成的污染等缺點,已經(jīng)成為人們關注的焦點,為了解決這些問題,人們將關注點轉(zhuǎn)移到了小型的微電網(wǎng)[1-2]。微電網(wǎng)能夠提供對于整合大量分布式電源應用到電網(wǎng)并提供了可靠的電力到關鍵負載的最有前途的手段。微電網(wǎng)連接了分布式電源和負載,相對于輸電網(wǎng)來說是一個可控的單一實體。微電網(wǎng)可以并網(wǎng)運行也可以脫網(wǎng)運行,最引人注目的特征是在突發(fā)狀況時可以孤立自身,在大電網(wǎng)檢修或者電能質(zhì)量下降時它也會選擇性的斷開,一旦電網(wǎng)恢復正常工作,微電網(wǎng)又可以在沒有中斷的情況下連接到大電網(wǎng)。提供了更高的穩(wěn)定性,能源的安全性和保證性,并對重要重要的系統(tǒng)效率的改善方面打開了通道。近年來,歐美等發(fā)達國家基于各國電力系統(tǒng)的實際現(xiàn)狀提出了相應的微電網(wǎng)概念和發(fā)展目標,開展了相關的微電網(wǎng)示范工程項目的研究,對相關的概念進行了驗證、控制策略進行了測試及運行特征的研究并取得了一定的成果。我國微電網(wǎng)起步雖晚一些,但國家能源局已明確提出加快推進新能源微電網(wǎng)示范工程建設,探索適應新能源發(fā)展的微電網(wǎng)技術及運營管理體制。微電網(wǎng)的控制方面關注點主要有:保持穩(wěn)定、調(diào)節(jié)電壓和頻率、適當?shù)挠泄蜔o功負載分擔以及更快更容易的實現(xiàn)孤立和重連。微電網(wǎng)孤立和重連的難點在于不同的運行模式下微電源的運行狀態(tài)發(fā)生了變化,對微電網(wǎng)的電壓和頻率造成了一定程度的波動影響。

    本文針對近年來微電網(wǎng)孤立和重連的控制策略的新方案和新進展,對并網(wǎng)模式的控制策略與孤島模式的控制策略等2個方向進行綜述,并結(jié)合未來微電網(wǎng)的發(fā)展進行展望。

    1 并網(wǎng)模式的控制策略

    微電網(wǎng)中的分布式電源一般可分為連續(xù)型微電源和非連續(xù)型微電源。非連續(xù)型微電源主要包括風力發(fā)電和光伏發(fā)電等間歇性的新能源,連續(xù)型微電源有微型燃氣輪機等用于控制功率的能源。風力發(fā)電容易受風力的影響,光伏發(fā)電容易受陽光的影響,這種清潔新電源受天氣和環(huán)境的影響較大,通常采用最大功率跟蹤法。微型燃氣輪機是以可燃性氣體或液體為燃料的能同時產(chǎn)生電能和熱能,控制方法較為靈活,通常采用恒功率控制或恒壓恒頻控制。

    并網(wǎng)運行模式是指微電網(wǎng)與大電網(wǎng)互聯(lián),微電網(wǎng)與大電網(wǎng)同電壓、同頻率,兩者之間存在功率交換。工作模式可以理解為當負荷比重較大,微電網(wǎng)滿足不了發(fā)電需求時,由大電網(wǎng)提供額外的電能;而負荷比重較小、微電網(wǎng)有多余發(fā)電量時,微電網(wǎng)可以將多余的電反饋到大電網(wǎng)。當微電網(wǎng)獨立于大電網(wǎng)這個主網(wǎng)時,微電網(wǎng)就是小型的供電系統(tǒng),它能調(diào)控和監(jiān)測小單元內(nèi)的負荷用戶的需求?;谥鲝慕Y(jié)構的微電網(wǎng)在并網(wǎng)時通常采用PQ控制策略,可以保證恒功率的輸出,缺點是不能保證電壓和頻率的穩(wěn)定。采用PQ控制的微電網(wǎng)主逆變器通常以單電流環(huán)結(jié)構運行,其控制原理為:給定的功率值與實測的功率值做偏差,通過PI控制器的調(diào)節(jié)輸出電流的參考值,從而得出各分布式電源的恒定功率輸出值??紤]到控制的難易程度以及功率的最大化利用,風力發(fā)電、光伏發(fā)電[3-7]等間歇性電源通常采用PQ控制。

    PQ控制可以輸出有功和無功的參考值,但此控制方式下的控制器不能保證微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定,當微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的負荷發(fā)生變化時,會引起電壓和頻率的波動,并影響大電網(wǎng)的穩(wěn)定性。由于并網(wǎng)時各分布式微電源連接在大電網(wǎng)上,因此可以直接采用大電網(wǎng)的電壓和頻率作為基準。

    PQ控制器的原理圖如圖1所示:

    三相電壓源型逆變器輸出的三相電壓和三相電流進行Park變換,轉(zhuǎn)換成dq軸的電壓分量以及電流分量。通過功率計算可得到有功功率和無功功率的實測值,將功率給定值和實測值做偏差運算,將其偏差通過比例積分(PI)控制后得出相應的電流分量的參考值,并與dq軸實測的電流值相減然后進行無靜差控制調(diào)節(jié),引入PCC電壓前饋補償,并考慮到耦合分量的解耦,得到逆變器的dq軸的參考電壓分量。參考電壓經(jīng)過反Park變換和SPWM調(diào)制,可以獲得正旋調(diào)制信號,再將其輸送到三相電壓源型逆變器,從而實現(xiàn)PQ解耦的恒功率控制。

    2 孤島模式的控制策略

    在微電網(wǎng)脫離主網(wǎng)孤立運行時,微電網(wǎng)就是一個完全獨立的體系,因此電壓和頻率就需要由電壓源來提供。輸出功率恒定的燃氣輪機、功率密度高的超級電容器、能量密度大的蓄電池等可加以控制的電源、儲能設備[8-11]在孤島運行模式時一般通過恒壓恒頻(V/f) 控制,來保證電壓和頻率的穩(wěn)定。

    V/f控制是由下垂控制演變而來的,下垂控制[12-14]是根據(jù)微電網(wǎng)的控制目標,選擇與傳統(tǒng)發(fā)電機相似的下垂特性曲線來模擬各分布式電源的逆變器控制方式,即分別通過P/f下垂控制和Q/V下垂控制來獲取恒定的電壓和頻率,下垂控制通常是在微電網(wǎng)采取對等控制結(jié)構時各逆變器采取的一種控制策略,采用下垂控制策略時無需分布式電源之間的信息聯(lián)絡就可以確保微電網(wǎng)在孤島運行時電壓和頻率的穩(wěn)定,逆變器利用下垂特性工作時的方程如式(4)所示:

    控制原理圖如圖2所示:

    分布式電源逆變器進行恒壓恒頻控制的目的是無論這些微電源的輸出功率如何變化,其輸出電壓的幅值和頻率的變化均要在可允許的范圍內(nèi)(一般規(guī)定電壓偏差,為額定電壓;頻率偏差),確保微電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行?;谥鲝目刂频哪孀兤髟谖㈦娋W(wǎng)孤立運行時通常采用V/f控制來保證系統(tǒng)所需要維持的電壓和頻率的穩(wěn)定,V/f控制是確保微電網(wǎng)的輸出電壓和頻率跟隨系統(tǒng)的預設值,采用電壓電流雙閉環(huán)控制運行,外環(huán)通常用于內(nèi)環(huán)需要的電壓、電流參考信號,內(nèi)環(huán)通過這些信號再產(chǎn)生電壓源所需要的電壓,經(jīng)過矢量控制反饋到逆變器中。其控制結(jié)構圖如圖3所示:endprint

    3 微電網(wǎng)無縫切換控制策略

    微電網(wǎng)從并網(wǎng)運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換到孤島運行狀態(tài)或者從孤島運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換到并網(wǎng)運行狀態(tài)時,存在縫隙時間,這段時間由于狀態(tài)的突發(fā)改變會導致頻率和電壓發(fā)生波動,波動對電網(wǎng)會造成一定程度的影響,因此學者們提出了無縫切換的控制策略,以保證微電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定,避免波動對電網(wǎng)造成影響。文獻[15]-[17]針對微網(wǎng)的孤島模式進行了研究,文獻[18]將系統(tǒng)并網(wǎng)與離網(wǎng)運行模式結(jié)合在一起設計基于直流母線電壓信息的協(xié)調(diào)自治控制方案,根據(jù)當前直流母線電壓實現(xiàn)并網(wǎng)、離網(wǎng)運行的無縫切換。文獻[19]提出了一種基于頻率電壓分區(qū)控制的微電網(wǎng)運行控制策略來實現(xiàn)孤島型微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。文獻[20]提出一種雙向AC-DC切換控制方法來研究微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。文獻[21]提出基于主從結(jié)構的控制策略,利用并網(wǎng)預同步算法減小電流沖擊來穩(wěn)定微電網(wǎng)的切換運行。文獻[22]提出了一種基于PQ控制器初始輸出狀態(tài)對V/f控制器輸出狀態(tài)同步跟隨的平滑切換方法。文獻[23]-[27]針對微電網(wǎng)的切換過程進行了研究,文獻[24]提出了微電網(wǎng)的拓撲結(jié)構,通過對控制算法的改進來實現(xiàn)了交直流微電網(wǎng)的平滑切換,文獻[25]通過對下垂控制和V/f控制的切換來實現(xiàn)微電網(wǎng)的平滑轉(zhuǎn)換。文獻[26]提出了改進的并/離網(wǎng)下垂但模式切換方法,并在切換前對逆變器功率輸出進行調(diào)整,實現(xiàn)并/離網(wǎng)平滑無縫切換。文獻[28]-[30]利用功率—頻率—電壓的變化來檢測微電網(wǎng)的穩(wěn)定程度,并采取相應的控制策略來實現(xiàn)微電網(wǎng)切換過程的穩(wěn)定。文獻[31]介紹了模糊控制與下垂控制的結(jié)合控制策略。文獻[32]提出了完全分布式的多代理系統(tǒng)控制方法。文獻[33]-[34]針對直流微電網(wǎng),分別提出了直流母線信號控制策略與含負荷功率自動分配的協(xié)調(diào)控制策略。文獻[35]提出了虛擬子微電網(wǎng)穩(wěn)定控制策略。

    3.1 并網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島模式的平滑切換控制策略

    當微電網(wǎng)從并網(wǎng)運行模式向孤島運行模式切換時,存在兩種情況,即自由切換和非自由切換。自由切換主要是出于運行或檢修的需要,微電網(wǎng)管理中心根據(jù)相應的需求提前做好切換準備,并選擇適宜的時機進行切換,以確保切換能夠平穩(wěn)的進行;非自由切換主要由電網(wǎng)故障或其他異常情況引起的,通過檢測大電網(wǎng)側(cè)電壓,如果滿足并網(wǎng)要求則繼續(xù)檢測,如果大電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障或異常,則微電網(wǎng)便會斷開PCC點處靜態(tài)開關,進入孤島運行[36]。

    自由切換時的控制策略為:當微電網(wǎng)中心控制器發(fā)出切換指令時,首先對儲能裝置進行充電,保證儲能設備有一定的容量,若連接在微電網(wǎng)的所有負載所需要的功率大于所有分布式能源提供的滿功率的8層,此時保留重要負載,而將非重要負載有選擇性的暫時切離,通過對所有分布式能源的出力進行控制使其達到當前能輸出的滿功率的8層,通過對脫網(wǎng)前負載功率的控制使其達到與分布式能源所發(fā)的功率基本等同,分布式能源另外的2層發(fā)電功率分配在孤島時的功率控制。若負載所需的功率總和還不到分布式能源所發(fā)功率的8層,則控制分布式能源的輸出,滿足于負載所需功率即可。將儲能裝置的模式切換成V/f控制策略,通過狀態(tài)跟蹤器,使孤島模式運行時的狀態(tài)分量同步到并網(wǎng)時刻運行的狀態(tài)量,而后通過切出靜態(tài)開關,使微網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣铝⒌倪\行體系,從而實現(xiàn)微電網(wǎng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島運行。

    非自由切換時的控制策略即應對主網(wǎng)突發(fā)狀況時主逆變器采取的控制策略,這種非常規(guī)情況下的突發(fā)事件有時會造成極大的影響,因此很有必要對此作出研究。文獻[25]研究了應對電網(wǎng)突發(fā)狀況的非計劃性孤島,通過對故障的檢測,分段開關檢測到并作出相應的控制指令,使并網(wǎng)狀態(tài)平滑的切換到孤立狀態(tài),當故障消除,恢復電網(wǎng)正常運行時,再通過并網(wǎng)預同步的操作,使微網(wǎng)實現(xiàn)重連。對于切換時間的要求通常要小于10毫秒。

    3.2 孤島轉(zhuǎn)為并網(wǎng)模式的平滑切換控制策略

    微網(wǎng)在孤島運行時,所需的電壓和頻率都是由電壓源提供的,因此當微網(wǎng)重新連接到主網(wǎng)工作時,必須將電壓和頻率進行調(diào)整,即預同步處理。在預同步階段有了改進的相位控制方法和微網(wǎng)鎖相環(huán)控制等處理方法,當電壓幅值和頻率的偏差在一定的范圍內(nèi)符合并網(wǎng)的運行條件,就可以將運行模式切換成并網(wǎng)時的控制策略,同時接通靜態(tài)開關,使微網(wǎng)重新接入主網(wǎng)。并網(wǎng)時的難點就是預同步處理,如何控制微電網(wǎng)的輸出電壓使其頻率和相位達到主網(wǎng)的允許誤差范圍要求。

    3.2.1 改進的相位控制

    傳統(tǒng)的相位控制法在并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島狀態(tài)時,主逆變器的相角來源發(fā)生了變化,即并網(wǎng)時相角來自主網(wǎng),孤島時相角來自于控制器,因此這種相角的狀態(tài)就不統(tǒng)一,有可能引起相位的躍變;其次,進行預同步操作時,主逆變器的參考電壓相角和主網(wǎng)電壓的相角并不同步,存在一定的偏差,在進行PI調(diào)節(jié)時,不能解決頻率的增量問題。改進后的相位控制法,在原有結(jié)構的基礎上,通過構造2個包含主網(wǎng)電壓相角和主逆變器參考電壓相角的變量,使其等式平衡為零,同時構造一個帶有閉環(huán)反饋的PI控制環(huán)節(jié)。當?shù)仁綖榱銜r,主網(wǎng)電壓相角和主逆變器的參考電壓相角處在同一狀態(tài),同時由于閉環(huán)的控制環(huán)節(jié),消除了頻率的增量,從而達到并網(wǎng)所需的條件,實現(xiàn)孤島到并網(wǎng)的轉(zhuǎn)換。

    3.2.2 微網(wǎng)鎖相環(huán)的控制

    采用微網(wǎng)鎖相環(huán)結(jié)構的預同步處理措施一般分為三步控制方案:首先是電網(wǎng)電壓的動態(tài)監(jiān)測,在微網(wǎng)與主網(wǎng)并聯(lián)運行時,由于微網(wǎng)的電壓和頻率都是以主網(wǎng)為基準的,因此就需要一個監(jiān)測器對主網(wǎng)實時跟蹤來確保微網(wǎng)和主網(wǎng)相位的信息;其次是微網(wǎng)孤立于主網(wǎng)獨立運行時,需要對相位進行鎖定,以確保電壓的角度不會發(fā)生變化,并保證頻率的平穩(wěn)運行;最后是微網(wǎng)重新連接到主網(wǎng),通過監(jiān)測器得到主網(wǎng)的電壓和頻率的信息,然后微網(wǎng)的對頻率和電壓做一定的補償,當兩者的條件都符合并網(wǎng)條件時,就可以使微網(wǎng)重新接入到主網(wǎng)并網(wǎng)運行。

    4 討論與展望

    隨著大電網(wǎng)的弊端日益突出,微電網(wǎng)的靈活性突顯,大電網(wǎng)與微電網(wǎng)的協(xié)同運行將成為發(fā)展趨勢,對于大電網(wǎng)和微電網(wǎng)之間的運行切換要求也越來越高:endprint

    (1)微電網(wǎng)要能實現(xiàn)被動切換的無縫連接。對于非計劃性故障,如何通過對電壓或頻率的快速檢測,采取相應的控制策略,解決電網(wǎng)的波動問題將成為切換運行的一大難點。

    (2)對于切換的時間要有較高的精確度。在切換過程中,要考慮孤島檢測的時間以及靜態(tài)開關的動態(tài)延遲時間對轉(zhuǎn)換過程的影響。

    (3)減少模式的切換次數(shù)。將主從結(jié)構與下垂控制結(jié)合來改善模式轉(zhuǎn)換的效果取得了一定的成果,但是切換次數(shù)較多容易出現(xiàn)失誤,研制出混合控制的算法減少切換的次數(shù)將成為研究的新問題。

    5 結(jié)論

    本文針對并網(wǎng)模式的控制策略、孤島模式的控制策略以及兩者運行模式的平滑切換控制策略進行了綜述,對PQ控制策略和V/f控制策略以及平滑切換的控制策略行了闡述和分析,探討了對被動切換的控制策略以及切換時間和次數(shù)的研究方向,對并、離網(wǎng)平滑切換的研究有一定的參考意義。

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    作者簡介:何世雄(1991-),男,山西臨汾人,碩士研究生,主要研究方向:微電網(wǎng)的控制策略和經(jīng)濟性分析等。

    *為通訊作者endprint

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