微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行模式下的控制方法研究

李令儀

摘? 要：文章針對(duì)于微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行下的情況，結(jié)合微電源不同控制方法的特征，選取PQ控制法對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行控制。在MATLAB/Simulink環(huán)境中搭建仿真模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并分析該方法的性能。所得仿真結(jié)果驗(yàn)證了PQ控制法運(yùn)用在微電網(wǎng)并網(wǎng)情況下的有效性和正確性。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng);新能源;并網(wǎng)運(yùn)行;PQ控制法

中圖分類號(hào)：TM727? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）14-0132-02

Abstract： In this paper， according to the situation of microgrid operation， combined with the characteristics of different control methods of micropower supply， PQ control method is selected to control the microgrid. The simulation model is built in MATLAB/Simulink environment， and the performance of the method is analyzed. The simulation results verify the effectiveness and correctness of PQ control method in the case of microgrid connection.

Keywords： microgrid; new energy; grid-connected operation; PQ control method

引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)低碳環(huán)保要求的不斷提高，電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)模逐漸擴(kuò)大，越來(lái)越多的微電源加入到了電網(wǎng)中。傳統(tǒng)集中式大電網(wǎng)存在以下弊端：化石能源容易對(duì)環(huán)境造成污染，加快了全球氣候變暖的進(jìn)程，不符合當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展的要求，而對(duì)于供電難度大、地理位置偏遠(yuǎn)的地區(qū)，用于輸電線路架設(shè)和維護(hù)的成本都很高。

分布式發(fā)電技術(shù)的產(chǎn)生可以適當(dāng)解決上述問(wèn)題，提高電力系統(tǒng)供電的可靠性，以更好滿足用戶對(duì)較高電能質(zhì)量的需求。但是在微電網(wǎng)中同樣存在著一些問(wèn)題，部分基于新能源發(fā)電的微電源無(wú)法提供恒定的功率，這將嚴(yán)重影響微電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與可靠性。因此，為了電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)微電源的控制方法進(jìn)行選取與研究是十分有必要的。

針對(duì)于各種微電源控制方法的研究，已取得許多成果。文獻(xiàn)[2]介紹了不同類型的微電源，描述了微網(wǎng)中微電源控制方法的研究現(xiàn)狀;文獻(xiàn)[3]提出了一種戶用型微電網(wǎng)恒功率控制方法，通過(guò)設(shè)計(jì)一種P-I控制器對(duì)母線功率進(jìn)行控制;文獻(xiàn)[7]針對(duì)微電網(wǎng)中含有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的情況，將PQ控制與自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制方法相結(jié)合進(jìn)行控制，該方法有效性較高?？梢?jiàn)，不同情形下使用的微電源控制方法存在著一定差別。

微網(wǎng)中微電源的種類很多，如輸出功率不穩(wěn)定的光伏發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電等新能源類微電源，它們?nèi)菀资艿酵獠恳蛩氐挠绊?，無(wú)法提供穩(wěn)定的輸出功率。為保證微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的安全性與穩(wěn)定性，必須對(duì)這類微電源采取適當(dāng)?shù)目刂品椒?。針?duì)此種情況，希望微電網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)達(dá)到輸出功率恒定的效果，因此采取恒功率控制方法較為合適[1]。

本文重點(diǎn)研究了微電網(wǎng)并網(wǎng)情況下恒功率控制法的性能。在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中搭建微電網(wǎng)并網(wǎng)模型，采用PQ控制法進(jìn)行控制，檢測(cè)系統(tǒng)中的各參數(shù)，如頻率、電壓等，根據(jù)仿真結(jié)果，分析該方法的可行性及有效性。

1 微電源控制方法

為使微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)，需對(duì)其中微電源的控制方法進(jìn)行分析研究。微電源的控制方式主要有三種：恒功率控制、恒壓恒頻控制及下垂控制[4]?；谖㈦娫葱再|(zhì)的不同，對(duì)于不同種類的微電源所選取的控制方法也不同[5]。對(duì)于無(wú)法提供恒定功率的新能源微電源，常采用PQ控制改善輸出功率及輸出電壓的不穩(wěn)定性;對(duì)于輸出較為穩(wěn)定的微電源，既可以采用PQ控制，也可以采用V/f、Droop控制來(lái)保證運(yùn)行的穩(wěn)定性。

微電源在孤網(wǎng)、并網(wǎng)以及兩種狀態(tài)之間相互切換的模式下，也存在著不同的控制方式[6]。當(dāng)微電網(wǎng)接入大電網(wǎng)后，因微電網(wǎng)的容量太小，主要由大電網(wǎng)來(lái)承擔(dān)調(diào)壓調(diào)頻的任務(wù)，只需控制微電源輸出功率的大小使之與微電網(wǎng)功率相協(xié)調(diào)，該情況多采用PQ控制法對(duì)微電源進(jìn)行控制。而當(dāng)微電網(wǎng)處于孤網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，通常采用V/f控制或Droop控制方法。

2 恒功率（PQ）控制原理

恒功率控制也稱為PQ控制，一般用于微電網(wǎng)并網(wǎng)模式[6]。其控制目標(biāo)是使分布式電源輸出的有功、無(wú)功功率值向其功率參考值方向進(jìn)行改變，并最終根據(jù)設(shè)定值的大小進(jìn)行輸出。

在此控制策略中，首先給系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)參考有功功率和無(wú)功功率值，將測(cè)得的微電源輸出電壓進(jìn)行dq變換：通常首先通過(guò)同步鎖相環(huán)技術(shù)，使微電源的旋轉(zhuǎn)角頻率與大電網(wǎng)相同，后經(jīng)過(guò)dq變換將逆變器輸出電壓從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)變到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，完成有功分量與無(wú)功分量的解耦。再將解耦后的有功、無(wú)功功率分別與給定值相比較，通過(guò)微電源輸送相應(yīng)的有功、無(wú)功功率差值。

3 并網(wǎng)模式下的PQ控制

在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中，搭建如圖2所示的微電網(wǎng)并網(wǎng)模型。大電網(wǎng)用380V三相交流電源代替，頻率為工頻50Hz，三相交流電源用以維持微電網(wǎng)的頻率和電壓。分布式電源由受控源模擬，受控源發(fā)出的直流電經(jīng)IGBT Inverter逆變?yōu)榻涣麟姡鹘?jīng)LCL濾波器濾過(guò)諧波，后通過(guò)變壓器升壓后接入電網(wǎng)。系統(tǒng)所接負(fù)荷的有功功率為10kW，無(wú)功為0Var。整個(gè)仿真分析過(guò)程的時(shí)間設(shè)置為5s。

為模擬在微電網(wǎng)并網(wǎng)情況下微電源受環(huán)境影響輸出功率發(fā)生改變以及用戶端負(fù)荷量變化時(shí)的情況，本文擬對(duì)PQ控制模型下的電源輸出電壓突變以及所接負(fù)載功率突變兩方面進(jìn)行研究。

3.1 電源輸出電壓突變

針對(duì)電源輸出電壓突變情況考慮到分布式電源多具有輸出隨機(jī)性的特點(diǎn)，選取階躍信號(hào)作為受控源的輸入。階躍信號(hào)的初始值為90，在0.3s時(shí)，將其從90突降到70并保持到仿真結(jié)束。故受控源的起始電壓幅值為90V，0.3s后降至70V，以此模擬電源輸出電壓的突變情況。運(yùn)行過(guò)程中，檢測(cè)并記錄系統(tǒng)中的各項(xiàng)參數(shù)，其中頻率f的變化情況如圖3。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，當(dāng)微電源電壓發(fā)生突變時(shí)，系統(tǒng)電壓及頻率幾乎可維持不變，且不產(chǎn)生波動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)的電壓幅值和頻率均保持在規(guī)定范圍。系統(tǒng)電流有輕微下降，因電壓保持不變，所以系統(tǒng)有功功率也隨之下降。總體而言，該方法在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的情況下可以有效保證在負(fù)載功率突變的情況下系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，具有一定的有效性。

3.2 負(fù)載功率突變

針對(duì)負(fù)載功率突變情況，整個(gè)系統(tǒng)共接有兩個(gè)負(fù)載R和R1，負(fù)荷R通過(guò)斷路器breaker2接入系統(tǒng)中，通過(guò)timer模塊控制斷路器，設(shè)定在0.3秒時(shí)負(fù)載R退出系統(tǒng)，0.4s時(shí)又將負(fù)載R接入系統(tǒng)。運(yùn)行過(guò)程中，檢測(cè)并記錄系統(tǒng)內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，其中頻率f的變化情況如圖4。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，當(dāng)系統(tǒng)接入的負(fù)荷發(fā)生突變時(shí)，系統(tǒng)輸出的電壓和電流幾乎不發(fā)生變化，此時(shí)系統(tǒng)頻率發(fā)生微小波動(dòng)，但仍滿足±2%的誤差以內(nèi)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響。因此該方法可以有效保證在負(fù)載功率突變的情況下系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)討論了恒功率控制法，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中對(duì)微電源的PQ控制法進(jìn)行了仿真模擬，驗(yàn)證了該方法在微電網(wǎng)并網(wǎng)情況下的可行性。PQ控制能有效保證系統(tǒng)的電壓值與頻率不受外界影響，系統(tǒng)內(nèi)的電壓、頻率的變化量主要由電網(wǎng)來(lái)承擔(dān)，且PQ控制響應(yīng)速度快，波動(dòng)時(shí)間短，能較快使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可以有效保證系統(tǒng)內(nèi)部的電能質(zhì)量。該仿真結(jié)果為微電網(wǎng)中微電源控制方法的選取提供了一定的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚遠(yuǎn)鋒.微電網(wǎng)并網(wǎng)的控制策略研究與應(yīng)用[D].燕山大學(xué)，2016.

[2]婁寶磊，周楨鈞.交流微電網(wǎng)中微電源控制研究綜述[J].中國(guó)電力，2016，49（S1）：138-143.

[3]康家玉，劉甲琛，王素娥.戶用型微電網(wǎng)恒功率控制方法的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（24）：151-153+159.

[4]呂婷婷.微電源控制方法與微電網(wǎng)暫態(tài)特性研究[D].山東大學(xué)，2010.

[5]陳汝昌，陳飛，張帆，等.新能源電網(wǎng)中微電源并網(wǎng)控制策略研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（12）：55-60.

[6]郭文明，劉仲，牟龍華.微電源控制策略及微電網(wǎng)分層管理體系[J].電器與能效管理技術(shù)，2015（24）：64-70.

[7]唐昆明，王俊杰，張?zhí)?基于自適應(yīng)下垂控制的微電網(wǎng)控制策略研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016，44（18）：68-74.