微電網(wǎng)并離網(wǎng)切換控制策略

文/馮詩(shī)揚(yáng) 崔雙喜

近年來，隨著化石能源日益枯竭，分布式發(fā)電技術(shù)日益成熟，將分布式電源、儲(chǔ)能與負(fù)荷元件等組成的獨(dú)立供電系統(tǒng)以微電網(wǎng)的形式接入配電網(wǎng)，在實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，提高了電能質(zhì)量和供電可靠性。所以，微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制技術(shù)吸引了眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行深入分析與研究。

一般情形下，微電網(wǎng)有兩種運(yùn)行方式：離網(wǎng)、并網(wǎng)。當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時(shí)，將立即斷開微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的連接，改由微電網(wǎng)為負(fù)荷提供所需功率。在電能質(zhì)量滿足要求或是修復(fù)出現(xiàn)的故障后，重新并網(wǎng)。所以，在切換并離網(wǎng)模式的過程中，存在控制策略的切換，過渡時(shí)易產(chǎn)生較大的沖擊，而如何平滑的完成過渡成為微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 微電網(wǎng)整體控制技術(shù)

1.1 主從控制

主從控制是以微電網(wǎng)中某個(gè)分布式電源作為主控單元，其他分布式電源作為從控單元。主控單元為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐，借助主控單元的指令，從控單元進(jìn)行相應(yīng)無功與有功頻率的輸出。

微電網(wǎng)主從控制一般應(yīng)用在孤島模式下，當(dāng)微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式向離網(wǎng)模式進(jìn)行切換，就會(huì)與配電網(wǎng)斷開，前者提供的頻率與電壓也會(huì)消失，負(fù)荷的電壓和頻率就由微電網(wǎng)模塊單元提供，所以微電網(wǎng)模塊需由具備一定范圍的可調(diào)容量且具有快速動(dòng)作能力的分布式電源作為主控單元，為微電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐。而從單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)提供用戶需要的能量。

1.2 對(duì)等控制

對(duì)等控制是指所有參與頻率和電壓控制的分布式電源保持地位一致的狀態(tài)，各控制器具有平等關(guān)系，根據(jù)接入點(diǎn)的本地信息進(jìn)行控制。由于地位相同，所以在功率平衡的前提下，任意一個(gè)分布式電源的接入或離開并不影響其他分布式電源的設(shè)置。而分布式單元保持著各自獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)輸送功率的平衡。搭建對(duì)等控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠使微電網(wǎng)擺脫對(duì)通訊裝置的依賴，實(shí)現(xiàn)即插即用。

2 微電網(wǎng)逆變器控制方法

微電網(wǎng)逆變器常用控制方法有：下垂控制、恒壓恒頻率控制、恒功率控制等?？刂茽顟B(tài)不同，采用的控制方法也不同。

2.1 恒壓恒頻控制

如果受外界因素影響，逆變器的輸出功率出現(xiàn)變化，不管是逆變器的頻率或電壓，均會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)；控制示意圖可見圖1。

圖1

由圖1能夠看出，當(dāng)系統(tǒng)的無用功率與有用功率P2，Q2向Q1，Q3與P1，P3移動(dòng)，電壓與頻率由A點(diǎn)向B點(diǎn)或是C點(diǎn)移動(dòng)，能夠使頻率與電壓不發(fā)生變化。

在此模式下，運(yùn)用V/f控制一般能夠提供獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng)系統(tǒng)需要的穩(wěn)定頻率與電壓，保障隨負(fù)荷的波動(dòng)微電網(wǎng)輸出的無功與有功功率也會(huì)有相應(yīng)變化。

2.2 下垂控制

下垂控制策略主要來源于同步發(fā)電機(jī)，通過對(duì)有功及無功功率之間對(duì)頻率的解耦，對(duì)逆變器的無功與有功功率進(jìn)行測(cè)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身頻率與電壓幅值的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到電壓頻率的調(diào)節(jié)。因此，下垂控制能夠應(yīng)用到高壓網(wǎng)絡(luò)中，而低壓網(wǎng)絡(luò)應(yīng)自身電路具有的感性分量遠(yuǎn)超出阻性分量，使得線路阻抗向感性轉(zhuǎn)變，才能夠在低壓網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用下垂控制。下垂控制主要由兩種方式構(gòu)成；其一為無功-電壓、有功-頻率。其二為有功-電壓、無功-頻率。前者更多在感性高壓系統(tǒng)應(yīng)用，后者更多在低壓阻性控制系統(tǒng)應(yīng)用。

2.3 恒功率控制

微電網(wǎng)逆變器如果采用恒功率控制，就需要對(duì)配電網(wǎng)的頻率與電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后結(jié)合整定值作相關(guān)比較。因此種方法的控制效果相對(duì)突出，一般在并聯(lián)模式的小容量微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用。其有以下主要特點(diǎn)：如果外界因素干擾到微電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率或是電壓，逆變器的輸出功率仍舊能夠圍繞參考值作小幅波動(dòng)。

3 并離網(wǎng)切換控制

一般情況下，微電網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)模式下，電壓和頻率是與大電網(wǎng)同步的。但是，如果大電網(wǎng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致電壓與頻率的波動(dòng)較大，無法滿足負(fù)荷需求，那么微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)Πl(fā)生的孤島現(xiàn)象作出檢測(cè)，并同步切換至離網(wǎng)模式，由此使得微電網(wǎng)連接的重要負(fù)荷能夠正常運(yùn)行。待大電網(wǎng)故障消除且供電恢復(fù)后，切換回并網(wǎng)模式。但是，與大電網(wǎng)的頻率和電壓進(jìn)行比較，微電網(wǎng)逆變器在離網(wǎng)模式運(yùn)行是不具有相同的輸出電壓及頻率的，強(qiáng)行并網(wǎng)會(huì)對(duì)設(shè)備、以及人員安全造成威脅。因此，需要采取預(yù)同步措施調(diào)整頻率與電壓，然后進(jìn)行并網(wǎng)。

3.1 并網(wǎng)切換至離網(wǎng)

微電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠在并網(wǎng)和離網(wǎng)運(yùn)行模式之間實(shí)現(xiàn)平滑切換，這是微電網(wǎng)得以正常運(yùn)行的關(guān)鍵。在并網(wǎng)模式下，有兩種情形需要向離網(wǎng)模式切換：

（1）大電網(wǎng)需進(jìn)行維護(hù)，那么應(yīng)采取人工方式進(jìn)行向離網(wǎng)模式的主動(dòng)切換。

（2）大電網(wǎng)事故，需控制微電網(wǎng)間的靜態(tài)開關(guān)進(jìn)入斷開狀態(tài)，進(jìn)行向離網(wǎng)模式的被動(dòng)切換。

不管切換是被動(dòng)或是主動(dòng)，均需要保障控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行隨時(shí)切換，保障系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行。所以，在進(jìn)行微電網(wǎng)的模式切換時(shí)，對(duì)頻率與電壓可能出現(xiàn)的波動(dòng)，需要采取相應(yīng)措施以使得模式切換不影響重要負(fù)載的正常運(yùn)行。

如果大電網(wǎng)與微電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)，那么與負(fù)荷消耗的頻率相比較，系統(tǒng)輸出的頻率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出。如果微電網(wǎng)逆變器由并網(wǎng)模式向離網(wǎng)模式切換，那么輸出電壓幅值會(huì)升至給定參考值。由于從并網(wǎng)運(yùn)行切換到離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)下垂控制的逆變器輸出頻率與電壓幅值不會(huì)出現(xiàn)較大變化，相位也不存在突變，使得電網(wǎng)能夠由并網(wǎng)模式實(shí)現(xiàn)向離網(wǎng)模式的平滑切換，保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.2 離網(wǎng)切換至并網(wǎng)

如果大電網(wǎng)出現(xiàn)故障，需控制微電網(wǎng)間的靜態(tài)開關(guān)進(jìn)入斷開狀態(tài)，進(jìn)行向離網(wǎng)模式的切換，由此使得微電網(wǎng)連接的重要負(fù)荷能夠正常運(yùn)行。待大電網(wǎng)故障被消除且供電恢復(fù)后，微電網(wǎng)會(huì)切換回并網(wǎng)模式。但是，與大電網(wǎng)的頻率和電壓進(jìn)行比較，微電網(wǎng)逆變器在離網(wǎng)模式運(yùn)行有著較大的輸出電壓及頻率，如果貿(mào)然實(shí)施并網(wǎng)，則會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，危及設(shè)備和人員的安全。離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)通過負(fù)荷的電流為：

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)通過負(fù)載的電流為：

從式（1）、（2）得出：

由式（3）能夠看出，如果逆變器的輸出頻率、電壓幅值、相位三者之間不能夠完全一致，那么就使并出現(xiàn)并網(wǎng)沖擊電流：

（1）當(dāng)UDG=Ug=U，w1=w2=w，φ1≠φ2時(shí)，

由于φ1-φ2≠0，則ΔiL≠0，產(chǎn)生沖擊電流。

（2）當(dāng)w1=w2=w，φ1=φ2=φ，UDG≠Ug時(shí)，

由于UDG-Ug≠0，則ΔiL≠0，產(chǎn)生沖擊電流。

（3）當(dāng)φ1=φ2=φ，UDG=Ug=U，w1≠w2時(shí)，

由于w1-w2≠0，則ΔiL≠0，產(chǎn)生沖擊電流。

由此看出，如果逆變器的輸出頻率、電壓幅值、相位三者之間不能夠完全一致，那么就導(dǎo)致并網(wǎng)有沖擊電流產(chǎn)生。所以，在并網(wǎng)前，控制系統(tǒng)需采取手段消除以上因素的影響，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并網(wǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)微電網(wǎng)的并離網(wǎng)切換總體控制策略進(jìn)行了概括，總結(jié)在并網(wǎng)、離網(wǎng)兩種模式下微電網(wǎng)逆變器應(yīng)采取的運(yùn)行控制策略。研究及分析由離網(wǎng)向并網(wǎng)切換過程中微電網(wǎng)逆變器的預(yù)同步控制問題及并網(wǎng)相離網(wǎng)切換存在的孤島檢測(cè)等問題，以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)逆變器運(yùn)行模式的平滑無縫切換。