微電網(wǎng)非計(jì)劃孤網(wǎng)控制策略研究

吳 萍

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，河南三門峽472000）

環(huán)境污染問題逐漸影響到人們的生產(chǎn)生活，分布式電源的大量發(fā)展，給電力系統(tǒng)的運(yùn)行工作提出了更高要求，尤其是在電網(wǎng)穩(wěn)定性、可靠性以及系統(tǒng)保護(hù)和實(shí)時(shí)調(diào)度方面帶來重要影響，為了有效解決大電網(wǎng)和分布式電源之間的矛盾，微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。想要保障微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要全面研究其在不同狀態(tài)下的控制方式，非計(jì)劃孤網(wǎng)控制情況就是其中的重要內(nèi)容之一。

微電網(wǎng)是分布式電源消納的一種重要方式，為解決分布式發(fā)電并網(wǎng)過程中所引起的一些問題提供了有效解決方案，是現(xiàn)階段有效應(yīng)對(duì)大規(guī)模新能源接入配電網(wǎng)的必然選擇，在近些年來電網(wǎng)發(fā)展過程中取得較快發(fā)展。

微電網(wǎng)控制策略是影響其作用發(fā)揮的主要因素，本文針對(duì)微電網(wǎng)非計(jì)劃孤網(wǎng)控制策略進(jìn)行全面細(xì)致的分析和研究，為充分發(fā)揮微電網(wǎng)優(yōu)勢(shì)和價(jià)值提供良好的前提條件。

1 微電網(wǎng)的基本情況分析

1.1 微電網(wǎng)的元件

微電網(wǎng)是一項(xiàng)能夠向用戶提供電能和熱能的系統(tǒng)，由負(fù)荷和微電源共同組成，并且能源供應(yīng)可以同時(shí)進(jìn)行。國內(nèi)微電網(wǎng)電源的受控單元并不唯一，在用戶需求電能質(zhì)量和安全性方面均能夠有效滿足。微電網(wǎng)有兩個(gè)關(guān)鍵性元件，分別是MS和公共連接點(diǎn)的斷路器。這兩個(gè)元件在微電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)揮著積極作用，針對(duì)斷路器開關(guān)的開閉情況進(jìn)行控制時(shí)，需要針對(duì)主網(wǎng)本身的保護(hù)配置以及微電網(wǎng)的各個(gè)元件特征進(jìn)行充分考慮，在實(shí)際使用的時(shí)候，還需要考慮到用戶的各項(xiàng)要求，這樣才能保證斷路器本身的運(yùn)行符合實(shí)際需求。而針對(duì)MS來說，它的自身控制情況受到多種因素的影響，同時(shí)其在不同運(yùn)行模式下的協(xié)調(diào)配合效果更是微電網(wǎng)有效控制的關(guān)鍵之處[1]。

1.2 微電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值

微電網(wǎng)能夠?yàn)楫?dāng)前電力系統(tǒng)的良好發(fā)展貢獻(xiàn)力量，在大系統(tǒng)環(huán)境的靈活調(diào)度中，微電網(wǎng)也能夠發(fā)揮作用，增強(qiáng)區(qū)域能源利用效率，實(shí)現(xiàn)最大限度的時(shí)限利用率最大化。微電網(wǎng)中熱備用電源的存在，能夠開啟應(yīng)急用電裝置，從而有效避免大電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電影響到用戶實(shí)際用電情況的出現(xiàn)，保障電力供應(yīng)的安全性和穩(wěn)定性[2]。

2 微電網(wǎng)的控制情況分析

2.1 MS控制方法

MS作為微電網(wǎng)的關(guān)鍵性元件，其本身的控制方式都會(huì)直接影響到微電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況。P-Q控制方式主要應(yīng)用在一些間歇性電源的出力控制之中，比如說風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等，這是能夠有效突出實(shí)現(xiàn)MS最大處理追蹤控制的方式。同時(shí)P-Q控制方式在一些電氣設(shè)備運(yùn)行效率和出力聯(lián)系密切的MS方面也具有良好效果，比如說微型燃?xì)廨啓C(jī)這種類型。而針對(duì)V-f控制方式來說，它主要是應(yīng)用在一些可控的電源方面，比如燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)方面，當(dāng)電力系統(tǒng)表現(xiàn)為孤網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)候，它能為微電網(wǎng)的實(shí)際工作提供良好的頻率和電壓支撐[3]?？刂品绞街饕幸韵聝煞N。

（1）下垂控制。下垂控制的發(fā)展促進(jìn)V-f的控制形式逐漸形成，在通常情況下，傳統(tǒng)電源運(yùn)行過程中存在著一次調(diào)頻過程，而對(duì)于下垂控制情況來說，兩者之間具有很強(qiáng)的相似性，這就在一定程度上體現(xiàn)出了下垂控制的實(shí)際特性和作用。具體表現(xiàn)為：1）下垂控制能夠在對(duì)等控制過程中，提升其在微電網(wǎng)運(yùn)行過程中的應(yīng)用水平，增強(qiáng)多MS的共同處理協(xié)調(diào)和控制的能力。2）通過下垂控制的作用，能夠促進(jìn)電網(wǎng)中電壓和頻率朝著更加穩(wěn)定的方向發(fā)展。需要注意的是，下垂控制是有差別的，并不能夠保證所有情況下的頻率或者電壓都能夠維持正常水平。任何下一步的操作行為都有可能沖擊到相關(guān)設(shè)備，比如說并網(wǎng)操作這一行為，其在執(zhí)行具體操作動(dòng)作的過程中，將會(huì)對(duì)微電網(wǎng)自身的電壓和頻率產(chǎn)生影響，使其無法恢復(fù)到原有狀態(tài)。

（2）V-f控制。對(duì)于V-f控制方法來說，其在具體的應(yīng)用過程中，和下垂控制方面有一定的相似性，即為其相當(dāng)于傳統(tǒng)電源的二次調(diào)頻過程。因而V-f控制方法能夠維持電網(wǎng)本身運(yùn)行狀態(tài)的電壓與頻率。在通常情況下，如果不出意外的話，其能夠在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到孤網(wǎng)前的正常水平。但是不容忽視的是，為了有效控制電網(wǎng)運(yùn)行的單一狀態(tài)，一般情況下微電網(wǎng)中只能夠有一個(gè)V-f控制電源存在，分析其原因主要是為了避免出現(xiàn)多個(gè)V-f控制電源爭搶出力情況，同時(shí)這種做法在實(shí)際中也確實(shí)收到了良好的應(yīng)用效果[4]。

微電網(wǎng)的控制策略十分重要，需要進(jìn)行重點(diǎn)分析和研究。為了實(shí)現(xiàn)P-Q控制和V-f控制可以有效控制MS出口電流，于是針對(duì)系統(tǒng)頻率、出口電壓和輸出功率進(jìn)行有效控制，P-Q控制電路在運(yùn)行的過程中，能夠收到良好效果。而V-f控制電路在運(yùn)行的時(shí)候，需要根據(jù)頻率和電壓偏差進(jìn)行計(jì)算，得出孤網(wǎng)后的微電網(wǎng)功率差額，這樣能夠針對(duì)微電網(wǎng)MS需要增加的出力進(jìn)行確定，通常采用的是PI控制器有效實(shí)現(xiàn)頻率和電壓的無差別控制[5]。

P-Q控制和V-f控制方式的具體應(yīng)用情況如圖1所示。

圖1 MS控制電路

2.2 微電網(wǎng)控制策略

2.2.1 MS出力控制策略

當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，MS一般情況下都能夠維持在較高的出力水平，這時(shí)候的MS運(yùn)行效率是最高的，比如說微型燃?xì)廨啓C(jī)。對(duì)于MS控制來說，先要保障用戶利益，需要選擇P-Q控制模式，主網(wǎng)承擔(dān)相應(yīng)的功率缺額，由此控制水平不斷上升，電力傳輸?shù)男Ч鼮榱己肹6]。以上所說是微電網(wǎng)的正常運(yùn)行情況，而當(dāng)出現(xiàn)非計(jì)劃孤網(wǎng)情況的時(shí)候，則需要將MS的控制方式從P-Q控制模式轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的V-f控制模式，這樣才能夠?yàn)槲㈦娋W(wǎng)提供較強(qiáng)的電壓支撐，這只是一個(gè)MS的控制模式，其他的MS依然按照原來的P-Q控制模式[7]。

2.2.2 主網(wǎng)出力控制策略

從主網(wǎng)的角度來看，當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行保持最佳狀態(tài)時(shí)，微電網(wǎng)此時(shí)是恒定的負(fù)荷，針對(duì)微電網(wǎng)的輸送功率進(jìn)行設(shè)定、控制以及監(jiān)管，保證其功率是恒定不變的，這樣就能夠有效地降低主網(wǎng)控制的難度。在這種狀態(tài)下，一旦微電網(wǎng)出現(xiàn)非計(jì)劃孤網(wǎng)情況時(shí)，需要將全部的MS都轉(zhuǎn)化為下垂控制的方式，讓所有的控制模式設(shè)備以及線路都來全力承擔(dān)起電網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)荷，從而保證電壓和頻率能夠合理支撐微電網(wǎng)的運(yùn)行常態(tài)[8]。

2.2.3 微電網(wǎng)電壓孤網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3.1 微電網(wǎng)電壓孤網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

微電網(wǎng)的電壓孤網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是不同的，尤其是當(dāng)它出現(xiàn)重新并網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)候，這時(shí)候所采用的電壓限值有兩套標(biāo)準(zhǔn)，即：1）過電壓限值；2）短時(shí)電壓限值。這兩套標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)時(shí)限是不完全相同的，本研究參考了IEEE1547和IEEE1741的電壓標(biāo)準(zhǔn)[9]。微電網(wǎng)電壓孤網(wǎng)主要?jiǎng)澐譃槎虝r(shí)電壓和過電壓這兩種情況。

（1）當(dāng)處于短時(shí)電壓的狀態(tài)時(shí)，相電壓的電壓上限范圍為0.24～0.26 kV，此時(shí)的時(shí)限為1 s，相電壓的下限范圍則是0.11～0.20 kV，此時(shí)的時(shí)限為2 s。

（2）當(dāng)處于過電壓的狀態(tài)時(shí)，相電壓的上限電壓范圍是0.26 kV，此時(shí)的時(shí)限是0.16 s，而電壓范圍的下限是0.11 kV，此時(shí)的時(shí)限同樣是0.16 s。

2.2.3.2 微電網(wǎng)運(yùn)行情況

微電網(wǎng)的電壓越限受到保護(hù)，當(dāng)邏輯電路針對(duì)主網(wǎng)的各方面線路進(jìn)行檢測(cè)的過程中，首先電壓不合要求，進(jìn)而接受跳閘命令，最后開始孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。維修人員及時(shí)解決主網(wǎng)故障之后，電壓容易恢復(fù)原有狀態(tài)，通常這種情況需要能夠保持1 s以上，這就表現(xiàn)主網(wǎng)故障已經(jīng)被清除，合閘命令也將會(huì)由此發(fā)布，這其中需要通過邏輯電路的作用，同時(shí)還能夠讓MS再次恢復(fù)到孤網(wǎng)之前的控制模式[10]。這中間具體的變化情況如下。

（1）微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)候，主要是針對(duì)PCC相電壓U進(jìn)行監(jiān)測(cè)，1）如果U＞0.26 kV或者U＜0.11 kV，斷路器將會(huì)經(jīng)過0.06 s之后進(jìn)行斷開操作。2）如果0.24 kV＜U＜0.26 kV，斷路器將會(huì)經(jīng)過1 s之后進(jìn)行斷開操作。3）如果0.11 kV＜U＜0.20 kV，斷路器則會(huì)經(jīng)過2 s之后進(jìn)行斷開操作。

雖然這3種情況都會(huì)導(dǎo)致微電網(wǎng)出現(xiàn)孤網(wǎng)運(yùn)行的情況，但是如果0.20 kV＜U＜0.24 kV的話，斷路器并不會(huì)發(fā)生動(dòng)作，而是會(huì)繼續(xù)回歸到微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)之中，這方面不是本文重點(diǎn)考慮的情況，有待以后作進(jìn)一步研究。

（2）當(dāng)微電網(wǎng)出現(xiàn)孤網(wǎng)運(yùn)行的情況時(shí)，需要針對(duì)PCC相電壓U進(jìn)行再次監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)控制其電壓的運(yùn)行狀態(tài)，如果出現(xiàn)0.20 kV＜U＜0.24 kV的情況，并且持續(xù)時(shí)間超過了1 s，這時(shí)候?qū)?huì)出現(xiàn)斷路器閉合的情況，繼續(xù)回歸到微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)，如果沒有實(shí)現(xiàn)這一原則的話，斷路器不會(huì)動(dòng)作，從而繼續(xù)保持微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)。

3 小結(jié)

微電網(wǎng)模式逐漸成為當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的一種重要模式，它有效地適應(yīng)了當(dāng)前分布式電源大量應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)狀況，對(duì)于人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活具有積極意義，同時(shí)還保障了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、可靠性以及持續(xù)性，為電網(wǎng)企業(yè)獲取更多經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益提供良好的前提條件。微電網(wǎng)靈活的控制策略是保證其正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提，針對(duì)其非計(jì)劃孤網(wǎng)控制情況進(jìn)行研究，能夠發(fā)現(xiàn)在非計(jì)劃孤網(wǎng)的狀態(tài)中，V-f控制模式能夠更好保障微電網(wǎng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。