智能微電網(wǎng)控制技術(shù)研究

曹瑩　高云峰

摘 要：微電網(wǎng)系統(tǒng)由多個小型分布式發(fā)電系統(tǒng)組成，可以解決其與大型電網(wǎng)連接后對大型電網(wǎng)的影響。微型電網(wǎng)在運行時，不僅可以與大型電網(wǎng)同時運行，而且在電網(wǎng)系統(tǒng)受損或需要維修和保養(yǎng)時，并且能在斷開大電網(wǎng)之后繼續(xù)獨立運行，體現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定和靈活性。

關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電;電力電子變換電路;微電網(wǎng);控制技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，化石能源的緊缺問題和環(huán)境保護(hù)問題引起大家的關(guān)注。傳統(tǒng)的大電網(wǎng)模式在運行中暴露出很多問題：如供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高、可靠性不強等。因此，人們也越來越多的重視和關(guān)注利用可再生清潔能源發(fā)電的分布式發(fā)電。分布式發(fā)電的優(yōu)點是：環(huán)境污染少、工作可靠性高、安裝便捷、能源利用率高，但大量的分布式電源接入對大電網(wǎng)帶來沖擊性，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成影響，同時還給電網(wǎng)的調(diào)度帶來不利。分布式電源對大電網(wǎng)來說，就是一個不可控電源。為協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式發(fā)電之間的矛盾，微電網(wǎng)應(yīng)運而生。

微電網(wǎng)是把分布式發(fā)電單元、控制裝置、儲能裝置、用戶負(fù)荷進(jìn)行有機的組合，使之形成一個單一的、微小的、可控的電力網(wǎng)絡(luò)。微電網(wǎng)不僅解決了分布式能源接入的問題，還充分利用了分布式能源的節(jié)能、環(huán)保、高效、靈活的優(yōu)點，并且能夠為用戶提供不同的供應(yīng)需求和供電質(zhì)量。因此，微電網(wǎng)成為大電網(wǎng)的重要補充，也是智能電網(wǎng)的一個重要組成部分。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)控制系統(tǒng)包括配電網(wǎng)、變壓器、公共母線、微網(wǎng)并網(wǎng)開關(guān)、分布式發(fā)電單元，電力電子變換電路、儲能裝置及一般負(fù)荷，如圖1所示。一般分布式發(fā)電單元由太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池等組成，電力電子變換電路由DC——DC、DC——AC電路構(gòu)成，儲能裝置一般為蓄電池，一般負(fù)荷為實驗負(fù)荷和本地負(fù)荷。當(dāng)公共母線上的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)閉合時，微電網(wǎng)處于并網(wǎng)狀態(tài)，這時，微電網(wǎng)將多余的電能送至配電網(wǎng)的各處，或當(dāng)微電網(wǎng)電能不足的時候，由配電網(wǎng)進(jìn)行補充，使得微電網(wǎng)和配電網(wǎng)進(jìn)行能量的交換，實現(xiàn)了能量的最大化利用。當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)故障需要維護(hù)或者電能質(zhì)量不符合要求時，將靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)斷開，微電網(wǎng)處于獨立運行的狀態(tài)，由微電網(wǎng)自行向本地一般負(fù)荷供電，保證負(fù)荷持續(xù)穩(wěn)定的運行。當(dāng)微電網(wǎng)電能不足，所有負(fù)荷無法同時運行時，一般要切除二級負(fù)荷來保證一級負(fù)荷的穩(wěn)定運行。

2 電力電子變換電路設(shè)計

這里的分布式發(fā)電單元由光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電力電子變換電路包含DC——DC、DC——AC電路，如圖2所示。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的是不穩(wěn)定、比較低的直流電壓，必須首先經(jīng)過DC-DC穩(wěn)壓后，再經(jīng)過DC-AC，實現(xiàn)逆變，輸出穩(wěn)定的交流電送到母線上。為了最大限度利用資源，采用帶有MPPT跟蹤的功率控制方式，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出最大功率。

前級為DC——DC變換電路，作用使得光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電壓更穩(wěn)定，范圍更廣，提高對外界的適應(yīng)能力，并具有MPPT控制功能。DC——DC直流電路采用Boost型直流變換器。

MPPT具體控制方法：根據(jù)光伏系統(tǒng)輸出的電壓u和電流i，計算出功率P，送到MPPT模塊，計算出光伏陣列的輸出功率，通過MPPT算法找到光伏陣列的最大工作點，調(diào)節(jié)功率變換元器件使得光伏陣列的輸出功率保持在最大值。

后級DC-AC電路的作用是把前級DC-DC變換后輸出穩(wěn)定的直流電進(jìn)行逆變，轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)電壓同頻同相位的交流電，向本地的一般負(fù)荷供電，同時接入配電網(wǎng)，逆變電路還能保證公共母線電壓恒定。濾波電路采用LC濾波器，滿足并網(wǎng)諧波要求。

3 微電網(wǎng)的控制策略研究

當(dāng)微電網(wǎng)通過逆變器連接到大電網(wǎng)時，通過控制系統(tǒng)來控制和調(diào)節(jié)逆變器，而且微電網(wǎng)的運行能力也是由控制系統(tǒng)決定的。孤島和并網(wǎng)兩種狀態(tài)是微電網(wǎng)主要的運行狀態(tài)，在兩種不同的微電網(wǎng)運行狀態(tài)下，采用不同的控制方法對逆變器進(jìn)行控制。目前，微電網(wǎng)逆變器的控制方式有三種：并網(wǎng)時功率控制（P/Q）為常用的方式、孤島運行時則采用比較穩(wěn)定的恒壓恒頻控制（U/f）和下垂控制（Droop）。

3.1 PQ功率控制策略

微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行時，一般用P/Q來進(jìn)行控制的，通過給定的有功功率和無功功率的信號來進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，直到目標(biāo)值達(dá)到，同時大電網(wǎng)的頻率和電壓也將被跟蹤。系統(tǒng)原理圖如圖3所示，圖中的微電源為直流電源，Lf和Cf分別為濾波電感和濾波電容;Ri和Li分別為線路電阻和電感;逆變器的輸出電壓、輸出電流分別是Uik，Ilk，大電網(wǎng)的電壓為Ugk。

功率控制方法如圖4所示：有功功率在電網(wǎng)中的控制是需要調(diào)整頻率的下垂曲線，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率輸出值保持在參考值上下;而無功功率的控制是需要調(diào)整電壓的下垂曲線，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)無功功率輸出保持在參考值上下。微電網(wǎng)工作在B點，即正常運行時，此時系統(tǒng)的頻率、電壓為額定值，系統(tǒng)電源的輸出功率與負(fù)荷消耗的功率基本平衡。若系統(tǒng)受外界影響，頻率升高，相應(yīng)的幅值也升高，系統(tǒng)的工作點就會由B點向A點移動，雖然頻率增加了，但輸出的有功功率和無功功率保持不變;如果系統(tǒng)頻率降低，幅值也降低，系統(tǒng)的工作點就會由B點向C點移動，頻率減小，但輸出的有功功率和無功功率也始終保持恒定狀態(tài)。

3.2 U/f控制策略

當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島運行狀態(tài)時，一般采用U/f（電壓/頻率）控制策略，可以輸出一個穩(wěn)定的電壓和頻率，并且能夠讓系統(tǒng)的輸出功率滿足負(fù)載變化的需求。圖5為控制原理結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)的電壓和頻率進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)之后，得到的值和實際的測量值進(jìn)行比差，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，最后使得實際的電壓和頻率跟隨給定值變化，最終實現(xiàn)恒頻、恒壓的控制。

控制方法如圖6所示：正常運行時，微電網(wǎng)系統(tǒng)的工作點在A點，電壓、頻率為額定數(shù)值，對應(yīng)的輸出功率是有功功率P2）和無功功率是Q2，當(dāng)負(fù)載減小時，工作中心點是由A點向C點移動，輸出的有功功率和無功功率都變小，但系統(tǒng)中的電壓、頻率還是額定值，保持不變;當(dāng)負(fù)載增加時，操作點從A點向B點移動，輸出的有功功率和無功功率都變大，而系統(tǒng)電壓和頻率依然保持不變。因此，恒壓和恒頻（U/f）控制可以提供穩(wěn)定的系統(tǒng)和恒定的電壓和頻率。

3.3 下垂控制

通過下垂控制，得到了各個逆變器輸出的電壓和頻率值，各自反相微調(diào)，使得系統(tǒng)的有功功率和無功功率得到合理分配。原理框圖如圖7所示，整個系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)，包括電壓電流雙環(huán)和一個功率環(huán)。具體控制方法如下：當(dāng)逆變器輸出的有功功率偏大時，調(diào)節(jié)頻率下垂特性，使得輸出頻率減小，進(jìn)而使得有功功率減小;當(dāng)逆變器輸出的有功功率偏小時，調(diào)節(jié)頻率下垂特性，使得輸出頻率增大，進(jìn)而使得有功功率增加;當(dāng)逆變器輸出的無功功率偏大時，調(diào)節(jié)幅值下垂特性，使得輸出幅值減小，進(jìn)而使得無有功功率減小;當(dāng)逆變器輸出的無功功率偏小時，調(diào)節(jié)幅值下垂特性，使得輸出幅值增大，進(jìn)而使得無功功率增加。

在實際系統(tǒng)中，微電源可以由光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、燃?xì)獍l(fā)電機、燃料電池等構(gòu)成，由于這些微電源的差異性比較大，因而在控制方式上必須采取不同的控制方法，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。一般來說，對于燃?xì)獍l(fā)電機和燃料電池這些發(fā)電方式，可以采用下垂控制，對于光伏陣列，一般采用PQ控制。當(dāng)微電網(wǎng)工作在兩種模式之間的切換狀態(tài)時，如何實現(xiàn)兩種模式的無縫切換、維持系統(tǒng)穩(wěn)定是控制的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

微電網(wǎng)的出現(xiàn)解決了分布式發(fā)電的接入問題，他在提高電系統(tǒng)可靠性、降低能耗和靈活性等方面又具有非常大的潛力。微電網(wǎng)既可以孤島運行，又可以并網(wǎng)運行，在惡劣天氣下，還能保證對用戶供電。微電網(wǎng)在滿足多種電能質(zhì)量要求和提高供電可靠性等方面有諸多優(yōu)點，使它完全可以作為現(xiàn)有電網(wǎng)的一個有益、必要的補償。

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課題項目：2019江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（課題編號：201910958002Y）的研究成果

作者簡介：曹瑩（1972-），女，江蘇南通人，工學(xué)碩士學(xué)位，副教授，研究方向：新能源應(yīng)用技術(shù)和職業(yè)教育教學(xué)研究;高云峰，男，學(xué)生。