基于獨(dú)立微電網(wǎng)的儲(chǔ)能單元與燃?xì)獍l(fā)電單元協(xié)調(diào)控制方法

焦小路

（中海油阜寧熱電有限責(zé)任公司）

0 引言

微電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，既可以工作在獨(dú)立運(yùn)行模式下，又可以工作在并網(wǎng)運(yùn)行模式下[1]。當(dāng)微電網(wǎng)工作在獨(dú)立模式下時(shí)，由其內(nèi)部的微電源為微電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率，微電網(wǎng)會(huì)自動(dòng)對(duì)其內(nèi)部產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和功率波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，內(nèi)部只有一個(gè)微電源時(shí)，采用電壓/頻率控制策略，內(nèi)部有多個(gè)微電源時(shí)，采用下垂控制策略[2-3]。

通常情況下，微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)都采用儲(chǔ)能單元或燃?xì)獍l(fā)電單元作為主電源提供電壓和頻率，當(dāng)微電網(wǎng)主電源進(jìn)行切換時(shí)，系統(tǒng)微電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)停電現(xiàn)象，因此必須對(duì)微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能單元和燃?xì)獍l(fā)電單元的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行深入研究，以保證微電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性[4-5]。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及控制策略

本文所研究的獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)系統(tǒng)包含了光伏發(fā)電單元、燃?xì)獍l(fā)電單元、儲(chǔ)能單元等微電源[6]，以及若干負(fù)荷，每一個(gè)微電源都通過(guò)與其對(duì)應(yīng)的逆變器接入到微電網(wǎng)中，具體的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

微電網(wǎng)中各個(gè)微電源的控制策略如下。

（1）光伏發(fā)電單元

光伏發(fā)電單元包括光伏陣列、DC/DC變換器、并網(wǎng)逆變器，光伏發(fā)電單元由其DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制，其輸出的功率波動(dòng)性較大，其并網(wǎng)逆變器采用恒功率控制策略[7-8]。其具體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電單元結(jié)構(gòu)

（2）燃?xì)獍l(fā)電單元

燃?xì)獍l(fā)電單元包括燃?xì)廨啓C(jī)、永磁電機(jī)、四象限、并網(wǎng)逆變器，并網(wǎng)逆變器采用下垂控制策略[9]，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 燃?xì)獍l(fā)電單元結(jié)構(gòu)

其中，燃?xì)廨啓C(jī)會(huì)將燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)換為動(dòng)能驅(qū)動(dòng)渦輪做功，繼而帶動(dòng)永磁電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)發(fā)出高頻率的交流電，在經(jīng)過(guò)四象限和逆變器進(jìn)行交流－直流－交流的變換得到工頻電，出送到微電網(wǎng)中。燃?xì)獍l(fā)電單元采用下垂控制策略后，再采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制后，得到頻率和電壓可控的交流電，實(shí)現(xiàn)維持微電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定的功能[10-11]。

（3）儲(chǔ)能單元

儲(chǔ)能單元在微電網(wǎng)中主要起到能量存儲(chǔ)的作用，在微電網(wǎng)出現(xiàn)異常時(shí)提供電能、抑制負(fù)荷波動(dòng)，儲(chǔ)能單元包括儲(chǔ)能電池、DC/DC變換器、并網(wǎng)逆變器[12]，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能單元結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能單元中的DC/DC變換器和并網(wǎng)逆變器都能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，并網(wǎng)逆變器采用了恒功率控制策略和下垂控制策略，兩種控制策略能夠無(wú)縫切換。

當(dāng)燃?xì)獍l(fā)電單元工作時(shí)，儲(chǔ)能單元采用恒功率控制方式，由燃?xì)獍l(fā)電單元提供微電網(wǎng)工作的電壓和頻率，儲(chǔ)能單元配合燃?xì)獍l(fā)電單元工作，對(duì)微電網(wǎng)的功率波動(dòng)進(jìn)行抑制，恒功率控制策略的控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 恒功率控制結(jié)構(gòu)

如圖5所示采用了雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，當(dāng)并網(wǎng)逆變器輸出的功率P和Q與參考功率Pref和Qref的誤差不為零時(shí)，采用比例積分控制器對(duì)誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，將誤差調(diào)節(jié)到零后，并網(wǎng)逆變器工作在穩(wěn)態(tài)。

當(dāng)燃?xì)獍l(fā)電單元不工作時(shí)，由儲(chǔ)能單元提供微電網(wǎng)工作的電壓和頻率，儲(chǔ)能單元采用了下垂控制策略。根據(jù)下垂控制方程得到下垂參考電壓Udref和Uqref，再采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制后，得到頻率和電壓可控的交流電，實(shí)現(xiàn)維持微電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定的功能。

2 燃?xì)獍l(fā)電單元與儲(chǔ)能單元

2.1 燃?xì)獍l(fā)電單元與儲(chǔ)能單元協(xié)調(diào)控制策略

燃?xì)獍l(fā)電單元與儲(chǔ)能單元協(xié)調(diào)控制時(shí)，獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng)中包含了兩組燃?xì)獍l(fā)電單元、光伏發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元。兩組燃?xì)獍l(fā)電單元通過(guò)同步并網(wǎng)開關(guān)連接到微電網(wǎng)，燃?xì)獍l(fā)電單元與儲(chǔ)能單元之間的切換通過(guò)解列開關(guān)實(shí)現(xiàn)，協(xié)調(diào)控制單元向燃?xì)獍l(fā)電單元和儲(chǔ)能單元下發(fā)并網(wǎng)運(yùn)行指令和參考功率指令，從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)獍l(fā)電單元與儲(chǔ)能單元的協(xié)調(diào)控制。

當(dāng)燃?xì)獍l(fā)電單元作為微電網(wǎng)主電源時(shí)，儲(chǔ)能單元的并網(wǎng)逆變器采用恒功率控制策略；當(dāng)儲(chǔ)能單元作為主電源時(shí)，其并網(wǎng)逆變器采用下垂控制策略。

2.2 切換控制策略

當(dāng)儲(chǔ)能單元或燃?xì)獍l(fā)電單元收到作為微電網(wǎng)主電源的運(yùn)行指令后，需要并入微電網(wǎng)運(yùn)行，并網(wǎng)運(yùn)行的前提條件是并網(wǎng)單元的電壓幅值和頻率必須與微電網(wǎng)的電壓幅值和頻率保持完全一致，否則的話會(huì)對(duì)微電網(wǎng)造成沖擊。進(jìn)行并網(wǎng)切換，會(huì)產(chǎn)生沖擊電流為：

式中，uinv和us分別為并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和微電網(wǎng)的電壓，Zs為微電網(wǎng)側(cè)的等效阻抗：

要減小沖擊電流，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，就必須采用鎖相環(huán)技術(shù)來(lái)對(duì)微電網(wǎng)電壓的相位和頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。

當(dāng)燃?xì)獍l(fā)電單元退出運(yùn)行時(shí)，燃?xì)獍l(fā)電單元連接至微電網(wǎng)的解列開關(guān)斷開時(shí)間要長(zhǎng)于儲(chǔ)能單元從恒功率控制方式切換到下垂控制方式的時(shí)間，因此在短時(shí)間內(nèi)存在燃?xì)獍l(fā)電單元和儲(chǔ)能單元同時(shí)作為主電源的狀態(tài)，為了保證無(wú)縫切換，當(dāng)儲(chǔ)能單元轉(zhuǎn)變?yōu)橄麓箍刂品绞綍r(shí)，其參考電壓的幅值和相位仍然由燃?xì)獍l(fā)電單元決定。在燃?xì)獍l(fā)電單元退出運(yùn)行前，其發(fā)出的有功率越大，與微電網(wǎng)斷開瞬間對(duì)微電網(wǎng)的沖擊也就越大，因此在進(jìn)行切換前最大限度降低流過(guò)解列開關(guān)的電流。

當(dāng)儲(chǔ)能單元作為微電網(wǎng)主電源時(shí)，由其提供微電網(wǎng)工作的電壓和頻率，燃?xì)獍l(fā)電單元在并網(wǎng)運(yùn)行前需要檢測(cè)微電網(wǎng)的電壓幅值、頻率、相位，并以此為基準(zhǔn)調(diào)整自身輸出的電壓、幅值、相位，完全一致時(shí)，閉合解列開關(guān)，完成并網(wǎng)。

當(dāng)協(xié)調(diào)控制單元檢測(cè)到燃?xì)獍l(fā)電單元重新并網(wǎng)運(yùn)行后，向燃?xì)獍l(fā)電單元和儲(chǔ)能單元下發(fā)運(yùn)行方式切換指令、參考功率指令，切換后微電網(wǎng)工作的電壓和頻率由燃?xì)獍l(fā)電單元提供。在切換時(shí)需要保證儲(chǔ)能單元的輸出功率保持恒定，完成切換后，再逐步降低儲(chǔ)能單元的輸出功率，將負(fù)荷平滑地轉(zhuǎn)移到燃?xì)獍l(fā)電單元上。

3 實(shí)例分析

構(gòu)建獨(dú)立的微電網(wǎng)系統(tǒng)，微電網(wǎng)的基本架構(gòu)如圖1所示。其中光伏發(fā)電單元的額定輸出功率為200kW，兩臺(tái)燃?xì)獍l(fā)電單元的單臺(tái)額定輸出功率為200kW，儲(chǔ)能單元的額定容量為200kVA，系統(tǒng)負(fù)荷為200kW。

（1）燃?xì)獍l(fā)電單元作為微電網(wǎng)主電源情況

在第0s時(shí)刻微電網(wǎng)中的負(fù)荷為120kW，第3s時(shí)，負(fù)荷突增80kW，達(dá)到了200kW。如圖6所示，在第3s時(shí)，由于負(fù)荷突然增加，整個(gè)微電網(wǎng)的有功功率也進(jìn)行了調(diào)節(jié)，并且維持微電網(wǎng)工作電壓的燃?xì)獍l(fā)電單元采用的是下垂控制方式，微電網(wǎng)的頻率略微有所下降，但還是維持在允許范圍內(nèi)；在第3s時(shí)，燃?xì)獍l(fā)電單元輸出的有功功率從80kW增加到160kW；儲(chǔ)能單元輸出的有功功率設(shè)定為30kW。燃?xì)獍l(fā)電單元能夠根據(jù)負(fù)荷的變化快速調(diào)節(jié)輸出的有功功率，負(fù)荷的突變對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng)的電壓和頻率影響都較小，微電網(wǎng)能對(duì)電壓和頻率進(jìn)行快速的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

圖6 燃?xì)獍l(fā)電單元作為主電源時(shí)系統(tǒng)波形

（2）燃?xì)獍l(fā)電單元與儲(chǔ)能單元切換情況

在燃?xì)獍l(fā)電單元與儲(chǔ)能單元進(jìn)行切換時(shí)，微電網(wǎng)的負(fù)荷為180kW，其中光伏發(fā)電單元承擔(dān)了25kW，在第1s時(shí)刻燃?xì)獍l(fā)電單元退出運(yùn)行，儲(chǔ)能單元由輔助電源變?yōu)橹麟娫?，其控制方式由恒功率控制變?yōu)橄麓箍刂?；在?s時(shí)刻燃?xì)獍l(fā)電單元重新啟動(dòng)，當(dāng)電壓相位、頻率、幅值滿足要求時(shí)，完成并網(wǎng)，儲(chǔ)能單元由主電源變?yōu)檩o助電源，控制方式由下垂控制變?yōu)楹愎β士刂?。燃?xì)獍l(fā)電單元與儲(chǔ)能單元切換時(shí)的波形如圖7所示。

圖7 燃?xì)獍l(fā)電單元與儲(chǔ)能單元切換時(shí)系統(tǒng)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng)的穩(wěn)定性關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，并且搭建了獨(dú)立微電網(wǎng)的模型，其中包含光伏發(fā)電單元、燃?xì)獍l(fā)電單元、儲(chǔ)能單元，給出了不同單元相對(duì)應(yīng)的控制策略。根據(jù)其穩(wěn)定性關(guān)鍵因素，提出了儲(chǔ)能單元與燃?xì)獍l(fā)電單元的協(xié)調(diào)控制策略。經(jīng)過(guò)實(shí)際高壓試驗(yàn)驗(yàn)證，本文所提出的協(xié)調(diào)控制策略完全能夠保證獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，該策略具備進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用的價(jià)值，對(duì)于保持獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng)的穩(wěn)定性具有重要意義。