王 錕,胡 平,劉曉莎
(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院,陜西 咸陽 712000;2.咸陽市新能源及微電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 咸陽 712000)
微電網(wǎng)的概念于2002年被美國電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions,CERTS)提出。微電網(wǎng)本質(zhì)上是一個(gè)微型電網(wǎng)系統(tǒng),內(nèi)部包含了分布式電源、負(fù)荷以及儲能等裝置。微電網(wǎng)中,電能的產(chǎn)生、消費(fèi)以及儲能等各環(huán)節(jié)比較復(fù)雜,有時(shí)內(nèi)部會出現(xiàn)常規(guī)保護(hù)失靈的現(xiàn)象。但是微電網(wǎng)系統(tǒng)對外表現(xiàn)出的特性是單一獨(dú)立的,多數(shù)呈現(xiàn)電源或者負(fù)荷的特點(diǎn)。對于大電網(wǎng)而言,微電網(wǎng)是單一可控單元,實(shí)現(xiàn)了即插即用。
微電網(wǎng)的運(yùn)行模式主要分為并網(wǎng)模式和孤島模式。兩種模式之間可以相互切換。并網(wǎng)模式下,當(dāng)發(fā)現(xiàn)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí),微電網(wǎng)可以立即斷開連接,作為一個(gè)獨(dú)立小型電網(wǎng)給負(fù)荷供電。此時(shí),微電網(wǎng)的工作模式由并網(wǎng)模式切換到孤島模式。當(dāng)檢測到故障排除后,微電網(wǎng)再重新并聯(lián)運(yùn)行,又從孤島模式切換為并網(wǎng)模式,實(shí)現(xiàn)了和大電網(wǎng)互為備用[1-2]。隨著新能源分布式發(fā)電的不斷發(fā)展,微電網(wǎng)已經(jīng)成為發(fā)揮分布式電源效能的有效方式。因此,微電網(wǎng)并網(wǎng)研究具有重要意義。
目前,國內(nèi)學(xué)者對微電網(wǎng)的研究主要在光電、燃料電池和微汽輪機(jī)并網(wǎng)上。除了在分布式發(fā)電設(shè)備研發(fā)、制造和設(shè)備自身控制方面具有一些較成熟的技術(shù)外[3],涉及微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的并網(wǎng),以及并網(wǎng)運(yùn)行后的系統(tǒng)優(yōu)化、協(xié)調(diào)和控制等諸多領(lǐng)域的研究大多剛剛起步。
文獻(xiàn)[4]對微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)(point of common coupling,PCC)處的主接口作了假設(shè),認(rèn)為主接口可能是固態(tài)斷路器或者背靠背式的電力電子變流器。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的連接可分為直接連接或電力電子變流器連接,并簡要闡述了電力電子變流器中的電壓源變流器(voltage source converter,VSC)可能效率更高。
結(jié)合功率傳輸原理,本文提出了一種基于背靠背VSC的并網(wǎng)方法,以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。
圖1 有功功率與頻率之間的特性曲線Fig.1 Characteristic curves of active power and frequency
圖1中的S1、S2為兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng),各自包含電源和負(fù)荷。假定并聯(lián)前后負(fù)荷總量保持不變,并聯(lián)前兩個(gè)系統(tǒng)以各自頻率運(yùn)行,并聯(lián)后在同一頻率f0處運(yùn)行,并聯(lián)后S1有功輸出的增加部分供給了S2的部分負(fù)荷。原動機(jī)調(diào)節(jié)具有滯后性,不能及時(shí)補(bǔ)充足額有功,S1將降頻運(yùn)行。同理,S2因獲得有功而升頻。
頻率波動受電源出力和負(fù)荷變化綜合作用的影響,有功功率和頻率的關(guān)系滿足:
Δf=f1-f2=-(P1-P2)k
(1)
式中:k為系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)特性;f1為負(fù)荷變化前系統(tǒng)的頻率;f2為負(fù)荷變化后系統(tǒng)的頻率;Δf為負(fù)荷變化前后系統(tǒng)的頻率差;P1為負(fù)荷變化前的有功功率;P2為負(fù)荷變化后的有功功率。
無功功率和電壓之間的特性曲線[7]如圖2所示。
圖2 無功功率和電壓之間的特性曲線Fig.2 Characteristeic curves of reactive power and voltage
圖2中:曲線1代表在一定有功功率和電壓水平下,系統(tǒng)的無功功率-電壓特性;曲線2代表無功負(fù)荷的無功功率-電壓特性;曲線1和曲線2的交點(diǎn)h為系統(tǒng)無功功率平衡點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)無功負(fù)荷增加,曲線2變化到曲線2′時(shí),由于系統(tǒng)不能及時(shí)提供足夠無功,系統(tǒng)將降壓運(yùn)行,暫時(shí)穩(wěn)定在h′點(diǎn)。系統(tǒng)經(jīng)過無功補(bǔ)償后,將穩(wěn)定在g點(diǎn)運(yùn)行。因此,通過改變系統(tǒng)的無功功率大小,可以改變電壓。
經(jīng)過以上分析可知,通過改變待并列兩個(gè)系統(tǒng)的功率傳輸可滿足并網(wǎng)條件,即無功功率的交換會影響電壓差,而有功功率的交換會影響頻率差。本文采用背靠背VSC功率傳遞的原理實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)。微電網(wǎng)并網(wǎng)如圖3所示。
圖3 微電網(wǎng)并網(wǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of microgrid grid connection
VSC采用全控器件絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)作為基本單元,并采用直流電壓利用率較高、注入電網(wǎng)諧波含量較少的空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pluse width modulation,SVPWM)觸發(fā)開關(guān)管通斷[8-9]。
針對川中丘陵區(qū)坡耕地多、生態(tài)脆弱、人為生產(chǎn)建設(shè)活動頻繁導(dǎo)致較為嚴(yán)重的水土流失的客觀現(xiàn)狀,依據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動與城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)占壓、擾動地表的不同形式和防治水土流失修復(fù)生態(tài)措施的不同特點(diǎn)和規(guī)律,根據(jù)水土保持技術(shù)的發(fā)展趨勢和國家生態(tài)文明建設(shè)的新要求,結(jié)合資陽市實(shí)際提出的水土保持生態(tài)修復(fù)思路、技術(shù)線路、防治措施,對建設(shè)長江上游生態(tài)屏障具有較強(qiáng)的針對性、理論性和實(shí)踐性。生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)、房地產(chǎn)等項(xiàng)目透水性和生態(tài)型鋪裝技術(shù)還有待在實(shí)踐中探索、總結(jié)和完善。
本文采用的VSC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 VSC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Topological structure of VSC
忽略變流器IGBT通斷產(chǎn)生的諧波分量,可以得到三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:
(2)
式中:ia為輸入電感L的a相電流;ib為輸入電感L的b相電流;ic為輸入電感L的c相電流;idc為VSC直流側(cè)輸入電流;il為負(fù)載的電流。
在三相坐標(biāo)系中,如式(2)所示的數(shù)學(xué)模型物理意義比較明晰,直觀易懂。但是,該模型無法實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的控制,需將其轉(zhuǎn)化到兩相坐標(biāo)中。坐標(biāo)系的變換比較成熟,在此不贅述,克拉克變換見式(3)??死俗儞Q向派克變換的矩陣見式(4)。
(3)
(4)
式中:M為待變換的物理量;T32為變換矩陣。
通過坐標(biāo)變換,VSC數(shù)學(xué)模型在dq坐標(biāo)系下變?yōu)椋?/p>
(5)
由式(5)可知,VSC側(cè)電壓的直軸和交軸分量是互相耦合的,無法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。因此,需要采用電壓、電流前饋補(bǔ)償進(jìn)行解耦。
分析變流器數(shù)學(xué)模型,忽略變流器自身損耗和諧波分量,變流器與電網(wǎng)之間交換的有功功率P和無功功率Q滿足式(6)和式(7):
(6)
式中:UC為換流器輸出電壓的基波分量;US為交流母線電壓基波分量;δ為UC落后US之間的相角差;X為變流電抗器的電抗。
(7)
δ的正負(fù)和大小決定了有功功率的傳輸大小,而無功功率傳輸?shù)拇笮≈饕Q于UC。因此,控制δ和UC就實(shí)際上分別控制了有功和無功,從而實(shí)現(xiàn)了VSC的四象限運(yùn)行[10]。
傳統(tǒng)的變流器控制為雙閉環(huán)控制。本文在傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略的基礎(chǔ)上,針對常規(guī)比例積分(proportional integral,PI)控制出現(xiàn)的響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)精度和超調(diào)情況易受比例系數(shù)和積分系數(shù)影響的問題,提出以模糊PI控制電壓外環(huán)和傳統(tǒng)PI控制電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。以定直流電壓模糊控制為例,基于背靠背VSC模糊控制系統(tǒng)如圖5所示。
圖5 基于背靠背VSC模糊控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Schematic diagram of fuzzy control system based on back-to-back VSC
圖6為外環(huán)模糊控制框圖。圖6中,E和Ec分別表示誤差和誤差變化率。經(jīng)過模糊控制器作用,可得到修正后的比例積分因子Kp、Ki,傳遞給PI調(diào)節(jié)器,得到內(nèi)環(huán)電流控制所需的參考電流值iref。
圖6 外環(huán)模糊控制框圖Fig.6 Schematic diagram of outer ring fuzzy control
模糊控制器的輸入變量為E和Ec,輸出變量為Kp、Ki。E的論域均取 [-6,6]。Kp、Ki的論域分別取[-6,6]和[-0.6,0.6]。Ec的論域均取[-0.6,0.6]。取7個(gè)語言變量為PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB,分別表示正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大。E、Ec、Kp、Ki模糊化和去模糊化隸屬度函數(shù)均選擇為三角形隸屬度函數(shù)。去模糊化采用加權(quán)平均法。
對變流器模型進(jìn)行分析得知其控制特點(diǎn),結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)分析,設(shè)計(jì)Kp的模糊控制規(guī)則如表1所示、Ki的模糊控制規(guī)則如表2所示。
表1 Kp的模糊控制規(guī)則表
表2 Ki的模糊控制規(guī)則表
為得到比較理想的控制效果,可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對規(guī)則表進(jìn)行局部調(diào)整,使得規(guī)則表盡量接近被控對象的客觀規(guī)律。
在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,將微電網(wǎng)看作可控電源,用微汽輪機(jī)作原動機(jī)帶動同步電機(jī)模擬。微電網(wǎng)系統(tǒng)S1容量為30 MVA。微電網(wǎng)側(cè)和大電網(wǎng)側(cè)機(jī)端電壓分別為U1=U2=10.5 kV。通過升壓變壓器將微網(wǎng)母線電壓側(cè)升至120 kV、公用網(wǎng)側(cè)升到110 kV。微電網(wǎng)系統(tǒng)的有功負(fù)荷為5 MW,無功負(fù)荷為3 MVar,兩側(cè)輸入電阻R=0.2 Ω,電感L=0.005 H。
大電網(wǎng)用水輪機(jī)作原動機(jī)帶動同步機(jī)模擬。S2容量為120 MVA,有功負(fù)荷為30 MW,無功負(fù)荷為20 Mvar。為了使有功從大電網(wǎng)流向微電網(wǎng),設(shè)置S2=50 Hz,頻率比S1高0.2 Hz。設(shè)定背靠背VSC的額度容量為10 MVA?;诒晨勘巢⒕W(wǎng)模式的微電網(wǎng)模糊控制仿真結(jié)果如圖7所示。
圖7 基于背靠背并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)模糊控制仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of fuzzy control of microgrid based on back-to-back grid connection mode
由圖7(a)~圖7(d)可知,模糊控制方式下背靠背VSC并網(wǎng)時(shí)微電網(wǎng)側(cè)和大電網(wǎng)側(cè)的有功和無功沖擊和振蕩比較小。對比圖7(e)與圖7(f)、圖7(g)與圖7(h)可知,模糊控制方式下,并網(wǎng)過程中大電網(wǎng)側(cè)所受的有功振蕩和無功沖擊均比常規(guī)控制并網(wǎng)要小得多。由圖7(a)與圖7(f)的對比可知,在并網(wǎng)過程中的功率交換的額度一定的情況下,容量大的系統(tǒng)受到的影響比較??;反之,容量小的系統(tǒng)受到的波動稍大。
本文以背靠背并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)為研究對象,在背靠背VSC雙閉環(huán)控制中,提出了外環(huán)模糊控制策略,并搭建了背靠背并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)模糊控制仿真系統(tǒng)。通過仿真結(jié)果分析,基于背靠背并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)模糊控制方式并網(wǎng)對大電網(wǎng)沖擊比較小,可實(shí)現(xiàn)平滑并網(wǎng),提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)。該研究為新能源接入大電網(wǎng)提供了良好的控制策略,對構(gòu)建新型電力系統(tǒng)具有推動作用。