基于并網/孤島不同策略的多換流器微電網運行控制策略研究*

田素娟 王慧麗 王藝龍

(1.包頭職業技術學院 電氣工程系,內蒙古 包頭 014030; 2.國網江蘇省電力有限公司超高壓分公司,南京 211102)

目前,國內的微電網技術已經取得了長足的發展,但是對于基于并網/孤島不同策略的多換流器微電網運行控制策略穩定性研究還不夠深入,本文基于并網/孤島不同策略的多換流器微電網運行控制策略為新型研究方向,開展研究。

隨著國家經濟的不斷向前發展,人民的生活質量不停提升,國民的環保意識逐漸增強,對青山綠水的生態環境也更加的向往,由于風力發電、光伏發電等可再生能源發電技術具有污染少、可循環、易普及等優點,受到了各國的高度關注,但是由于分布式電源單獨的并網,其容量和并網點會對電網產生較大的影響,所以在最初的分布式電源并網標準中對分布式電源的容量和并網點都有大量的限制,這樣勢必會阻遏新能源的利用率,難以達到國家減少碳排放的目標,以分布式電源和負荷共同構建的微電網,微電網在并網運行時采用PQ控制保證微電源的最大利用,在孤島運行時采用V/f控制,既可以保障負荷供電可靠性也進一步促進了微電源利用。

1 基于并網/孤島不同策略的多換流器微電網運行控制策略

基于并網/孤島不同策略的多換流器微電網運行控制策略研究,其中的微電源主要由當前具有巨大應用前景的風力發電和光伏發電這兩種互補的新能源系統組成,儲能裝置擬采用當前技術相對成熟可靠的磷酸鐵鋰電池。

1.1 拓撲結構設計

采用國內、外示范工程主流的微電網結構——主從結構,設計了多換流器微電網的拓撲結構類型,多換流器微電網結構圖如圖1所示。

圖1 多換流器微電網拓撲圖

1.2 PQ控制策略

PQ控制主要應用在輸出不恒定的微電源(如:風能發電、太陽能發電等)。因這類微電源受天氣的影響較大,具有不連續性,需要配套大容量的儲能裝置來穩定負荷的波動,從而增加了成本。所以間歇類微電源的控制并不是要滿足負荷的波動,而是要保證可循環新能源的最大利用率,故采用PQ控制,以確保有多少功率就能輸出多少功率。采用PQ控制方式的微電源不需要承擔微電網內的頻率和電壓的穩定,微電網在并網運行時由大電網來實現功率和電壓的穩定,當處于孤島運行時由微電網內燃氣輪機、蓄電池等能夠保持恒定出力的微電源來提供電壓和頻率的穩定。

PQ控制能夠最大限度的保證微電源輸出恒定的P(有功功率)和Q(無功功率),從而實現新能源的最大利用。PQ控制下的微電源在潮流計算中相當于電力系統中的PQ節點,根據參考值的Pref和Qref輸出功率?？刂破鞑捎秒p環控制結構,外環主要用于實現控制目的以及產生內環所需信號,內環主要用于精細化調節,用于改善輸出電能質量。

(2-1)

式中,Pref、Qref為有功功率和無功功率參考值;kp1、ki1、kp2、ki2為外環PI控制器參數;P0、Q0為實際值;idref、iqref為電流環參考值。

(2-2)

式中,ud、uq為內環控制器輸出d、q軸電壓;kpi1、kii1、kpi2、kii2為內環PI控制器參數。

經過濾波電路的dq方程:

(2-3)

式中,Vsd、Vsq為經過電感補償后的d、q軸電壓;ωLiq、ωLid為濾波電感補償量。

逆變器出口瞬時功率為:

(2-4)

由式子(2-1)至(2-4)可設計出如圖2的PQ控制器的控制框架圖,利用其來分析PQ的控制原理。

圖2 PQ控制器

圖3 PQ控制特性圖

如圖3所示為PQ控制特性圖,將進一步對PQ控制的原理進行分析。在微電網頻率為工頻50Hz、微電源出口電壓為額定值UN時,微電源運行在f0、U0對應的A點,輸出額定的有功功率(Pref)和無功功率(Qref);當微電網的頻率增大或減小,同時微電源的出口電壓幅值也增大或減小,則微電源的運行點將從A點向C點或B點逐步移動,但是輸出的有功功率(Pref)和無功功率(Qref)將保持不變。綜上所述,采用PQ控制的微電源能夠很好地實現有功功率和無功功率的恒定輸出但并不能承擔調節電壓和頻率的任務,需要微電網中存在維持電壓和頻率的微電源或大電網來提供電壓和頻率的支撐。

1.3 V/F控制策略

無論PQ控制還是Droop控制最大的缺陷就是不能使處于孤島運行的微電網保持電壓和頻率的穩定,然而微電網的電壓和頻率的不穩定,勢必會造成微電網系統的電能質量下滑,從而可能進一步引起孤島運行的微電網崩潰,因此微電網孤島運行時需要改變微電源的控制策略才行,而由于V/F控制能夠保證電壓和頻率的穩定,因而需要在孤島運行時,將主控微電源切換至V/F控制器,來實現微電網孤島運行時電壓和頻率的穩定 。圖4為V/F控制的結構圖,采用的是雙環控制原理即電壓外環,電流內環。

圖4 V/F結構圖

2 仿真及試驗驗證

在大型電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC中初步建立了仿真模型,如圖5所示。DG3作為主控微電源采用V/f控制設置參考電壓為0.38KV、頻率為50Hz,DG1、DG2作為從控微電源,DG1給定有功功率和無功功率為:100KW、20KVar,DG2給定有功功率和無功功率為:200KW、40KVar,微電網系統內總的負荷有功功率為0.69MW,還采用功率因數為0.95配置無功功率為0.222MVar。大電網三相電壓經過派克變換得到udgrid、uqgrid在分別與逆變器出口d軸和q軸的電壓vd、vq進行比較,差值通過PI控制器與電流內環輸出電壓進行運算得到預同步后的參考電壓ud1ref、uq1ref,再分別和vd、vd以及濾波電感電壓補償從而得到d軸、q軸的輸出參考電壓。通過鎖相環鎖定大電網的相角PHI,然后與逆變器出口處相角thS進行比較,然后經PI調節器作用,在與設定頻率運算,輸出參考頻率。仿真時長為3S,并網連接點PCC在1.5S發出并網信號,微電網檢測電能參數,傳輸給微電源,實現并網運行。

通過用理想電壓源模擬微電源然后通過逆變器(DC/AC)變成交流電,來與大電網并網運行,在微電網與大電網并網運行時,采用PQ控制來實現對微電源的最大利用,并在并網運行不同時段改變負荷大小,驗證PQ控制的可行性;并且模擬故障發生后,微電網通過PCC與大電網斷開連接,主控微電源采用V/f控制來實現微電網電壓和頻率的穩定,從而實現保障供電的目的。通過PSCAD/EMTDC軟件來實現并網和孤島運行的試驗研究。

圖5 微電網結構圖

2.1 并網控制策略試驗研究

用理想交流電壓源通過10.5kV/0.4kV變壓器變成低壓0.4kV模擬大電網(低壓配電網),微電源DG采用PQ控制輸出額定功率0.1MW、0.02MVar,微電網內總的有功負荷為0.69MW;按功率因數0.95計無功負荷為0.222MVar,具體為非敏感負荷load1為0.12MW、0.036MVar;敏感負荷load2為0.27MW、0.09MVar;敏感負荷load3為0.3MW、0.096MVar,所采用的的負載為恒定功率的感性負載模型,dP/dV=dQ/dV=0,dP/dF=dQ/dF=0,每條線路電阻為0.001Ω,微電源控制采用PQ控制模塊。直流電壓源電壓為1.2KV;濾波電感為0.0005H;功率外環PI調節器參數為:2、0.01S;電流內環PI調節器參數為:0.3、0.0005S,載波頻率4950Hz。

在仿真過程并網連接點PCC一直處于閉合狀態,設置仿真時長3S,在仿真開始1S后斷開非敏感負荷0.12MW、0.036MVar,仿真2s后斷開敏感負荷0.27MW、0.09MVar,研究建立的PQ控制模型在微電網并網運行時的可行性。

微電源在并網運行時采用PQ控制,無論系統中的負荷如何的變動都應保持微電源的出力不變,由大電網來進行微電網系統內的功率平衡,即微電源有功功率輸出0.1MW和無功功率輸出0.02MVar不變,大電網跟隨負荷的變動來彌補微電網內的功率缺額,并且給微電源提供電壓和頻率的穩定支撐,仿真時長3S,在1S之前,由于微電源所發功率不能滿足微電網的需求因而由大電網提供其缺額功率即有功功率P1:0.59MW、無功功率Q1:0.202MVar,1S時斷路器動作切除非敏感負荷即P2:0.12MW、Q2:0.036MVar,1s～2s期間由于切除了非敏感負荷0.06MW、0.012MVar,微電網內需求功率減少,微電源的輸出功率保持不變,因而需大電網調整輸出功率,變為0.47MW、0.166MVar,保持微電網系統內功率平衡,在2s-3s期間又切除敏感負荷即P3:0.27MW、Q3:0.09MVar,微電源輸出功率依據保持不變,因而大電網需進一步調整輸出功率P1、Q1,變為0.2MW、0.076MVar,來維持微電網系統內的功率平衡。

通過上述的過程從而來說明微電網并網運行時采用PQ控制可以達到最大限度的利用微電源的目的。

如圖6、7所示為微電網系統的有功功率和無功功率的波形圖,P1、Q1為并網節點PCC處的有功功率和頻率代表著輸送微電網中的有功功率和無功功率;P2、Q2為load1的有功功率和無功功率監測;P3、Q3為load2的有功功率和無功功率監測;P4、Q4為load3微電網側的有功功率和無功功率監測,負號代表以大電網流向為正方向,微電網向系統內輸送功率;P5、Q5為load3大電網側的有功功率和無功功率,代表大電網彌補微電源發出的電能未能滿足load3的缺額功率。

圖6 微電網內有功功率圖

圖7 微電網內無功功率圖

圖8為微電源內的有功功率和無功功率監測,從中可以看出,微電源的輸出功率在PQ控制策略下能夠很好的保持功率的穩定輸出。

圖8 微電源輸出功率

綜上所述波形圖可以看出微電網并網運行時,微電源采用PQ控制在大電網的支撐下,微電網內的電壓、頻率以及功率在微電網系統內負荷發生變動時,都能夠達到很好的穩定,從而說明了微電網并網運行時,微電網源采用PQ控制能夠達到在負荷發生波動的情況下,都能夠保持微電源的最大功率輸出以及保持微電網系統內電壓、頻率等電能參數的穩定,從而驗證了并網運行時微電源采用所建立的PQ控制模塊的可行性。為后續的模式切換研究奠定了基礎。

2.2 孤島控制策略試驗

微電網在外部電網故障、檢修等情況下不可避免會出現脫離大大電網情況的發生,因而微電網的孤島運行能力是其優勢的重要體現,能否在脫離大電網的的獨立狀態下,保持微電網系統內的電壓和頻率穩定具有重要的現實意義,不僅可以提升微電網的可靠性而且能擴大其應用范圍,故對微電網孤島運行進行試驗研究具有很大的必要性,考慮同一微電網的并網運行與孤島運行具有更加重要的實際意義,因此在并網運行模式的基礎上搭建了微電網孤島運行的試驗模型,采用理想的電壓源逆變代替微電源,模擬大容量的主控微電源,能夠輸出足夠大的功率來平衡微電網系統內的負荷功率,微電網內總的有功負荷為0.69MW;按功率因數0.95計無功負荷為0.222MVar,具體為非敏感負荷load1為0.12MW、0.036MVar;敏感負荷load2為0.27MW、0.09MVar;敏感負荷load3為0.3MW、0.096MVar,所采用的的負載為恒定功率的感性負載模型dP/dV=dQ/dV=0,dP/dF=dQ/dF=0,每條線路電阻為0.001Ω,采用第二章所建立的V/f控制模塊。設置微電源參考電壓為0.38KV;參考頻率為工頻50Hz。

圖9為微電網母線的頻率,在孤島運行過程,沒有進行負荷操作等造成系統功率變化的情況下,功率能夠保持很好的穩定,圖10為微電網系統主要電壓的監測點,U1為母線處電壓;U2為load1處的電壓監測;U3為load2處的電壓監測;U4為load3處的電壓監測,從波形圖中可以看出,這四個主要點的電壓保持一致,因此,圖9和圖10充分說明了微電網在孤島運行的情況采用V/f控制策略能夠實現系統內的電壓和頻率的穩定。

圖9 微電網頻率波形圖

圖10 微電網內電壓波形圖

綜上所述,微電網在并網運行時采用PQ控制策略,孤島運行時采用V/f控制策略能夠滿足系統內電能質量要求。

3 結論

本文對多換流器微電網并網和孤島不同工況下運行時進行了研究,提出了基于并網/孤島不同策略的多換流器微電網運行控制策略,通過理論和試驗證明在不同工況下采取不同的控制策略下,多換流器微電網可以更加穩定運行,從而提高多換流器微電網運行的穩定性。仿真和實驗結果證明了本文所提基于并網/孤島不同策略的多換流器微電網運行控制策略的有效性。