一種適用于微電網的微電源控制策略研究

劉 輝,鐘 誠,李春輝,王培培

(湖北工業大學電氣與電子工程學院,湖北 武漢 430068)

面對資源、負荷分布不均勻的情況,我國在美國之后提出“堅強型智能電網”的建設計劃.其中,可再生能源的大規模接入與高級配電系統的建設將是實現電網“堅強”的重要組成部分.通過微電網技術,能夠有效地解決可再生能源的控制問題,并能夠依靠其靈活的運行方式,提高系統整體的運行效率及可靠性[1].但是微電網中含有各種不同類型的微電源,如微型燃氣輪機、風力發電、太陽能發電等,而有些微電源特別是基于可再生能源的微電源具有間歇性、輸出受到外界條件影響較大的特點,且有些微電源并不是以供電為主要目的(如熱電冷聯產),難以進行協調控制.

1 微電網中微電源的控制策略

文獻[2]中介紹了各國典型的微電網結構與控制方法.從微電網的整體控制思想來看,可以分為主-從控制與對等控制兩類.其中主-從控制采用了一個控制中心通過通信手段對微電源進行整體協調控制,主-從站控制[3]方法就是其中的一種.這種控制方法能夠實現微電源的協調運行,并能夠采用各種優化算法[4]如粒子群算法[5]等使微電網運行在經濟、環保、損耗最小的狀態下.但是這種方法對通信實時性有很高要求,因此在微電網規模較大時,不能采用以太網的 TCP/IP協議作為通信手段[6],需要專門的通信線路,加大系統成本的同時降低了系統的可靠性.

而基于無線并聯的對等控制不需要控制中心與通信線路,依靠微電源自身的調節來使系統穩定運行.并且能夠實現微電源的即插即用功能,控制方法簡單,系統可靠性高.目前,學者們提出的無線并聯的控制方法有三種,分別是PQ控制[7]、下垂控制[8]以及倒下垂控制[9].采用PQ控制的微電源的輸出功率為給定值,不受電壓、頻率的影響.下垂控制是由其輸出功率的大小來控制其輸出電壓與頻率,倒下垂控制則是由公共節點處的電壓與頻率來控制其輸出功率的大小.這兩種控制方法都有類似同步發電機并網的下垂特性.

本文欲在下垂特性的基礎上增加有功功率給定值,使微電源能夠按照功率給定值的大小進行輸出,這樣的微電源能夠滿足有通信手段的微電網控制策略.在采用無通信手段的控制策略時,能夠根據預先的設定值進行輸出,滿足系統需求.

2 微電源的功率傳輸特性

對于一個電壓源型逆變器,其并網后的等效模型見圖1.

圖1 電壓源逆變器并網等效模型

其中Z為等效阻抗,應為電壓源逆變器的等效阻抗與電纜阻抗之和.依據電路原理,得出逆變器輸出的功率為:

其中θ為兩電源的功角差.由于并網條件的限制,一般θ很小,此時可以認為sinθ=θ,cosθ=1.此時功率的表達式為:

在高壓系統中,電纜的感性成分遠大于阻性成分,低壓系統則相反,表1列出了高、低壓系統下典型電纜的參數.

表1 高、中、低壓環境下典型電纜參數

電壓源逆變器的控制器設計方法可以采用電壓電流雙環設計,從反饋結構來看有電容電壓、電流反饋與電容電壓、電感電流反饋兩種.而采用電容電壓、電流反饋的逆變器的輸出阻抗受電容中電阻參數影響較大[10],因此這里采用電容電壓、電感電流的反饋方式.其原理框圖見圖2.

圖2 采用雙環控制逆變器結構框圖

其中虛線所圍部分為開環部分,這里SPWM環節可以等效為一個比例環節[11].Id為輸出電流.電壓給定信號v＊與電壓反饋信號疊加后送入比例積分調節器,變為電流信號.由于逆變器輸出電流分為兩部分,一部分通過濾波電容,另一部分為負載及并網電流,因此要加入一個補償環節,合成的電流信號I1與電流反饋信號疊加形成電流指令信號 I＊,經過電流調節器K后形成電壓指令信號作為SPWM輸入.系統參數如:載波頻率fz(Hz),6000;調制波頻率 ft(Hz),50;濾波電容(μ F),100;濾波電感(mH),3;等效直流電壓(V),360;電壓衰減倍數K1,1/370;電流衰減倍數K2,0.006;電壓環比例參數KP,1;電壓環積分參數KI,3140;電流環比例參數K,9.不考慮電感、電容中的電阻,系統的傳遞函數的表達式為:

系統的等效阻抗

其頻域響應如圖3所示.

圖3 Z(s)的頻域相應曲線

其等效阻抗在50 Hz處呈感性,但是其幅值很小,因此功率傳輸阻抗特性應主要取決于傳輸線纜的阻抗.高壓系統下,忽略阻抗中的阻性成分,功率傳輸表達式如下:

此時功率傳輸與同步發電機的功率傳輸特性相同,即有功功率與頻率呈下垂特性,無功功率與電壓幅值呈下垂特性.

而在低壓環境中,忽略阻抗中的感性成分,功率傳輸表達式如下:

此時功率特性與高壓系統中的特性相反,有功功率與電壓幅值呈下垂特性,無功功率與頻率呈下垂特性.但是由于大電網中有功功率與頻率呈下垂特性,無功功率與電壓幅值呈下垂特性.所以采用這種控制方法的逆變電源不能聯網運行.而由式(1)可以看出,逆變器的等效輸出阻抗也與雙環控制器的參數有關,設計時應在保證穩定的前提下降低電壓控制器的比例參數,提高積分參數,使輸出阻抗呈感性.

3 功率控制器的設計

依據式(2)設計功率控制器如圖4所示.

圖4 功率控制器結構圖

在其中有功功率與無功功率的下垂系數:

Δ f與Δ U的取值應該在相關標準以內.E0是逆變電源輸出的無功功率為0時的電壓幅值,無功功率Q經過下垂系數n之后形成Δ U,加上E0作為SPWM調制波的幅值E.Pref為給定有功功率值.Pref與功率反饋信號P形成誤差信號后經過下垂系數m轉化為Δ f,再加上母線頻率作為SPWM 調制波的頻率 f0.E與f0合成SPWM調制波作為控制信號.

4 仿真結果及其分析

在MAT LAB/SIMULINK中建立仿真模型如圖5所示.

圖5 SIM ULINK中建立的仿真模型

系統在0～0.2 s處于獨立運行狀態,系統帶一個功耗為4 kW的負載,初始功率給定值4 kW.0.2 s后,系統聯網運行,有功功率給定值變為8 kW,仿真結果如圖6-圖9所示.

0～0.1 s之間,逆變器輸出電壓不斷增大,起始輸出頻率高于工頻,隨后輸出頻率開始降低,功角逐漸增大,輸出的有功功率增大.大約在0.04 s處逆變器輸出頻率穩定在50 Hz處,此時有功功率也達到設定值要求.0.2 s時,微電源并網,功率給定值突然變為8 kW,逆變器輸出頻率突然升高,輸出功角再次增大,輸出的有功功率增加,同時輸出頻率逐漸下降,最后再次穩定在50 Hz處.從仿真結果中可以看出采用這種控制方法的微電源能夠獨立運行及并網運行,并且能夠控制功率輸出,能夠滿足微電網孤島及獨立運行.

5 結束語

在介紹微電網的基本控制思想及微電源控制方法的基礎上.分析了基于雙環控制的逆變微電源的等效阻抗,在此基礎上討論了微電源的功率傳輸特性,并提出為了能夠使微電網能夠更好的實現聯網運行,在進行雙環控制器設計時,降低電壓控制器的比例參數,提高積分參數,保證線路的阻抗特性為感性是必要的.根據功率傳輸特性設計了功率控制器,并通過 MATLAB/SIMULINK進行仿真,結果表明采用這種控制方法的微電源能夠在孤島及聯網模式下良好運行.

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