微電網(wǎng)系統(tǒng)控制器研究

李延新 張兆云

（國電南瑞科技股份有限公司，廣東 深圳 518054）

近來年，分布式發(fā)電（DG）和微電網(wǎng)系統(tǒng)獲得了越來越多的重視和研究[1-4]。在我國微電網(wǎng)的實施不僅能夠促進風光等可再生能源發(fā)展，提高電力系統(tǒng)的可靠性，解決偏遠地區(qū)的電力應用，而且最終將會降低終端用戶的用電成本，使得電力系統(tǒng)更安全更經(jīng)濟。分布式新能源以及當?shù)刎摵山M成相對獨立運行的微電網(wǎng)會逐漸成為一種趨勢，成為智能電網(wǎng)的重要組成部分。

目前我國微電網(wǎng)通常由分布式新能源（DG）和儲能設備（DS）構(gòu)成，分布式新能源一般為幾千網(wǎng)到幾百千瓦的光伏電池太陽能發(fā)電系統(tǒng)或直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)，同時微電網(wǎng)中也會配置蓄電池、超級電容器等儲能設備（DS），增加系統(tǒng)的慣性。這類微電網(wǎng)處于孤島運行模式時，儲能裝置會快速地轉(zhuǎn)換為定電壓和定頻率控制模式（V/ f控制），其功率輸出可控，能夠足夠快地隨負荷波動，向微電網(wǎng)中的其他分布式新能源提供電壓和頻率參考，而其他分布式新能源則一直采用定功率控制。孤網(wǎng)下，儲能裝置的控制器為主控制器，其他的控制器為從控制器，各從控制器將根據(jù)主控制器來決定自己的運行方式。這就是微電網(wǎng)的主從控制模式。

系統(tǒng)控制器是微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的重要組成部分[5]，在并網(wǎng)和孤網(wǎng)運行方式下，維持微電網(wǎng)運行時功率和頻率的穩(wěn)定，盡可能提高清潔能源的利用。在微電網(wǎng)中，系統(tǒng)控制器的控制策略是維持電網(wǎng)的電壓和頻率的關(guān)鍵。

1 微電網(wǎng)模型

本文以華北電網(wǎng)圍場御道口風、光、儲村莊模式為目標系統(tǒng)進行建模和仿真。村莊模式建設內(nèi)容包含光伏發(fā)電、風力發(fā)電、儲能、低壓集電和配電、微電網(wǎng)監(jiān)控和能量管理、電能計量、電能質(zhì)量監(jiān)測和治理、接入公用配電網(wǎng)、通信等9個子系統(tǒng)，最終形成一個低壓0.4kV的微電網(wǎng)運行系統(tǒng)。該微電網(wǎng)中既可以并網(wǎng)運行，也可以孤網(wǎng)運行。該微電網(wǎng)的主要新能源包括：50kW光伏發(fā)電系統(tǒng)兩套；60kW直驅(qū)型風力發(fā)電兩臺；100個6.4V/200Ah的鉛酸蓄電池組成的儲能系統(tǒng)一套。同時微網(wǎng)中的負荷包括當?shù)剞r(nóng)戶用電負荷以及可調(diào)負載。圖1是該微電網(wǎng)的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采用了 PSCAD對該微電網(wǎng)系統(tǒng)進行仿真。光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型如圖2所示。光伏逆變器由光伏電池、Boost電路以及逆變器電路3部分構(gòu)成[6]。其中光伏電池部分將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳎斎雲(yún)?shù)包括光照強度和溫度；Boost電路主要完成最大功率跟蹤（MPPT）功能；逆變電路將直流變換為交流。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)包括風力機、永磁同步電機、整流電路和逆變電路4部分。除了風力機部分外的直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)模型如圖3所示。其中風力機輸出的轉(zhuǎn)矩為同步電機的輸出轉(zhuǎn)矩；永磁同步電機將機械能轉(zhuǎn)換為頻率和幅值不恒定的交流量；整流回路將不穩(wěn)定的交流量變換為直流；逆變回路將直流變換為頻率和幅值恒定的交流。

微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)采用鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池模型一般有一階基本模型、一階改進模型、Thevenin等效模型、三階非線性動態(tài)等效模型[7]等。本文采用的是三階非線性動態(tài)等效電路模型。蓄電池發(fā)電系統(tǒng)由蓄電池和逆變器兩部分組成，仿真模型如圖4所示。

圖3 直驅(qū)風機仿真模型

圖4 蓄電池仿真模型

該模型中光伏逆變器和直驅(qū)風機采用 PQ控制模式。蓄電池儲能系統(tǒng)可以工作在PQ模式或者V/F模式。在并網(wǎng)的時候蓄電池采用 PQ控制，孤網(wǎng)運行時采用V/F控制。通過仿真可以了解微電網(wǎng)的并網(wǎng)擾動特性、并網(wǎng)和解裂過程、孤網(wǎng)穩(wěn)態(tài)、孤網(wǎng)擾動下的運行特性。

2 仿真結(jié)果和控制策略分析

2.1 控制策略

無論并網(wǎng)或者孤網(wǎng)，光伏逆變器和直驅(qū)風機始終工作于 PQ控制模式；并網(wǎng)運行時，蓄電池系統(tǒng)也運行于PQ模式。PQ模式是微電網(wǎng)中新能源的一種重要的運行方式。PQ控制時變流器的控制采用基于電網(wǎng)電壓定向的電流閉環(huán)矢量控制，控制系統(tǒng)由功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成。控制邏輯系統(tǒng)圖如圖 5所示。

圖5 控制系統(tǒng)仿真模型

其中，Edc為逆變器直流側(cè)電壓實測值，Q為逆變器輸出無功功率實測值；dc-ref為逆變器直流側(cè)電壓參考值；Q_ref為逆變器輸出無功功率參考值；Isd、Isq為逆變器輸出電流的直軸分量和交軸分量；Usd、Usq為逆變器輸出電壓的直軸分量和交軸分量；Udref、Uqref為逆變器SPWM控制所需要的電壓矢量計算值。

根據(jù)仿真圖，解耦后的Id電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。當開關(guān)頻率足夠高時，其逆變橋的放大特性可由比例增益Kpwm近似表示。

圖6 電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)

在并網(wǎng)條件下，光伏逆變器和直驅(qū)風機工作在最大功率跟蹤狀態(tài)，蓄電池工作在PQ控制，并網(wǎng)時大電網(wǎng)保證微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，系統(tǒng)控制器實時跟蹤PCC結(jié)點的有功和無功，控制光伏逆變器和直驅(qū)風機的無功輸出，提高PCC結(jié)點的功率因數(shù)。

2.2 模式轉(zhuǎn)換仿真

并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)，圖7所示是強制跳閘下PCC點開關(guān)兩側(cè)的波形（光伏和風力發(fā)電總?cè)萘看笥谪摵桑渲袌D中①為PCC點電網(wǎng)側(cè)電壓，②為PCC點微網(wǎng)側(cè)電壓。在PCC開關(guān)跳開后，控制器檢測到了孤網(wǎng)狀態(tài)，蓄電池切換到V/f控制模式，開始支撐微網(wǎng)恢復正常運行。在圖6所示逆變器的控制框圖中，在強制切換的過程中，逆變器外環(huán)給內(nèi)環(huán)指定的 Id和 Iq基本不變（外環(huán)是較慢的功率控制），內(nèi)環(huán)電流控制迅速調(diào)節(jié)，保持輸出的 Id和 Iq不變，整個逆變器呈現(xiàn)出電流源特性，原本反送大電網(wǎng)的電流流向負荷，造成電壓升高，出現(xiàn)過電壓。并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)可以在系統(tǒng)控制器干預下實現(xiàn)主動解列，控制器控制電源的PQ輸出，先將流經(jīng)PCC開關(guān)的電流降為很低，再分開PCC開關(guān)，實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。如果切換過程中光伏和風力發(fā)電總?cè)萘啃∮谪摵桑蜁霈F(xiàn)短時欠電壓。

圖7 強制并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)仿真波形

孤網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)，圖8所示是在系統(tǒng)控制器的控制下PCC開關(guān)實現(xiàn)同期并網(wǎng)。控制器跟蹤主網(wǎng)電壓和微網(wǎng)電壓，調(diào)整系統(tǒng)頻率（49.95Hz），檢同期元件投入，當電壓和相角差都小于門檻時系統(tǒng)控制器發(fā)出合閘令，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行。

圖8 同期并網(wǎng)仿真波形

2.3 負載特性仿真

在孤網(wǎng)以蓄電池為支撐的環(huán)境下，光伏逆變器和直驅(qū)風機采用PQ控制模式，蓄電池采用V/ f控制模式。負荷突然增加時，短時由蓄電池提供擾動功率。

圖9所示是負荷突然減少時的仿真波形。其中Qpv1，Qwt1，Qpcs分別為光伏、直驅(qū)風機以及蓄電池輸出的無功功率：Ppv1，Pwt1，Ppcs分別為光伏、直驅(qū)風機以及蓄電池輸出的有功功率：Ipv1，Iwt1，Ipcs分別為光伏、直驅(qū)風機以及蓄電池輸出的電流：EbusA，EbusB分別為母線A和母線B的電壓。

在切負荷的瞬間，逆變器電流不能突變，負載阻抗增加，電壓升高，過電壓及其延續(xù)的時間和負載切除的比例相關(guān)。短時過電壓系統(tǒng)需通過配置壓敏電阻或 MOV吸收電流，若能量過大，則可以通過控制器投入電阻箱吸收。

圖9 孤網(wǎng)運行切負荷仿真波形

3 微電網(wǎng)系統(tǒng)控制器的裝置實現(xiàn)

微電網(wǎng)的系統(tǒng)控制器實現(xiàn)微電網(wǎng)從并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)、以及孤網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的過程，負責微電網(wǎng)獨立運行時電壓和頻率的上層控制，通過控制各類分布式電源和儲能設備的功率調(diào)節(jié)、負荷投切，來實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定平衡。

在微電網(wǎng)獨立運行時，如負載小于風機和光伏的額定輸出功率，會能出現(xiàn)微電網(wǎng)頻率或者電壓過高，此時適當退出部分分布式電源或者在利用分布式電源并網(wǎng)逆變器的輸出功率限制功能，限制分布式電源的輸出功率。當負載大于風機、光伏、儲能設備的輸出功率時，微電網(wǎng)頻率或者電壓下降，此時適當切除部分負載，保持微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率和電壓穩(wěn)定。

系統(tǒng)控制器實時監(jiān)視PCC電壓、電流，當需要孤網(wǎng)運行或者判斷出外部電網(wǎng)失壓，模式控制器快速切除與主網(wǎng)的連接，蓄電池雙向逆變器的工作模式由PQ模式轉(zhuǎn)換為V-F模式，迅速建立孤島運行時微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率。當需要孤網(wǎng)運行轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)運行時，控制器跟蹤主網(wǎng)電壓和微電網(wǎng)電壓，實現(xiàn)同期投入。

基于微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真的基礎上，本文設計構(gòu)建了一套完整的微電網(wǎng)控制系統(tǒng)平臺，圖10是微電網(wǎng)的系統(tǒng)控制器系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)控制器采用基于PPC8321的嵌入式平臺實現(xiàn)系統(tǒng)采集控制功能。通過以太網(wǎng)或 485網(wǎng)絡與智能終端和逆變器實時通訊，掌握系統(tǒng)工況，并決策控制。系統(tǒng)簡單可靠，與微電網(wǎng)保護裝置互相配合，共同保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運行。

圖10 微電網(wǎng)的系統(tǒng)控制系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)論

本文從微電網(wǎng)典型系統(tǒng)著手，利用 PSCAD建立了含風力、光伏、蓄電池系統(tǒng)的微電網(wǎng)模型，仿真分析各種擾動情況下微電網(wǎng)的響應及系統(tǒng)控制器的應對控制策略，并根據(jù)系統(tǒng)控制策略設計了微電網(wǎng)的系統(tǒng)控制器。微電網(wǎng)應對各種工況和擾動，除了風力、光伏等電源要具有較大的調(diào)節(jié)能力，配置蓄電池、超級電容器等儲能元件進行支撐外，還需要從系統(tǒng)角度實現(xiàn)微電源和負載的通信和協(xié)調(diào)控制，確保微電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

[1]MAJUMDER R, GHOSH A, LEDWICH G, ZARE F.Power management and power flow control with back-to-back converters in a utility connected microgrid[J]. IEEE Trans. on Power System,2010,25(2):821-834.

[2]JAAKKO L H. Protection principles for future microgrids[J]. IEEE Trans. on Power Electronics,2010,25(12): 2910-2918.

[3]SORTOMME E, VENKATA S S, JOYDEEP M.Microgrid protection using communication-assisted digital relays[J]. IEEE Trans. on Power Delivery,2010,25(4):2789-2796.

[4]LASSETER R H, ETO J H, SCHENKMAN B,STEVENS J, KLAPP D, LINTON E, HURTADO H,ROY J. Certs microgrid laboratory test bed[J]. IEEE Trans. on Power Delivery,2011,26(11):325-332.

[5]楊占剛,王成山.可實現(xiàn)運行模式靈活切換的小型微網(wǎng)實驗系統(tǒng)[J].電力自動化系統(tǒng),2009(14):79-82.

[6]陳興峰,曹志峰,許洪華等.光伏發(fā)電的最大功率跟蹤算法研究[J].可再生能源,2005(1):8-11.

[7]CERALOL M. New dynamical models of lead-acid batteries[J]. IEEE Transacyions on Power Systems,2000,15(4):1184-1190.