淺談微電網(wǎng)功率控制技術(shù)?

朱冬青，石 砦，司帥帥，何 群，華思雨

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引言

隨著近年來(lái)用電負(fù)荷量的不斷增加，而電網(wǎng)建設(shè)卻沒有隨著負(fù)荷的增加同步發(fā)展，這樣便導(dǎo)致了遠(yuǎn)距離輸電容量的不斷擴(kuò)大，伴隨而來(lái)的是電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性的下降［1］。鑒于上述問題，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展與改進(jìn)，分布式發(fā)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。所謂分布式發(fā)電指的是通過(guò)在配電網(wǎng)建立單獨(dú)的微電源來(lái)對(duì)配電網(wǎng)中的負(fù)荷進(jìn)行供電，并通過(guò)公共連接點(diǎn)（Point of Common Coupling，PCC）連接到大電網(wǎng)，并且能與外界電網(wǎng)進(jìn)行能量交換［2］。微電網(wǎng)的電能主要來(lái)自于多種類的分布式電源，受自然環(huán)境制約性強(qiáng)，并通過(guò)電力電子裝置組網(wǎng)。所以，微電網(wǎng)的功率在各分布式電源、存儲(chǔ)設(shè)備及負(fù)載之間的傳送很復(fù)雜，嚴(yán)重制約了微電網(wǎng)的發(fā)展。各國(guó)針對(duì)該問題分別展開了相關(guān)的研究，建立了以PQ控制、下垂控制、倒下垂控制為基礎(chǔ)的微電網(wǎng)功率控制體系。

1 微電網(wǎng)的概念和結(jié)構(gòu)

1.1 微電網(wǎng)的概念

目前國(guó)際上還沒有對(duì)微電網(wǎng)形成統(tǒng)一的定義，美國(guó)是世界上最早展開微電網(wǎng)研究的國(guó)家，其微電網(wǎng)技術(shù)研究處于領(lǐng)先地位。美國(guó)電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)（CERTS）提出了微電網(wǎng)的基本概念：這是一種各種負(fù)荷和多種微電源的集合。該微電源在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)向負(fù)載提供電力和熱力需求，這些微電源大多數(shù)都是電力電子型的，并提供相應(yīng)的靈活性，以確保能以一個(gè)集成系統(tǒng)的方式運(yùn)行，其控制的靈活性決定了微電網(wǎng)能作為大電力系統(tǒng)的一個(gè)受控單元，以適應(yīng)當(dāng)?shù)刎?fù)荷對(duì)電力可靠性和安全性的要求。

1.2 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。微電網(wǎng)主要包括分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備、電力電子設(shè)備、控制系統(tǒng)和負(fù)荷，它們相互協(xié)調(diào)合作，共同維持微電網(wǎng)的正常運(yùn)行。分布式電源由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池、燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)等組成，它們都需要通過(guò)電力電子裝置與大電網(wǎng)相連［3］。風(fēng)力發(fā)電機(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)出的電能是交流電，為了滿足并網(wǎng)的要求，必須經(jīng)過(guò)電力電子設(shè)備先把交流電變成直流電，然后再將直流電逆變成交流電并網(wǎng)。燃料電池和光伏電池直接輸出直流電，只需要將直流電逆變成相應(yīng)交流電便可并網(wǎng)。儲(chǔ)能裝置在微電網(wǎng)電能過(guò)剩的情況下儲(chǔ)能，在微電網(wǎng)電能不足情況下放出能量，它對(duì)應(yīng)的電能轉(zhuǎn)換裝置是雙向的。和大電網(wǎng)一樣，微電網(wǎng)的負(fù)荷也有等級(jí)，在必要的情況下可切斷一般負(fù)荷來(lái)維持重要負(fù)荷的正常供電?？刂葡到y(tǒng)則是微電網(wǎng)最關(guān)鍵的部分，用來(lái)協(xié)調(diào)整個(gè)微電網(wǎng)的運(yùn)行。

2 微電網(wǎng)的功率特點(diǎn)

微電網(wǎng)是一個(gè)低壓系統(tǒng)，所以它遵循低壓系統(tǒng)的功率特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的大電網(wǎng)相比較，微電網(wǎng)主要有兩個(gè)特點(diǎn)：①每一種微電源的輸出特性幾乎都不一樣；②因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)屬于低壓傳輸網(wǎng)絡(luò)類型，這便決定了其傳輸?shù)木€損會(huì)很大，不能忽略。因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)中的微電源是利用可再生能源發(fā)電的，這便決定了微電網(wǎng)的運(yùn)行受自然條件影響大，功率輸出具有不穩(wěn)定性，從資源利用率的角度去考慮，微電網(wǎng)中的微電源應(yīng)盡量以最大功率輸出。文獻(xiàn)［4］詳細(xì)地介紹了在低壓微電網(wǎng)中功率傳輸?shù)睦碚撏茖?dǎo)過(guò)程，通過(guò)模型簡(jiǎn)化分別得到高壓電網(wǎng)和低壓電網(wǎng)的功率傳輸特性，針對(duì)微電網(wǎng)的特點(diǎn)，取其低壓配電網(wǎng)功率傳輸特性。

圖1 微電網(wǎng)一般結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于低壓配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因?yàn)檩旊娋€路的電阻R要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電抗X，因此在計(jì)算化簡(jiǎn)的過(guò)程中可以將電抗X忽略，認(rèn)為X≈0。經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)后有：

其中：P為微電網(wǎng)有功功率；Q為無(wú)功功率；U1、U2分別為線路首、端電壓；δ為輸電線路兩端的功角差。

由式（1）、式（2）可以得出如下結(jié)論：在低壓輸配電網(wǎng)絡(luò)中，線路傳輸?shù)挠泄β蔖主要由線路兩端的電壓差決定，而無(wú)功功率主要由線路兩端電壓的相位差δ決定。從功率的潮流方向看，有功潮流從電壓幅值較高的節(jié)點(diǎn)流向電壓幅值較低的節(jié)點(diǎn)；無(wú)功潮流則相應(yīng)地從電壓相角滯后節(jié)點(diǎn)流向電壓相角超前節(jié)點(diǎn)。

3 微電網(wǎng)功率控制方法

微電網(wǎng)的正常運(yùn)行離不開各微源逆變器的工作，它們?cè)谖㈦娫春臀㈦娋W(wǎng)之間起著調(diào)節(jié)的作用，微電網(wǎng)的功率控制就體現(xiàn)在逆變器的工作當(dāng)中。出于微電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定的要求，用于控制調(diào)節(jié)微電源聯(lián)網(wǎng)的逆變器應(yīng)滿足的條件是：能夠在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上向微電網(wǎng)中添加新的微電源；能夠獨(dú)立設(shè)定所有微電源的工作點(diǎn)；可以獨(dú)立控制各微電源輸出的有功功率和無(wú)功功率的平衡；微電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化能夠快速響應(yīng)。文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］中介紹了針對(duì)逆變器的微電網(wǎng)功率控制方法：PQ控制、下垂控制和倒下垂控制。

3.1 PQ 控制

PQ控制是有功/無(wú)功控制策略的簡(jiǎn)稱，通常用于可調(diào)度的微電源功率輸出控制，使用預(yù)先設(shè)定的功率參考值作為有功調(diào)度和無(wú)功補(bǔ)償值［7］。在PQ控制模式中，把分布式電源的有功和無(wú)功功率輸出作為控制器的給定值。逆變器的功率輸出也相應(yīng)地被設(shè)定為常數(shù)，這樣無(wú)論電網(wǎng)中的頻率和電壓如何變化，控制器都會(huì)輸出給定的功率值。此時(shí)，分布式電源便是電壓控制的電流源。

采用PQ控制的微電源向微電網(wǎng)中注入一定的有功功率和無(wú)功功率，受系統(tǒng)中負(fù)荷變化或其他電源出力變化的影響很小。但是，分布式電源發(fā)出的電能不是穩(wěn)定的，要滿足微電源向微電網(wǎng)注入指定的有功和無(wú)功功率，必然會(huì)選擇微電源滿足條件的最低值作為參考，會(huì)造成微電源電能的浪費(fèi)。PQ控制技術(shù)的難度系數(shù)小，可靠性高，成本低，今后的研究應(yīng)著力于提高其資源利用率。

3.2 下垂控制

下垂控制是通過(guò)調(diào)節(jié)有功功率—電壓、無(wú)功功率—頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)功率的控制。下垂控制類似于大電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，根據(jù)輸出功率的變化特點(diǎn)來(lái)控制電壓源逆變器（Voltage Source Inverter，VSI）的輸出使其電壓和頻率自動(dòng)跟蹤如圖2所示的預(yù)定的下垂特性。其中，f0為額定頻率，V0為額定電壓。下垂控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 下垂特性曲線

圖3 下垂控制結(jié)構(gòu)框圖

下垂控制技術(shù)的功能是由下垂控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)實(shí)際需要，可以設(shè)定不同的下垂系數(shù)。下垂控制器由電壓下垂控制器和頻率下垂控制器組成，實(shí)現(xiàn)了分別對(duì)電壓和頻率的控制，降低了功率控制的難度，也減小了硬件設(shè)備的投資。但在保持下垂系數(shù)不變的前提下，下垂控制器可能會(huì)出現(xiàn)微電網(wǎng)輸出電壓和頻率過(guò)度下垂的情況，增加下垂調(diào)節(jié)導(dǎo)致的微電網(wǎng)電壓幅值和頻率的偏離，對(duì)微電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和頻率穩(wěn)定性造成影響?？偠灾麓箍刂萍夹g(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，其優(yōu)點(diǎn)是投資少，但是穩(wěn)定性差。

3.3 倒下垂控制

倒下垂控制模式中，VSI能根據(jù)測(cè)量電網(wǎng)電壓的幅值和頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功功率的分別控制輸出，讓其按照如圖2所示的預(yù)定下垂特性運(yùn)行。該控制方法與下垂控制通過(guò)測(cè)量輸出功率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓控制的方法是完全相反的，但同時(shí)又具有下垂的特性，所以該控制方法被稱為倒下垂控制策略。

倒下垂控制技術(shù)對(duì)功率的變化響應(yīng)速度快，輸出電流的諧波小，可實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)和從大電網(wǎng)中解除的無(wú)縫切換，保持系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。但是微網(wǎng)中倒下垂控制策略對(duì)逆變器的響應(yīng)速度有很高的要求，否則可能對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行造成不穩(wěn)定的麻煩。倒下垂控制技術(shù)性能好，穩(wěn)定性能強(qiáng)，成本高，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.4 其他控制策略

其他控制策略是在上述控制策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行的拓展，針對(duì)每個(gè)策略的不足加以改進(jìn)，或者是將至少兩個(gè)策略的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，形成了綜合控制策略。文獻(xiàn)［5］就是針對(duì)倒下垂控制逆變器的電流控制型控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種基于電流分解的微電網(wǎng)功率控制策略，增強(qiáng)了低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［6］采用倒下垂和下垂控制相結(jié)合的綜合控制策略，在無(wú)通信線路的情況下實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的并網(wǎng)和從大電網(wǎng)中解列的無(wú)縫切換，提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

由于上述控制技術(shù)都有本身固有的缺陷，單獨(dú)完美實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)功率控制的難度大，可提升的空間相對(duì)較小。綜合控制技術(shù)可以將多種單獨(dú)控制技術(shù)相結(jié)合，把他們的優(yōu)點(diǎn)充分結(jié)合起來(lái)，降低了微電網(wǎng)功率控制的難度，提高了功率控制的效果和效率，是今后微電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)好方向。但是，微電網(wǎng)綜合控制技術(shù)起步晚，技術(shù)還相對(duì)不是很成熟，需要專家學(xué)者的繼續(xù)努力。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，微電網(wǎng)的功率控制技術(shù)還不是很成熟，基本的控制理論體系已經(jīng)大致建立，相關(guān)的試驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室正在不斷搭建中。相信在不斷的努力下，微電網(wǎng)的功率控制技術(shù)會(huì)日益完善，讓我們的生活因微電網(wǎng)而更精彩。

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