基于背靠背并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)模糊控制研究

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)重點實驗室，陜西 咸陽 712000)

0 引言

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)上是一個微型電網(wǎng)系統(tǒng)，內(nèi)部包含了分布式電源、負荷以及儲能等裝置。微電網(wǎng)中，電能的產(chǎn)生、消費以及儲能等各環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，有時內(nèi)部會出現(xiàn)常規(guī)保護失靈的現(xiàn)象。但是微電網(wǎng)系統(tǒng)對外表現(xiàn)出的特性是單一獨立的，多數(shù)呈現(xiàn)電源或者負荷的特點。對于大電網(wǎng)而言，微電網(wǎng)是單一可控單元，實現(xiàn)了即插即用。

微電網(wǎng)的運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，微電網(wǎng)可以立即斷開連接，作為一個獨立小型電網(wǎng)給負荷供電。此時，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)運行，又從孤島模式切換為并網(wǎng)模式，實現(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[4]對微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的公共連接點(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[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，以實現(xiàn)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行。

1 并網(wǎng)原理

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為兩個獨立系統(tǒng)，各自包含電源和負荷。假定并聯(lián)前后負荷總量保持不變，并聯(lián)前兩個系統(tǒng)以各自頻率運行，并聯(lián)后在同一頻率f0處運行，并聯(lián)后S1有功輸出的增加部分供給了S2的部分負荷。原動機調(diào)節(jié)具有滯后性，不能及時補充足額有功，S1將降頻運行。同理，S2因獲得有功而升頻。

頻率波動受電源出力和負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為負荷變化前系統(tǒng)的頻率；f2為負荷變化后系統(tǒng)的頻率；Δf為負荷變化前后系統(tǒng)的頻率差；P1為負荷變化前的有功功率；P2為負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代表無功負荷的無功功率-電壓特性；曲線1和曲線2的交點h為系統(tǒng)無功功率平衡點。當(dāng)系統(tǒng)無功負荷增加，曲線2變化到曲線2′時，由于系統(tǒng)不能及時提供足夠無功，系統(tǒng)將降壓運行，暫時穩(wěn)定在h′點。系統(tǒng)經(jīng)過無功補償后，將穩(wěn)定在g點運行。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

2 模型分析及搭建

2.1 模型分析

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)屏障具有較強的針對性、理論性和實踐性。生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)、房地產(chǎn)等項目透水性和生態(tài)型鋪裝技術(shù)還有待在實踐中探索、總結(jié)和完善。

本文采用的VSC拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 VSC拓撲結(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)。克拉克變換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，無法實現(xiàn)獨立控制。因此，需要采用電壓、電流前饋補償進行解耦。

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就實際上分別控制了有功和無功，從而實現(xiàn)了VSC的四象限運行[10]。

2.2 模型搭建

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

3 模糊控制的實現(xiàn)

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個語言變量為PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB，分別表示正大、正中、正小、零、負小、負中、負大。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。

對變流器模型進行分析得知其控制特點，結(jié)合專家經(jīng)驗和試驗分析，設(shè)計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)試驗結(jié)果對規(guī)則表進行局部調(diào)整，使得規(guī)則表盡量接近被控對象的客觀規(guī)律。

4 仿真驗證

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，用微汽輪機作原動機帶動同步電機模擬。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)的有功負荷為5 MW，無功負荷為3 MVar，兩側(cè)輸入電阻R=0.2 Ω，電感L=0.005 H。

大電網(wǎng)用水輪機作原動機帶動同步機模擬。S2容量為120 MVA，有功負荷為30 MW，無功負荷為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。基于背靠背并網(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)受到的影響比較小；反之，容量小的系統(tǒng)受到的波動稍大。

5 結(jié)論

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。