分布式電源交直流混合供電的微電網系統研究

趙 洪

（北京首都開發股份有限公司首開同信分公司，北京 100000）

當前能源供應現狀和能源分布結構面臨調整，構建高效低碳的綠色能源網絡迫在眉睫，以光伏、風力為代表的新能源發電技術得到快速發展[1-2]。微電網技術能夠將分布式電源與就地負荷有效鏈接成微電網系統，進而抑制分布式電源并網引起的電能質量問題，并保證了孤網運行時的供電能力。其中，交直流混合微電網結合了交流微電網和直流微電網的優點，在結構和使用上具有優越靈活性和穩定安全性[3-5]，但其功能實現主要依賴于控制方式和運行模式[6]。因此，本文針對分布式電源并網下交直混合微電網的運行控制問題，對交直流混合微電網系統結構、分布式電源及其控制策略進行研究。

1 交直流混合微電網系統的結構

交直流混合微電網有并網運行和獨立運行2種常態運行方式。當遇到大電網故障時，微電網從并網運行模式切換到孤島運行模式，并保障微電網內一些重要負荷的供電；當大電網故障切除后，微電網可以恢復到并網運行模式；此外，當大電網出現弱電網情況時，大電網還能從微電網內注入和吸收無功功率，實現自身的電壓支撐。交直流混合微電網結構圖如圖1所示。

由圖1可知，系統中包含不同類型的分布式電源。在并網模式下，交直流混合微電網通過大電網的箝位作用使得交流微電網的頻率與大電網保持同步，蓄電池可以作為可控的分布式電源接入到風光儲微電網中，負荷也可以通過大電網獲得符合要求的電能。交直流微電網因為大電網的存在使得自身功率可以保持平衡，此時交直流微電網的運行控制難點主要在集中在控制方面。

圖1 交直流混合微電網結構示意圖

2 分布式電源分析與搭建

由于分布式電源一般由小功率模塊組成且須兼顧周圍環境，具有小容量分散化的特點，因此以光伏系統為例進行電源特性分析與模型搭建。

2.1 光伏發電的原理和特性

光伏系統依靠光伏陣列生成電勢，然后利用逆變器將進行逆變及相角和頻率控制進行并網輸出。光伏陣列的電路模型如圖2所示。

圖2中，iph、Dph、Rs、Rsh、iD、ish、ipv和upv分別為光生電流、PN結、等效串聯電阻、等效并聯電阻、流經PN結的電流、流經等效并聯電阻電流、光伏陣列輸出電流和光伏陣列輸出電壓。通過對其進行電路原理計算可以得到光伏陣列的輸出電流電壓分別為

圖2 光伏陣列等效電路

式中：Isat、a、k、T、q和·LambertW（O）分別為反向飽和電流、二極管的品質系數、波茲曼常數、溫度、電荷量和朗伯W函數。通過上述可求得的光伏陣列的輸出功率Ppv為

由式（3）可知，由于日照和溫度的不定性，光伏陣列的電壓和功率輸出會有較大變化[7]，變化情況具體如圖3所示。

在圖3中，圖3（a）為溫度15~45℃時的4條曲線，圖3（b）為光照強度200~1 000 W/m2時的5條曲線。通過對比曲線變化趨勢可知：恒光照下，光伏電池的輸出電壓及輸出功率隨溫度升高而變小；恒溫下，光伏電池的輸出電壓及輸出功率隨光照增強而變大。

圖3 光伏電池功率-電壓變化曲線

2.2 光伏系統最大功率跟蹤技術

光伏電源本身具有出力不穩定性，直接接入電網會引起電能質量問題。工程中常采用最大功率點追蹤（MPPT）技術能對功率進行控制使其輸出最大功率[8-9]，達到并網要求。其中，利用增量電壓法可以實現MPPT的光伏輸出功率穩定在最大功率點附近，其主要原理是[10]：利用MPPT算法得到的光伏輸出電壓參考值與實時電壓作比較，并通過控制器的調節獲取光伏輸出電流參考值與實時電流作比較，然后基于脈沖寬度調制（PWM）發生器獲取控制信號實現，最終實現MPPT功能。具體步驟為[9]：首先，根據光伏陣列當前開關周期的輸出電壓和輸出電流計算出當前開關周期光伏陣列的輸出功率；其次，將當前開關周期光伏陣列輸出功率與上一開關周期光伏陣列輸出功率相比較，為參考電壓的整定提供判斷依據；再次，比較當前開關周期光伏陣列輸出電壓與上一開關周期光伏陣列的輸出電壓，為參考電壓的整定提供判斷依據；最后，結合光伏陣列輸出電壓和輸出功率的比較結果，對光伏陣列輸出電壓的參考值進行整定。

2.3 光伏電源仿真模型搭建

本文利用PSCAD平臺建立仿真模型，光伏電源的具體情況如圖4所示。

由圖4可知，光伏發電的主要元器件是光伏電池，因為單一光伏電池產生的電壓電流較小，所以將光伏電池串并聯制成光伏陣列，以提升電壓電流水平。此外，光伏陣列將光能轉化為電能時產生的是直流電，但可以通過逆變器將其轉化為交流電。

圖4 光伏電源仿真模型

3 交直流混合微電網運行控制策略

為讓微電網系統運行在既能穩定為負荷提供電能，又可降低電網運行中損耗的最優狀態下，需要依據實際運行情況建立起安全穩定的控制策略。此外，微電網因為可以自由切換運行模式，當發生切換時，系統結構會發生不同程度的變化，為了保障微電網對負載的穩定供電能力，還需要對其內部的分布式電源和模式開關進行控制調節。對于微電網系統，應針對不同情況提供相應的控制方式，使其工作時滿足不同的運行要求，因此在每個微電網都建立起運行控制中心，經由系統內的各級通信單元傳輸信息和指令，合理兼容微網的不同運行方式，達到最優控制目的。

3.1 并網運行控制策略

當微電網處于并網運行狀態時，微電網與大電網并聯運行，自身頻率與大電網同步，對系統內的電壓控制有較高需求。此時的控制策略為：控制中心自主判斷各節點的電壓是否滿足要求，若不符合要求，就需要采取相關的措施進行電壓調節。具體表現為依靠無功潮流來控制分布式電源和儲能設備的出力，使微網盡可能地不會被切除出大電網；通過優化無功分布及平衡無功潮流，保證電壓滿足標準。

3.2 孤島運行控制策略

當交直流微電網處于孤島運行模式時，需要保證內部分布式電源的快速響應，優化負荷潮流分布，使得系統可以滿足內部的電能需求及電能質量標準。此外，還要對線路、設備以及負載進行保護，防止出現故障。所以在孤島運行模式下的控制策略為：通過微電網中的控制中心進行統籌管理實現各個分布式電源的調整。

3.3 運行方式切換方法

微電網系統可借助電力電子技術，實現孤島運行模式和并網運行模式的切換，這樣可以降低分布式電源對大電網造成的沖擊。當進行2種運行模式的切換時，要先選擇合適的控制策略作為相應切換動作觸發的前提。此外，在進行并網操作時應緩慢調節微電網電壓以減小沖擊電流。

4 交直流微電網的仿真

微電網運行的基礎與核心是內部對分布式電源的控制，其基本目的是使微電網可以為負荷提供正常工作的環境，并且保障電能質量安全可靠。對于多種分布式電源的仿真，光伏電源與儲能系統通過電橋將單相電壓電流轉換為三相電壓電流，然后利用三相斷路器控制模塊進行開閉動作。而風力電源則將發出的三相電壓電流直接匯入微電網中。綜上所述，利用PSCAD平臺搭建圖1所示的交直流混合微電網仿真模型，并進行運行策略控制，得到交流電源側的電壓變化情況如圖5所示。

圖5 交流電源側的電壓變化

由仿真結果可知，交流電源側的電壓波形不存在畸變現象，滿足電能質量需求。

5 結論

本文通過分析交直流混合微電網結構，首先，闡述了不同分布式電源的并網方式；其次，以光伏系統為例進行分布式電源的原理和特性分析；再次，厘清了交直流混合微電網在不同運行方式下的控制策略和運行方式切換時的處理方法；最后，利用PSCAD平臺搭建模型進行電壓情況的仿真驗證。研究結果表明，利用微電網技術來進行分布式電源的并網處理，可以實現輸出電壓的有效控制，這為可再生能源的開發與利用提供新的思路。