歐陽(yáng)，牛銘

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410015；2.華北電力大學(xué)，北京 102206）

以天然氣為能源的分布式供能系統(tǒng)采用先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)、余熱驅(qū)動(dòng)的熱泵技術(shù)和分布式供能系統(tǒng)的集成技術(shù)，具有高效、可靠、經(jīng)濟(jì)、清潔等特點(diǎn)[1-2]，以微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)為核心的微網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展研究[3-5]。針對(duì)北方地區(qū)氣候特點(diǎn)，采用新型熱泵技術(shù)和冷暖負(fù)荷的調(diào)配措施，以發(fā)揮分布式供能系統(tǒng)的最大效能。與簡(jiǎn)單的供電系統(tǒng)相比，燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)可在大幅度提高系統(tǒng)能源利用率的同時(shí)，降低環(huán)境污染，明顯改善系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性[6-7]。

1 地區(qū)微網(wǎng)系統(tǒng)方案

1.1 微網(wǎng)系統(tǒng)接線(xiàn)方式

本項(xiàng)目選擇北方地區(qū)某產(chǎn)業(yè)園作為示范工程點(diǎn)。該地區(qū)分布式供能系統(tǒng)將為住宅和商業(yè)建筑提供所需的全部采暖和生活熱水，并供應(yīng)部分電力。根據(jù)產(chǎn)業(yè)園需求購(gòu)進(jìn)兩臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)，其中高性能的進(jìn)口燃?xì)廨啓C(jī)主要承擔(dān)基本負(fù)荷，國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)責(zé)調(diào)峰和緊急狀況。

圖1 微網(wǎng)接線(xiàn)方案

接線(xiàn)方案應(yīng)確保微網(wǎng)與主網(wǎng)長(zhǎng)期互聯(lián)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)微網(wǎng)是單并網(wǎng)還是雙并網(wǎng)，是單母線(xiàn)接線(xiàn)還是單母線(xiàn)分段接線(xiàn)，提出圖1所示4種方案，各方案主要設(shè)備數(shù)量如表1所示。

表1 電氣接線(xiàn)技術(shù)方案

方案1、方案2為單并網(wǎng)接線(xiàn)，即微電網(wǎng)與大電網(wǎng)只有一個(gè)連接點(diǎn)。由于方案2中微網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)母線(xiàn)2與進(jìn)線(xiàn)相連，因此聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)需要始終保持閉合，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的可靠性影響了系統(tǒng)的整體性能，而且相比方案1需要多建設(shè)一條母線(xiàn)，增加了成本。方案3、方案4為雙并網(wǎng)接線(xiàn)，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)具有更高的供電可靠性，但系統(tǒng)建設(shè)成本更高；主網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，微網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行模式需要保證同時(shí)打開(kāi)2個(gè)斷路器，一旦斷路器開(kāi)斷操作失敗，會(huì)對(duì)微網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷造成嚴(yán)重影響。

單母線(xiàn)接線(xiàn)設(shè)備少、投資小、運(yùn)行操作方便，且便于擴(kuò)建[8-9]，符合分布式電源即插即用的特點(diǎn)，并且母線(xiàn)本身故障率很低，故本項(xiàng)目系統(tǒng)接線(xiàn)方式采用方案1。

1.2 微網(wǎng)系統(tǒng)控制方式

1.2.1 下垂（Droop）控制

該控制方式是基于電力電子技術(shù)的對(duì)等（Peer to Peer,P2P）控制，靈活選擇與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相似的頻率一次調(diào)整（Droop）特性曲線(xiàn)作為微源的控制方式，利用頻率有功下垂曲線(xiàn)將微網(wǎng)系統(tǒng)不平衡的功率動(dòng)態(tài)分配給各機(jī)組來(lái)承擔(dān)，無(wú)需機(jī)組間的通信協(xié)調(diào)，保證微網(wǎng)孤網(wǎng)時(shí)的電力供需平衡和頻率穩(wěn)定，具有簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)，但該方法沒(méi)有考慮到系統(tǒng)電壓與頻率的恢復(fù)問(wèn)題，即傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的二次調(diào)頻問(wèn)題[8-12]。因此，微網(wǎng)再并網(wǎng)時(shí)會(huì)對(duì)主網(wǎng)的頻率產(chǎn)生一定的沖擊。另外，該方法是針對(duì)采用電力電子技術(shù)的分布式發(fā)電系統(tǒng)的控制，沒(méi)有考慮傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)（如燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)）與微網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)控制。下垂曲線(xiàn)特性如圖2所示，本算例中僅用一臺(tái)國(guó)產(chǎn)微燃機(jī)MS2作為調(diào)頻機(jī)，采用Droop控制方式，當(dāng)微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行出現(xiàn)功率差額時(shí)，由MS2調(diào)節(jié)出力，令微網(wǎng)頻率穩(wěn)定在新的水平。

圖2 下垂曲線(xiàn)特性

1.2.2 頻率電壓（VF）控制

該方法是基于下垂控制的微網(wǎng)控制方式提出的。微網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，所有微源采用恒功率（PQ）控制策略，一旦主網(wǎng)故障微網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其中一個(gè)微源將切換為VF控制策略，微網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率在此控制下可維持孤網(wǎng)前水平，其他微源保持恒PQ控制運(yùn)行不參與電壓和頻率的調(diào)整。在孤網(wǎng)運(yùn)行模式下，VF控制微源可跟蹤負(fù)荷變化，實(shí)現(xiàn)電力供需平衡，同時(shí)保證較高的電壓和頻率質(zhì)量[13-15]。該控制方法實(shí)際上類(lèi)似于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的二次調(diào)頻過(guò)程，如圖3所示，當(dāng)微網(wǎng)頻率與給定頻率出現(xiàn)偏差時(shí)，微源在VF控制方式下自動(dòng)調(diào)整自身下垂特性，向左（或右）平移下垂曲線(xiàn)，保證頻率維持恒定。不過(guò)，此控制方法對(duì)VF控制微源的旋轉(zhuǎn)備用容量要求較高，孤網(wǎng)情況下需能夠承擔(dān)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)由主網(wǎng)提供的全部功率。

圖3 VF控制特性

2 微網(wǎng)模型及仿真分析

2.1 微源仿真模型

圖4 微源仿真模型

燃?xì)廨啓C(jī)模型采用電流源等效，如圖4（a）。控制等效電源的電流，從而實(shí)現(xiàn)PQ控制、Droop控制或VF控制，滿(mǎn)足燃?xì)廨啓C(jī)不同的輸出需求。PQ控制仿真如圖4（b），Droop/VF控制仿真如圖4（c），VF控制即在Droop控制的比例環(huán)節(jié)上增加積分環(huán)節(jié)，達(dá)到對(duì)下垂曲線(xiàn)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整的目的。

2.2 微網(wǎng)系統(tǒng)仿真分析

微網(wǎng)具有并網(wǎng)和孤網(wǎng)2種運(yùn)行方式。正常情況下，微網(wǎng)與主網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行；而當(dāng)微網(wǎng)中設(shè)備進(jìn)行計(jì)劃?rùn)z修，或主網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，微網(wǎng)與主網(wǎng)分離，微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行。孤網(wǎng)運(yùn)行分為計(jì)劃孤網(wǎng)和非計(jì)劃孤網(wǎng)。計(jì)劃孤網(wǎng)時(shí)，微網(wǎng)和主網(wǎng)的交換功率逐漸降低至0，然后斷開(kāi)PCC斷路器，微網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行模式；非計(jì)劃孤網(wǎng)時(shí)，微網(wǎng)運(yùn)行模式控制器檢測(cè)PCC處電壓和頻率，不滿(mǎn)足并網(wǎng)條件時(shí)則發(fā)出斷路器跳閘命令，同時(shí)微網(wǎng)內(nèi)部各微源轉(zhuǎn)換控制模式，微網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

本節(jié)對(duì)微網(wǎng)的計(jì)劃孤網(wǎng)運(yùn)行和非計(jì)劃孤網(wǎng)時(shí)不同控制方法的穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析。

2.2.1 微網(wǎng)計(jì)劃孤網(wǎng)

5 s前微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，MS1和MS2恒PQ控制，分別發(fā)出給定有功1.2 MW和無(wú)功0.6 MV·A，0.3 MV·A，主網(wǎng)向微網(wǎng)輸送有功0.6 MW，送無(wú)功0.1 MV·A，如圖5（a）、圖5（b）所示。從2 s開(kāi)始到5 s，MS2控制出力增至1.8 MW、0.4 MV·A，即PCC處主網(wǎng)輸送功率減至0；5 s時(shí)PCC斷路器跳開(kāi)，MS1恒PQ控制，MS2轉(zhuǎn)為VF控制，微網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行模式。由圖5（c）、圖5（d）可以看到，由于微網(wǎng)和主網(wǎng)交換功率已降至0，在進(jìn)行斷路器開(kāi)斷操作時(shí)，微網(wǎng)自身電壓和頻率沖擊十分小，并且VF控制電源中電壓相位始終采集主網(wǎng)電壓相位，可保持自身電壓頻率恒定在孤網(wǎng)前水平。15 s時(shí)微網(wǎng)重新并網(wǎng)運(yùn)行，MS1和MS2均為恒PQ控制，由于MS2轉(zhuǎn)為PQ控制后，出力維持在孤網(wǎng)水平，故微網(wǎng)電壓和頻率沒(méi)有明顯沖擊，并且微網(wǎng)與主網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，并不和主網(wǎng)進(jìn)行功率交換，相當(dāng)于主網(wǎng)的熱備用。

圖5 計(jì)劃孤網(wǎng)過(guò)程

2.2.2 微網(wǎng)非計(jì)劃孤網(wǎng)

分別仿真2種控制模式下的孤網(wǎng)暫態(tài)過(guò)程，一種為Droop控制方式，另一種為Droop和VF的混合控制方式。

微網(wǎng)非計(jì)劃孤網(wǎng)過(guò)程，微源MS2采用Droop控制方式，具體仿真算例如下：

1）t為0～2 s，微網(wǎng)正常并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；

2）t=2 s，PCC主網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相短路接地故障，微網(wǎng)自動(dòng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行；

3）t=6 s，主網(wǎng)接地故障清除，微網(wǎng)各電氣量恢復(fù)至孤網(wǎng)前運(yùn)行水平。

仿真波形如圖6所示，圖6（a）、圖6（b）為主網(wǎng)和微網(wǎng)的出力情況，微網(wǎng)在孤網(wǎng)過(guò)程中由Droop控制的MS2增發(fā)出力0.03 MW、0.015 MV·A，圖6（c）所示孤網(wǎng)時(shí)電壓在恒壓控制環(huán)節(jié)的作用下維持孤網(wǎng)前水平，而微網(wǎng)頻率在Droop控制的作用下維持在49.8 Hz，如圖6（d）所示；主網(wǎng)故障清除，微網(wǎng)在并網(wǎng)邏輯模塊的作用下延時(shí)1 s再并網(wǎng)，微源出力恢復(fù)至孤網(wǎng)前水平。

微網(wǎng)非計(jì)劃孤網(wǎng)過(guò)程，采用混合控制方式，即主控微源在孤網(wǎng)前期運(yùn)行采用Droop控制，后期采用VF控制。具體仿真算例如下：

圖6 非計(jì)劃孤網(wǎng)過(guò)程Droop控制

1）t為0耀2 s，微網(wǎng)正常并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；

2）t=2 s，PCC主網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相短路接地故障，微網(wǎng)自動(dòng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行；

3）t=6 s，主網(wǎng)接地故障清除，微網(wǎng)恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行。

仿真波形如圖7所示，圖7（a）、圖7（b）為微網(wǎng)非計(jì)劃孤網(wǎng)過(guò)程中主網(wǎng)和微網(wǎng)的出力情況，微網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，MS1和MS2有功出力分別為0.05 MW、0.04 MW，無(wú)功出力分別為0.03 MV·A、0 MV·A；孤網(wǎng)后1 s內(nèi)，微網(wǎng)中的主控微源MS2有功環(huán)節(jié)為Droop控制，增發(fā)出力0.03 MW，此時(shí)微網(wǎng)頻率在有功頻率特性曲線(xiàn)下基本維持在49.8 Hz；無(wú)功環(huán)節(jié)為恒壓控制，增發(fā)出力0.015 MV·A，微網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)孤網(wǎng)控制模塊一定延時(shí)后恢復(fù)到原并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行水平，如圖7（c）所示。

3 s時(shí)，微源MS2轉(zhuǎn)變?yōu)閂F控制，即有功環(huán)節(jié)由Droop控制轉(zhuǎn)變?yōu)楹泐l控制，如圖3所示，此時(shí)MS2的下垂曲線(xiàn)在積分環(huán)節(jié)的作用下自動(dòng)向上平移，微網(wǎng)頻率恢復(fù)至50 Hz，頻率波形如圖7（d）所示。

6 s時(shí)主網(wǎng)故障清除，經(jīng)過(guò)并網(wǎng)邏輯模塊1 s判斷后微網(wǎng)自動(dòng)并網(wǎng)，此時(shí)微網(wǎng)頻率有一定沖擊，沖擊值為51 Hz，相比Droop控制時(shí)微網(wǎng)的并網(wǎng)情況而言反而更大，這是由于VF控制時(shí)微網(wǎng)再并網(wǎng)，MS2出力未進(jìn)行降低，故再并網(wǎng)時(shí)微網(wǎng)頻率會(huì)有很大沖擊，而始終為Droop控制的微網(wǎng)再并網(wǎng)時(shí)，MS2出力已經(jīng)調(diào)節(jié)至孤網(wǎng)前水平，故微網(wǎng)頻率沖擊較小。

圖7 非計(jì)劃孤網(wǎng)過(guò)程混合控制

2.3 仿真結(jié)論

由仿真結(jié)果可以看出，微網(wǎng)計(jì)劃孤網(wǎng)過(guò)程十分穩(wěn)定，孤網(wǎng)瞬間幾乎沒(méi)有頻率和電壓波動(dòng)。微網(wǎng)非計(jì)劃孤網(wǎng)時(shí)，2種控制方式均能使微網(wǎng)保持孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。在Droop控制下可以穩(wěn)定地進(jìn)行出力調(diào)整，但此時(shí)的頻率有一定偏差；混合控制模式下，微網(wǎng)頻率可以調(diào)整至孤網(wǎng)前的穩(wěn)定運(yùn)行水平，進(jìn)行Droop控制到VF控制的轉(zhuǎn)換時(shí)，微網(wǎng)各電氣量均有一定波動(dòng)，再并網(wǎng)時(shí)若不及時(shí)調(diào)整微源出力，頻率沖擊反而比Droop控制更大。因此對(duì)于混合控制方式，再并網(wǎng)時(shí)需對(duì)出力進(jìn)行重新調(diào)整，才能保證微網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑切換。

3 結(jié)語(yǔ)

微網(wǎng)建設(shè)初期的接線(xiàn)方案選擇，對(duì)微網(wǎng)靈活經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。本文根據(jù)實(shí)際示范項(xiàng)目的需求，對(duì)含有2個(gè)微源的微網(wǎng)接線(xiàn)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)不同控制方式進(jìn)行了建模和仿真分析。結(jié)果驗(yàn)證了2種控制方式對(duì)維持微網(wǎng)孤網(wǎng)穩(wěn)定的有效性，并且任何控制方式下，微網(wǎng)再并網(wǎng)時(shí)均需對(duì)微源出力進(jìn)行重新調(diào)整，才能平滑過(guò)渡至并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行模式。未來(lái)還應(yīng)從微網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度考慮，進(jìn)一步挖掘微網(wǎng)控制運(yùn)行的與二者間的聯(lián)系，發(fā)展已有微網(wǎng)控制方法。

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