基于主從控制策略的微網(wǎng)穩(wěn)定性研究

張振良，李秀錦

(1.衡水供電公司，河北 衡水 053000；2.衡水桃城供電有限責任公司，河北 衡水 053000)

0 引言

隨著分布式發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，作為大電網(wǎng)的有益補充與微型發(fā)電裝置的有效利用形式，微網(wǎng)(microgrid)這一概念已經(jīng)引起各國學者的廣泛關(guān)注[1-6]。美國電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS)給出的定義為：微網(wǎng)是一種由負荷和微型電源共同組成的系統(tǒng)，它可同時提供電能和熱量；微網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負責能量的轉(zhuǎn)換，并提供必需的控制；微網(wǎng)相對于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等的要求[3]。微網(wǎng)具有獨立性、靈活性、交互性、經(jīng)濟性的特點。

目前已有的微網(wǎng)僅為一些小型示范性工程或?qū)嶒炂脚_，要真正應用與推廣還有許多關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)問題亟待解決。國內(nèi)外已經(jīng)針對微網(wǎng)開展了多方面的研究工作，主要包括分布式電源模型分析、微網(wǎng)控制、微網(wǎng)孤島檢測與保護、微網(wǎng)經(jīng)濟性等方面工作[7-14]。

微網(wǎng)靈活的運行方式與高質(zhì)量的供電服務, 離不開完善的穩(wěn)定與控制系統(tǒng)，控制問題是微網(wǎng)研究中的一個難點問題。文獻[15]設(shè)計的聯(lián)網(wǎng)分布式電源(DG)綜合控制器采用直流電壓波動前饋補償?shù)拇夒p環(huán)PI控制結(jié)構(gòu)，積極配合原動機的調(diào)節(jié)，提高了電能質(zhì)量水平，但仍局限于單個分布式電源的仿真分析。文獻[16-17]對微網(wǎng)中DG的預同步和均流問題給出了解決方案，詳細分析了并網(wǎng)條件對并網(wǎng)質(zhì)量的影響。文獻[18]總結(jié)了目前世界范圍內(nèi)的微網(wǎng)發(fā)展狀況, 深入分析了微網(wǎng)實驗室和示范工程的結(jié)構(gòu)和控制模式,依據(jù)國外微網(wǎng)實驗室和示范工程的建設(shè)經(jīng)驗給出了對中國微網(wǎng)建設(shè)具有指導意義的建議。

以下在分析不同微源特性及其數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)典的微網(wǎng)控制方法[3,5]在PSCAD/EMTDC中搭建微網(wǎng)等效模型進行仿真，重點研究單主和多主控制策略下微網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定性，為將來微網(wǎng)控制策略應用于實驗平臺奠定基礎(chǔ)。

1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)中的電源多為微電源(簡稱“微源”)，微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖1。在圖1中，微源由燃氣輪機、光伏電池、燃料電池以及風力發(fā)電機組成。光伏系統(tǒng)和燃氣輪機接入饋線1；燃料電池和風力發(fā)電機接入饋線2。饋線通過主分隔裝置(通常是一個靜態(tài)開關(guān))與配電系統(tǒng)相連, 可實現(xiàn)孤網(wǎng)與并網(wǎng)運行模式間的平滑切換，該開關(guān)點即PCC所在的位置。IEEE P1547.8(草案)規(guī)定在PCC處, 微網(wǎng)的各項技術(shù)指標必須滿足預定的規(guī)范。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在正常運行方式下，饋線1 中發(fā)電容量大于正常負荷需求，潮流呈向上送的趨勢，饋線2中負荷需求大于發(fā)電容量，需系統(tǒng)給該饋線供電；饋線3中為一般負荷，基本由配電網(wǎng)供給，在緊急情況下亦可切除。

2 微網(wǎng)主從控制策略

微網(wǎng)的基本運行依賴于各個微源，微源在聯(lián)網(wǎng)和孤島2種運行狀態(tài)下的控制方式是不同的。微網(wǎng)控制應當保證：任一微電源的接入不對系統(tǒng)造成影響；自主選擇運行點；平滑的與電網(wǎng)并列、分離；對有功、無功進行單獨控制；具有校正電壓跌落和系統(tǒng)不平衡的能力。

2.1 控制方式

微網(wǎng)的主從控制模式是指微網(wǎng)的控制系統(tǒng)中某一個控制器為主控制器，其余為從控制器的控制方式，主要應用于孤網(wǎng)運行模式下[19]。對于大量采用電力電子逆變器的微網(wǎng)系統(tǒng)，通常有3種控制方式：聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下的恒功率(PQ) 控制方式，孤島狀態(tài)下的下垂(Droop)控制方式和電壓頻率(Vf)控制方式[16]。由于孤網(wǎng)運行時，主網(wǎng)無法提供給微網(wǎng)電壓和頻率支撐，微網(wǎng)內(nèi)必須至少存在一個微源作為主微源(master)為微網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐。當微網(wǎng)內(nèi)僅有一個微源作為master時稱為單主控制，master必須具有足夠大的容量來承擔功率差額，可采用Droop控制或Vf控制；當微網(wǎng)內(nèi)有2個或2個以上微源作為master時稱為多主控制，master需采用Droop控制或考慮容量限制的Vf控制方式。

2.1.1 PQ控制

微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，系統(tǒng)電壓和頻率由主網(wǎng)提供支撐，各個微源維持恒定出力。由給定的有功功率和無功功率參考計算出電流參考值進行控制，等效控制圖見圖2。該控制方式需要系統(tǒng)中有維持電壓頻率的分布式電源。

圖2 PQ控制器框圖

2.1.2 Droop控制

下垂控制方式模擬傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的一次調(diào)頻特性，當微網(wǎng)孤網(wǎng)運行時，微源迅速按各自容量比例分擔負荷、抑制干擾。圖3給出了2個不同容量的微源下垂特性示意圖?？梢钥闯?，微源通過調(diào)整各自輸出電壓的頻率和幅值，使其降低到一個新的穩(wěn)定工作點，從而實現(xiàn)輸出功率的合理分配。如果微源的下垂斜率相等，則在穩(wěn)定后各微源的輸出功率相等；如果下垂斜率不相等，則斜率大的承擔功率小，斜率小的承擔功率大[16]。此控制方式一般用于分布式電源接入逆變器的控制。

(a) 有功功率-頻率 b) 無功功率-電壓

2.1.3 Vf控制

電壓頻率控制方式由下垂控制方式發(fā)展而來，通過設(shè)定電壓和頻率參考值，在 PI 調(diào)節(jié)器作用下實時檢測逆變器輸出端口電壓和頻率，并作為恒壓、恒頻電源使用，控制方式如圖4 所示[20]。如果存在2個Vf控制電源，則需要考慮其容量限制，否則會出現(xiàn)電源爭搶出力的情況。此控制方式一般用于在主從控制策略中主分布式電源的控制中。

圖4 Vf控制器框圖

2.2 控制過程

a. 當檢測電源檢測到孤島或者電網(wǎng)主動從配電網(wǎng)斷開，進入孤島運行模式時，微網(wǎng)控制切換到主從控制模式，通過調(diào)整各個微源的出力來達到功率的平衡。

b. 當微網(wǎng)負載變化時，首先由主電源自動根據(jù)負荷變化調(diào)節(jié)輸出電流，增大或者減小輸出功率；同時檢測并計算功率的變化量，根據(jù)現(xiàn)有的發(fā)電單元的可用容量來調(diào)節(jié)某些從屬單元的設(shè)定值，增大或減小它們的輸出功率；當其他電源輸出功率增大時，主電源輸出相應的自動減小，從而保證主電源始終有足夠的容量來調(diào)節(jié)瞬時功率的變化。

c. 當電網(wǎng)中無可調(diào)用的有功或無功容量時，只能依靠主單元來調(diào)節(jié)，當負荷增加時，根據(jù)負荷的電壓依賴特性，可以考慮適當減小電壓值；如果仍然不能實現(xiàn)功率平衡，可以采取切負荷的措施來維持微網(wǎng)的運行。

2.3 影響因素

主從控制策略中主電源采用Vf控制法，其輸出的電壓是恒定的，要增加輸出功率，只能增大輸出電流，負荷的瞬時波動通常首先是由主電源來進行平衡的，因而要求主電源有一定的容量；由于整個系統(tǒng)是通過主電源來協(xié)調(diào)控制其他電源，一旦主電源出現(xiàn)故障，整個微網(wǎng)就不能繼續(xù)運行。主從法依賴于通信，因此通信的可靠性對系統(tǒng)的可靠性有很大影響，而且通信設(shè)備會使系統(tǒng)的成本和復雜性增大。

2.4 對微網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

微網(wǎng)與配電網(wǎng)的不同故障點和電動機負荷的大小等因素會對微網(wǎng)的穩(wěn)定性造成影響[5]。

a. 當配電網(wǎng)故障發(fā)生時，主控制單元的控制方法和響應時間對微網(wǎng)穩(wěn)定性有重要影響；與大電網(wǎng)連接點的三相短路故障是影響微網(wǎng)穩(wěn)定的最嚴重故障，故障清除時間越短，微網(wǎng)越穩(wěn)定。

b. PQ控制方式和恒阻抗負荷對微網(wǎng)穩(wěn)定性沒有影響，通過低壓切電動機負荷和采用可以提高微網(wǎng)的穩(wěn)定性。

3 主從控制策略仿真分析

以圖1為微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，采用基于下垂特性的電壓頻率控制方式，在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型，對運行模式轉(zhuǎn)換時的微網(wǎng)穩(wěn)定性進行仿真分析。

3.1 單主控制

前5 s微網(wǎng)并網(wǎng)運行，4個微源全部為恒PQ控制策略，功率曲線如圖5所示，4個微源有功功率分別為52.5 kW、10 kW、40 kW、20 kW，MS1無功功率為25 kVar，主網(wǎng)向微網(wǎng)輸送功率9.8 kW、4 kVar；5 s后微網(wǎng)由于外部故障開始孤網(wǎng)運行，此時MS1作為master轉(zhuǎn)為Vf控制，補償微網(wǎng)的功率差額9.8 kW、4 kVar，保證微網(wǎng)的電壓和頻率恒定，其他微源仍為恒PQ控制。15 s時主網(wǎng)故障清除，微網(wǎng)恢復并網(wǎng)運行，微源控制方式恢復至孤網(wǎng)前的恒PQ控制。

(a) 有功功率

(b) 無功功率

微網(wǎng)電壓、頻率和電壓相位差如圖6所示。由圖6(a)、圖6(b)可見，孤網(wǎng)和再并網(wǎng)瞬間，微網(wǎng)電壓和頻率均有小幅波動，但由于微網(wǎng)孤網(wǎng)運行時未對相位進行精確鎖定，微網(wǎng)再并網(wǎng)時頻率波動較大，電壓波動并不明顯。

(a) 電壓

(b) 頻率

(c) 電壓相位差

微網(wǎng)孤網(wǎng)穩(wěn)定運行時8 s有功負荷突增9 kW的情況。微網(wǎng)功率、電壓、頻率如圖7所示?？梢娫贛S1的Vf控制方式下，負荷的突增并沒有破壞微網(wǎng)自身穩(wěn)定性。微網(wǎng)電壓和頻率在短暫波動后均迅速恢復穩(wěn)定。

(a) 有功功率

(b) 電壓

(c) 頻率

3.2 多主控制

微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，4個微源全部為恒PQ控制策略，出力曲線如圖8(a)所示；5 s后微網(wǎng)由于外部故障開始孤網(wǎng)運行，此時MS1和MS2作為master轉(zhuǎn)為Vf控制，考慮MS2的容量限制，MS2達到最大出力110 kW后轉(zhuǎn)變?yōu)楹鉖Q控制。兩微源補償微網(wǎng)的功率差額30 kW、14 kVar，保證微網(wǎng)電壓和頻率恒定；其他微源仍為恒PQ控制。15 s時主網(wǎng)故障清除，微網(wǎng)恢復并網(wǎng)運行，微源控制方式恢復至孤網(wǎng)前的恒PQ控制。

(a) 有功功率

(b) 無功功率

微網(wǎng)電壓、頻率和電壓相位差如圖9所示。由圖9(a)可見，電壓波動較為明顯。圖9(b)、(c)顯示孤網(wǎng)和再并網(wǎng)瞬間，微網(wǎng)頻率比3.1節(jié)中波動更大，微網(wǎng)和參考電壓相位差更大，這是由于微源容量的限制，導致其調(diào)節(jié)能力不足。

(a) 電壓

(b) 頻率

(c) 電壓相位差

4 結(jié)論

針對單主和多主的主從控制策略進行了PSCAD/EMTDC環(huán)境下的仿真，仿真結(jié)果證明主從控制策略在孤網(wǎng)運行時具有良好的負荷跟隨能力和穩(wěn)壓恒頻的性能，整個微網(wǎng)系統(tǒng)具有較強的承受負荷沖擊的能力, 基于下垂特性的電壓頻率控制方式可實現(xiàn)微網(wǎng)孤網(wǎng)運行時負荷在微源間的合理分配，且在孤網(wǎng)運行期間可提供有效的電壓和頻率支撐，使電網(wǎng)和微網(wǎng)運行的穩(wěn)定性良好。單主控制更加簡單易行，但對微源容量有較高的要求。這為進一步研究復雜微網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制理論和微網(wǎng)控制理論的實驗室應用奠定了基礎(chǔ)。但上文仿真微源采用的是受控電流源模型，該微網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)模型僅適合于系統(tǒng)級控制策略的動態(tài)仿真分析。關(guān)于機電協(xié)調(diào)控制的研究還需搭建更為詳細的原動機模型，微網(wǎng)電壓、頻率的運行標準對微網(wǎng)運行模式的影響也需要進一步的研究。

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