董晨露，祝龍記

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001)

一種改進(jìn)的微網(wǎng)黑啟動策略

董晨露，祝龍記

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001)

提出了一種改進(jìn)的微網(wǎng)黑啟動控制策略，選取柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池作為黑啟動微源，采用并行恢復(fù)方式對微網(wǎng)進(jìn)行黑啟動。采用改進(jìn)的下垂控制和PQ控制作為微源的控制策略，使微網(wǎng)黑啟動過程中保持微源的電壓和頻率穩(wěn)定，以及對微源輸出功率的精確控制。設(shè)計了一種組網(wǎng)控制器，優(yōu)化黑啟動微源的并聯(lián)組網(wǎng)，使組網(wǎng)更加穩(wěn)定可靠。通過仿真驗證了該黑啟動控制策略的可靠性和可操作性。

微電網(wǎng)；黑啟動；下垂控制

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)面臨著化石資源枯竭、能源效率低下和環(huán)境污染等問題。分布式發(fā)電由于具備氣體和顆粒物排放少、大規(guī)模傳輸少、能夠減少輸配電損失、減少輸配電饋線擁堵的優(yōu)點，受到了越來越多的關(guān)注。

微電網(wǎng)可以工作在并網(wǎng)和孤島模式下，當(dāng)微網(wǎng)檢測到主電網(wǎng)發(fā)生崩潰事故時，從主電網(wǎng)斷開，運行在孤島模式下，若模式切換未成功，微網(wǎng)系統(tǒng)將發(fā)生癱瘓，此時可通過黑啟動恢復(fù)微網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行，給負(fù)荷供電[1-2]。黑啟動是一種系統(tǒng)全部停電后迅速恢復(fù)供電的方式，其內(nèi)容包括系統(tǒng)中部分發(fā)電機(jī)組利用自身的動力資源或利用外來電源使發(fā)電機(jī)組啟動并達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，建立起正常的電壓，有步驟地恢復(fù)微網(wǎng)系統(tǒng)運行和對用戶供電[3]。由于微源的特殊性質(zhì)，其過載能力、故障穿越能力和發(fā)電容量均遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)電源，電力電子接口設(shè)備的使用也增加了微網(wǎng)黑啟動的復(fù)雜性，其黑啟動的具體策略跟傳統(tǒng)電網(wǎng)有很大不同[4-5]。

為了提高微網(wǎng)黑啟動的可靠性和可實施性，本文針對黑啟動的具體步驟和控制策略進(jìn)行了研究，提出了一種改進(jìn)的微網(wǎng)黑啟動策略，在Matlab/Simulink仿真平臺下搭建了微網(wǎng)模型，驗證了本文提出的黑啟動策略的有效性。

1 黑啟動微源的選取

根據(jù)是否具有黑啟動能力，可將分布式電源(DG)分為非黑啟動分布式電源(NBDG)與黑啟動分布式電源(BDG)。自勵型發(fā)電機(jī)組以及未配備儲能裝置的風(fēng)能/太陽能發(fā)電等都是NBDG，無源逆變器、聯(lián)合發(fā)電機(jī)組及他勵型發(fā)電機(jī)組、配備儲能裝置的風(fēng)能發(fā)電等為常用的BDG[6]。黑啟動微源的選取對微網(wǎng)黑啟動的成功完成至關(guān)重要，黑啟動微源的選取要考慮到以下幾個因素：

(1)機(jī)組的容量。為了縮短系統(tǒng)恢復(fù)時間，其他指標(biāo)相同時，應(yīng)選擇機(jī)組容量大的BDG，同時為系統(tǒng)提供較大的啟動功率。

(2)微源的調(diào)頻調(diào)壓能力。DG啟動后要保證微網(wǎng)在孤島模式時的穩(wěn)定運行，因此微源必須具有一定的調(diào)頻調(diào)壓能力。

(3)機(jī)組附近的負(fù)荷重要程度。根據(jù)系統(tǒng)中的負(fù)荷對電力需求的緊急程度的不同可以分為非常緊急、很緊急、較緊急、一般、不緊急五類[7]。

(4)微源的升負(fù)荷速度。微源的帶負(fù)載能力完全取決于其升負(fù)荷速度，帶負(fù)載能力強(qiáng)的微源啟動后能保障周圍重要負(fù)荷的供電。

根據(jù)以上原則，柴油發(fā)電機(jī)燃料控制靈活、可靠性高，可作為黑啟動微源[8]。蓄電池具有快速調(diào)節(jié)特性，而且能夠快速切換充放電狀態(tài)，使得其能夠快速自啟動且減緩其他微源帶來的沖擊，也可作為黑啟動微源[9]。光伏發(fā)電受外界天氣影響較大，功率輸出特性的隨機(jī)性也很大，容易造成微網(wǎng)頻率波動，因此不作為黑啟動微源。

2 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

典型的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。微電網(wǎng)由電/熱負(fù)荷和微電源組成，并通過低電壓與配電網(wǎng)連接，微電網(wǎng)由電力電子接口來實現(xiàn)在獨立和聯(lián)網(wǎng)發(fā)電運行模式下的控制、計量和保護(hù)功能。本系統(tǒng)中的微源由柴油發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電和蓄電池組成，其中柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池作為黑啟動微源，微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)包含四個可調(diào)負(fù)荷，負(fù)荷1、2、3、4分別為2、5、4、2 kW可調(diào)負(fù)載。

圖1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3 微網(wǎng)黑啟動步驟

微網(wǎng)黑啟動的恢復(fù)策略可分為串行恢復(fù)和并行恢復(fù)，并行恢復(fù)是在黑啟動初期同時啟動多個黑啟動微源，形成多個子系統(tǒng)，運行穩(wěn)定后并網(wǎng)，相對于串行恢復(fù)，能夠快速地恢復(fù)微網(wǎng)供電[10]，因此本系統(tǒng)采用并行恢復(fù)完成微網(wǎng)黑啟動。

3.1 切除微電網(wǎng)系統(tǒng)的全部負(fù)荷

在黑啟動初期，為避免微源因負(fù)荷過大而導(dǎo)致故障停機(jī)，首先應(yīng)切除微網(wǎng)系統(tǒng)中的用電設(shè)備，保證BDG在能夠在空載狀態(tài)下啟動，同時建立系統(tǒng)的交流母線電壓。

3.2 選擇并啟動黑啟動微源

作為本系統(tǒng)中的BDG，柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池能快速穩(wěn)定地自啟動，同時具有下垂特性。本文將柴油發(fā)電機(jī)在黑啟動過程中作為主參考源，而其他微源以柴油發(fā)電機(jī)的電壓幅值、頻率以及相角為參考進(jìn)行組網(wǎng)。主參考源為整個微網(wǎng)系統(tǒng)提供參考電壓和頻率，為保證微源電壓和頻率的穩(wěn)定，柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池采用一種自動調(diào)整的下垂控制策略自啟動。

在低壓微電網(wǎng)中，線路電感值很小，線路阻抗呈電阻性，線路電感可以被忽略，功率角也很小，逆變電源輸出功率可視為：

通過對公式(1)分析變換，得到此控制策略的表達(dá)式：

結(jié)合圖2進(jìn)行分析，改進(jìn)的下垂控制策略通過改變公式(2)中km和kn的值使下垂控制曲線的斜率發(fā)生變化，同時公式(2)中最后一項實現(xiàn)將下垂控制曲線進(jìn)行平移。在保持電壓和頻率穩(wěn)定的前提下，滿足逆變器對負(fù)載的供電要求。

圖2 Q-f控制曲線

圖3為逆變器的控制原理圖。結(jié)合圖2和圖3進(jìn)行分析，Δf和f*的值在比較器中進(jìn)行比較，當(dāng)Δf超出額定電壓的4%時，閉合T，PI模塊和控制模塊N開始工作，對比較器的值進(jìn)行判斷，根據(jù)實際頻率與給定頻率的大小，控制此模塊輸出值，改變下垂曲線的斜率，抬高或降低控制曲線，并將下垂曲線進(jìn)行平移。當(dāng)Δf的值被控制在給定范圍內(nèi)時，斷開T。對電壓的控制也采用同樣的方法。改進(jìn)的自動調(diào)整的下垂控制策略就是這樣對逆變器不斷地進(jìn)行控制和調(diào)整，從而使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，有效地減小電壓和頻率的波動。

圖3 逆變器的控制原理

3.3 將黑啟動微源并聯(lián)組網(wǎng)

BDG完成穩(wěn)定的啟動后，將兩個微源進(jìn)行并聯(lián)組網(wǎng)。作為系統(tǒng)的主參考源，柴油發(fā)電機(jī)繼續(xù)采用下垂控制策略，以保持電壓和頻率的穩(wěn)定，為保證輸出功率等于參考功率，蓄電池將切換到PQ控制策略，切換完成后進(jìn)行兩個微源的組網(wǎng)。并聯(lián)組網(wǎng)時，控制方式切換前后蓄電池的兩個控制器狀態(tài)不匹配，將很容易產(chǎn)生震蕩，功率發(fā)生變化，相應(yīng)的電壓和電流也會產(chǎn)生很大的波動。進(jìn)行并聯(lián)的兩臺微源若存在相位差，也會引起功率的震蕩，以上原因很容易產(chǎn)生過大的暫態(tài)沖擊，導(dǎo)致微源的保護(hù)動作發(fā)生，中斷系統(tǒng)的黑啟動。

為保證微源間并聯(lián)組網(wǎng)的順利完成，本文設(shè)計了如圖4所示的組網(wǎng)控制器，并聯(lián)前先閉合開關(guān)K1，將蓄電池下垂控制器的參考電壓的輸入切換到由主參考源柴油發(fā)電機(jī)提供，可實現(xiàn)主參考源與待同步電源的電壓、相位完成同步。然后控制開關(guān)K2，計算出的切換前蓄電池的輸出功率作為PQ控制器的參考功率，避免切換前后功率的變換導(dǎo)致控制器出現(xiàn)不匹配。最后操作開關(guān)K3，此時蓄電池的控制方式可以順利地切換到PQ控制，接著就可以對微源進(jìn)行并聯(lián)組網(wǎng)。在黑啟動完成后，控制K2，切換參考功率的給定，對蓄電池的參考功率進(jìn)行調(diào)整。

圖4 組網(wǎng)控制器

基于dq坐標(biāo)系變換的PQ控制對電壓電流進(jìn)行解耦，得出功率與電壓電流的對應(yīng)關(guān)系，如公式(3)所示。文獻(xiàn)[11]根據(jù)公式(3)設(shè)計PQ控制器，可輸出恒定的功率，本文不再贅述。

3.4 啟動非黑啟動微源并組網(wǎng)

黑啟動微源組網(wǎng)并穩(wěn)定運行后，系統(tǒng)的發(fā)電能力增加，逐漸恢復(fù)了帶負(fù)載能力，并且能夠維持系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定，此時可以啟動非黑啟動微源，具有多個非啟動微源的系統(tǒng)應(yīng)確保[11]：

式中：Simax為系統(tǒng)中n臺已啟動微源的最大輸出功率；Sei為配電變壓器勵磁損耗；Ssk為n3臺將要啟動的NBDG的啟動沖擊功率。

3.5 將負(fù)荷逐步接入微網(wǎng)系統(tǒng)

對此時微網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電能力進(jìn)行評估，根據(jù)電力系統(tǒng)功率平衡約束以及潮流約束，在不超過系統(tǒng)發(fā)電容量的情況下，逐步將負(fù)荷接入微網(wǎng)系統(tǒng)。

4 建立仿真模型并驗證

根據(jù)圖1所示的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合前文所選取的黑啟動方案及微源的控制方式，在Matlab/Simulink仿真平臺下搭建了黑啟動的仿真模型。進(jìn)行了如下實驗：

假設(shè)系統(tǒng)進(jìn)入全黑狀態(tài)，切除系統(tǒng)中的全部負(fù)荷并斷開所有開關(guān)。

(1)柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池采用傳統(tǒng)的下垂控制策略帶負(fù)荷啟動，穩(wěn)定后，不通過組網(wǎng)控制器直接將黑啟動微源進(jìn)行并聯(lián)組網(wǎng)。

由圖5和圖6可以看出，在黑啟動過程中主參考源柴油發(fā)電機(jī)的頻率波動較大，0.4 s時微源進(jìn)行并聯(lián)，功率波動非常大，產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊極易引起微源的保護(hù)動作，導(dǎo)致并聯(lián)組網(wǎng)失敗，從而中斷微網(wǎng)系統(tǒng)的黑啟動。

(2)柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池采用改進(jìn)的下垂控制策略帶負(fù)荷自啟動。穩(wěn)定后，在0.4 s時通過組網(wǎng)控制器完成黑啟動微源的并聯(lián)組網(wǎng)。0.8 s時采用PQ控制啟動光伏發(fā)電，與系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)。

圖5 采用傳統(tǒng)的下垂控制策略時柴油發(fā)電機(jī)頻率

圖6 采用傳統(tǒng)的下垂控制策略時微源有功功率

由圖7、圖8、圖9所示的仿真結(jié)果可以看出，采用本文提出的改進(jìn)的黑啟動策略，成功完成了微網(wǎng)的黑啟動。在整個系統(tǒng)的黑啟動過程中，頻率波動很小，通過使用組網(wǎng)控制器，能夠有效地避免功率的震蕩，系統(tǒng)暫態(tài)沖擊小，且穩(wěn)定后輸出平穩(wěn)。

圖7 采用改進(jìn)的黑啟動策略時柴油發(fā)電機(jī)頻率

圖8 采用改進(jìn)的黑啟動策略時微源有功功率

圖9 采用改進(jìn)的黑啟動策略時微源無功功率

5 總結(jié)

本文提出了一種微網(wǎng)黑啟動控制策略，通過采用改進(jìn)的下垂控制和PQ控制策略，使微源的電壓和頻率保持穩(wěn)定，同時可以對微源的輸出頻率進(jìn)行控制，設(shè)計的組網(wǎng)控制器使黑啟動微源可以順利并聯(lián)組網(wǎng)。仿真結(jié)果表明，本文提出的改進(jìn)的黑啟動策略能成功地實現(xiàn)微電網(wǎng)的黑啟動，提高了微網(wǎng)黑啟動的可靠性和可操作性。

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Improved black-start strategy of micro-grid

DONG Chen-lu,ZHU Long-ji(College of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui 232001,China)

A kind of improved micro-grid black-start control strategy was put forward by using diesel generator and battery as the black-start micro source;parallel recovery mode was used to carry on micro-grid black-start.The improved droop control and PQ control as control strategy for micro sources were used to maintain the voltage and frequency stability of micro sources,and the output power was accurately controlled.A kind of network controller was designed to make the network more stabe and reliable.The black-start with parallel networking of trickle source was optimized.The effectiveness and feasibility of the black-start control strategy were proved by the experimentation.

micro-grid;black-start;droop control

TM 727

A

1002-087 X(2015)08-1744-04

2015-02-25

安徽省教育廳自然科學(xué)重點項目(KJ2013A084)

董晨露(1991—)，女，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子技術(shù)及應(yīng)用。