(長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢 430212)
現(xiàn)代電網(wǎng)的特征表現(xiàn)為可再生能源利用和智能化,分布式發(fā)電因具有環(huán)保、高效和靈活等特點而備受關(guān)注。目前,分布式發(fā)電技術(shù)形式主要有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和微型燃氣輪機等幾種。電源的輸出隨外部條件的變化而變化,可調(diào)度性差,而微網(wǎng)的提出能解決電源的控制問題。微網(wǎng)是一個可控的獨立供電系統(tǒng),由電源、負荷、儲能裝置和控制裝置組成。微網(wǎng)可與電網(wǎng)并網(wǎng)運行,也可與電網(wǎng)斷開離網(wǎng)運行。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生嚴(yán)重的閃變或者跌落時,微網(wǎng)離網(wǎng)運行。為保證電網(wǎng)供電的持續(xù)穩(wěn)定,研究微網(wǎng)離網(wǎng)運行控制技術(shù)具有一定的意義。
微網(wǎng)在離網(wǎng)運行模式下,各電源所發(fā)揮的作用不同,其控制模式也不同。微網(wǎng)的控制模式分為主從控制模式、對等控制模式和分層控制模式。主從控制模式,是指微網(wǎng)在離網(wǎng)運行模式下,其中一個電源的控制器為其它電源提供工作的頻率和電壓參考,而其他電源的控制器可根據(jù)主控制器來決定各自的運行方式;對等控制模式,各電源的控制器之間不存在主從關(guān)系,而是直接根據(jù)系統(tǒng)接入點的電壓和頻率信息就地進行控制;分層控制模式,是指系統(tǒng)設(shè)有中央控制器,由其向微網(wǎng)的各電源發(fā)出控制信息。
各電源的有效控制是微網(wǎng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。微網(wǎng)中大部分電源都是基于電力電子技術(shù)的逆變型電源,需要配置相應(yīng)的電能變換裝置??捎糜谧儞Q電能的裝置分為DC/DC變換器、DC/AC變換器、AC/DC變換器和 AC/AC變換器??紤]到交流微網(wǎng)是微網(wǎng)的主要形式,且光伏陣列、燃料電池、蓄電池等電源的輸出為直流。
本系統(tǒng)的控制模式選擇主從模式,電能變換裝置為逆變器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)中含有一個主電源和一個從電源。主/從電源通過三相逆變器和濾波電感與交流母線連接。開關(guān)K1接通時,微網(wǎng)并網(wǎng)運行。開關(guān)K1斷開時,微網(wǎng)離網(wǎng)運行。主電源接有可中斷負荷Load2,可通過開關(guān)S2進行切斷。從電源接有重要負荷Load1。主電源的綜合線路阻抗用電阻R1表示,線路感抗用X1表示。從電源的綜合線路阻抗用電阻R2表示,線路感抗用X2表示。Ufabc表示主電源線路中逆變器的輸出電壓,Uiabc表示從電源線路中逆變器的輸出電壓。微網(wǎng)離網(wǎng)運行過程中,如果電網(wǎng)內(nèi)部功率的供需無法平衡時,主電源的控制器將切除可中斷負荷Load2,維持交流母線電壓和頻率的穩(wěn)定來確保從電源的重要負荷load1正常運行。從電源的控制器確保輸出功率恒定。
圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
電源的類型不同,其逆變器的控制策略也不相同。常見的電源逆變器控制方法有PQ控制、V/F控制和Droop控制。PQ控制是指逆變器輸出的有功功率和無功功率分別為其參考值Pref和Qref,該控制方法不能保證微網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定,通常用在微網(wǎng)并網(wǎng)或者離網(wǎng)情況下從電源的控制。V/F控制是指維持逆變器所接交流母線的電壓和頻率不變。并網(wǎng)運行時,電網(wǎng)承擔(dān)微網(wǎng)輸出電壓和頻率出現(xiàn)的擾動,故該控制方法通常用于微網(wǎng)離網(wǎng)運行。Droop控制是模擬發(fā)電機組功頻靜特性的控制方法。該方法分別通過P/f(有功/頻率)下垂控制和Q/V(無功/電壓)下垂控制來獲取穩(wěn)定的頻率和電壓。
根據(jù)主從控制要求,微網(wǎng)系統(tǒng)離網(wǎng)運行時主電源中逆變器采用V/F控制。V/F控制的目的是當(dāng)電源輸出功率發(fā)生變化時,其輸出電壓的幅值和頻率的維持恒定,從而保障微網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行。V/F控制模式下控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。Ufd和Ufq分別為主電源逆變器輸出電壓的檢測值經(jīng)dq變換后的分量,Ufdef和Ufqef分別為主電源逆變器電壓的d軸和q軸參考值,Id和Iq分別為主電源逆變器輸出電流的檢測值經(jīng)dq變換后的分量,Idref和Iqref分別為主電源逆變器輸出電流的d軸和q軸參考值,θ角為d軸與α軸的夾角。w=2πf,f為50Hz。主電源的控制器采用電壓電流雙環(huán)控制,電壓檢測值與參考值的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器電壓作為電流環(huán)的參考值。圖2中電流控制器為PI調(diào)節(jié)器。電壓環(huán)穩(wěn)定輸出負載電壓,且輸出結(jié)果作為電流環(huán)的輸入指令,使得輸出電流可控,提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力。
圖2 V/F控制模式下控制器結(jié)構(gòu)
從電源采用PQ控制確保在電源內(nèi)部功率發(fā)生變化時,重要負荷正常工作。逆變器的有功功率和無功功率分別與輸出電流的dq軸分量成正比,因此,控制逆變器輸出電流即可控制其功率。PQ控制模式下控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示,Pref和Qref分別為從電源輸出的有功功率和無功功率的參考值。Iod和Ioq分別為從電源逆變器輸出電流的檢測值經(jīng)dq變換后的分量,Iodref和Ioqref分別為從電源逆變器輸出電流的d軸和q軸參考值。Uoid和Uoiq分別為從電源逆變器輸出電壓的檢測值經(jīng)dq變換后的分量??刂破髦泄β实膮⒖夹盘柊凑找欢ū壤儞Q后作為電流的參考信號,實測電流信號與參考信號產(chǎn)生的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后,通過電壓前饋補償和交叉耦合補償,得到輸出電壓控制信號Uod和Uoq。
圖3 PQ控制模式下控制器結(jié)構(gòu)
為驗證以上控制方法的可行性,本系統(tǒng)采用MATLAB/Simulink搭建離網(wǎng)運行的仿真模型。該模型中主、從電源均采用直流電壓模擬,其仿真原理如圖4所示。主電源接有可中斷負荷load1,從電源接重要負荷load2。主電源與load1之間用可控的三相斷路器模塊連接,該短路器的閉合和斷開受階躍函數(shù)控制。階躍函數(shù)初始值為1,此時三相斷路器模塊閉合,即主電源與load1連接。階躍函數(shù)在0.2s時變?yōu)?,此時三相斷路器模塊斷開,模擬主電源切除可中斷負荷load1。主電源線路中,濾波電感Ls=2.8mH,直流側(cè)電源為750V,電網(wǎng)頻率為50Hz,開關(guān)頻率為4kHz,負荷load1為純電阻:有功功率P1=5kW,無功功率Q1=0var。負荷load2為感性負載:有功功率P2=1kW,無功功率Q2=100var。V/F控制器中電壓環(huán)控制器的比例系數(shù)Kpu為2,積分系數(shù)Kiu為40,電流環(huán)控制器中比例系數(shù)Kpi為0.15,積分系數(shù)Kii為1.154。交流母線電壓參考值為380V,頻率為50Hz。仿真采樣時間為1×105s。
圖4 系統(tǒng)離網(wǎng)運行仿真原理圖
仿真結(jié)果如圖5和6所示。圖5為交流母線電壓的波形,從圖中可以看出在0.2s時,交流母線電壓出現(xiàn)波動,但基本維持在380V??梢?,切除可中斷負荷后,主電源的控制器能夠維持交流母線電壓不變,實現(xiàn)恒壓控制。圖6為從電源的逆變器輸出有功功率波形,有功功率在0.2s時出現(xiàn)波動,但很快又恢復(fù)到設(shè)定值??梢姡谐芍袛嘭摵珊螅瑥碾娫吹目刂破髂芫S持重要負荷的有功功率不變。
圖5 交流母線電壓波形
圖6 從電源逆變器輸出的有功功率