微電網(wǎng)技術(shù)在航天供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

梁化成　趙軼峰　趙京勇（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京　100074）

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微電網(wǎng)技術(shù)在航天供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

梁化成趙軼峰趙京勇
（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京100074）

摘要隨著分布式發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，將分布式發(fā)電供能系統(tǒng)以微電網(wǎng)的形式運(yùn)行，與大電網(wǎng)互為支撐，成為發(fā)揮分布式發(fā)電供能系統(tǒng)能效的最有效方式之一。航天電力系統(tǒng)由于具有較強(qiáng)的分布式特點(diǎn)，而其對(duì)供電可靠性要求高，適合采用微電網(wǎng)系統(tǒng)。在歸納總結(jié)微電源模型的基礎(chǔ)上，分別在獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)分析了微電源逆變器的控制特性，根據(jù)不同微電源的類型分別采用PQ控制和V/f控制策略，提出了相應(yīng)的控制器設(shè)計(jì)方法，建立了微電網(wǎng)模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，微電網(wǎng)技術(shù)適合在航天供電系統(tǒng)中應(yīng)用發(fā)展。

關(guān)鍵詞分布式發(fā)電，微電網(wǎng)，逆變器，航天電力系統(tǒng)

引言

航天電力系統(tǒng)通常具有較強(qiáng)的分散性，對(duì)供電可靠性要求高，且需要有靈活的運(yùn)行方式，而微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)特別適合在航天供電系統(tǒng)中應(yīng)用。微電網(wǎng)是隨著分布式發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的供電系統(tǒng)技術(shù)，其將分布式發(fā)電功能系統(tǒng)以微電網(wǎng)的形式運(yùn)行，與大電網(wǎng)互為支撐，可有效地發(fā)揮分布式能源的系統(tǒng)能效[1, 2]。微電網(wǎng)中多個(gè)分布式電源的分散布局，使其在偏遠(yuǎn)地區(qū)也能持續(xù)可靠供電；既可以利用地方大電網(wǎng)供電，也可利用微電網(wǎng)本身的分布式電源發(fā)電，必要時(shí)還可以甩掉非重要負(fù)荷繼續(xù)保證關(guān)鍵部位供電。

目前，多個(gè)國(guó)家已開展了微電網(wǎng)的研究，立足于本國(guó)電力系統(tǒng)的實(shí)際問(wèn)題與國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展能源目標(biāo)，提出了各自的微電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)。美國(guó)CERTS最早提出了微電網(wǎng)的概念[3]。日本立足于國(guó)內(nèi)能源緊缺、負(fù)荷日益增長(zhǎng)的現(xiàn)狀開展了微電網(wǎng)研究，但其發(fā)展目標(biāo)主要定位于能源供給多樣化、減少污染、滿足用戶的個(gè)性化電力需求等。歐洲提出要充分利用分布式能源、智能技術(shù)、先進(jìn)電力電子技術(shù)等實(shí)現(xiàn)集中供電與分布式發(fā)電的高效、緊密結(jié)合。微電網(wǎng)以其智能化、能量利用多元化等特點(diǎn)也成為歐洲未來(lái)電網(wǎng)的組成部分。

本文在總結(jié)分析各種微電源類型的基礎(chǔ)上，等效出了一種通用的微電源逆變器模型，并以單相半橋型逆變電路為例，對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模分析；針對(duì)微電源獨(dú)立和并網(wǎng)運(yùn)行兩種模式，在不同的工況下，對(duì)逆變器的控制策略系統(tǒng)地進(jìn)行了分析，針對(duì)微電源接入微電網(wǎng)的兩種方式，即PQ控制和V/f控制，詳細(xì)分析了這兩種控制方式的原理和方法，并建立了與航天供電系統(tǒng)相適應(yīng)的微電網(wǎng)模型。

1　微電源的工作原理

微電源主要為可再生能源，發(fā)電系統(tǒng)類型可為微型燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃料電池、太陽(yáng)能電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、生物質(zhì)能等[4]。根據(jù)微電源的燃料和發(fā)電方式的不同，可以將微電源分為以下3類：

（1）交直交電源，如微型燃?xì)廨啓C(jī)等，其發(fā)出的是高頻的交流電，需要對(duì)其整流后再逆變，如圖1所示。

圖1　交直交電源

（2）直流電源，如光伏發(fā)電、燃料電池，以及儲(chǔ)能裝置等。其發(fā)出的是直流電，需要逆變后并網(wǎng)，如圖2所示。

圖2　直流逆變電源

（3）工頻交流電源，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)和傳統(tǒng)的小功率發(fā)電機(jī)。

本文主要研究微電網(wǎng)，因此，將（1)、（2）中的電源假設(shè)為直流電源或經(jīng)整流后的直流源，等效模型如圖3所示。

圖3　直流逆變并網(wǎng)

2　微電源的控制策略

微電源的控制主要是逆變器的控制。逆變器的主要作用是將直流電變成交流電并網(wǎng)或者供給附近的負(fù)荷。逆變器有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種工作模式。當(dāng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，要求電壓質(zhì)量能夠滿足負(fù)荷要求，逆變器作為一個(gè)穩(wěn)定的電壓源運(yùn)行；當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，要求減小逆變器對(duì)電網(wǎng)的污染，提高輸出功率因數(shù)，減小進(jìn)網(wǎng)電流的失真度，逆變器作為一個(gè)電流源運(yùn)行，向電網(wǎng)注入功率。

早期的逆變器采用輸出電壓平均值反饋控制調(diào)節(jié)輸出電壓有效值，但是難以獲得良好的動(dòng)靜態(tài)性能。為了滿足高性能電能指標(biāo)要求，研究人員提出了很多新的控制方案，如電壓瞬時(shí)值反饋控制、電壓電流雙閉環(huán)控制[5]。逆變器的雙環(huán)控制分為以濾波電感電流為內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)，以及以濾波電容電流為內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)控制兩類。電流電感內(nèi)環(huán)控制可以對(duì)逆變器起到限流作用，但是輸出受負(fù)載電流的影響很大。采用電容電流內(nèi)環(huán)控制能夠較好地抑制負(fù)載電流的影響，可以采取一些附加措施實(shí)現(xiàn)電流限制和短路保護(hù)功能。

本文以單相半橋型PWM逆變器為例[6]，分析了其在獨(dú)立和并網(wǎng)兩種運(yùn)行方式下控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。單相半橋式逆變電路的電路圖如圖4所示。

圖4　單相半橋式逆變電路

在電壓源逆變器中，采用濾波電容電流ic作為內(nèi)環(huán)反饋比較廣泛，因ic被瞬時(shí)控制，使得輸出電壓uc 因ic的微分作用而提前得到矯正，因此，帶負(fù)載能力較強(qiáng)。本文選擇電容電流ic內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制方式，其原理如圖5所示。

圖5　雙環(huán)控制的逆變器原理框圖

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于逆變器輸出直接與電網(wǎng)連接，輸出電壓不可控，而要求輸出電流穩(wěn)定，向大電網(wǎng)注入功率。此時(shí)逆變器采用電流控制方式。根據(jù)IEEE Std 1547-2003分布式電源系統(tǒng)并網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，并網(wǎng)工作時(shí)電網(wǎng)電壓正常范圍為標(biāo)準(zhǔn)電壓的88%～110%；并網(wǎng)系統(tǒng)不允許對(duì)電網(wǎng)造成污染，總諧波不超過(guò)5%。圖6即為并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)逆變器控制原理圖，采用內(nèi)環(huán)PI控制來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出對(duì)電流的跟蹤。

圖6　并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電流控制原理框圖

微電網(wǎng)中要求微電源逆變器能夠在獨(dú)立與并網(wǎng)兩種不同運(yùn)行工況下運(yùn)行，并能夠保證兩種模式切換過(guò)程的平滑過(guò)渡。當(dāng)逆變器獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，該系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接開關(guān)K斷開，此時(shí)，逆變器為雙閉環(huán)控制方式，輸出穩(wěn)定的電壓。當(dāng)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，在給出并網(wǎng)信號(hào)后，電壓過(guò)零點(diǎn)閉合開關(guān)K，通過(guò)增加逆變器電流基準(zhǔn)指令I(lǐng)ref，此時(shí)逆變器為電流控制，輸出穩(wěn)定的電流，向電網(wǎng)注入功率。該控制過(guò)程原理框圖如圖7所示。

圖7　雙模式運(yùn)行逆變器控制原理圖

3　微網(wǎng)的模型及控制策略

3.1三相逆變器數(shù)學(xué)模型

目前，我國(guó)常用的是三相電力系統(tǒng)，因此，需要對(duì)三相逆變器電路及控制進(jìn)行分析。根據(jù)圖8的三相SPWM逆變電路的結(jié)構(gòu)，取電感電流和電容電壓為狀態(tài)變量，列出電路狀態(tài)方程如下：

式中：L1為輸出濾波電感；C*為輸出濾波電容C星形接法的等效電容值；v1為逆變橋輸出電壓向量；vo為逆變器輸出電壓向量；i1為逆變橋輸出電流向量；iL為負(fù)載電流向量。

圖8　三相逆變器電路圖

由上式經(jīng)過(guò)派克變換，將三相交流量轉(zhuǎn)換到dq軸的直流量，可得控制框圖如圖9所示。

圖9　控制系統(tǒng)框圖

當(dāng)微電網(wǎng)中的負(fù)荷或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，如何通過(guò)對(duì)微電網(wǎng)中各種分布式電源進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)控制，來(lái)保證微電網(wǎng)在不同運(yùn)行模式下都能夠滿足負(fù)荷的電能質(zhì)量要求，是微電網(wǎng)能否可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。在實(shí)際微電網(wǎng)中，不同種類的分布式電源的控制特性可能差異很大，對(duì)于微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池等電源，控制比較容易實(shí)現(xiàn)，既可以按照給定的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行控制，也可以很方便地實(shí)現(xiàn)V/f控制，而后者可以用于保證微電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定性；對(duì)于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等電源，其輸出功率的大小受天氣影響較大，發(fā)電具有明顯的間歇性，要保證恒定的功率輸出，則需配備較大容量的儲(chǔ)能裝置，這有時(shí)是很不經(jīng)濟(jì)的，這種電源的控制目標(biāo)應(yīng)該是保證可再生能源的最大利用率，為此一般采用P-Q控制方法。

3.2P-Q控制方法

當(dāng)逆變器接入微電網(wǎng)時(shí)，逆變器的輸出電壓即為電網(wǎng)電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)注入有功功率和無(wú)功功率的控制。

當(dāng)逆變器接入微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，將其參考電壓切換為電網(wǎng)電壓，給定一個(gè)參考電流，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)其輸出電流。三相逆變器同樣通過(guò)派克變換將三相交流量變換為DQ0坐標(biāo)上的直流量，該控制方法的控制原理如圖10所示。

3.3V/f控制方法

當(dāng)微電網(wǎng)和大電網(wǎng)脫離微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，必須有微電源保證微電網(wǎng)中電壓和頻率的穩(wěn)定性。此類微電源采用V/f控制方法。

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，發(fā)電機(jī)之間的內(nèi)阻抗通常大到足以防止產(chǎn)生環(huán)流。而在放射性結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)中，大的感性電流環(huán)流是個(gè)問(wèn)題。若無(wú)本地電壓調(diào)節(jié)，連有大量微電源的系統(tǒng)將經(jīng)歷電壓或無(wú)功功率振蕩。電壓控制需要確保沒(méi)有大的感性電流環(huán)流出現(xiàn)在電源之間。當(dāng)產(chǎn)生于微電源中的感性電流變成容性的時(shí)候，母線電壓的整定值就需要降低。相反，當(dāng)電流變成感性的時(shí)候，母線電壓的設(shè)定值就要提高。這種控制策略的原理框圖如圖11所示。

圖10　PQ控制系統(tǒng)原理圖

圖11　V/f控制系統(tǒng)原理圖

綜上所述的微電源MS1和MS2，組成如圖12所示用于航天供電的微電網(wǎng)，其中，微電源MS1采用P-Q控制，微電源MS2采用V/f控制。當(dāng)?shù)胤诫娋W(wǎng)有充足電能時(shí)，合上開關(guān)K0，此時(shí)微電網(wǎng)和配電網(wǎng)連接運(yùn)行。當(dāng)?shù)胤诫娋W(wǎng)電能不足，或地方電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，斷開開關(guān)，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)斷開孤立運(yùn)行。這種靈活的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以滿足航天電力系統(tǒng)的需求。

4　結(jié)束語(yǔ)

航天電力系統(tǒng)用電負(fù)荷比較分散，采用可再生能源既解決了能源問(wèn)題，又保證了航天用電的穩(wěn)定、可靠。本文歸納總結(jié)了幾種微電源模型，并分別在獨(dú)立和并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)分析了微電源逆變器的控制特性，根據(jù)不同微電源的類型分別采用P-Q控制和V/f控制策略，提出了相應(yīng)的控制器設(shè)計(jì)方法，建立了適用于航天電力系統(tǒng)的微電網(wǎng)模型。通過(guò)分析表明，微電網(wǎng)在航天供電系統(tǒng)中具有較為廣闊的發(fā)展前景。

圖12　微電網(wǎng)的模型結(jié)構(gòu)

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Application of Micro-grid Technology in Aerospace Power Supply System

Liang HuachengZhao YifengZhao Jingyong
(Beijing Institute of Aerospace Testing Technology, Beijing100074)

AbstractWith the development of the distributed power generation technology, the micro-grid, which takes a part together with the power grid, has been one of the most effective ways to make use of the distributed power supply. Aerospace power systems are distributed systems, demanding of high reliability. Micro-grid system is suitable for Aerospace power systems. The micro-cell model is analyzed, and the control strategy of the inverter both on stand-alone mode and grid-connected mode are studied. PQ control method and V/f control method are used separately due to different micro-cells. Corresponding control strategies are designed, and the micro-grid model is established. Experiments show that the micro-grid technology is suitable for aerospace power supply system.

KeywordsDistributed generation, Micro-grid, Inverter, Aerospace power system

文章編號(hào)：1009-8119（2016）05（1）-0053-04