一种适用于微电网的微电源控制策略研究

刘 辉,钟 诚,李春辉,王培培

(湖北工业大学电气与电子工程学院,湖北 武汉 430068)

面对资源、负荷分布不均匀的情况,我国在美国之后提出“坚强型智能电网”的建设计划.其中,可再生能源的大规模接入与高级配电系统的建设将是实现电网“坚强”的重要组成部分.通过微电网技术,能够有效地解决可再生能源的控制问题,并能够依靠其灵活的运行方式,提高系统整体的运行效率及可靠性[1].但是微电网中含有各种不同类型的微电源,如微型燃气轮机、风力发电、太阳能发电等,而有些微电源特别是基于可再生能源的微电源具有间歇性、输出受到外界条件影响较大的特点,且有些微电源并不是以供电为主要目的(如热电冷联产),难以进行协调控制.

1 微电网中微电源的控制策略

文献[2]中介绍了各国典型的微电网结构与控制方法.从微电网的整体控制思想来看,可以分为主-从控制与对等控制两类.其中主-从控制采用了一个控制中心通过通信手段对微电源进行整体协调控制,主-从站控制[3]方法就是其中的一种.这种控制方法能够实现微电源的协调运行,并能够采用各种优化算法[4]如粒子群算法[5]等使微电网运行在经济、环保、损耗最小的状态下.但是这种方法对通信实时性有很高要求,因此在微电网规模较大时,不能采用以太网的 TCP/IP协议作为通信手段[6],需要专门的通信线路,加大系统成本的同时降低了系统的可靠性.

而基于无线并联的对等控制不需要控制中心与通信线路,依靠微电源自身的调节来使系统稳定运行.并且能够实现微电源的即插即用功能,控制方法简单,系统可靠性高.目前,学者们提出的无线并联的控制方法有三种,分别是PQ控制[7]、下垂控制[8]以及倒下垂控制[9].采用PQ控制的微电源的输出功率为给定值,不受电压、频率的影响.下垂控制是由其输出功率的大小来控制其输出电压与频率,倒下垂控制则是由公共节点处的电压与频率来控制其输出功率的大小.这两种控制方法都有类似同步发电机并网的下垂特性.

本文欲在下垂特性的基础上增加有功功率给定值,使微电源能够按照功率给定值的大小进行输出,这样的微电源能够满足有通信手段的微电网控制策略.在采用无通信手段的控制策略时,能够根据预先的设定值进行输出,满足系统需求.

2 微电源的功率传输特性

对于一个电压源型逆变器,其并网后的等效模型见图1.

图1 电压源逆变器并网等效模型

其中Z为等效阻抗,应为电压源逆变器的等效阻抗与电缆阻抗之和.依据电路原理,得出逆变器输出的功率为:

其中θ为两电源的功角差.由于并网条件的限制,一般θ很小,此时可以认为sinθ=θ,cosθ=1.此时功率的表达式为:

在高压系统中,电缆的感性成分远大于阻性成分,低压系统则相反,表1列出了高、低压系统下典型电缆的参数.

表1 高、中、低压环境下典型电缆参数

电压源逆变器的控制器设计方法可以采用电压电流双环设计,从反馈结构来看有电容电压、电流反馈与电容电压、电感电流反馈两种.而采用电容电压、电流反馈的逆变器的输出阻抗受电容中电阻参数影响较大[10],因此这里采用电容电压、电感电流的反馈方式.其原理框图见图2.

图2 采用双环控制逆变器结构框图

其中虚线所围部分为开环部分,这里SPWM环节可以等效为一个比例环节[11].Id为输出电流.电压给定信号v＊与电压反馈信号叠加后送入比例积分调节器,变为电流信号.由于逆变器输出电流分为两部分,一部分通过滤波电容,另一部分为负载及并网电流,因此要加入一个补偿环节,合成的电流信号I1与电流反馈信号叠加形成电流指令信号 I＊,经过电流调节器K后形成电压指令信号作为SPWM输入.系统参数如:载波频率fz(Hz),6000;调制波频率 ft(Hz),50;滤波电容(μ F),100;滤波电感(mH),3;等效直流电压(V),360;电压衰减倍数K1,1/370;电流衰减倍数K2,0.006;电压环比例参数KP,1;电压环积分参数KI,3140;电流环比例参数K,9.不考虑电感、电容中的电阻,系统的传递函数的表达式为:

系统的等效阻抗

其频域响应如图3所示.

图3 Z(s)的频域相应曲线

其等效阻抗在50 Hz处呈感性,但是其幅值很小,因此功率传输阻抗特性应主要取决于传输线缆的阻抗.高压系统下,忽略阻抗中的阻性成分,功率传输表达式如下:

此时功率传输与同步发电机的功率传输特性相同,即有功功率与频率呈下垂特性,无功功率与电压幅值呈下垂特性.

而在低压环境中,忽略阻抗中的感性成分,功率传输表达式如下:

此时功率特性与高压系统中的特性相反,有功功率与电压幅值呈下垂特性,无功功率与频率呈下垂特性.但是由于大电网中有功功率与频率呈下垂特性,无功功率与电压幅值呈下垂特性.所以采用这种控制方法的逆变电源不能联网运行.而由式(1)可以看出,逆变器的等效输出阻抗也与双环控制器的参数有关,设计时应在保证稳定的前提下降低电压控制器的比例参数,提高积分参数,使输出阻抗呈感性.

3 功率控制器的设计

依据式(2)设计功率控制器如图4所示.

图4 功率控制器结构图

在其中有功功率与无功功率的下垂系数:

Δ f与Δ U的取值应该在相关标准以内.E0是逆变电源输出的无功功率为0时的电压幅值,无功功率Q经过下垂系数n之后形成Δ U,加上E0作为SPWM调制波的幅值E.Pref为给定有功功率值.Pref与功率反馈信号P形成误差信号后经过下垂系数m转化为Δ f,再加上母线频率作为SPWM 调制波的频率 f0.E与f0合成SPWM调制波作为控制信号.

4 仿真结果及其分析

在MAT LAB/SIMULINK中建立仿真模型如图5所示.

图5 SIM ULINK中建立的仿真模型

系统在0～0.2 s处于独立运行状态,系统带一个功耗为4 kW的负载,初始功率给定值4 kW.0.2 s后,系统联网运行,有功功率给定值变为8 kW,仿真结果如图6-图9所示.

0～0.1 s之间,逆变器输出电压不断增大,起始输出频率高于工频,随后输出频率开始降低,功角逐渐增大,输出的有功功率增大.大约在0.04 s处逆变器输出频率稳定在50 Hz处,此时有功功率也达到设定值要求.0.2 s时,微电源并网,功率给定值突然变为8 kW,逆变器输出频率突然升高,输出功角再次增大,输出的有功功率增加,同时输出频率逐渐下降,最后再次稳定在50 Hz处.从仿真结果中可以看出采用这种控制方法的微电源能够独立运行及并网运行,并且能够控制功率输出,能够满足微电网孤岛及独立运行.

5 结束语

在介绍微电网的基本控制思想及微电源控制方法的基础上.分析了基于双环控制的逆变微电源的等效阻抗,在此基础上讨论了微电源的功率传输特性,并提出为了能够使微电网能够更好的实现联网运行,在进行双环控制器设计时,降低电压控制器的比例参数,提高积分参数,保证线路的阻抗特性为感性是必要的.根据功率传输特性设计了功率控制器,并通过 MATLAB/SIMULINK进行仿真,结果表明采用这种控制方法的微电源能够在孤岛及联网模式下良好运行.

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