基于不同控制策略的微网仿真

2011-05-10欧阳牛铭

电网与清洁能源 2011年3期

欧阳，牛铭

（1.长沙理工大学，湖南长沙 410015；2.华北电力大学，北京 102206）

以天然气为能源的分布式供能系统采用先进燃气轮机发电技术、余热驱动的热泵技术和分布式供能系统的集成技术，具有高效、可靠、经济、清洁等特点[1-2]，以微型燃气轮机技术为核心的微网系统已经在全国范围内开展研究[3-5]。针对北方地区气候特点，采用新型热泵技术和冷暖负荷的调配措施，以发挥分布式供能系统的最大效能。与简单的供电系统相比，燃气轮机冷热电三联供系统可在大幅度提高系统能源利用率的同时，降低环境污染，明显改善系统的热经济性[6-7]。

1 地区微网系统方案

1.1 微网系统接线方式

本项目选择北方地区某产业园作为示范工程点。该地区分布式供能系统将为住宅和商业建筑提供所需的全部采暖和生活热水，并供应部分电力。根据产业园需求购进两台燃气轮机，其中高性能的进口燃气轮机主要承担基本负荷，国产燃气轮机负责调峰和紧急状况。

图1 微网接线方案

接线方案应确保微网与主网长期互联运行的可靠性和经济性。根据微网是单并网还是双并网，是单母线接线还是单母线分段接线，提出图1所示4种方案，各方案主要设备数量如表1所示。

表1 电气接线技术方案

方案1、方案2为单并网接线，即微电网与大电网只有一个连接点。由于方案2中微网在并网运行时母线2与进线相连，因此联络开关需要始终保持闭合，联络开关的可靠性影响了系统的整体性能，而且相比方案1需要多建设一条母线，增加了成本。方案3、方案4为双并网接线，并网运行时具有更高的供电可靠性，但系统建设成本更高；主网发生故障时，微网进入孤网运行模式需要保证同时打开2个断路器，一旦断路器开断操作失败，会对微网内重要负荷造成严重影响。

单母线接线设备少、投资小、运行操作方便，且便于扩建[8-9]，符合分布式电源即插即用的特点，并且母线本身故障率很低，故本项目系统接线方式采用方案1。

1.2 微网系统控制方式

1.2.1 下垂（Droop）控制

该控制方式是基于电力电子技术的对等（Peer to Peer,P2P）控制，灵活选择与传统发电机相似的频率一次调整（Droop）特性曲线作为微源的控制方式，利用频率有功下垂曲线将微网系统不平衡的功率动态分配给各机组来承担，无需机组间的通信协调，保证微网孤网时的电力供需平衡和频率稳定，具有简单可靠的特点，但该方法没有考虑到系统电压与频率的恢复问题，即传统发电机的二次调频问题[8-12]。因此，微网再并网时会对主网的频率产生一定的冲击。另外，该方法是针对采用电力电子技术的分布式发电系统的控制，没有考虑传统发电机（如燃气轮机、柴油机）与微网之间的协调控制。下垂曲线特性如图2所示，本算例中仅用一台国产微燃机MS2作为调频机，采用Droop控制方式，当微网孤网运行出现功率差额时，由MS2调节出力，令微网频率稳定在新的水平。

图2 下垂曲线特性

1.2.2 频率电压（VF）控制

该方法是基于下垂控制的微网控制方式提出的。微网并网时，所有微源采用恒功率（PQ）控制策略，一旦主网故障微网进入孤网运行时，其中一个微源将切换为VF控制策略，微网系统的电压和频率在此控制下可维持孤网前水平，其他微源保持恒PQ控制运行不参与电压和频率的调整。在孤网运行模式下，VF控制微源可跟踪负荷变化，实现电力供需平衡，同时保证较高的电压和频率质量[13-15]。该控制方法实际上类似于传统发电机的二次调频过程，如图3所示，当微网频率与给定频率出现偏差时，微源在VF控制方式下自动调整自身下垂特性，向左（或右）平移下垂曲线，保证频率维持恒定。不过，此控制方法对VF控制微源的旋转备用容量要求较高，孤网情况下需能够承担并网运行时由主网提供的全部功率。

图3 VF控制特性

2 微网模型及仿真分析

2.1 微源仿真模型

图4 微源仿真模型

燃气轮机模型采用电流源等效，如图4（a）。控制等效电源的电流，从而实现PQ控制、Droop控制或VF控制，满足燃气轮机不同的输出需求。PQ控制仿真如图4（b），Droop/VF控制仿真如图4（c），VF控制即在Droop控制的比例环节上增加积分环节，达到对下垂曲线特性进行实时调整的目的。

2.2 微网系统仿真分析

微网具有并网和孤网2种运行方式。正常情况下，微网与主网并网运行；而当微网中设备进行计划检修，或主网发生故障时，微网与主网分离，微网孤网运行。孤网运行分为计划孤网和非计划孤网。计划孤网时，微网和主网的交换功率逐渐降低至0，然后断开PCC断路器，微网进入孤网运行模式；非计划孤网时，微网运行模式控制器检测PCC处电压和频率，不满足并网条件时则发出断路器跳闸命令，同时微网内部各微源转换控制模式，微网进入孤网运行状态。

本节对微网的计划孤网运行和非计划孤网时不同控制方法的稳定性进行仿真分析。

2.2.1 微网计划孤网

5 s前微网并网运行，MS1和MS2恒PQ控制，分别发出给定有功1.2 MW和无功0.6 MV·A，0.3 MV·A，主网向微网输送有功0.6 MW，送无功0.1 MV·A，如图5（a）、图5（b）所示。从2 s开始到5 s，MS2控制出力增至1.8 MW、0.4 MV·A，即PCC处主网输送功率减至0；5 s时PCC断路器跳开，MS1恒PQ控制，MS2转为VF控制，微网进入孤网运行模式。由图5（c）、图5（d）可以看到，由于微网和主网交换功率已降至0，在进行断路器开断操作时，微网自身电压和频率冲击十分小，并且VF控制电源中电压相位始终采集主网电压相位，可保持自身电压频率恒定在孤网前水平。15 s时微网重新并网运行，MS1和MS2均为恒PQ控制，由于MS2转为PQ控制后，出力维持在孤网水平，故微网电压和频率没有明显冲击，并且微网与主网并网运行时，并不和主网进行功率交换，相当于主网的热备用。

图5 计划孤网过程

2.2.2 微网非计划孤网

分别仿真2种控制模式下的孤网暂态过程，一种为Droop控制方式，另一种为Droop和VF的混合控制方式。

微网非计划孤网过程，微源MS2采用Droop控制方式，具体仿真算例如下：

1）t为0～2 s，微网正常并网稳定运行；

2）t=2 s，PCC主网侧发生三相短路接地故障，微网自动进入孤网运行；

3）t=6 s，主网接地故障清除，微网各电气量恢复至孤网前运行水平。

仿真波形如图6所示，图6（a）、图6（b）为主网和微网的出力情况，微网在孤网过程中由Droop控制的MS2增发出力0.03 MW、0.015 MV·A，图6（c）所示孤网时电压在恒压控制环节的作用下维持孤网前水平，而微网频率在Droop控制的作用下维持在49.8 Hz，如图6（d）所示；主网故障清除，微网在并网逻辑模块的作用下延时1 s再并网，微源出力恢复至孤网前水平。

微网非计划孤网过程，采用混合控制方式，即主控微源在孤网前期运行采用Droop控制，后期采用VF控制。具体仿真算例如下：

图6 非计划孤网过程Droop控制

1）t为0耀2 s，微网正常并网稳定运行；

2）t=2 s，PCC主网侧发生三相短路接地故障，微网自动进入孤网运行；

3）t=6 s，主网接地故障清除，微网恢复并网运行。

仿真波形如图7所示，图7（a）、图7（b）为微网非计划孤网过程中主网和微网的出力情况，微网并网时，MS1和MS2有功出力分别为0.05 MW、0.04 MW，无功出力分别为0.03 MV·A、0 MV·A；孤网后1 s内，微网中的主控微源MS2有功环节为Droop控制，增发出力0.03 MW，此时微网频率在有功频率特性曲线下基本维持在49.8 Hz；无功环节为恒压控制，增发出力0.015 MV·A，微网电压经过孤网控制模块一定延时后恢复到原并网稳定运行水平，如图7（c）所示。

3 s时，微源MS2转变为VF控制，即有功环节由Droop控制转变为恒频控制，如图3所示，此时MS2的下垂曲线在积分环节的作用下自动向上平移，微网频率恢复至50 Hz，频率波形如图7（d）所示。

6 s时主网故障清除，经过并网逻辑模块1 s判断后微网自动并网，此时微网频率有一定冲击，冲击值为51 Hz，相比Droop控制时微网的并网情况而言反而更大，这是由于VF控制时微网再并网，MS2出力未进行降低，故再并网时微网频率会有很大冲击，而始终为Droop控制的微网再并网时，MS2出力已经调节至孤网前水平，故微网频率冲击较小。

图7 非计划孤网过程混合控制

2.3 仿真结论

由仿真结果可以看出，微网计划孤网过程十分稳定，孤网瞬间几乎没有频率和电压波动。微网非计划孤网时，2种控制方式均能使微网保持孤网稳定运行。在Droop控制下可以稳定地进行出力调整，但此时的频率有一定偏差；混合控制模式下，微网频率可以调整至孤网前的稳定运行水平，进行Droop控制到VF控制的转换时，微网各电气量均有一定波动，再并网时若不及时调整微源出力，频率冲击反而比Droop控制更大。因此对于混合控制方式，再并网时需对出力进行重新调整，才能保证微网运行模式的平滑切换。

3 结语

微网建设初期的接线方案选择，对微网灵活经济运行至关重要。本文根据实际示范项目的需求，对含有2个微源的微网接线方案进行了设计，并对不同控制方式进行了建模和仿真分析。结果验证了2种控制方式对维持微网孤网稳定的有效性，并且任何控制方式下，微网再并网时均需对微源出力进行重新调整，才能平滑过渡至并网稳定运行模式。未来还应从微网系统规划和经济运行角度考虑，进一步挖掘微网控制运行的与二者间的联系，发展已有微网控制方法。

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