基于光伏发电的微电网控制技术

湖北工业大学电气与电子工程学院 吴 烜 席自强 张志文 彭文丽

基于光伏发电的微电网控制技术

湖北工业大学电气与电子工程学院 吴 烜 席自强 张志文 彭文丽

随着新能源的发展，越来越多的新能源发电技术应用到生活中。本文主要介绍利用新能源发电的微电网技术，微网技术是综合考虑光伏孤立发电系统和光伏并网发电系统的一门新的光伏发电技术。采用主从控制法的微电网系统可以更好应用到农村用电系统，满足农村用电的需求。

微电网；主从控制策略；光伏逆变器

0 引言

随着电力需求的不断增长，大电网在过去数十年里体现出来的优势使其得以快速发展，成为主要的电力供应渠道。然而，集中式大电网也存在一些弊端：成本高，运行难度大，难以满足用户越来越高的安全性和可靠性要求。尤其近几年来，世界范围内发生了几次大面积停电事故以后，暴露出了大电网的脆弱性。因此，人们开始对电力系统的发展模式另辟蹊径。利用新能源以及可再生能源在负荷处就近供电，降低符合对大电网的依赖，改善电网峰谷性能，提高供电可靠性，是大电网的有力补充和有效支撑。在农村电网的改造中，可以更多地参照微电网运行模式。利用不同类型的可再生能源相互配合来匹配农村用电负荷的特性，支撑农电系统使其安全平稳运行，提高供电的可靠性。

1 微电网概念的提出［1］

为了发挥分布式电源积极的作用，同时降低其带来的不利影响，可以将分布式电源和电力负荷一起作为一个电力系统——微电网（Microgrid）。微电网可以实现微电源的控制，并配有储能装置，还可以进行冷、热、电共同提供的系统。微电网两种工作方式为并网与独立运行，具有高度的可靠性和稳定性。

在国家大力发展智能电网的形式下，微电网是智能电网的重要组成部分，是新能源发展的重要支撑。

2 微电网的基本结构

微电网基本结构示意图如图1所示［2］，图中包含多个DG和储能元件，这些系统和元件联合向负荷供电，整个微电网相对大电网来说是个整体，通过一个断路器与上级电网的变电站相连接。图中的微电网包括3条馈线、 ，装置与配电系统相连，可实现孤网与并网运行模式间的平滑无缝转换。其中A和B为敏感负荷，安装有多个DG，馈线A中含有一个运行于热电联产的DG，该DG向用户提供热能和电能。馈线C为非敏感性负荷，孤网情况下微电网内部过负荷运行时，可以切断系统对C的供电。当外界大电网出现故障停电或电力质量问题时，微电网可以通过主断路器切断与电网的联系，孤网运行。此时，微电网的负荷全部由DG承担，馈线C继续通过母线得到来自主电网的电能维持正常运行。如果孤网情况下无法保证电能的供需平衡，可以断开馈线C，停止对非重要负荷供电。当故障消除后，主断路器重新合上，微电网重新恢复和主电网联系同步运行，保证系统平稳度过到孤网运行状态。在微电网的这种结构下，多个DG局部就地向重要负荷提供电能和电压支撑，这在很大程度上减少了直接从大电网买电和电力传输的负担，并可增强重要负荷抵御来自主电网故障影响能力。此外，在大电网发生故障或其电能质量不符合系统标准的情况下，微电网可以以孤网模式独立运行，保证微电网自身和大电网的正常运行，从而提高供电可靠性和安全性。［3］

3 微电网的控制方法

3.1 主从控制法（Master－Slave Control）［4］

主从型控制法是将各个微电源采取不同的控制方法，并赋予不同的职能。其中，一个（或几个）作为主电源，来检测电网中的各种电气量，根据电网的运行情况来采取相应的调节手段，通过通信线路来控制其他“从属”电源的输出来达到整个微电网的功率平衡，使电压频率稳定在额定值。主从法控制的一般过程如下：

（1）当检测单元检测到孤岛、或者电网主动从配电网断开进入孤岛运行模式时，微电网控制切换到主从模式，通过调整各个微电源的出力来达到功率平衡。

（2）当微电网负载变化时，首先由主电源自动根据负荷变化调节输出电流，增大或者减小输出功率；同时检测并计算功率的变化量，根据现有的发电单元的可用容量来调节某些从属电源的设定值，增大或减小它们的输出功率；当其他电源输出功率增大时，主电源的输出相应地自动减小，从而保证主电源始终有足够的容量来调节瞬时功率变化［5］。

（3）当电网中无可调用的有功或无功容量时，只能依靠主单元来调节。当负荷增加时，根据负荷的电压依赖特性，可以考虑适当减小电压值；如果仍然不能实现功率平衡，可以采取切负荷的措施来维持微电网运行。主从控制策略也存在一些缺点。首先，主电源采用Vf控制法，其输出的电压是恒定的，要增加输出功率，只能增大输出电流；而负荷的瞬时波动通常首先是由主电源来进行平衡的，因而要求主电源有一定的容量；其次，由于整个系统是通过主电源来协调控制其他电源，一旦主电源出现故障，整个微电网也就不能继续运行；另外，主从法依赖于通信，因此通信的可靠性对系统的可靠性有很大的影响，而且通信设备会使系统的成本和复杂性增大。

主从式并联系统由一个电压控制的PWM逆变器（VCPI）单元，若干个电流控制PWM逆变器（CCPI）单元和功率分配器单元组成［6］。VCPI作为主控单元，为系统提供稳定的电压输出，这里由公共电网提供。CCPI作为从单元，具有电流跟随作用，无逆流并网光伏系统结构图如图2所示。

图2 无逆流并网光伏系统结构图

无逆流并网光伏系统的功能说明：

①当太阳能功率＞负载功率时，此时不需要市政电网提供功率，将市政电网功率分配为0。

②当太阳能功率＜负载功率时，此时市政电网需要提供的功率为负载与太阳能的差额。

③当太阳能功率＜某一定值时，此时太阳能提供的功率为0，市政电网提供负荷的全部功率。

3.2 光伏逆变电源设计

VCPI表示为一个稳定正弦电压源和一个由电感Lr和电容Cr构成的输出滤波器；CCPI受功率分配器控制的电流源以及扼流电感Li（i＝1，2，…n），扼流电感使输出电流平滑。每个CCPI单元的参考电压由功率分配器根据负载电流生产。必须指出的是，尽管CCPI跟踪参考电流的快速电流响应，但每个CCPI单元的输出电流和负载电流之间仍有时间的延迟或相位差，主单元VCPI的输出电流超前从单元的CCPI，但这并不影响并联系统的性能，因为电流响应快，这个时间延迟小。

（1）电压控制PWM 逆变器（VCPI）［7］。VCPI是在并联系统的主控单元，提供恒压恒频的正弦输出，这里由公共电网代替。

（2）电流控制PWM逆变器（CCPI）。电流控制PWM技术已广泛应用于AC驱动和无功补偿系统，文献中介绍的典型电流控制逆变器包括滞后控制器、正弦PWM控制器、超前电流控制和状态连接控制器。本并联运行系统有N套CCPI单元，使电流参考跟踪上功率分配器的分配电流。CCPI具有快速电流跟踪特性，所以无需PLL锁相电路，各并联单元就能实现并联运行同步。CCPI从单元基本控制方框图3所示。

图3 从模块基本控制方框图

控制器内设一个参考电流前馈，用来加快电流响应。CCPI可以用任何控制器来设计，只要电流响应快。并联系统输出电压看成CCPI的一个干扰信号，用一个前馈来对其进行补偿。

3.2.1 光伏逆变部分结构说明

采用电压霍尔对输出电压进行采样，采样周期为20kHz［8］。电压霍尔输出信号经调理电路送入DSP模／数转换单元，并将转换结果暂存于DSP中，由此得到输出电压的反馈信息。将采样得到的反馈信息与给定正弦表的相应数据进行比较，得到偏差信号。将偏差信号及给定信号按一定的控制算法进行计算，就得到脉宽控制量。在本系统中，控制算法采用的是重复控制加PID控制的方法，前者保证输出波形的稳态性能，后者保证输出波形的动态性能。

由该控制量可以计算出当前时刻SPWM波的占空比，使得输出波形的占空比按正弦规律变化，这样就得到了高频SPWM波。考虑到全桥逆变的上下桥臂不能直通，还必须在DSP的PWM口输出中加入相应的死区。死区的加入极为方便，只需软件编程时，对DSP内部的死区寄存器进行设置，其就会自动在已有的PWM波中加入死区，并且死区时间是可以通过对寄存器设置不同的值来调整的。高频SPWM波再通往驱动电路。由驱动电路产生的驱动脉冲控制功率开关管的通断，从而产生按正弦规律变化的SPWM波，然后再经LC滤波，去除高频分量从而得到正弦波输出电压。［9］

3.2.2 光伏逆变器的控制算法与实现

重复控制的基本概念来源于控制理论中的内模原理［10］，内模原理指出：系统稳定状态下无静差跟踪输入信号的前提是闭环系统稳定且包含输入信号保持器，例如，包含一阶积分环节的控制系统可以实现对阶跃指令的无静差跟踪，然而，积分环节1／s正是一个阶跃信号保持器，这是它能实现对阶跃指令无静差跟踪的根本原因。

在设计一个重复控制器的过程中，必须要有一个周期信号保持器用来消除周期参考信号或者扰动引起的周期跟踪误差。这个周期信号既可以用模拟方式产生，也可以由数字方式产生。然而在实际系统中，用模拟方法产生任意波形是非常困难的，相反，通过软件控制方法可以很容易得到一个周期信号。

3.3 整体系统设计

交流配电箱和直流配电箱的设计，设计之前需要对防雷器、接触器、断路器等器件的工作原理以及选型参数有所了解。选择防雷器时一般会考虑防雷器的残压和最大持续工作电压。残压是压敏型避雷器在冲击电流作用下，压敏电阻两端所产生的电压，残压在2KVA以下（20KA 8／20us）就能对用户设备提供足够的保护，最大持续工作电压一般按照系统最大电压的1.5～2倍选取。接触器在系统中主要用于交流侧的防逆流，在并网点的市电侧安装有3个电流互感器，每个互感器对应一相，将电流互感器的二次侧接入到防逆流继电器中，防逆流继电器通过判断电流的大小控制交流接触器的通断，从而达到防逆流的目的，接触器和短路器的选择满足相应的电流和电压参数即可。

4 结语

主电网只解决中心地区和经济发达地区的用电，无法覆盖偏远地区，而为几十户居民拉几十甚至上百公里的电网要耗费几千万元的成本。具有发电、输电及配电功能的微网，更像一个本地化的独立小电网，无需长距离输电。太阳能、风能、水能、生物质能，都是农村中常见的可再生能源，利用微电网这种供电方式为农村供电，是一种适合农村负荷特性的供电方案。既可以减少农民用电的负担，同时又可以使电力输出更加可靠、更加平稳地为农村负荷供电。

［1］张建华，黄伟.微电网运行控制与保护技术.北京：中国电力出版社，2010.7.

［2］鲁宗相，王彩霞等.微电网研究综述［J］.电力系统自动化，2007.31（19）：100～106.

［3］刘杨华，吴政球，涂有庆等.分布式发电及其并网技术综述［J］.电网技术，2008，32（15）.

［4］Lassetter R，Akhil A，Marnay C，et al.The CERTS Micro Grid Concept［EBOL］.CERTS.［5］Nikos Hatziargyriou，Hiroshi Asano，et al.An Overview of Ongoing Research，Development，and Demonstration Projects［J］.IEEE power and energy magazine，2007：79～94.

［6］Benjamin Kroposki，Robert Lasseter，et al.A Look at Microgrid Technologies and Testing，Pojects from Around the Word［J］.IEEE power and energy magazine，2008：41～53.

［7］B.Lasseter.Mirogrid.［Distributed power generation］.In IEEE Power Engineering Society Winter Meeting，2001，volume 1，146～149，Columbus，Ohio，feb.2001.

［8］Iravani R，Control and protection requirements for microgrids［EB／OL］，［2006－10－23］.

［9］Piagi P，Lasseter R H.Autonomous control of microgrids［C］.Power Engineering Society General Meeting，IEEE.2006：8～15.

［10］杨恢宏，余高旺等.微电网系统控制器的研发及实际应用［J］.电力系统保护与控制，2011.10.

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2012－03－20）