微电网的功率控制系统设计

张文煜 刘立群 杨凯

(太原科技大学电子信息工程学院,山西 太原 030024)

微电网的功率控制系统设计

张文煜 刘立群 杨凯

(太原科技大学电子信息工程学院,山西 太原 030024)

目前,分布式电源应用范围逐渐扩大,由多个分布式电源组成的微电网作为电力系统的重要补充越来越受到重视,微电网运行的稳定性是目前的研究重点。分析了微电网在并网运行模式下的PQ控制策略,以及微电网在独立运行模式下的V/f控制策略,给出了PQ、V/f两种控制策略的Matlab/Simulink仿真模型;论述了各个子模块的建立方法,给出了控制器参数的设计方法。最后通过仿真算例,验证了模型的正确性和控制方法的有效性。

微电网 分布式电源 PQ控制 V/f控制 Matlab/Simulink 电力系统 控制器

0 引言

随着国民经济发展,电力需求与日俱增,但目前我国发电形式仍以煤炭发电为主,对煤炭的过度开采将导致煤炭资源迅速枯竭,而利用此类一次能源时将对环境产生极大的污染。因此,对清洁能源的利用迫在眉睫。为了应对并解决上述问题,太阳能、风能等新能源发电应运而生并迅速发展,分布式电源的大量推广解决了电力供应紧张的问题。同时,对微电网结构的研究以及对其控制也受到了人们的重视。

目前,不同国家以及研究机构对微电网的定义各不相同,但不论哪种定义,其相同之处都是:微电网是将分布式电源以及负荷作为一个整体,形成可控的、既可与大电网并网运行也可以独立运行的部分配电网。微电网中的分布式电源优点较多:对安装环境要求低,系统运行的可靠性高;分布式电源大部分采用的是清洁能源发电技术并且配备电力电子装置进行系统控制,因而能源利用效率比较高。综上所述,未来电力系统的发展趋势将离不开微电网与分布式发电,分布式发电也将作为电力系统的有力补充存在。目前,对微电网的控制主要集中在对逆变器接口的控制上。控制策略主要有以下三种:PQ控制、V/f控制和下垂控制。本文主要对前两种控制进行研究。

1 微电网的结构

微电网的结构比传统大电网的结构灵活很多,典型的微电网结构如图1所示。

图1 典型微电网结构Fig.1 Structure of the typical micro-grid

图1中,A、B、C是三条放射型的馈线。其中线路A带有敏感负荷,并且有光伏发电作为分布式电源;馈线B上带有可调节负荷,安装燃气轮机以及燃料电池作为分布式电源;馈线C带有非敏感负荷,当微电网孤岛运行无法提供足够电能时,可以切断馈线C。

微电网的分布式电源既可在区域内独立运行,形成独立供电、供热系统,也可以与大电网连接,为大电网供电提供有力补充。

微电网内部负荷分为不同等级,根据负荷等级不同配备不同个数的分布式电源。分布式电源独立运行时,需要保证整个微电网的电压以及频率的恒定供给;而并网运行时,则需要对其谐波进行控制,此时的参考电压跟频率由大电网提供,微电网需要将所有出力输入到大电网。

目前,分布式电源输出大部分是直流电,需经过DC/AC逆变得到工频50 Hz交流电进行供电或者并网。因此,电力电子技术尤其是逆变技术在微电网的运行控制中具有不可替代的作用。

2 微电网的PQ控制

PQ控制一般应用在并网控制系统中,微电网在并网运行时,其输出功率由逆变器输出电压、并网电压以及连接电感共同决定。

当(δU-δE)无限小时,有功功率由(δU-δE)决定,无功功率则由电压幅值决定。所以功率控制就简化为逆变器输出电压的控制。根据上述内容可知,PQ控制就是将有功、无功解耦,对电流进行控制,采用比例积分调节实现稳态误差为0。PQ控制结构框图如图2所示。

图2 PQ控制结构图Fig.2 PQ control structure

本文采用的是SPWM调制方式,逆变器输出电压则通过锁相环模块进行跟踪,然后经过派克变换将三相电压转为dq0轴的分量。由图2可知,PQ控制模型由以下三部分组成:派克变换与锁相环(software phase locked loop,SPLL)模块、功率计算和控制模块、电流控制模块。

2.1 派克变换与SPLL分析建模

派克变换是实现PQ控制的必要条件,目的是将三相交流电压电流变换到dq0坐标系下。并网逆变器输出三相基波电压为u,则三相电压为:

式中:ua、ub、uc为三相电压;up为相电压的幅值。

首先定义静止abc坐标系到dq0坐标系的转变,公式为:

由式(4)可得:

上式说明在abc坐标系下,三相电压是耦合的,转换到dq0坐标系下时,d轴分量与q轴分量之间消除了这种耦合关系。

锁相环的作用是对电压、电流以及频率进行检测和跟踪。在对短时间内电压或者电流信号畸变进行跟踪时一般采用的是软件锁相环技术,此技术可以快速响应系统信号微小变化。

三相电压ua/b/c转换到αβ坐标系后,再将其转换到dq0坐标系,从而得到dq0轴电压分量分别为ud和uq。θ*是dq0变换输出的参考角度,作为派克变换的角度值。uq表示输出与输入之差,在频率完全跟踪时差值为0。差值0与q轴电压分量uq作差后,经过PI调节得到误差信号ω,ω与初始角频率ω0求和,得到积分环节的输角频率ω*,通过节分器最终输出所需相位θ*。此控制方法需要两个输入量:一个是从电感流出的三相电流il,另一个是从逆变器输出的三相交流电压。dq0变换的参考频率是通过跟踪大电网频率而得到的参考角频率。

2.2 功率控制与电流控制分析建模

功率控制与电流控制是基于电压源型逆变器来实现的,对开关管的驱动信号是电压信号,所以需要将电流控制信号转化为电压控制信号。由图2可得到母线电压:

式中:k=a,b,c。

经派克变换后,母线电压为:

其中馈线电压的角频率为ω。

经派克变换到dq0坐标后,令q轴分量为零,则分布式电源的有功功率和无功功率可表示为:

测得母线电压后,同时给定参考功率Pref、Qref,得到流向母线的参考电流,参考电流d轴分量为iLdref,q轴分量为iLqref,可得:

式(7)可变为:

2.3 PQ控制参数设计

本文应用的电流环控制是通过设置PI控制器来实现的,PQ控制系统的电流环控制框图如图3所示。

图3 PQ控制系统电流环控制框图Fig.3 Current loop control of PQ control system

整个闭环回路中,滤波器上较小的电容电流可忽略,以电感电流为控制量,则滤波器的模型为:

逆变器的整个模型为[1]:

式中:kpwm为放大系数,令kpwm=Udc/2;Tpwm为时间常数。

PI调节器的模型为:

反馈环节G4(s)的模型为(其中,Ts为开关周期时间):

由以上可知,系统的闭环传递函数为:

通过以上公式可知:

由于Ts很小,所以s2的系数可以视为0,上式可简化为:

经过以上研究,将电流控制环简化为一阶函数,仿真分析验证了控制的有效性。

3 微电网的V/f控制

与PQ控制相反,微电网在独立运行模式下一般采用V/f控制策略,从而保证电压和频率的稳定。V/f控制是将逆变端电压与交流侧电压相比,通过PI控制器实现电压跟频率的稳定,具体实现方法很多,但常用双环控制来实现,即电流内环、电压外环控制。双环控制的优点是可以增强系统的抗干扰能力。与PQ控制结构类似,V/f控制结构是通过对逆变器的开关管进行导通控制来实现对系统的控制;通过互感器采集逆变器的输出电压。此电压从abc坐标系转换到dq0坐标系后,再经过PI调节生成电流内环的参考电流iCdref和iCqref。这两个电流与内环采集的电流进行比较,调节生成的电压信号,对开关管进行控制,其控制框图如图4所示。

图4 V/f控制结构框图Fig.4 V/f control structure

由图4可知控制模型分为两部分,第一部分为派克变换部分,第二部分为电流电压双环控制部分。逆变侧电压un和iCn作为dq变换的输入,并设置电压环的参考输入电压ud-ref=380 V,uq-ref=0,频率为50 Hz。

3.1 dq变换模型

V/f的dq变换模型与PQ控制的dq变换类似,也是通过变换来实现控制量的解耦合,可参照式(3)～式(5)。

3.2 电压电流双环控制原理与模型

经过dq变化后,d轴分量和q轴分量还是呈现一种耦合关系。d轴和q轴的外环都是电压环,通过PI调节器实现与参考电压的误差为零,调节后的输出是一个电流值,这个值作为电流环的参考电流。同时,在该环节加入电容补偿-ωCudref、-ωCuqref。为了提高电流环的响应速度,内环只用比例调节器进行调节[2]。

3.3 V/f控制模型参数设计

根据基尔霍夫定律,由图4所示控制框图可得(Rn的电阻忽略不计):

将其转化到S域并且加入电流内环、电压外环控制后,可得到V/f控制策略下双环控制框图,如图5所示。

图5 V/f控制策略下双环控制框图Fig.5 The double loop control of V/f control strategy

图5中,kup+kui/S为电压环PI调节器的数学表达式,k为电流环的比例系数,kpwm为逆变器的比例系数,iCn-ref为输入量,iCn为输出量,则有:

内环部分的表达式为:

将un-ref当作输入量,un当作输出量,则得到外环表达式为:

将式(23)代入式(21)得到:

则:

式中:Gu(S)为内环表达式参数;Z(S)为逆变单元的表达式。

电压电流环节的表达式是非线性的,其参数的设置方法常用极点配置法。该部分所对应的表达式为:

设定该环节中的极点为:

其中主导极点是S1,2,非主导极点是S3,则可得电压电流环节的整体表达式:

比较式(28)、式(30)求得:

变化得到:

4 仿真分析

4.1 基于PQ控制的并网仿真分析

本文控制模型参数如下。

图6 PQ控制仿真结果Fig.6 Simulation results of PQ control

从图6(a)和图6(b)可以看出,分布式电源在0.5 s时,有功功率从25 kW变为30 kW,无功功率从0变为10 kW,此结果与PQ控制器所设置参考功率一致,说明PQ控制模型有效地控制了微电源发出的功率。从图6(c)、6(d)可以看出,在微电网功率发生突变时,母线电压基本保持恒定不变,相电压幅值为311 V,有效值为220 V;频率在0.5 s开始有小的波动,最大波动为0.000 11 Hz,满足电力系统中频率偏差不超过0.2～0.5 Hz的要求,在0.6 s后稳定在50 Hz。通过仿真分析说明,所建立的PQ控制模型在微电网并网中能很好地进行自适应调节。

4.2 基于V/f控制的孤岛仿真分析

结合V/f控制结构图,可对微电网独立运行时进行Simulink建模,分布式电源可用直流源代替。直流输入部分Udc=800 V,r=0.1 Ω,电容电感分别为C= 200 μF、L=4 mH。仿真总时间设定为2 s,在0～1 s时,Uref=380 V,fref=50 Hz;在1～2 s时,Uref=310 V,fref=50 Hz,也就是在第1 s时进行电压扰动,使其线电压瞬间变为310 V,此时,V/f控制模型的参考电压发生突变。电压环中kup=20、kui=500,电流环kip=12;负载功率为P=50 kW、Q=0,仿真结果如图7所示。

图7 V/f控制仿真结果Fig.7 Simulation results of V/f control

从图7(a)可以看出,在第1 s时,母线相电压幅值从380 V瞬时下降到310 V,与V/f控制器设置的参考电压一致,这说明V/f控制模型有效地控制了分布式电源发出的功率。从图7(b)可以看出,在母线电压发生改变时,系统频率基本保持恒定,能够满足系统稳定性要求。以上仿真说明了此种控制方法对分布式电源独立运行时控制的有效性,也验证了所建立的V/f控制模型的正确性。

5 结束语

本文通过建立并网模式下微电网的PQ控制模型,以及独立运行模式下微电网的V/f控制模型,采用SPWM控制策略对系统进行控制,并详细给出了系统参数的计算方法。系统模型调整速度快,性能稳定,通过仿真算例,验证了系统模型的正确性和控制算法的有效性。

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Design of the Power Control System for Micro-grid

At present,the application scope of distributed power supply is gradually expanding,as the important supplement of the electric power system,the micro-grid composed of multiple distributed power suppliers is receiving increasing attention,while the operation stability of the micro-grid becomes the research focus.The PQ control strategy of micro-grid under grid-connected operation mode,and the V/f control strategy of micro-grid under grid-disconnected operation mode are analyzed;the Matlab/Simulink simulation models of PQ and V/f control strategies are given.The establishing method of each sub module is expounded,and the design method of controller parameter is given.Finally the correctness of the model and the effectiveness of the control method are verified through simulation examples.

Micro-grid Distributed power supply PQ control V/f control Matlab/Simulink Electric power system Controller

TP202

A

山西省科学技术发展计划基金资助项目(编号:20130321025-03);

太原科技大学博士科研启动基金资助项目(编号:20122018)。

修改稿收到日期:2014-06-17。

张文煜(1989-),男,现为太原科技大学电气工程专业在读硕士研究生;主要从事新能源发电以及并网技术的研究。