基于并网/孤岛不同策略的多换流器微电网运行控制策略研究*

田素娟 王慧丽 王艺龙

(1.包头职业技术学院 电气工程系,内蒙古 包头 014030; 2.国网江苏省电力有限公司超高压分公司,南京 211102)

目前,国内的微电网技术已经取得了长足的发展,但是对于基于并网/孤岛不同策略的多换流器微电网运行控制策略稳定性研究还不够深入,本文基于并网/孤岛不同策略的多换流器微电网运行控制策略为新型研究方向,开展研究。

随着国家经济的不断向前发展,人民的生活质量不停提升,国民的环保意识逐渐增强,对青山绿水的生态环境也更加的向往,由于风力发电、光伏发电等可再生能源发电技术具有污染少、可循环、易普及等优点,受到了各国的高度关注,但是由于分布式电源单独的并网,其容量和并网点会对电网产生较大的影响,所以在最初的分布式电源并网标准中对分布式电源的容量和并网点都有大量的限制,这样势必会阻遏新能源的利用率,难以达到国家减少碳排放的目标,以分布式电源和负荷共同构建的微电网,微电网在并网运行时采用PQ控制保证微电源的最大利用,在孤岛运行时采用V/f控制,既可以保障负荷供电可靠性也进一步促进了微电源利用。

1 基于并网/孤岛不同策略的多换流器微电网运行控制策略

基于并网/孤岛不同策略的多换流器微电网运行控制策略研究,其中的微电源主要由当前具有巨大应用前景的风力发电和光伏发电这两种互补的新能源系统组成,储能装置拟采用当前技术相对成熟可靠的磷酸铁锂电池。

1.1 拓扑结构设计

采用国内、外示范工程主流的微电网结构——主从结构,设计了多换流器微电网的拓扑结构类型,多换流器微电网结构图如图1所示。

图1 多换流器微电网拓扑图

1.2 PQ控制策略

PQ控制主要应用在输出不恒定的微电源(如:风能发电、太阳能发电等)。因这类微电源受天气的影响较大,具有不连续性,需要配套大容量的储能装置来稳定负荷的波动,从而增加了成本。所以间歇类微电源的控制并不是要满足负荷的波动,而是要保证可循环新能源的最大利用率,故采用PQ控制,以确保有多少功率就能输出多少功率。采用PQ控制方式的微电源不需要承担微电网内的频率和电压的稳定,微电网在并网运行时由大电网来实现功率和电压的稳定,当处于孤岛运行时由微电网内燃气轮机、蓄电池等能够保持恒定出力的微电源来提供电压和频率的稳定。

PQ控制能够最大限度的保证微电源输出恒定的P(有功功率)和Q(无功功率),从而实现新能源的最大利用。PQ控制下的微电源在潮流计算中相当于电力系统中的PQ节点,根据参考值的Pref和Qref输出功率。控制器采用双环控制结构,外环主要用于实现控制目的以及产生内环所需信号,内环主要用于精细化调节,用于改善输出电能质量。

(2-1)

式中,Pref、Qref为有功功率和无功功率参考值;kp1、ki1、kp2、ki2为外环PI控制器参数;P0、Q0为实际值;idref、iqref为电流环参考值。

(2-2)

式中,ud、uq为内环控制器输出d、q轴电压;kpi1、kii1、kpi2、kii2为内环PI控制器参数。

经过滤波电路的dq方程:

(2-3)

式中,Vsd、Vsq为经过电感补偿后的d、q轴电压;ωLiq、ωLid为滤波电感补偿量。

逆变器出口瞬时功率为:

(2-4)

由式子(2-1)至(2-4)可设计出如图2的PQ控制器的控制框架图,利用其来分析PQ的控制原理。

图2 PQ控制器

图3 PQ控制特性图

如图3所示为PQ控制特性图,将进一步对PQ控制的原理进行分析。在微电网频率为工频50Hz、微电源出口电压为额定值UN时,微电源运行在f0、U0对应的A点,输出额定的有功功率(Pref)和无功功率(Qref);当微电网的频率增大或减小,同时微电源的出口电压幅值也增大或减小,则微电源的运行点将从A点向C点或B点逐步移动,但是输出的有功功率(Pref)和无功功率(Qref)将保持不变。综上所述,采用PQ控制的微电源能够很好地实现有功功率和无功功率的恒定输出但并不能承担调节电压和频率的任务,需要微电网中存在维持电压和频率的微电源或大电网来提供电压和频率的支撑。

1.3 V/F控制策略

无论PQ控制还是Droop控制最大的缺陷就是不能使处于孤岛运行的微电网保持电压和频率的稳定,然而微电网的电压和频率的不稳定,势必会造成微电网系统的电能质量下滑,从而可能进一步引起孤岛运行的微电网崩溃,因此微电网孤岛运行时需要改变微电源的控制策略才行,而由于V/F控制能够保证电压和频率的稳定,因而需要在孤岛运行时,将主控微电源切换至V/F控制器,来实现微电网孤岛运行时电压和频率的稳定 。图4为V/F控制的结构图,采用的是双环控制原理即电压外环,电流内环。

图4 V/F结构图

2 仿真及试验验证

在大型电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中初步建立了仿真模型,如图5所示。DG3作为主控微电源采用V/f控制设置参考电压为0.38KV、频率为50Hz,DG1、DG2作为从控微电源,DG1给定有功功率和无功功率为:100KW、20KVar,DG2给定有功功率和无功功率为:200KW、40KVar,微电网系统内总的负荷有功功率为0.69MW,还采用功率因数为0.95配置无功功率为0.222MVar。大电网三相电压经过派克变换得到udgrid、uqgrid在分别与逆变器出口d轴和q轴的电压vd、vq进行比较,差值通过PI控制器与电流内环输出电压进行运算得到预同步后的参考电压ud1ref、uq1ref,再分别和vd、vd以及滤波电感电压补偿从而得到d轴、q轴的输出参考电压。通过锁相环锁定大电网的相角PHI,然后与逆变器出口处相角thS进行比较,然后经PI调节器作用,在与设定频率运算,输出参考频率。仿真时长为3S,并网连接点PCC在1.5S发出并网信号,微电网检测电能参数,传输给微电源,实现并网运行。

通过用理想电压源模拟微电源然后通过逆变器(DC/AC)变成交流电,来与大电网并网运行,在微电网与大电网并网运行时,采用PQ控制来实现对微电源的最大利用,并在并网运行不同时段改变负荷大小,验证PQ控制的可行性;并且模拟故障发生后,微电网通过PCC与大电网断开连接,主控微电源采用V/f控制来实现微电网电压和频率的稳定,从而实现保障供电的目的。通过PSCAD/EMTDC软件来实现并网和孤岛运行的试验研究。

图5 微电网结构图

2.1 并网控制策略试验研究

用理想交流电压源通过10.5kV/0.4kV变压器变成低压0.4kV模拟大电网(低压配电网),微电源DG采用PQ控制输出额定功率0.1MW、0.02MVar,微电网内总的有功负荷为0.69MW;按功率因数0.95计无功负荷为0.222MVar,具体为非敏感负荷load1为0.12MW、0.036MVar;敏感负荷load2为0.27MW、0.09MVar;敏感负荷load3为0.3MW、0.096MVar,所采用的的负载为恒定功率的感性负载模型,dP/dV=dQ/dV=0,dP/dF=dQ/dF=0,每条线路电阻为0.001Ω,微电源控制采用PQ控制模块。直流电压源电压为1.2KV;滤波电感为0.0005H;功率外环PI调节器参数为:2、0.01S;电流内环PI调节器参数为:0.3、0.0005S,载波频率4950Hz。

在仿真过程并网连接点PCC一直处于闭合状态,设置仿真时长3S,在仿真开始1S后断开非敏感负荷0.12MW、0.036MVar,仿真2s后断开敏感负荷0.27MW、0.09MVar,研究建立的PQ控制模型在微电网并网运行时的可行性。

微电源在并网运行时采用PQ控制,无论系统中的负荷如何的变动都应保持微电源的出力不变,由大电网来进行微电网系统内的功率平衡,即微电源有功功率输出0.1MW和无功功率输出0.02MVar不变,大电网跟随负荷的变动来弥补微电网内的功率缺额,并且给微电源提供电压和频率的稳定支撑,仿真时长3S,在1S之前,由于微电源所发功率不能满足微电网的需求因而由大电网提供其缺额功率即有功功率P1:0.59MW、无功功率Q1:0.202MVar,1S时断路器动作切除非敏感负荷即P2:0.12MW、Q2:0.036MVar,1s～2s期间由于切除了非敏感负荷0.06MW、0.012MVar,微电网内需求功率减少,微电源的输出功率保持不变,因而需大电网调整输出功率,变为0.47MW、0.166MVar,保持微电网系统内功率平衡,在2s-3s期间又切除敏感负荷即P3:0.27MW、Q3:0.09MVar,微电源输出功率依据保持不变,因而大电网需进一步调整输出功率P1、Q1,变为0.2MW、0.076MVar,来维持微电网系统内的功率平衡。

通过上述的过程从而来说明微电网并网运行时采用PQ控制可以达到最大限度的利用微电源的目的。

如图6、7所示为微电网系统的有功功率和无功功率的波形图,P1、Q1为并网节点PCC处的有功功率和频率代表着输送微电网中的有功功率和无功功率;P2、Q2为load1的有功功率和无功功率监测;P3、Q3为load2的有功功率和无功功率监测;P4、Q4为load3微电网侧的有功功率和无功功率监测,负号代表以大电网流向为正方向,微电网向系统内输送功率;P5、Q5为load3大电网侧的有功功率和无功功率,代表大电网弥补微电源发出的电能未能满足load3的缺额功率。

图6 微电网内有功功率图

图7 微电网内无功功率图

图8为微电源内的有功功率和无功功率监测,从中可以看出,微电源的输出功率在PQ控制策略下能够很好的保持功率的稳定输出。

图8 微电源输出功率

综上所述波形图可以看出微电网并网运行时,微电源采用PQ控制在大电网的支撑下,微电网内的电压、频率以及功率在微电网系统内负荷发生变动时,都能够达到很好的稳定,从而说明了微电网并网运行时,微电网源采用PQ控制能够达到在负荷发生波动的情况下,都能够保持微电源的最大功率输出以及保持微电网系统内电压、频率等电能参数的稳定,从而验证了并网运行时微电源采用所建立的PQ控制模块的可行性。为后续的模式切换研究奠定了基础。

2.2 孤岛控制策略试验

微电网在外部电网故障、检修等情况下不可避免会出现脱离大大电网情况的发生,因而微电网的孤岛运行能力是其优势的重要体现,能否在脱离大电网的的独立状态下,保持微电网系统内的电压和频率稳定具有重要的现实意义,不仅可以提升微电网的可靠性而且能扩大其应用范围,故对微电网孤岛运行进行试验研究具有很大的必要性,考虑同一微电网的并网运行与孤岛运行具有更加重要的实际意义,因此在并网运行模式的基础上搭建了微电网孤岛运行的试验模型,采用理想的电压源逆变代替微电源,模拟大容量的主控微电源,能够输出足够大的功率来平衡微电网系统内的负荷功率,微电网内总的有功负荷为0.69MW;按功率因数0.95计无功负荷为0.222MVar,具体为非敏感负荷load1为0.12MW、0.036MVar;敏感负荷load2为0.27MW、0.09MVar;敏感负荷load3为0.3MW、0.096MVar,所采用的的负载为恒定功率的感性负载模型dP/dV=dQ/dV=0,dP/dF=dQ/dF=0,每条线路电阻为0.001Ω,采用第二章所建立的V/f控制模块。设置微电源参考电压为0.38KV;参考频率为工频50Hz。

图9为微电网母线的频率,在孤岛运行过程,没有进行负荷操作等造成系统功率变化的情况下,功率能够保持很好的稳定,图10为微电网系统主要电压的监测点,U1为母线处电压;U2为load1处的电压监测;U3为load2处的电压监测;U4为load3处的电压监测,从波形图中可以看出,这四个主要点的电压保持一致,因此,图9和图10充分说明了微电网在孤岛运行的情况采用V/f控制策略能够实现系统内的电压和频率的稳定。

图9 微电网频率波形图

图10 微电网内电压波形图

综上所述,微电网在并网运行时采用PQ控制策略,孤岛运行时采用V/f控制策略能够满足系统内电能质量要求。

3 结论

本文对多换流器微电网并网和孤岛不同工况下运行时进行了研究,提出了基于并网/孤岛不同策略的多换流器微电网运行控制策略,通过理论和试验证明在不同工况下采取不同的控制策略下,多换流器微电网可以更加稳定运行,从而提高多换流器微电网运行的稳定性。仿真和实验结果证明了本文所提基于并网/孤岛不同策略的多换流器微电网运行控制策略的有效性。