分布式电源交直流混合供电的微电网系统研究

赵 洪

（北京首都开发股份有限公司首开同信分公司，北京 100000）

当前能源供应现状和能源分布结构面临调整，构建高效低碳的绿色能源网络迫在眉睫，以光伏、风力为代表的新能源发电技术得到快速发展[1-2]。微电网技术能够将分布式电源与就地负荷有效链接成微电网系统，进而抑制分布式电源并网引起的电能质量问题，并保证了孤网运行时的供电能力。其中，交直流混合微电网结合了交流微电网和直流微电网的优点，在结构和使用上具有优越灵活性和稳定安全性[3-5]，但其功能实现主要依赖于控制方式和运行模式[6]。因此，本文针对分布式电源并网下交直混合微电网的运行控制问题，对交直流混合微电网系统结构、分布式电源及其控制策略进行研究。

1 交直流混合微电网系统的结构

交直流混合微电网有并网运行和独立运行2种常态运行方式。当遇到大电网故障时，微电网从并网运行模式切换到孤岛运行模式，并保障微电网内一些重要负荷的供电；当大电网故障切除后，微电网可以恢复到并网运行模式；此外，当大电网出现弱电网情况时，大电网还能从微电网内注入和吸收无功功率，实现自身的电压支撑。交直流混合微电网结构图如图1所示。

由图1可知，系统中包含不同类型的分布式电源。在并网模式下，交直流混合微电网通过大电网的箝位作用使得交流微电网的频率与大电网保持同步，蓄电池可以作为可控的分布式电源接入到风光储微电网中，负荷也可以通过大电网获得符合要求的电能。交直流微电网因为大电网的存在使得自身功率可以保持平衡，此时交直流微电网的运行控制难点主要在集中在控制方面。

图1 交直流混合微电网结构示意图

2 分布式电源分析与搭建

由于分布式电源一般由小功率模块组成且须兼顾周围环境，具有小容量分散化的特点，因此以光伏系统为例进行电源特性分析与模型搭建。

2.1 光伏发电的原理和特性

光伏系统依靠光伏阵列生成电势，然后利用逆变器将进行逆变及相角和频率控制进行并网输出。光伏阵列的电路模型如图2所示。

图2中，iph、Dph、Rs、Rsh、iD、ish、ipv和upv分别为光生电流、PN结、等效串联电阻、等效并联电阻、流经PN结的电流、流经等效并联电阻电流、光伏阵列输出电流和光伏阵列输出电压。通过对其进行电路原理计算可以得到光伏阵列的输出电流电压分别为

图2 光伏阵列等效电路

式中：Isat、a、k、T、q和·LambertW（O）分别为反向饱和电流、二极管的品质系数、波兹曼常数、温度、电荷量和朗伯W函数。通过上述可求得的光伏阵列的输出功率Ppv为

由式（3）可知，由于日照和温度的不定性，光伏阵列的电压和功率输出会有较大变化[7]，变化情况具体如图3所示。

在图3中，图3（a）为温度15~45℃时的4条曲线，图3（b）为光照强度200~1 000 W/m2时的5条曲线。通过对比曲线变化趋势可知：恒光照下，光伏电池的输出电压及输出功率随温度升高而变小；恒温下，光伏电池的输出电压及输出功率随光照增强而变大。

图3 光伏电池功率-电压变化曲线

2.2 光伏系统最大功率跟踪技术

光伏电源本身具有出力不稳定性，直接接入电网会引起电能质量问题。工程中常采用最大功率点追踪（MPPT）技术能对功率进行控制使其输出最大功率[8-9]，达到并网要求。其中，利用增量电压法可以实现MPPT的光伏输出功率稳定在最大功率点附近，其主要原理是[10]：利用MPPT算法得到的光伏输出电压参考值与实时电压作比较，并通过控制器的调节获取光伏输出电流参考值与实时电流作比较，然后基于脉冲宽度调制（PWM）发生器获取控制信号实现，最终实现MPPT功能。具体步骤为[9]：首先，根据光伏阵列当前开关周期的输出电压和输出电流计算出当前开关周期光伏阵列的输出功率；其次，将当前开关周期光伏阵列输出功率与上一开关周期光伏阵列输出功率相比较，为参考电压的整定提供判断依据；再次，比较当前开关周期光伏阵列输出电压与上一开关周期光伏阵列的输出电压，为参考电压的整定提供判断依据；最后，结合光伏阵列输出电压和输出功率的比较结果，对光伏阵列输出电压的参考值进行整定。

2.3 光伏电源仿真模型搭建

本文利用PSCAD平台建立仿真模型，光伏电源的具体情况如图4所示。

由图4可知，光伏发电的主要元器件是光伏电池，因为单一光伏电池产生的电压电流较小，所以将光伏电池串并联制成光伏阵列，以提升电压电流水平。此外，光伏阵列将光能转化为电能时产生的是直流电，但可以通过逆变器将其转化为交流电。

图4 光伏电源仿真模型

3 交直流混合微电网运行控制策略

为让微电网系统运行在既能稳定为负荷提供电能，又可降低电网运行中损耗的最优状态下，需要依据实际运行情况建立起安全稳定的控制策略。此外，微电网因为可以自由切换运行模式，当发生切换时，系统结构会发生不同程度的变化，为了保障微电网对负载的稳定供电能力，还需要对其内部的分布式电源和模式开关进行控制调节。对于微电网系统，应针对不同情况提供相应的控制方式，使其工作时满足不同的运行要求，因此在每个微电网都建立起运行控制中心，经由系统内的各级通信单元传输信息和指令，合理兼容微网的不同运行方式，达到最优控制目的。

3.1 并网运行控制策略

当微电网处于并网运行状态时，微电网与大电网并联运行，自身频率与大电网同步，对系统内的电压控制有较高需求。此时的控制策略为：控制中心自主判断各节点的电压是否满足要求，若不符合要求，就需要采取相关的措施进行电压调节。具体表现为依靠无功潮流来控制分布式电源和储能设备的出力，使微网尽可能地不会被切除出大电网；通过优化无功分布及平衡无功潮流，保证电压满足标准。

3.2 孤岛运行控制策略

当交直流微电网处于孤岛运行模式时，需要保证内部分布式电源的快速响应，优化负荷潮流分布，使得系统可以满足内部的电能需求及电能质量标准。此外，还要对线路、设备以及负载进行保护，防止出现故障。所以在孤岛运行模式下的控制策略为：通过微电网中的控制中心进行统筹管理实现各个分布式电源的调整。

3.3 运行方式切换方法

微电网系统可借助电力电子技术，实现孤岛运行模式和并网运行模式的切换，这样可以降低分布式电源对大电网造成的冲击。当进行2种运行模式的切换时，要先选择合适的控制策略作为相应切换动作触发的前提。此外，在进行并网操作时应缓慢调节微电网电压以减小冲击电流。

4 交直流微电网的仿真

微电网运行的基础与核心是内部对分布式电源的控制，其基本目的是使微电网可以为负荷提供正常工作的环境，并且保障电能质量安全可靠。对于多种分布式电源的仿真，光伏电源与储能系统通过电桥将单相电压电流转换为三相电压电流，然后利用三相断路器控制模块进行开闭动作。而风力电源则将发出的三相电压电流直接汇入微电网中。综上所述，利用PSCAD平台搭建图1所示的交直流混合微电网仿真模型，并进行运行策略控制，得到交流电源侧的电压变化情况如图5所示。

图5 交流电源侧的电压变化

由仿真结果可知，交流电源侧的电压波形不存在畸变现象，满足电能质量需求。

5 结论

本文通过分析交直流混合微电网结构，首先，阐述了不同分布式电源的并网方式；其次，以光伏系统为例进行分布式电源的原理和特性分析；再次，厘清了交直流混合微电网在不同运行方式下的控制策略和运行方式切换时的处理方法；最后，利用PSCAD平台搭建模型进行电压情况的仿真验证。研究结果表明，利用微电网技术来进行分布式电源的并网处理，可以实现输出电压的有效控制，这为可再生能源的开发与利用提供新的思路。