微电网控制策略研究

1微电网控制策略研究1.分布式电源及其等效模型1.1分布式电源的定义国际上关于分布式发电的定义较多，没有形成对分布式发电的统一定义，不仅不同国家和组织，甚至是同一国家的不同地区对分布式发电的理解和定义都不尽相同，以下是几种比较有代表性的：（1）国际能源署对分布式发电的定义为：服务于当地用户或当地电网的发电站，包括内燃机、小型或微型燃气轮机、燃料电池和光伏发电技术，以及能够进行能量控制及需求侧管理的能源综合利用系统；（2）美国《公共事业管理政策法》对分布式发电的定义为：小规模、分散布置在用户附近，可独立运行、也可以联网运行的发电系统；（3）丹麦对分布式发电的定义为：靠近用户，不连接到高压输电网，装机规模小于10MW的能源系统；（4）德国对分布式发电的定义为：位于用户附近，接入中低压配电网的电源。接入电压等级限制为20kV，主要包括光伏、风电和小水电；（5）法国对分布式发电的定义为：接入低压配电网，直接向用户供电的电源。接入电压等级限制为20kV，容量限制为10MW，主要是热电联产、小水电和柴油机。综合以上几种定义的共同点，可以认为分布式电源指的是以新能源发电为主，容量较小且靠近负荷中心的发电设备，如小型风力发电机和光伏电池等。目前，微电网示范工程中的分布式电源主要包括柴油机、微型燃气轮机、小型水力发电机、小型风机、燃料电池和光伏电池，此外，还有少数的生物柴油机、液流电池、超级电容、飞轮储能等。1.2分布式电源的并网方式虽然各种分布式电源都可以接入微电网为负荷供电，但由于它们自身的一下特点和微电网对电能质量及供电可靠性的要求，各类分布式电源的并网方式不尽相同。小型水力发电机、鼠笼型异步风机和柴油机等小型常规发电机输出稳定，可直接并网。光伏电池、燃料电池和直流风机等直流分布式电源输出直流电，通常需要经逆变器接入交流微电网，这种并网方式称为直—交式并网。微型燃气轮机和同步风力发电机输出幅值频率变化的交流电电气量,需要整流逆变后才能并网，这种并网方式称为交—直—交并网，对应的分布式电源统称交直2交分布式电源。为了保证分布式电源的灵活性和可靠性，在微电网设计中主要采用经逆变器接入的分布式电源，包括直流分布式电源和交直交分布式电源。另外，微电网设计中还加入了大量的储能装置，如蓄电池、超级电容和液流电池等，它们也需要经过双向逆变器与微电网连接。本文把直流分布式电源和交直交分布式电源统称为逆变型分布式电源(InverterBasicDistributedGeneration,下文简称IBDG),并对其进行建模。1.3分布式电源建模无论直流分布式电源，还是交直交分布式电源,为了使逆变器输入端电压满足要求（电压等级和电压稳定性要求），逆变器前端通常需要加入DC-DC变换器，因此逆变器前端可以看做直流稳压电源，IBDG也就可以看做直流稳压电源和逆变器的串联模型，如图1所示。IBDG等效模型中的PWM逆变器为电压型逆变器，下文对逆变器的分析均针对电压型逆变器。ACDCabcDC直流稳压电源PWM逆变器图1IBDG等效模型图2.逆变器常用的控制方法根据上文，IBDG由直流环节经电压型逆变器并网，逆变器输出端的电压电流频率由逆变器的控制策略决定，电压的幅值由逆变器输入端直流电压和逆变器控制策略共同决定。因此，逆变器的控制策略在整个微电网控制中就显得尤为重要。常用的控制方法有PQ控制，VF控制和下垂控制。2.1PQ控制PQ控制指的是逆变器输出的有功功率P和无功功率Q的大小可控，均可以根据设定3值输出。功率外环控制模块Prefid_refQref电流内环控制模块iq_refPmdPmq逆变驱动信号生成模块PWM逆变器触发信号电网dq变换模块ia,ib,ic瞬时功率计算模块idiquduqua,ub,ucidiqPQ电流测量电压测量图2PQ双环控制框图PQ双环控制框图如图2所示。在逆变器与电网连接线上测量电流和电压，并对测定得值进行dq变换，dq变换得到电压的d轴分量ud和q轴分量uq，电流的d轴分量id和q轴分量iq。瞬时功率模块根据基于dq变换的瞬时功率计算方法计算时候逆变器输出的有功功率P和无功功率Q，并将所得结果P和Q输出。功率外环控制模块根据有功功率的设定值Pref和无功功率的设定值Qref以及逆变器输出的实时有功功率P和无功功率Q生成电流直轴分量参考值id_ref和交轴分量参考值iq_ref并输出。电流内环控制模块根据id_ref，iq_ref，id和iq，生成脉宽调制系数d轴分量Pmd和q轴分量Pmq。逆变驱动信号生成模块根据Pmd和Pmq生成逆变器驱动信号驱动逆变器工作，使逆变器输出功率与设定值接近，从而实现了逆变器的PQ控制。ddKsTmaxminqK+-PPref△P+-QQref△QmaxqqKsTdKdq分量限幅id_refiq_refminPI控制PI控制id_riq_r图3PQ外环控制框图PQ双环控制包括PQ外环控制和电流内环控制。PQ外环控制框图如4ddKsTmaxminqK+-PPref△P+-QQref△QmaxqqKsTdKdq分量限幅id_refiq_refminPI控制PI控制id_riq_r图3所示，逆变器输出的实时有功功率P与参考值Pref作比较得到差值ΔP，实时有功功率Q与参考值Qref作比较得到差值ΔQ,对ΔP和ΔQ分别进行PI控制输出电流直轴分量参考值idref和交轴分量参考值iqref。本文中，考虑到实际中逆变器均有限流环节，所以对参考电流进行了限幅控制。限幅控制通过中的dq分量限幅模块实现。ddKsTqK-idid_ref-iqiq_refqqKsTdKPmdPmq++图4电流内环控制框图电流内环控制如图4所示，id_ref和id差值通过比例积分控制输出脉宽调制系数d轴分量Pmd，iq_ref和iq差值通过比例积分控制输出脉宽调制系数q轴分量Pmq。逆变驱动信号生成模块根据Pmd和Pmq以及PWM相关算法（本文选择SPWM算法）生成逆变器驱动信号驱动逆变器开关管导通和关断，控制逆变器工作。5PQ控制下的逆变器，只要有功功率的设定值Pref和无功功率的设定值Qref设置得当，不超过逆变器的容量和最大允许电流，则逆变器输出的有功功率有功功率P和无功功率Q跟随设定值，因而实现了PQ控制。PQ控制方式通过将有功功率和无功功率解耦，对电流进行控制。在微电网并网运行模式下，微电网内的负荷波动、频率和电压扰动均由大电网承担，各分布式电源不参与微电网频率和电压的调节，直接采用电网频率和电压作为支撑。综上，PQ控制的优势在于，可以根据需要动态调节有功功率的设定值Pref和无功功率的设定值Qref，将其应用到光伏发电和风力发电等发电量不稳定系统中，可以最大限度地提高新能源的利用率。其缺点在于，采用该种控制方式的分布式电源并不能维持系统的频率和电压。如果是一个独立运行的微网系统。则系统中必须有维持频率和电压的分布式电源。如果是与常规电网并网运行，则由常规电网维持电压和频率。2.2V-f控制V-f控制即恒压恒频控制，指的是通过控制手段使逆变器输出端口电压的幅值U和频率f保持恒定。V-f外环控制模块Urefid_reffref电流内环控制模块iq_refPmdPmq逆变驱动信号生成模块PWM逆变器触发信号电网dq变换ia,ib,ic瞬时功率计算模块idiquduqua,ub,ucidiqPU电流测量f锁相环电压幅值计算模块ua,ub,ucua,ub,uc电压测量图5V-f双环控制框图V-f控制通常采用双环控制，双环控制框图如图5所示。与上文中PQ双环控制一样，V-f双环控制以同样的方法得到id，iq和P。另外，V-f双环控制通过锁相环测得系统频率f，通过电压幅值计算模块得到逆变器出口处线电压幅值U。V-f外环控模块根据电压幅值的设6定值Uref、频率的设定值fref、逆变器输出的实时有功功率P、系统频率f和逆变器出口处线电压幅值U生成电流直轴分量参考值id_ref和交轴分量参考值iq_ref并输出。电流内环控制模和逆变驱动信号生成模块功能与上文PQ双环控制一样，不再赘述。11+qqKsT（）11+KsT（）11+ddKsT（）+-ffref△fPrefP-+UUref-dq分量综合限幅id_refiq_ref△U图6V-f外环控制框图V-f外环控制框图如11+qqKsT（）11+KsT（）11+ddKsT（）+-ffref△fPrefP-+UUref-dq分量综合限幅id_refiq_ref△U图6所示，频率设定值fref与实时系统频率f差值∆f经PI控制输出有功功率参考值Pref，Pref与逆变器输出有功功率P差值经比例积分控制输出电流参考值直流分量，电压额定值Uref和逆变器端口电压U差值∆U经比例积分控制输出电流参考值交流分量，电流参考值交直流分量经dq分量综合限幅模块进行幅值限制，输出id_ref和iq_ref。V-f双环控制的内环控制也是电流控制，与PQ双环控制中的电流内环控制方法一样，因此不再赘述。在微电网孤岛运行模式下，由V-f控制的IBDG调节微电网内的微电网频率和电压,维持微电网的频率和电压稳定。72.3下垂（Droop）控制下垂（Droop）控制是指通过控制逆变器实现与传统电力系统的频率一次调整相类似的调节特性。目前针对逆变器主要采用的下垂控制方法与传统的同步发电机调节相似，采用有功—频率（P—f）和无功—电压（Q—V）的调节方式。逆变器的有功—频率（P—f）的调节特性如图7所示，当系统频率f下降时，逆变器输出的有功功率P增加；系统频率f上升时，逆变器输出的用功功率P减小。因此逆变器输出的有功功率P随着系统频率f变化而自动调节，以达到维持系统频率动态稳定的作用。显然这种调节是有差调节，与同步发电机的频率一次调整类似。fPPnPmaxfnfmax0图7有功—频率（P—f）调节特性逆变器的无功—电压（Q—V）的调节特性如图8所示，当出口电压U下降时，逆变器输出的无功功率Q增加；出口电压U上升时，逆变器输出的无功功率Q减小。因此逆变器输出的无功功率Q随着出口电压U变化而自动调节，以达到维持出口电压U稳定的作用。显然这种调节是也是有差调节，与同步发电机励磁调节相类似。8UQ-QmaxQmaxUmin0U0图8无功—电压（Q—V）调节特性3.DIgSILENT仿真软件简介DIgSILENT是德国DIgSILENTGmbH公司开发的一款电磁、机电暂态混合仿真程序，它适用于电力系统几乎所有领域，并提供了全面准确的分析功能。DIgSILENT这一名称来源于DIgitalSImuLationandElectricalNeTwork。3.1DIgSILENT常用功能介绍DIgSILENT（以14.0.512为准）包含11个常用模块和6个附件模块。常用模块包括基本功能模块（包括潮流计算和故障分析）、保护模块、配电网优化模块、谐波分析模块、最优潮流模块（包括无功功率优化和经济性调度功能）、可靠性分析模块、状态估计模块、稳定性分析模块、电磁暂态模块和小信号稳定性（特征值分析）模块，附件模块包括动态参数识别、DSL动态仿真语言加密、PSS/E数据接口、IEC61970标准CIM接口、IEC61968标准CIM接口和OPC(过程控制的连接与嵌入)接口。下面针对一些常用功能进行详细介绍。1.潮流计算DIgSILENT可以描述复杂的单相和三相交流系统及各种交直流混合系统。潮流求解过程提供了3种方法以供选择：经典的牛顿—拉夫逊算法、牛顿—拉夫逊电流迭代法和线性方程法（直接将所有模型作线性化处理）。在进行潮流计算的同时，DIgSILENT还有变电站控制、网络控制和变压器分接头调整控制可供选择。2、故障分析9DIgSILENT故障分析功能既可以分别根据IEC909、IEEEstd141/ANSIe37.5以及德国的VDE102标准进行，也可以根据DIgSILENT自身所提供的综合故障分析方法进行。DIgSILENT故障分析功能支持几乎所有的故障类型（包括复故障分析）。3、动态仿真DIgSILENT软件提供的仿真语言(DIgSILENTS