微電網(wǎng)運行與控制作業(yè)

1、基于PQ控制方法的微電網(wǎng)并網(wǎng)運行摘要：0引言隨著環(huán)境問題和能源問題的日益突出,世界各國開始紛紛為尋求更加環(huán)保節(jié)能的新能源發(fā)電方式而努力。近年來,具有環(huán)境污染少、能源利用率高及安裝地點靈活等優(yōu)點的分布式發(fā)電開始受到世界各國的關(guān)注,然而,隨著分布式發(fā)電的迅速發(fā)展及其在大電網(wǎng)中的大量接入,其對大電網(wǎng)的影響也是顯而易見的因此,急需另外一種發(fā)電方式來解決以上問題,隨著新型技術(shù)的應(yīng)用,特別是現(xiàn)代控制理論及電力電子技術(shù)的發(fā)展,本世紀(jì)初微電網(wǎng)的概念被提出。微電網(wǎng)中的大多數(shù)微電源通過逆變器接入系統(tǒng),因此對微電源的控制即為對其逆變器的控制。無論是并網(wǎng)運行還是獨立運行,都需要對微電網(wǎng)內(nèi)的各個逆變器進行有效地控制,以

2、維持電壓和頻率在允許變化的范圍之內(nèi),從而滿足負(fù)荷對電能質(zhì)量的要求。PQ控制一般用于發(fā)電具有間歇性的微電源,如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等,并用于并網(wǎng)發(fā)電,此時微電網(wǎng)的電壓由大電網(wǎng)或其他微電源提供穩(wěn)定支撐時,則此微電源逆變器控制的主要目標(biāo)就是保證逆變器輸出的有功電流和無功電流跟蹤參考電流以及電流的頻率和相位與微電網(wǎng)電壓保持一致。1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)將分布式電源、負(fù)荷、儲能裝置、控制裝置等匯集而成一個小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制和管理的自治系統(tǒng)，圖1-1給出了一種典型的微電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖。圖1-1典型的微電網(wǎng)系統(tǒng)圖 1-1 中微電網(wǎng)通過公共耦合點(Point of Common Coupling

3、，PCC)處的靜態(tài)開關(guān)(Static Transfer Switch，STS)與配電網(wǎng)相連，整體呈輻射狀結(jié)構(gòu)，共有2條饋線 A、B。重要或敏感負(fù)荷接在饋線A上，不重要的負(fù)荷接在饋線B上。這樣，當(dāng)微電網(wǎng)與主網(wǎng)解列時，可以切去不重要的負(fù)荷，保證網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷和發(fā)電平衡。另外，微電網(wǎng)中還配置有潮流控制器和能量管理器等控制設(shè)備，幫助實現(xiàn)微電網(wǎng)有效的控制和管理。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時，潮流控制器可根據(jù)本地電壓頻率信息對潮流進行調(diào)節(jié)，控制分布式電源輸出的功率；而能量管理器則可以綜合地解決微電網(wǎng)在進行電壓和潮流控制以及解列操作時出現(xiàn)的功率分配、穩(wěn)定運行等一系列運行問題，保證微電網(wǎng)內(nèi)的功率平衡。 2 微電源的控制方法

4、微電網(wǎng)存在兩種典型的運行模式:正常情況下微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并聯(lián)運行,稱為并網(wǎng)模式;當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障或者電能質(zhì)量不滿足要求時,微電網(wǎng)將及時的與大電網(wǎng)斷開而獨立運行,稱為孤島模式。并網(wǎng)運行時,由大電網(wǎng)提供參考電壓和參考頻率;獨立運行時,則要求微電網(wǎng)內(nèi)至少有一個微電源能建立穩(wěn)定的電壓和頻率,并且使之處于允許的范圍之內(nèi)。微電網(wǎng)中的大多數(shù)微電源通過逆變器接入系統(tǒng),因此對微電源的控制即為對其逆變器的控制。無論是并網(wǎng)運行還是獨立運行,都需要對微電網(wǎng)內(nèi)的各個逆變器進行有效地控制,以維持電壓和頻率在允許變化的范圍之內(nèi),從而滿足負(fù)荷對電能質(zhì)量的要求。尤其是微電網(wǎng)在獨立運行模式下,由于微電源不再利用并聯(lián)運行的常規(guī)大電網(wǎng)

5、獲得電壓和頻率參考,此時的控制將更加復(fù)雜。微電源逆變器的控制方式有V/f控制和PQ控制兩種,V/f控制方法使微電源輸出的電壓和頻率在允許變化的范圍之內(nèi),而PQ控制方法使微電源輸出恒定的有功和無功功率。2.1 PQ控制通常P/Q控制方式用于微電網(wǎng)并網(wǎng)運行狀態(tài)，在該狀態(tài)下，微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷波動、頻率和電壓擾動由大電網(wǎng)承擔(dān)，各DG不參與電壓和頻率的調(diào)節(jié)，直接采用大電網(wǎng)提供電壓和頻率作為支撐。采用電力電子逆變器的分布式電源的P/Q控制方式主要有倆種。方法一通過設(shè)定的微型電源原動機的有功參考值來進行有功功率調(diào)節(jié)，并通過直流電壓控制器參與輔助調(diào)節(jié)，而無功按照參考值進行控制。逆變器P/Q控制方式一框圖如圖2-1

6、所示。圖2-1 P/Q控制方式一框圖在該P/Q控制方式下，有功控制和無功控制對象不同。有功控制通過分布式電源控制器與逆變器直流電壓控制器共同完成。首先給定原動機功率參考值PSetPoint ,之后在原動機自身功率調(diào)節(jié)器作用下按參考值進行有功功率輸出，同時在逆變器直流側(cè)的電壓控制器 PI1 作用下，保障直流電壓恒定，從而實現(xiàn)DG有功功率輸出。無功功率控制主要通過逆變器進行。首先對逆變器右側(cè)的端口電流i和電壓u信號進行測量及計算，得出無功輸出Q。然后在調(diào)節(jié)器PI2的作用下，根據(jù)無功功率參考值Qref與實測的逆變器輸出無功Q之間的經(jīng)過差值調(diào)節(jié)器來控制無功電流的幅值，從而實現(xiàn)恒定無功調(diào)節(jié)。方法二是指通

7、過直接控制逆變器實現(xiàn)P/Q控制。在該控制下，通過選擇合理的同步旋轉(zhuǎn)軸在Park 變換將逆變器輸出電壓abc分量轉(zhuǎn)化為dq0分量，此時q軸電壓分量為0，ueq=0，逆變器的輸出功率用下式表示為由上式得電流內(nèi)環(huán)的dq軸參考值為dq軸電流實際測量值igd、igq與電流參考值igd,ref、igq,ref之間的差值通過PI調(diào)節(jié)器作用后，可為逆變器電壓輸出參考值uid,ref1、uiq,ref1，經(jīng)濾波后，由其控制逆變器dq軸電壓參考分量值uid,ref和uiq,ref，之后通過Park 反變換將其轉(zhuǎn)化為abc分量進而對逆變器進行控制。圖2-2 P/Q控制方式二框圖2.2微電源逆變器數(shù)學(xué)模型分析在介紹微

8、電源逆變器的控制方法之前,首先要進行微電源逆變器數(shù)學(xué)模型的建立,本文選擇介紹三相電壓型橋式逆變器,并假設(shè)其直流側(cè)為恒定直流源。三相逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-3所示,直流側(cè)電壓Vdc經(jīng)過三相逆變器后轉(zhuǎn)換為三相交流電,再經(jīng)LC濾波器濾除高次諧波,得到工頻正弦交流電,給負(fù)荷供電且剩余電能還可輸出給微電網(wǎng)。圖2-3 三相逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)其中,L1 、C1 、R1為濾波電感、濾波電容、濾波電阻,因R1一般較小,在數(shù)學(xué)建模時可以忽略不計,Z2為負(fù)載參數(shù),L3、R3為輸出線路參數(shù),u1a、u1b、u1c為逆變器的輸出電壓,u2a、u2b、u2c為負(fù)載電壓,i1a、i1b、i1c為濾波電感L1 上的電流

9、,i2a、i2b、i2c為濾波電容上的電流,i3a、i3b、i3c為負(fù)載電流和電網(wǎng)電流之和。從上圖中可以看出,逆變器直流側(cè)電源電壓用直流電代替。該并網(wǎng)逆變器為電壓型三相橋式逆變器,主要由DC/AC逆變電路和輸出濾波電路兩部分組成。DC/AC逆變電路由3個半橋組成, 關(guān)管全部采用全控型器件,如GTO、IGBT、GTR等,D1-D6為續(xù)流二極管。當(dāng)對波形要求較高時,則一般采用PWM調(diào)制方法,以抑制高次諧波。根據(jù)各開關(guān)管導(dǎo)通時間的長短,該電路可分為180°導(dǎo)電型和120°導(dǎo)電型。在180°導(dǎo)電型中,每個開關(guān)管的驅(qū)動信號持續(xù)180°,同一相上下兩個開關(guān)管交替導(dǎo)通

10、,任何時刻都有3個開關(guān)管導(dǎo)通,在一個周期內(nèi),6個 關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通的次序為T1-T6,依次相隔60°。在120°導(dǎo)電型中,同一相上兩臂的導(dǎo)通間隔為60°，各相依次相差120°。在同樣直流電壓時,180°導(dǎo)電的逆變電壓比120°的高,故180°導(dǎo)電時開關(guān)管的利用率較高,因此180°導(dǎo)電型較為常用。因此本文采取180°導(dǎo)電型的PWM調(diào)制方法,使直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能,得到與微電網(wǎng)同頻同相的正弦交流電并與微電網(wǎng)連接。輸出濾波電路部分是為了抑制由于開關(guān)管動作產(chǎn)生的高次諧波,使逆變器輸出電流與微電網(wǎng)電壓同頻同相。常見的

11、濾波電路主要有三種:L型、LC型和LCL型。其中,L型結(jié)構(gòu)最為簡單,并網(wǎng)控制也較為容易,但其高頻濾波性能較差,如果要濾除高頻諧波,則需要很高的 關(guān)頻率,且濾波效果很大程度上會依賴控制器的性能;LCL型濾波結(jié)構(gòu)雖然對高頻諧波具有很好的衰減特性,但其控制策略及濾波參數(shù)的設(shè)計會比較復(fù)雜,并且因為是一個三階的結(jié)構(gòu),較為容易引起系統(tǒng)振蕩。LC型濾波結(jié)構(gòu)并網(wǎng)控制簡單,對高頻諧波有很好的抑制作用,且能夠?qū)崿F(xiàn)孤島運行模式和并網(wǎng)運行模式的相互切換,因此,本文選擇LC型濾波結(jié)構(gòu)。根據(jù)圖2-3可列出如下方程:濾波電感L1的電壓方程為 濾波電容C1上的電流方程為其中,i1 ,i3,u1 ,u2分別為電流矢量和電壓矢量

12、,且 這倆個公式是三相逆變器在三相靜止坐標(biāo)系(a,b,c)下的數(shù)學(xué)模型,此模型具有物理意義清晰、直觀易懂等優(yōu)點,但由于交流量全為時變量,因此不易于控制系統(tǒng)的設(shè)計,為了便于控制系統(tǒng)的設(shè)計,一般要將三相靜止坐標(biāo)系(a,b,c)下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成與微電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的(d,q)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。3. 微電源逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計3.1 PQ計算在這個控制模塊里,首先采集負(fù)載上的電壓u2i與逆變器的輸出電流i1i(i=a,b,c),然后按照下式計算逆變電源的輸出功率 （3-1） （3-2）各逆變電源實時測量電壓和電流,計算所得的功率作為P-f、Q-U下垂特性控制模塊的輸入信號,為各逆變電源之間的功率

13、合理分配提供了良好的依據(jù)。3.2 PQ控制系統(tǒng)設(shè)計PQ控制方式適用于微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行的情況,此時,逆變器的輸出電壓由大電網(wǎng)決定,而只要通過調(diào)節(jié)逆變器的輸出電流就能控制微電源的輸出功率。因此,只需要設(shè)計一個電流調(diào)節(jié)器來控制逆變器輸出的有功電流和無功電流。在三相靜止坐標(biāo)系(a,b,c)中,逆變器輸出功率的表達(dá)式為（3-1）與（3-2），將其轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d,q)中的功率表達(dá)式 （3-3） （3-4）假設(shè)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d,q）的d軸與負(fù)載電壓矢量u2dq重合,則負(fù)載電壓矢量的q軸分量u2q=0,此時,式(3-3)和式(3-4)簡化為圖3-1 PQ控制系統(tǒng)中的解禍控制示意圖（3-5）

14、式（3-5）和式(3-6)中的u2d是恒定的,因此,通過控制i1d和i1q就能調(diào)節(jié)逆變器有功功率和無功功率的輸出,即PQ控制策略只需要設(shè)計輸出電流的單閉環(huán)反饋就能實現(xiàn)。電流環(huán)的主要目的是實現(xiàn)對功率“穩(wěn)”和“準(zhǔn)”的控制,故采用PI調(diào)節(jié)器。在進行電流調(diào)節(jié)器設(shè)計時,需要對d、q軸的分量進行解禍,具體的控制原理圖如圖3-1所示。對圖3-1中的d軸分量進行簡化得到圖3-2。圖3-2 d軸分量簡化圖4 基于Matlab/Simulink的微電網(wǎng)模型4.1主電路模型本文在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立模型,主電路分析模型如圖4-1所示圖4-1 基于PQ控制方法的微電網(wǎng)并網(wǎng)主電路模型此模型包括兩大部

15、分:主電路部分和控制部分。主電路包括直流側(cè)電壓源、電壓型三相橋式逆變器、濾波器、負(fù)載和380V微電網(wǎng)?？刂撇糠职ㄝ斎腚妷弘娏髯鴺?biāo)變換、軟件鎖相環(huán)、電流控制環(huán)和SPWM調(diào)制。4.2控制部分仿真模型電壓電流由三相靜止坐標(biāo)(a, b, c)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(d,q)變換和軟件鎖相環(huán)的仿真模型如圖4-2所示。圖4-2 鎖相環(huán)和dq坐標(biāo)變換仿真模型4.3 PQ計算模型根據(jù)式（3-3）、（3-4）可構(gòu)建模型，如圖4-3所示 圖4-3 PQ計算模型4.4微電網(wǎng)動態(tài)仿真分析 仿真模型的參數(shù)設(shè)置如下:負(fù)荷A2參數(shù):PZ=14.5KW,Qz=0.9kvar;調(diào)節(jié)器參數(shù):KIP=0.02,KII=43(電流調(diào)節(jié)器)

16、;微電源參數(shù):Pref=14kw,Qref=-48kvar;系統(tǒng)額定輸出:Un=220v(有效值),fn=50Hz。單個微電源帶負(fù)荷與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行,微電源逆變器采用PQ控制方式,t=2s時突加阻性負(fù)荷ZB2(PB2=3.5kw),t=3s時又將該負(fù)荷切掉,仿真結(jié)果如圖4-4所示。由圖4-4(a)可知,由于微電源與大電網(wǎng)并聯(lián)運行,系統(tǒng)的頻率和電壓支撐由大電網(wǎng)提供,因此當(dāng)負(fù)荷的有功功率發(fā)生變化時,負(fù)荷的電壓頻率在經(jīng)歷了一定的暫態(tài)過程之后,又恢復(fù)到了SOHz;微電源逆變器的控制方式為PQ控制,所以當(dāng)給定的功率輸出指令不變時,微電源的輸出功率不變,負(fù)荷增加的有功功率由大電網(wǎng)提供,如圖4-4(c)所示

17、。而負(fù)荷的電壓幅值在功率變化過程中也經(jīng)歷了一定暫態(tài),然后恢復(fù)到額定值,如圖4-4(b)。圖4-4 單個微電源與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行時,負(fù)荷有功功率發(fā)生變化的仿真結(jié)果圖4-5是針對單個微電源與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行時,負(fù)荷的無功功率發(fā)生變化的仿真結(jié)果,t=2s時突加感性負(fù)荷Zc2(QzcZ=2kvar),大電網(wǎng)輸出的無功功率從-23.2kvar增加到-2I.2kvar,微電源輸出的無功功率保持不變,t=3s時又將該負(fù)荷切掉,所以無功功率又恢復(fù)到原來的輸出值,而負(fù)荷的電壓幅值和頻率都能滿足電能質(zhì)量的要求。圖4-5 單個微電源與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行時,負(fù)荷無功功率發(fā)生變化的仿真結(jié)果5結(jié)語本文建立了三相逆變器在兩相旋轉(zhuǎn)坐

18、標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,基于這一數(shù)學(xué)模型,深入分析研宄了 PQ控制的基本原理,并對PQ控制器進行設(shè)計。在Matlab/Simulink中建立微電源并網(wǎng)運行的仿真模型,并對有功和無功功率發(fā)生變化這兩種情況,進行仿真分析系統(tǒng)的動態(tài)特性,驗證了仿真模型的正確性。參考文獻：1魯宗相，王彩霞，閔勇，等微電網(wǎng)研究綜述J電力系統(tǒng)自動化，2007，31(19)：100-1052盛鹍，孔力，齊智平，等新型電網(wǎng)-微電網(wǎng)(Microgrid)研究綜述J繼電器，2007，35(12)：75-813楊素萍,趙永亮,奕鳳奎,等.分布式發(fā)電技術(shù)及其在國外的發(fā)展?fàn)顩rJ.電力需求側(cè)管理,2006,8(2):57-64張建華，黃偉.微電網(wǎng)運行控制與保護技術(shù)M.中國電力出版社，2010.5嚴(yán)陸光,夏訓(xùn)誠,周鳳