含多微源的微电网控制策略设计

　　　　　高电压技术　第３７卷第３期２０１１年３月３１日Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ　３１，２０１１含多微源的微电网控制策略设计毕大强１，牟晓春２，任先文２，薛　雷２（１．清华大学电机工程与应用电子技术系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京１０００８４；２．东北电力大学电气工程学院，吉林１３２０１２）摘　要：微电网中含有多微源的控制一方面要充分发挥各微源的优势，另一方面要提高微电网的供电质量。为保证风能和光能的利用率，使微电网内的负荷尽可能少地应用来自电网的电能，采用最大功率跟踪法对风力发电和光伏发电微源进行控制；为提高风电场和光伏发电系统并网运行的稳定性，减少功率波动对电网的影响，分别在风电场和光伏阵列的出口处增加储能系统，以有效的调节并网功率，并能在微电网孤岛运行时为系统提供必要的电压和频率参考，吸收和补给风、光互补后的功率，保证重要负荷供电可靠性。在研究设计中，采用永磁直驱风力发电机、双级式光伏发电系统、蓄电池储能系统３种微源作为组网单元，对３种微源进行运行模式转换及孤岛下切／增负荷的建模仿真，结果证明了所提出的控制策略的有效性与可行性。关键词：微源；微电网；风力发电；光伏（ＰＶ）发电；蓄电池；最大功率跟踪（ＭＰＰＴ）中图分类号：ＴＭ７６；ＴＭ７３２文献标志码：Ａ文章编号：１００３－６５２０（２０１１）０３－０６８７－０７基金资助项目：电力系统国家重点实验室资助项目，台达电力电子科教发展计划基金资助项目（ＤＲＥＧ２００９００６）。Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｐｒｏｇｒａｍｏｆ　Ｄｅｌｔａ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　＆Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ（ＤＲＥＧ２００９００６）．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ　ｗｉｔｈ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｍｉｃｒｏ　ＳｏｕｒｃｅｓＢＩ　Ｄａ－ｑｉａｎｇ１，ＭＯＵ　Ｘｉａｏ－ｃｈｕｎ２，ＲＥＮ　Ｘｉａｎ－ｗｅｎ２，ＸＵＥ　Ｌｅｉ　２（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｄｉａｎｌｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ　１３２０１２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ　ｇｒｉｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｍｉｃｒｏ　ｓｏｕｒｃｅｓ，ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｎｅ　ｈａｎｄ，ｓｈｏｕｌｄ　ｍａｋｅｆｕｌｌ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ－ｓｏｕｒｃｅｓ　ｔｈｅｍｓｅｌｖｅｓ；ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｈａｎｄ，ｓｈｏｕｌｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ　ｇｒｉｄ．Ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅｔｈｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｓｏｌａｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｇｒｉｄ　ａｓ　ｌｉｔｔｌｅ　ａｓ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ，ｔｈｅＭａｘｉｍｕｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｏｉｎｔ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ）ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ（ＰＶ）ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎ－ｅｒａｔｉｏｎ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｆａｒｍ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍａｎｄ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ，ａ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａｄｄｅｄ　ｔｏ　ｒｅｇｕｌａｔｅ　ｔｈｅｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｘｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｆａｒｍｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｒｒａｙ　ｏｆ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｎ　ｉｓｌａｎｄｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄ　ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｔｈｅｅｘｃｅｓｓ　ｏｒ　ｓｈｏｒｔａｇｅ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｌｙ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｌｏａｄ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｍｉｃｒｏ　ｇｒｉｄ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ｄｉｒｅｃｔ－ｄｒｉｖｅ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｄｕａｌ－ｓｔａｇｅ　ＰＶ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓ－ｔｅｍ　ａｎｄ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ　ｍｉｃｒｏ　ｇｒｉｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　ａｎｄｃｕｔｔｉｎｇ　ｏｒ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｌｏａｄ　ｉｎ　ｉｓｌａｎｄｅｄ　ｍｏｄｅ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ　ｓｏｕｒｃｅ；ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ；ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ（ＰＶ）ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｂａｔｔｅｒｙ；ｍａｘｉ－ｍｕｍ　ｐｏｗｅｒ　ｐｏｉｎｔ　ｔｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ）０　引言分布式发电以其可靠性、经济性、环境友好、能源综合利用率高等优点成为未来电力系统的发展趋势之一［１］。然而，随着分布式电源渗透率的不断增加，分布式电源对电网的暂态稳定、电压稳定、频率控制等都带来很大的影响，电网往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以期减小对大电网的冲击［２］。为协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，近年学者们提出了微电网（ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ）的概念［３－５］。微电网相对主网可作为一个模块化的可控单元，可以提供满足用户需求的电能和热能，而实现这些功能必须具有良好的微电网控制和管理。有关微电网的控制，文献［６］详细的提出了微电源控制器的设计方法，并通过控制保证了系统在模式转换、切／增负荷、微源投切时系统的稳定运行。但微电源本身采用简化的模型，不能根据各种微源的不同运行特性发出实时的功率，与实际情况存在７８６一定的差距；文献［７］建立了风能与光伏混合微电网的模型，通过联网和孤岛两种运行模式验证所设计的控制策略，但是储能电池却用直流源代替，且只考虑了并网转孤岛的运行切换；文献［８］利用光伏模拟单元、风机模拟单元及蓄电池建立了微电网实验室系统，并做了联网、孤岛及２种运行模式相互转换的实验分析，但是风机和光伏的控制仍然采用恒功率（ＰＱ）给定，不能满足可再生能源的最佳利用率，且没有考虑负荷的变化对系统稳定的影响。目前对单个微电源的建模、逆变器的拓扑等研究的较多，但对包含多种具体微源联合建模的微电网讨论的较少。本文建立永磁直驱风力发电机、双级式光伏发电系统、蓄电池储能系统３种微源的仿真模型，采用最大功率跟踪法以保证风能和光能的最大利用率，且在并网模式下尽可能少的利用来自外电网的电能；同时为了提高风电场和光伏阵列并网运行的稳定性，减少功率波动对电网的影响，分别在风电场和光伏阵列的出口处增加储能系统，储能系统不但可以有效地调节并网功率，而且能在微电网孤岛运行时吸收或补给风、光互补后的功率，为系统提供必要的电压和频率参考，保证重要负荷的供电可靠性。１　微电网系统结构本文所研究的微电网结构如图１所示，永磁直驱风力发电机经双脉宽调制（ＰＷＭ）变流器接入工频交流母线４上；光伏阵列经过升压、逆变电路接入交流母线５上；蓄电池１和蓄电池２通过逆变器分别配置在风场出口和太阳能阵列出口处，用于平抑其并网功率，并在孤岛运行时采用给定电压和频率控制，吸收或补给风光互补后的功率差额，维持整个系统的功率平衡。负荷１和负荷２为电压敏感负荷，运行时应保证其供电的可靠性，负荷３为普通负荷，必要时可以切除。１．１　风力发电系统风力机采用永磁直驱发电机组［９］无需齿轮箱，以减少机械损耗，提高机组的可靠性。利用变速恒频发电技术［１０］，以实现最大风能捕获，提高风能利用率。为提高机组的整体运行效率和可靠性，采用双ＰＷＭ变流器控制［１１］，对风机发出的有功和无功功率进行独立的解耦控制，可以使其控制更加灵活，同时能够调节功率因数，改善输出的电能质量。最大功率跟踪采用爬山法［１２－１３］，通过检测实时功率和转速使其运行在最大功率点上。１．１．１　风力机空气动力学模型根据空气动力学理论，风力机从风能中捕捉到图１　微电网结构Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ的功率和风力机输出机械转矩为［１４］：Ｐｗ＝０．５πρＲ２ｖ３　Ｃｐ；（１）Ｔｗ＝Ｐｗωｍ。（２）式中，Ｐｗ为风力机捕获功率，Ｗ；ρ为空气密度，ｋｇ／ｍ３；Ｒ为风轮半径，ｍ；ｖ为风速，ｍ／ｓ；Ｃｐ为风能利用系数；Ｔｗ为风力机的输出转矩，Ｎ·ｍ。另一参数为叶尖速比λ，是指叶片的叶尖线速度与风速之比，其数学表达式为λ＝ωｍＲｖ。（３）式中，ωｍ为风轮的角速度，ｒａｄ／ｓ。１．１．２　发电机侧变流器的控制发电机侧变流器控制采用速度外环，电流内环双环控制方式［１５－１７］，其控制结构如图２所示。由最大功率跟踪产生发电机的转速参考值ω＊，与实际发电机速度ωｓ相减后经比例积分（ＰＩ）控制器得到永磁电机定子ｑ轴电流的参考值ｉ＊ｓｑ，与实际的定子ｑ轴电流ｉｓｑ相减经过ＰＩ控制，得到空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）的调制信号，从而实现了发电机的电磁转矩控制。由于永磁电机无需提供励磁电流，因而令给定定子ｄ轴电流ｉ＊ｓｄ为０。１．１．３　电网侧变流器的控制电网侧逆变器控制采用直流侧电压外环和滤波电感电流内环的双环控制［１５－１７］，其控制结构如图３所示。图中，Ｌｆ为滤波电感，电流内环控制即是对滤波电感电流的控制；Ｐｗ、Ｑｗ分别为风机输出的有８８６高电压技术　Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２０１１，３７（３）图２　发电机侧变换器的控制原理图Ｆｉｇ．２　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｄｉａｇｒａｍｏｆ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ－ｓｉｄｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ功、无功功率；Ｑ＊为给定无功功率；ｕ＊ｄｃ为直流侧电压的给定值。直流侧电压外环控制用于保证直流侧电压恒定，使逆变器稳定地向电网传输功率，滤波电感电流内环用于实现Ｐ和Ｑ解耦控制，使电机发出的功率全部流入馈线，实现有功功率传输以及控制流向微电网的无功功率（通常设定无功Ｑ＊＝０）。１．２　光伏发电系统光伏发电采用双级式并网逆变结构［１８－１９］，前级ＤＣ／ＤＣ变换器用来实现最大功率跟踪控制，同时将光伏阵列的电压升高供后级使用；后级ＤＣ／ＡＣ逆变器将直流电变换为交流电，并将光伏阵列发出的功率传送到微电网系统中。这样，不但省去工频变压器，而且最大功率跟踪控制和逆变控制分开进行，其控制方法相对简单。最大功率跟踪采用电压扰动