微电网运行与控制第四章

64－12020年3月25日星期三第四章微电网有功功率和无功功率控制§4-1微型电源控制器功能§4-2有功功率控制§4-3无功功率控制§4-4微型电源在不对称负荷情况的运行和控制64－22020年3月25日星期三§4-1微型电源控制器功能电力电子装置可为微电网提供灵活的控制功能，从而使其同时满足用户和电力系统的需要。微电网控制必须保证新的微型电源加入到系统中时，不需要更改微电网中已有设备的运行状态。微电网可以非常迅速和无缝隙地与大电网并列或解列。系统的有功功率和无功功率可以分别控制。电压降落和三相不平衡可以得到校正。微电网能够满足电力系统负荷的动态特性的要求。设计控制器时最关键的是在微电网的正常操作中，各微型电源不必互相交流信息，每个微型电源控制器必须能够有效地响应系统的变化，而不需要来自于其它微型电源或本地其它设备的数据。微型电源控制器的主要功能：调节馈线上的潮流；控制每个微型电源接口处的电压；当系统处于孤岛运行状态时，保证每个微型电源能够迅速承担它所分配的负荷；微电网能够自动平滑地进入孤岛运行和重新与大电网并列的能力。64－32020年3月25日星期三§4-1微型电源控制器功能一、有功功率和无功功率控制微型电源由三个部分组成，即微型发电系统、直流接口和电压源逆变器。微型发电系统逆变器直流接口UEXG微型电源通过一个电抗器连接到微电网。电压源逆变器同时控制微型电源输出电压的幅值和相位。逆变器的输出电压U、微电网的本地电压E以及电抗器的电抗X决定了微型电源输出到微电网的有功功率P和无功功率Q，当系统受到微小扰动时，P主要取决于功角δP，Q取决于逆变器的输出电压幅值U。这些关系构成了有功功率调节和通过调节无功功率控制电压的基本的反馈控制方法。PXUEPsin23PEUXUQcos23EUP64－42020年3月25日星期三§4-1微型电源控制器功能若要将大量微型电源集成到微电网中，不能仅仅采用基本的P-Q控制，为保证微电网的可靠性和稳定性必须实现电压调节。二、电压倾斜控制若没有电压控制，具有大量微型电源的微电网将可能产生电压和无功功率振荡。电压控制必须确保电源之间没有较大的无功环流，该问题与具有大型同步发电机的电力系统控制一样。在大电网中，发电机之间的阻抗足够大，从而减小了环流产生的可能性。在辐射型微电网中，较大无功环流问题非常显著，当出现很小的电压参考值偏差时，环流可能超出微型电源的额定值。因此微电网需要电压-无功电流倾斜控制，使得微型电源产生的无功电流更加偏于容性，本地电压设定值减小。Q容性Q感性QmaxU设定Qmax222maxPSQ64－52020年3月25日星期三§4-1微型电源控制器功能不仅具有微型电源，还有电能存储装置的微电网不仅可以运行在与大电网并列运行的状态，也可运行于孤岛状态。三、快速负荷跟踪和电能存储的需要当微电网运行于孤岛状态时，微电网的负荷跟踪能力可能成为问题，因为微型涡轮发电机和燃料电池的响应速度比较慢，时间常数为10~200s，并且基本上没有动能储备。大型电力系统中的发电机的动能具有电能存储的作用，当新的负荷接入到线路上时，最初的能量平衡由系统的动能实现，这将导致系统频率轻微下降。微电网不能依靠发电机的动能，必须采用某种形式的能量存储，保证最初的电能平衡。微电网的能量存储可为下述几种形式：可在每个微型电源的直流母线上采用蓄电池或超级电容；直接将交流电能存储装置(蓄电池、飞轮电能存储装置等)连接到微电网；或者采用较大动能的微型发电机等。在此我们仅假设在微型电源的直流母线上装设有足够容量的电能存储装置。64－62020年3月25日星期三§4-1微型电源控制器功能采用先进的控制技术微电网能够提供基本的潮流控制。四、孤岛运行模式下实现功率分配的频率倾斜控制在孤岛运行模式，必须考虑每个逆变器产生的微小频率误差和需要改变逆变器的输出功率来匹配负荷的变化等问题。每个微型电源的功率-频率倾斜特性不需要复杂的通信网络就能解决上述问题。当微电网与大电网并列运行时，根据用户的需要，微电网中的负荷可同时从大电网和本地微型电源取用电能。当微电网与大电网断开后，微电网中每个电源的电压相位角将发生变化，导致本地电压频率明显地下降。随着频率的下ω0P02maxP01maxP02P01ωminω1ωP降每个微型电源根据其功率-频率调节特性按一定比例增加其输出功率，实现负荷分配的功能，不需要能量管理系统提供新的功率分配方案。64－72020年3月25日星期三§4-2有功功率控制由同步发电机组成的电力系统，两台或两台以上发电机之间有功功率分配主要通过控制器的频率倾斜特性实现。与由同步发电机组成的电力系统类似，微电网中分布式电源之间的负荷分配同样采用频率倾斜特性实现。在电力系统中，频率倾斜特性是发电机的惯性、负荷的频率调节特性和转速/频率调节特性等的综合，由电机的转动惯量、与频率相关的负荷以及调速器等实际的设备实现。在由分布式电源互联所组成的微电网中，每台分布式电源的频率倾斜特性是通过其控制器的软件来实现，实现分布式电源之间的负荷分配。分布式电源的控制器通常采用DSP实现，因此具有非常大的灵活性，不会受到电机的转动惯量、频率相关负荷、调速器的时间常数或原动机的时间常数等这些物理参数的限制。64－82020年3月25日星期三§4-2有功功率控制一、单台微型电源的有功功率控制微电网中电动机等与频率相关的负荷可提供附加的负荷调节作用，但其调节效应非常小，可忽略不计。有功功率控制器包含一个频率恢复环节，其功能类似于同步发电机中的调速器。bsTbsPbsTbsPsGrefLGL1111设1/s=0可得到控制器频率响应的暂态偏移：LPb控制器在负荷变化的瞬间具有有限的频率降落，这与具有大惯性的同步发电机控制系统的在负荷变化瞬间的零频率降落特性不同。64－92020年3月25日星期三§4-2有功功率控制频率倾斜特性将负荷变化开始初始特性曲线(虚线)以一阶时间常数TG转换到稳态特性曲线(实线)。令s=0可得到控制器的稳态频率偏移：bPPrefLL11负荷功率的变化由电源输出功率变化提供，用ΔPG表示。当本地负荷突然变化时，系统频率将首先按1/s=0突变，并最终达到s=0所确定的稳态值。64－102020年3月25日星期三§4-2有功功率控制实际转速ω和所需功率PG的变化曲线。LGsPPbsTbrefL1110通过改变参考功率，可将控制器设置到满足任何负荷要求的给定额定频率。当系统的参考功率不变，而负荷变化时，频率的变化为64－112020年3月25日星期三§4-2有功功率控制二、两台微型电源并列运行的有功控制具有自动发电控制的微电网可根据系统频率的变化调节各微型电源的参考功率PL_ref。因为微电网的主要目标是对电能质量非常敏感的负荷提供可靠的电能，因此控制器参考功率的变化必须非常迅速地跟随负荷的变化。当控制器的参考功率发生变化时，微型电源的频率偏差为sPsTbbrefLGsPL_0164－122020年3月25日星期三§4-2有功功率控制两台微型电源并列运行的功率控制传递函数框图21tsTP流过联络线上潮流可等效为两台发电机的负荷，大小相等，方向相反。tieXT31464－132020年3月25日星期三§4-2有功功率控制潮流的方向取决于两条母线之间电压的相位差，为两个系统之间相对频率偏差的函数。设ΔPL1发生变化而ΔPL2为零，则可确定系统的频率偏移和联络线上的功率变化。(1)首先考虑传递函数中没有频率调节器的情况。当母线1上的负荷发生变化时微型电源1的频率偏移为212111bbTsTbsbsPL微型电源2的频率偏移为212112bbTsbTbsPL从母线1到母线2联络线上功率变化为：2111bbTsTbsPPLt1.没有自动发电控制时的有功功率控制64－142020年3月25日星期三§4-2有功功率控制电源1的初始频率偏移为111LPb电源2的初始频率偏移为02联络线上的初始功率变化为0tP负荷1的瞬时功率改变开始时并不能由电源2提供，这是因为联络线对系统功率的变化具有积分的作用。另外联络线也不能存储电能来支持负荷的瞬时变化。在负荷变化瞬间，两电源的频率变化不相等将引起母线1和母线2之间的电压相位差迅速变化，从而使得由电源1响应母线1上负荷瞬时变化的持续时间达到最小。两台电源在暂态过程的初期即可实现负荷的分配，这与常规的由同步发电机组成的多机系统不同。这对由分布式电源组成的微电网具有积极的作用。系统达到稳态时，两台电源的频率变化和频率变化率将相等。系统达到稳态时频率偏差和联络线上的功率变化为：111111LPbb111211/1LtPbbbP64－152020年3月25日星期三§4-2有功功率控制当负荷1阶跃变化而负荷2不变，且两台电源均没有频率恢复控制时，系统的响应曲线：由于系统具有恒定增益的倾斜特性，当负荷发生变化的瞬间，频率突然下降。64－162020年3月25日星期三§4-2有功功率控制(2)考虑频率恢复控制回路的作用当负荷发生1变化而负荷2不变时，系统频率将恢复到接近于额定频率，此时稳态频率偏差和联络线上功率变化为11121111LPbb111212211/1LtPbbbP64－172020年3月25日星期三§4-2有功功率控制稳态时频率偏移额定数值的大小由于调节器的作用而减小。两台并列运行的微型电源的稳态频率特性和负荷分配：设负荷变化前系统处于稳定工作状态，两台电源的输出功率等于设定值，系统的总功率为：2010_LLinitGPPP总的负荷由两台电源根据稳态时的功率-频率倾斜特性分配。两台电源的频率倾斜特性的斜率分别为11011111_1bPKrefLPG22022211_2bPKrefLPG当母线1的负荷变化时，系统总功率为1201021_LLLGGfinalGPPPPPP64－182020年3月25日星期三§4-2有功功率控制当参考输出功率不变时，根据电源的功率-频率特性，系统频率下降，电源的输出功率增加，从而满足负荷的需要。稳态时系统增加的功率为121LGGPPP因为稳态时两台电源的频率变化相等，因此可得：11222111bPbPGG12121111/1/1/1LGPbbbP12121222/1/1/1LGPbbbP当忽略每台电源的功率-频率动态特性时，两台微型电源组成的系统，其稳态频率特性也可用一条特性倾斜表示。64－192020年3月25日星期三§4-2有功功率控制2.有自动发电控制时的有功功率控制若两台分布式电源并列运行，当电源1的功率设定值变化而电源2的不变时，两台分布式电源的频率变化以及联络线上的功率变化如下图所示。64－202020年3月25日星期三§4-2有功功率控制电源1设定参考功率的变化也将导致两台分布式电源所分配的负荷功率发生变化。假设稳态时两台分布式电源的参考功率等于各自的本地负荷功率，则暂态过程发生前系统的总功率为：2010_LLinitGPPP11111bK22211bK两电源频率倾斜特性的斜率分别为当电源1的频率控制器的参考功率增加ΔPL1-ref时，两台微电源之间的负荷分配如图。系统稳定时的总功率为201021_LLGGfinalGPPPPP64－212020年3月25日星期三§4-2有功功率控制当频率控制器的参考功率设定值发生变化而负荷不变时，总的输出功率由两台分布式电