低压微网多逆变电源的综合控制策略设计
2022-06-08
为协调大电网与分布式电源间的矛盾[1]，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，近年来学者们提出了微电网（Microgrid）的概念[2-3].微电网是指由分布式电源（DG）、储能系统、负荷和保护装置汇集而成的配电网子系统.而与单纯的分布式电源（DG）相比，微电网更能充分发挥微电源的各项优势，并且实现微电源的大规模并网，同时可以向用户提供不间断电源（UPS）等服务.
微电网中的微电源包括光伏电池、风力发电机、燃料电池、微型燃气轮机、蓄电池和高速飞轮等等，通常情况下需要通过电力电子装置将其与常规配电网并网运行[4].对于像风力发电和光伏电池这样的微电源，其输出功率的大小受天气影响较大，发电具有明显的间歇性，这种微电源通常只发出恒定的有功功率或执行最大功率跟踪，一般采用定功率PQ控制；对于像微型燃汽轮机、燃料电池、蓄电池等微电源，控制比较容易实现，既可以按照给定的有功无功进行控制，又可以实现电压频率V/f下垂控制，其中电压频率V/f下垂控制可以用于保证微电网电压和频率的稳定性[5-6].
在微电网中，对逆变电源的控制策略研究大多是集中在电压幅值和频率下垂控制策略方面，通过该控制策略，各个逆变电源相互独立，在并网和孤岛运行时不需要进行控制模式的切换，避免了运行模式切换引起的换控制策略失败的可能.而针对微电网一般接入低压配网中，各个微电源与并联母线之间的线路阻抗主要是呈阻性[7]，而采用电感电流和电容电压的逆变器输出阻抗主要是呈感性，这样便使得逆变电源输出的有功和无功与逆变器输出电压的幅值、相位之间存在比较严重的耦合.
本文把逆变器输出的各种因素都考虑在综合等效线路阻抗中，先通过对传统高压大电网下垂控制[3]进行分析，采用旋转坐标的方法，对传统下垂控制进行了扩展，得到新的控制策略，在低压电网的情况，实现了有功功率和无功功率的解耦，能够有效地分担变化的负载要求，这样既能够提高系统功率分担的精度，同时也能够为系统提高电压及频率的支撑.并且根据综合等效线路阻抗一般呈阻感性，在逆变器控制策略中引入虚拟阻抗，并且合理设计逆变器控制参数，使得逆变器输出阻抗呈阻性时可以采用简单的有功调电压幅值，无功调频的下垂控制策略[8-9].
1低压微电网结构
微电网中的电源多为微型电源，即含有电力电子接口的小型机组（小于100kW），包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能单元.根据微电网概念，提出了典型的低压微电网基本结构如图1所示.
图1所示的微电网整体呈辐射状结构，微电网由多个分布式电源系统组成，主要的微电源包括如光伏电池、燃料电池、风电机组等可再生的新能源以及储能装置、控制器、负荷等组成.其中微电网通过主分离器与外部电网连接，当外部系统发生故障或者外部电能质量不能满足微电网内用户的要求时，该分离器动作使微电网转入孤岛运行.在馈线侧则根据负荷的重要程度使用不同的供电方式.本文研究的微电网采用3个分散的DG单元和一个负荷通过线路和开关并联于母线上，在公共连接点（PCC）通过开关和升压变压器连接到10kV配电网上.
2低压微网功率传输的理论修正
但是绝大多数微电源都是接于低压配电网中，而低压情况下线路参数主要呈阻性.由表1可知，在高压系统中线路阻抗以感性为主，然而微电网常常是接入低压配电网中，而在低压系统中线路阻抗近似呈现出纯阻性（R>>X）.表1给出了典型的线路参数以及各种典型的适合低压微网的传输常用导线参数.从表中可知：适用于低压微电网的导线阻抗比均大于1，说明其线路电阻不能忽略.因此，传统的下垂控制将会导致有功和无功功率控制耦合及系统稳定性相关问题，因此传统的下垂控制在低压微电网中不再适用.
3逆变电源控制器的设计
微电网中的微电源包括光伏电池、风力发电机、燃料电池、微型燃气轮机、蓄电池和高速飞轮等等，通常情况下需要通过电力电子装置将其与常规配电网并网运行[4].对于像风力发电和光伏电池这样的微电源，其输出功率的大小受天气影响较大，发电具有明显的间歇性，这种微电源通常只发出恒定的有功功率或执行最大功率跟踪，一般采用定功率PQ控制；对于像微型燃汽轮机、燃料电池、蓄电池等微电源，控制比较容易实现，既可以按照给定的有功无功进行控制，又可以实现电压频率V/f下垂控制，其中电压频率V/f下垂控制可以用于保证微电网电压和频率的稳定性[5-6].
在微电网中，对逆变电源的控制策略研究大多是集中在电压幅值和频率下垂控制策略方面，通过该控制策略，各个逆变电源相互独立，在并网和孤岛运行时不需要进行控制模式的切换，避免了运行模式切换引起的换控制策略失败的可能.而针对微电网一般接入低压配网中，各个微电源与并联母线之间的线路阻抗主要是呈阻性[7]，而采用电感电流和电容电压的逆变器输出阻抗主要是呈感性，这样便使得逆变电源输出的有功和无功与逆变器输出电压的幅值、相位之间存在比较严重的耦合.
本文把逆变器输出的各种因素都考虑在综合等效线路阻抗中，先通过对传统高压大电网下垂控制[3]进行分析，采用旋转坐标的方法，对传统下垂控制进行了扩展，得到新的控制策略，在低压电网的情况，实现了有功功率和无功功率的解耦，能够有效地分担变化的负载要求，这样既能够提高系统功率分担的精度，同时也能够为系统提高电压及频率的支撑.并且根据综合等效线路阻抗一般呈阻感性，在逆变器控制策略中引入虚拟阻抗，并且合理设计逆变器控制参数，使得逆变器输出阻抗呈阻性时可以采用简单的有功调电压幅值，无功调频的下垂控制策略[8-9].
1低压微电网结构
微电网中的电源多为微型电源，即含有电力电子接口的小型机组（小于100kW），包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能单元.根据微电网概念，提出了典型的低压微电网基本结构如图1所示.
图1所示的微电网整体呈辐射状结构，微电网由多个分布式电源系统组成，主要的微电源包括如光伏电池、燃料电池、风电机组等可再生的新能源以及储能装置、控制器、负荷等组成.其中微电网通过主分离器与外部电网连接，当外部系统发生故障或者外部电能质量不能满足微电网内用户的要求时，该分离器动作使微电网转入孤岛运行.在馈线侧则根据负荷的重要程度使用不同的供电方式.本文研究的微电网采用3个分散的DG单元和一个负荷通过线路和开关并联于母线上，在公共连接点（PCC）通过开关和升压变压器连接到10kV配电网上.
2低压微网功率传输的理论修正
但是绝大多数微电源都是接于低压配电网中，而低压情况下线路参数主要呈阻性.由表1可知，在高压系统中线路阻抗以感性为主，然而微电网常常是接入低压配电网中，而在低压系统中线路阻抗近似呈现出纯阻性（R>>X）.表1给出了典型的线路参数以及各种典型的适合低压微网的传输常用导线参数.从表中可知：适用于低压微电网的导线阻抗比均大于1，说明其线路电阻不能忽略.因此，传统的下垂控制将会导致有功和无功功率控制耦合及系统稳定性相关问题，因此传统的下垂控制在低压微电网中不再适用.
3逆变电源控制器的设计