微电网技术在航天供电系统中的应用

梁化成　赵轶峰　赵京勇（北京航天试验技术研究所，北京　100074）



微电网技术在航天供电系统中的应用

梁化成赵轶峰赵京勇
（北京航天试验技术研究所，北京100074）

摘要随着分布式发电技术的不断发展，将分布式发电供能系统以微电网的形式运行，与大电网互为支撑，成为发挥分布式发电供能系统能效的最有效方式之一。航天电力系统由于具有较强的分布式特点，而其对供电可靠性要求高，适合采用微电网系统。在归纳总结微电源模型的基础上，分别在独立运行和并网运行时分析了微电源逆变器的控制特性，根据不同微电源的类型分别采用PQ控制和V/f控制策略，提出了相应的控制器设计方法，建立了微电网模型。试验结果表明，微电网技术适合在航天供电系统中应用发展。

关键词分布式发电，微电网，逆变器，航天电力系统

引言

航天电力系统通常具有较强的分散性，对供电可靠性要求高，且需要有灵活的运行方式，而微电网的结构和特点特别适合在航天供电系统中应用。微电网是随着分布式发电技术的不断发展而发展起来的供电系统技术，其将分布式发电功能系统以微电网的形式运行，与大电网互为支撑，可有效地发挥分布式能源的系统能效[1, 2]。微电网中多个分布式电源的分散布局，使其在偏远地区也能持续可靠供电；既可以利用地方大电网供电，也可利用微电网本身的分布式电源发电，必要时还可以甩掉非重要负荷继续保证关键部位供电。

目前，多个国家已开展了微电网的研究，立足于本国电力系统的实际问题与国家的可持续发展能源目标，提出了各自的微电网发展目标。美国CERTS最早提出了微电网的概念[3]。日本立足于国内能源紧缺、负荷日益增长的现状开展了微电网研究，但其发展目标主要定位于能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求等。欧洲提出要充分利用分布式能源、智能技术、先进电力电子技术等实现集中供电与分布式发电的高效、紧密结合。微电网以其智能化、能量利用多元化等特点也成为欧洲未来电网的组成部分。

本文在总结分析各种微电源类型的基础上，等效出了一种通用的微电源逆变器模型，并以单相半桥型逆变电路为例，对其进行了数学建模分析；针对微电源独立和并网运行两种模式，在不同的工况下，对逆变器的控制策略系统地进行了分析，针对微电源接入微电网的两种方式，即PQ控制和V/f控制，详细分析了这两种控制方式的原理和方法，并建立了与航天供电系统相适应的微电网模型。

1　微电源的工作原理

微电源主要为可再生能源，发电系统类型可为微型燃气轮机、内燃机、燃料电池、太阳能电池、风力发电机、生物质能等[4]。根据微电源的燃料和发电方式的不同，可以将微电源分为以下3类：

（1）交直交电源，如微型燃气轮机等，其发出的是高频的交流电，需要对其整流后再逆变，如图1所示。

图1　交直交电源

（2）直流电源，如光伏发电、燃料电池，以及储能装置等。其发出的是直流电，需要逆变后并网，如图2所示。

图2　直流逆变电源

（3）工频交流电源，如风力发电机和传统的小功率发电机。

本文主要研究微电网，因此，将（1)、（2）中的电源假设为直流电源或经整流后的直流源，等效模型如图3所示。

图3　直流逆变并网

2　微电源的控制策略

微电源的控制主要是逆变器的控制。逆变器的主要作用是将直流电变成交流电并网或者供给附近的负荷。逆变器有独立运行和并网运行两种工作模式。当独立运行时，要求电压质量能够满足负荷要求，逆变器作为一个稳定的电压源运行；当并网运行时，要求减小逆变器对电网的污染，提高输出功率因数，减小进网电流的失真度，逆变器作为一个电流源运行，向电网注入功率。

早期的逆变器采用输出电压平均值反馈控制调节输出电压有效值，但是难以获得良好的动静态性能。为了满足高性能电能指标要求，研究人员提出了很多新的控制方案，如电压瞬时值反馈控制、电压电流双闭环控制[5]。逆变器的双环控制分为以滤波电感电流为内环、电压外环，以及以滤波电容电流为内环、电压外环控制两类。电流电感内环控制可以对逆变器起到限流作用，但是输出受负载电流的影响很大。采用电容电流内环控制能够较好地抑制负载电流的影响，可以采取一些附加措施实现电流限制和短路保护功能。

本文以单相半桥型PWM逆变器为例[6]，分析了其在独立和并网两种运行方式下控制系统的稳定性。单相半桥式逆变电路的电路图如图4所示。

图4　单相半桥式逆变电路

在电压源逆变器中，采用滤波电容电流ic作为内环反馈比较广泛，因ic被瞬时控制，使得输出电压uc 因ic的微分作用而提前得到矫正，因此，带负载能力较强。本文选择电容电流ic内环电压外环控制方式，其原理如图5所示。

图5　双环控制的逆变器原理框图

并网运行时，由于逆变器输出直接与电网连接，输出电压不可控，而要求输出电流稳定，向大电网注入功率。此时逆变器采用电流控制方式。根据IEEE Std 1547-2003分布式电源系统并网的标准要求，并网工作时电网电压正常范围为标准电压的88%～110%；并网系统不允许对电网造成污染，总谐波不超过5%。图6即为并网运行时逆变器控制原理图，采用内环PI控制来实现输出对电流的跟踪。

图6　并网运行时电流控制原理框图

微电网中要求微电源逆变器能够在独立与并网两种不同运行工况下运行，并能够保证两种模式切换过程的平滑过渡。当逆变器独立运行时，该系统与电网的连接开关K断开，此时，逆变器为双闭环控制方式，输出稳定的电压。当逆变器并网运行时，在给出并网信号后，电压过零点闭合开关K，通过增加逆变器电流基准指令Iref，此时逆变器为电流控制，输出稳定的电流，向电网注入功率。该控制过程原理框图如图7所示。

图7　双模式运行逆变器控制原理图

3　微网的模型及控制策略

3.1三相逆变器数学模型

目前，我国常用的是三相电力系统，因此，需要对三相逆变器电路及控制进行分析。根据图8的三相SPWM逆变电路的结构，取电感电流和电容电压为状态变量，列出电路状态方程如下：

式中：L1为输出滤波电感；C*为输出滤波电容C星形接法的等效电容值；v1为逆变桥输出电压向量；vo为逆变器输出电压向量；i1为逆变桥输出电流向量；iL为负载电流向量。

图8　三相逆变器电路图

由上式经过派克变换，将三相交流量转换到dq轴的直流量，可得控制框图如图9所示。

图9　控制系统框图

当微电网中的负荷或网络结构发生变化时，如何通过对微电网中各种分布式电源进行有效的协调控制，来保证微电网在不同运行模式下都能够满足负荷的电能质量要求，是微电网能否可靠运行的关键。在实际微电网中，不同种类的分布式电源的控制特性可能差异很大，对于微型燃气轮机和燃料电池等电源，控制比较容易实现，既可以按照给定的有功功率和无功功率进行控制，也可以很方便地实现V/f控制，而后者可以用于保证微电网频率和电压的稳定性；对于风力发电和光伏发电等电源，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，要保证恒定的功率输出，则需配备较大容量的储能装置，这有时是很不经济的，这种电源的控制目标应该是保证可再生能源的最大利用率，为此一般采用P-Q控制方法。

3.2P-Q控制方法

当逆变器接入微电网时，逆变器的输出电压即为电网电压，通过调节逆变器的输出电流，实现对注入有功功率和无功功率的控制。

当逆变器接入微电网运行时，将其参考电压切换为电网电压，给定一个参考电流，经过PI调节其输出电流。三相逆变器同样通过派克变换将三相交流量变换为DQ0坐标上的直流量，该控制方法的控制原理如图10所示。

3.3V/f控制方法

当微电网和大电网脱离微电网运行时，必须有微电源保证微电网中电压和频率的稳定性。此类微电源采用V/f控制方法。

在传统电网中，发电机之间的内阻抗通常大到足以防止产生环流。而在放射性结构的微电网中，大的感性电流环流是个问题。若无本地电压调节，连有大量微电源的系统将经历电压或无功功率振荡。电压控制需要确保没有大的感性电流环流出现在电源之间。当产生于微电源中的感性电流变成容性的时候，母线电压的整定值就需要降低。相反，当电流变成感性的时候，母线电压的设定值就要提高。这种控制策略的原理框图如图11所示。

图10　PQ控制系统原理图

图11　V/f控制系统原理图

综上所述的微电源MS1和MS2，组成如图12所示用于航天供电的微电网，其中，微电源MS1采用P-Q控制，微电源MS2采用V/f控制。当地方电网有充足电能时，合上开关K0，此时微电网和配电网连接运行。当地方电网电能不足，或地方电网发生故障时，断开开关，微电网与配电网断开孤立运行。这种灵活的电网结构可以满足航天电力系统的需求。

4　结束语

航天电力系统用电负荷比较分散，采用可再生能源既解决了能源问题，又保证了航天用电的稳定、可靠。本文归纳总结了几种微电源模型，并分别在独立和并网运行时分析了微电源逆变器的控制特性，根据不同微电源的类型分别采用P-Q控制和V/f控制策略，提出了相应的控制器设计方法，建立了适用于航天电力系统的微电网模型。通过分析表明，微电网在航天供电系统中具有较为广阔的发展前景。

图12　微电网的模型结构

参考文献

1鲁宗相, 王彩霞, 闵勇, 等. 微电网研究综述[J]. 电力系统自动化, 2007, 31(19): 100～106

2CAIRE R, RETIERE N, MARTINO S, et al. Impact Assessment of LV Distributed Generation on MV Distribution Network[C]. IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, 2002: 1423～1428

3LASSETER R, AKHIL A, MARMAY C. Integration of Distributed Energy Resources[EB/OL]. http:// repositories.cdlib.org/lbnl/LBNL-50829

4梁有伟, 胡志坚, 陈允平. 分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J]. 电网技术, 2003, 27(12): 71～75

5VENKATARAMANAN G, DIVAN D M, JAHNS T M. Discrete Pulse Modulation Strategies for High-Frequency Inverter Systems[C]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1993

6徐德鸿. 电力电子系统建模及控制[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005

Application of Micro-grid Technology in Aerospace Power Supply System

Liang HuachengZhao YifengZhao Jingyong
(Beijing Institute of Aerospace Testing Technology, Beijing100074)

AbstractWith the development of the distributed power generation technology, the micro-grid, which takes a part together with the power grid, has been one of the most effective ways to make use of the distributed power supply. Aerospace power systems are distributed systems, demanding of high reliability. Micro-grid system is suitable for Aerospace power systems. The micro-cell model is analyzed, and the control strategy of the inverter both on stand-alone mode and grid-connected mode are studied. PQ control method and V/f control method are used separately due to different micro-cells. Corresponding control strategies are designed, and the micro-grid model is established. Experiments show that the micro-grid technology is suitable for aerospace power supply system.

KeywordsDistributed generation, Micro-grid, Inverter, Aerospace power system

文章编号：1009-8119（2016）05（1）-0053-04