微电网孤岛运行的控制策略与仿真分析

王怀路,成鲁钰

(1.山东科技大学,山东 青岛 266590;2.国网山东检修公司,济南 250118)



微电网孤岛运行的控制策略与仿真分析

王怀路1,成鲁钰2

(1.山东科技大学,山东 青岛 266590;2.国网山东检修公司,济南 250118)

微电网是一种特殊形式的有源配电网,它提供了一种分布式电源接入大电网的有效方法,且具有并网和孤岛两种运行模式。笔者在列举讨论对微电网孤岛运行控制的基础上,搭建了基于PSCAD/EMTDA的仿真模型,并通过分布电源(DG)和负荷的投切仿真试验,验证了微电网孤岛运行的可行性。

微电网;分布式电源;控制策略;PSCAD/EMTDA仿真;孤岛运行

随着世界范围内的一次能源危机和环境的日益恶化,各国越来越重视微电网的发展[1-2]。微电网是一种将分布式电源(DG)、储能系统、负荷、能量转换装置、控制与保护装置汇集成的小型发、配、用电系统,它在有效的控制方式下具有并网和孤岛两种运行模式[3]。并网模式是指在大电网正常供电时DG作为辅助电源接入,与大电网一起为负荷供电[4],这种模式下微电网的电压和频率是由大电网来决定的。孤岛模式是指当大电网发生故障而与微电网断开后,DG单独向微电网内的负荷供电,因此,微电网孤岛运行时的电压和频率是由DG来支撑的。目前,微电网并网模式下的控制技术和在并网状态与孤岛状态之间转换的研究已较成熟[5-6],但对微电网孤岛运行的研究却还有待深入,故本文就微电网孤岛状态下的DG和负荷的投切进行仿真,以验证在DG投切和负荷投切的扰动下,微电网是否能够稳定运行。

1 微电网的结构与控制方式

1.1 微电网的结构

微电网一般通过断路器与配电网相连,根据PCC处断路器的开断情况,微电网分为并网运行和孤岛运行两种运行方式。微电网系统结构如图1所示。

图1 微电网系统结构图

当断路器闭合时,微电网工作在并网状态,微电网的频率和电压由配电网支撑,但是由于微电网内的DG出力不能满足本地负荷的需求,故配电网需通过PCC向微电网供电[7];当断路器断开时,微电网工作在孤岛状态,微电网的频率和电压由DG支撑,但是由于DG的出力同样不能满足本地负荷,故必须切除一些不重要的负荷,而保留对供电敏感的负荷。

1.2 微电网的控制方式

微电网的综合控制方式可分为主从控制、对等控制和分层控制三种。在不同控制方式下,微电网的孤岛运行模式为:

1) 在主从控制方式下,微电网的DG至少有一个作为主控电源,其他为从电源。而当微电网处于孤岛模式下时,为保证微电网电压和频率的稳定,主控电源的控制方式为VF(恒压恒频)控制,而从电源的控制方式为PQ(恒功率控制)控制。

2) 在对等控制方式下,所有DG的地位相等,没有主从之分。而当微电网处于孤岛模式下时,DG一般采用下垂控制,所有DG都参与微电网电压和频率的调节。此时,当负荷改变时,各分布式电源共同分担负荷的改变量,然后根据设定的下垂特性,调整各自的输出电压和频率值,使系统最终过渡到一个新的稳定运行状态,从而实现功率的合理分配。

2 分布式电源的控制策略

DG的控制一般可分为电压型控制和电流型控制两种。PQ控制属于电压型控制,VF控制则属于电流型控制,而Droop控制则既是电压型控制又是电流型控制。

2.1 PQ控制策略

微电网采用PQ控制的主要目的是使DG按照参考输出指定的有功功率和无功功率,即当微电网的电压和频率在一定范围内变化时,DG输出的有功功率和无功功率不变[8],这种控制方式可以保证DG的最大出力。在实际的微电网系统中,像光伏发电和风力发电这样的分布式发电电源,其输出功率受天气环境变化等不可控因素的影响较大,发电具有明显的波动性和间歇性。如果要求此类分布式发电电源根据负荷需求调整发电量,则需要配备较大容量的储能装置,这很不经济,故对这些电源的控制目标应该是保证可再生能源的最大利用率。而在采用PQ控制策略时,有功功率和无功功率的参考由最大功率跟踪算法给出。同时,由于PQ控制的分布式电源不能稳定系统的电压和频率,因此它不能作为微电网孤岛运行状态下的主电源。

2.2 VF控制策略

VF控制策略可以使DG在微电网孤岛运行模式下作为主电源对微电网的电压和频率提供强有力的支撑,从而保证DG连接处微电网的电压幅值和频率保持不变。但前提是采用VF控制的分布式电源必须具有较强的储备能力,满足负荷波动时调整其功率的输出需要。在实际的微电网中,燃料电池等分布式发电电源及蓄电池等储能装置,由于其可以根据负荷需求调节自身的功率输出,因此常作为微网孤岛运行模式下的支撑电压源来使用,用以维持微网系统的功率平衡。对于这类微电源中的逆变器,在微网孤岛模式下运行时,适合采用VF控制策略。

2.3 Droop控制策略

Droop控制是一种通过控制逆变器来使分布式电源的输出特性和同步发电机的输出特性一致的控制策略[9-10],即通过调节分布式电源逆变器输出电压的相位和幅值来调节其输出有功功率和无功功率[11]。逆变器输出的下垂特性如图2所示。

图2 下垂特性曲线

从图2可以看到,逆变器输出的有功功率和频率呈线性关系,逆变器输出的无功功率和电压幅值成线性关系。故当逆变器输出电压的频率和幅值分别为f0和V0时,下垂控制的分布式电压就工作在下垂曲线中的A点,此时DG输出的有功功率和无功功率分别为P0和Q0。而当逆变器输出电压的频率和幅值分别为f1和V1时,下垂控制的分布式电压就工作在下垂曲线中的B点,此时DG输出的有功功率和无功功率分别为P1和Q1。因此,可以看出当逆变器输出的有功功率和无功功率变化时,逆变器输出电压的频率和幅值按照下垂特性曲线线性变化。

3 基于PSCAD的孤岛运行仿真

由于在对等控制的微电网中,所有DG是平等的关系,没有主从之分,当系统需要时可即插即用。同时,对等控制的微电网中的DG采用基于下垂特性的Droop控制,且所有DG按照预先设定的控制方式参与有功功率和无功功率的调节,故本文采用对等控制的微电网作为仿真对象。

利用PSCAD软件构建的仿真电路如图3所示,微电网通过PCC处的断路器与额定电压为380 V的大电网相连,而DG1和DG2接在不同的母线上,额定电压都为380 V,额定出力均为0.5 MW。

图3 微电网仿真模型

3.1 DG的接入与切除

微电网在孤岛状态下运行时,由于其分布式电源的随机性太大,系统总是不可避免地要切除和接入分布式电源。通常切除分布式电源比较简单,例如对于含有直流的分布式电源,调节逆变器将电源的输出功率降为零,然后将分布式电源出口处的断路器直接断开即可。但是,分布式电源的接入比较复杂,在分布式电源接入微电网时,它需要满足与微电网具有相同的电压幅值和相角,否则将产生严重的暂态过程,导致设备损坏。

DG接入微电网的操作流程如图4所示。

图4 DG接入微电网的操作流程图

当DG接收到需要并网的命令时,检测模块分别检测出DG和微电网侧的电压幅值和相角,得出两者的电压幅值差ΔU和相角差Δθ。如果ΔU<ΔUmax且Δθ<Δθmax(ΔUmax和Δθmax分别为DG并网时系统所允许的最大电压幅值差和相角差),则DG直接并入微电网。否则,调节DG侧输出电压幅值和相角,直到达到要求为止。电压幅值和相角的调节通过DG逆变器的控制单元实现。

利用PSCAD对微电网模型(见图3)进行DG的接入和切除仿真。设负荷1和负荷2消耗的功率相同,有功功率和无功功率分别为0.25 MW和0.15 Mvar。初始微电网与大电网断开,即PCC处的短路器处于打开状态,DG1和DG2均并入微电网。仿真时间为3 s,系统在1 s时将DG2切除,在2 s时再将DG2并入。仿真结果如图5～7所示。

图5 DG2接入时A相电压瞬时值

图6 DG的输出功率

图7 微电网的电压和频率

从图5可以看出,DG2在2 s接收到并网指令后,迅速调整其电压幅值和相角,约在一个周期(20 ms)内DG2和微电网同步,DG2并入微电网。 从图6可以看出,1 s之前,DG1和DG2同时并入微电网,均分负荷消耗的有功功率和无功功率。在1～2 s内,只有DG1并入微电网,单独向微电网供电。2 s时,DG2并入电网, DG2需要吸收有功和无功功率。由于调整DG2满足并网条件需要一定时间,故延迟一段时间后DG2并网,且0.5 s后系统达到稳定。从图7可以看出,在DG2接入和断开时系统的电压和频率有微小波动,但波动范围在允许的范围内。

3.2 负荷波动的仿真

对微电网模型(见图3)进行孤岛状态下负荷的投切仿真。设DG1和DG2同时运行,正常状态下满负荷运行,并分别对切除和投入50%的负荷进行仿真,分析其对微电网的影响;设负荷1和负荷2消耗的功率相同,有功功率和无功功率分别为0.5 MW和0.3 Mvar。仿真时间为3 s,系统在1 s时将负荷2切除,在2 s时再将负荷2并入微电网。仿真结果如图8、9所示。

图8 DG的输出功率

图9 微电网的电压和频率

从图8可以看出,由于DG采用下垂控制,DG1和DG2的有功功率和无功功率输出相同,在负荷2切除时,两个DG的输出同时下降,而在负荷2重新并网时,两个DG又同时增加输出。而从图9中可以看出,在负荷2投切时,微电网的电压和频率都发生了微小的波动,但波动在允许的范围之内。因此,微电网在孤岛状态下运行,负荷的投切不会影响微电网的可靠稳定运行。

4 结 语

微电网有并网和孤岛两种运行方式,本文基于PSCAD对微电网孤岛运行进行了仿真研究,验证了微电网在孤岛运行方式下,对等控制方式DG投切和负荷投切时的稳定性,同时也对连续调节DG的电压幅值和相角使DG并入微电网的方式进行了仿真。结果表明,在DG投切和负荷投切时,微电网均能稳定可靠运行。

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(责任编辑 郭金光)

Control strategy and simulation analysis of microgrid island operation

WANG Huailu1, CHENG Luyu2

(1.Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;2. State Grid Shandong Maintenance Company, Jinan 250118, China)

Microgrid is a special distribution network with distributed generation, providing an effective method for distributed generation contacting to large distributed power grid. Microgrid can operate in two modes: grid-connected mode and islanded mode. This paper listed and discussed the control strategy of microgrid island operation, and built a simulation model, through which simulated DG and load switching to verify the feasibility of microgrid island operation based on PSCAD/EMTDA simulation software.

microgrid; distributed generation; control strategy; PSCAD/EMTDA simulation; island operation

2015-10-18。

王怀路(1989—),男,硕士研究生,主要研究方向为电力系统及其自动化。

TM743

A

2095-6843(2016)01-0043-04