交流微电网负荷控制策略研究

药炜

【摘要】：目前，我国科技不断发展，新能源也越来越多的被利用，负荷、光伏发电及风力发电可组成微电网。交流微电网的负荷控制包括平衡负荷控制、不平衡负荷控制和非线性负荷控制。针对交流微电网的三种不同的负荷类型，提出了对应的控制策略，并对所提的控制策略进行了理论推导和相应的仿真验证。

【关键词】：交流；微电网负；荷控制策略

1、关于微电网及其运行

微电网这个概念最早由美国提出，长久以来围绕其进行的研究认为其具有较高的可靠性和突出的经济效益。所谓的微电网，其实指的就是一套系统，其主要构成部分为分布式电源及负荷，其中，电源能够在实现能量转换的同时提供控制，特点在于可兼顾电、热能供应。相对来讲，微电网相当于一个受控单元，其优势在于能够在保证电能质量的同时，兼顾安全，其运行方式主要有两种，其一为孤岛运行，其二为并网运行。

实际上，自微电网被提出之后，相关的研究就已经开始，截至目前已经取得了很多重要成果，就研究方向与侧重点来讲，国外目前对其的研究大多是围绕其规划、相关影响等方面展开，而国内对其的研究起步较晚，当前尚处于仿真研究阶段。我国对微电网进行的研究认为，其可以借助分布式电源实现能源供应，是一种相对特殊的电网，且其电源可以借助电子器件实现能量转换，之后并联接在用户侧，这样就可以在保证电能质量的基础上，尽可能的提升供电安全程度。站在用户的角度来讲，微电网除了可以使供电更加稳定与可靠之外，还有助于减小线损、维持正常电压、满足个性需要、充分利用余热。相较于传统电网，微电网具有更多的优势，但同时其运行过程中需要考虑的问题也更多。由于运行特性相对特殊，因此，要想保证其运行过程的稳定性与可靠性，就必须结合其运行方式做好控制。

2、交流微电网负荷控制策略分析

2.1平衡类负荷控制策略

当负荷为无源类且不需要和交流电网同步时，无须设计锁相环，但要保证交流负荷供电电压幅值和频率恒定。本文采用基于交流电压dq分量的定交流电压控制策略V/f控制。负荷协调控制框图如图1所示。

图1负荷协调控制框图

由图1可以看出，当交流电压处在S1、S2正常模式时，负荷协调控制为定交流电压模式。当孤岛运行交流电压处在S3模式，电源功率不足，储能电池不能继续放电，交流电压过低时，需要采取切负荷措施。先切除非敏感性负荷，然后按负荷优先级依次进行切除，保证敏感负荷的持续供电。仿真验证基于交流电压dq分量的定交流电压控制结果如图2所示。

图2负荷侧谐波含量和电压电流波形

从图2可以看出负荷侧的电压电流波形很好，电压的谐波含有量THDu=0.7%，电流的谐波含有量THDi=0.77%，都能很好地满足国家标准的要求。

2.2不平衡类负荷的控制策略

针对不平衡负荷常用的矫正办法包含以下几种：三相割裂电容式逆变拓扑、三相四桥臂逆变拓扑、三个单相桥拓扑和Δ/Y0变压器拓扑。三相割裂电容式逆变拓扑构造在单相负载时，电容需承受全负载相电流，所需电容容量较大，电压利用率低，且两个电容存在均压疑问。三相四桥臂逆变拓扑在三相逆变桥基础上再增加一个桥臂来构成中点，形成对三相输出的公共点，使得能够输出三个独立的电压，这种构造正得到广泛的使用和研讨。三个单相桥拓扑能够构成三套独立的操控电路，然后处理三相不平衡的疑问，这种构造需求较多的开关，适合于大功率使用场合。Δ/Y0变压器拓扑是最为简略和常用的矫正办法，当负荷不平衡时会形成输出电压不平衡，因为不平衡电压中的负序重量同样为周期性信号，因此重复操控能够消除输出电压中的负序重量；因为带Δ/Y0连接变压器的逆变器中，零序重量并不能从逆变桥传输到输出端，因此输出电压中的零序重量不可控；将输出滤波电感连接在变压器一次侧，可减小输出电压中的零序重量，输出电压中的零序重量为负荷零序电流在变压器高压侧漏感上的压降，含量较小。因此这篇文章所采用的重复操控在负荷不平衡时仍具有较好的操控作用。双环操控电路图如图3所示。改善的重复操控框图如图4所示。关于图4重复操控器而言，这篇文章将电容电流内环与G（s）等效为逆变器体系，则等效的体系传递函数为：

（3）

针对不平衡最严重的情况进行了仿真实验，即A相满载，B、C两相空载。仿真过程如下：在0-0.5s内微电网变流器空载运行，在0.5s时A相

图3双旋转坐标系电压电流双环控制

图4改进的重复控制框图

投入10kW阻性负荷，在1s时切除负荷，系统空载运行，仿真结果如图5所示。

图5带不平衡负荷时输出电压电流波形

由图5a可知，当微电网变流器空载运行时，三相输出电压平衡，A相输出电压的THD含量为1.58%；当投入A相负载满载运行，B、C两相空载运行时，微电网变流器输出电压暂态过程无冲击，系统响应速度快，稳定时A相输出电压的THD含量为0.81%；当负载切除时，微电网变流器输出电压有瞬时的电压冲击，但很快恢复稳定。

2.3非线性类负荷的控制策略

在微电网中，非线性负荷的存在对微电网变流器的控制性能提出了更高的要求，本文针对三相桥式晶闸管全控整流电路进行了仿真实验，晶闸管的触发角为α=60°，整流电路直流侧滤波电容为4700μF，阻性负载大小为30Ω，仿真过程如下：在0-0.5s时，微电网变流器控制运行，在0.5s时投入整流负载，在1.5s时切除整流负载，仿真波形如图6所示。

图6带非线性负荷时输出电压电流波形

由图6a可知，在投入整流负载时，微电网变流器三相输出电压在经过两个基波周期后达到稳定，在切除整流负载时，微电网变流器输出电压经过一个基波周期后达到稳定，在投入和切除的暂态过程中，输出电压冲击小，能快速恢复。由图6b可知，在带整流负载达到稳态时，A相输出电压的THD为2.4%，谐波含量少。

结语

本文通过建立交流微电网的模型，对交流微电网的基本控制进行了分析。仿真证明采用基于交流电压dq分量的定交流电压控制策略能够很好地维持平衡负荷的正常工作。对不平衡负荷和非线性负荷的控制，提出了采用比例积分微分控制和重复控制结合的控制策略，仿真和实验证实效果良好。

【参考文献】：

[1]丁明，张颖媛，茆美琴.微电网研究中的关键技术[J].电网技术，2010（11）：6-8.

[2]李朝东，宋蕙慧，曲延滨，金学万.孤岛运行方式下微电网储能系统能量成型控制策略[J].电力自动化设备，2014.（10）：152-154.