基于背靠背并网模式的微电网模糊控制研究

王 锟，胡 平，刘晓莎

(1.陕西工业职业技术学院电气工程学院，陕西 咸阳 712000;2.咸阳市新能源及微电网重点实验室，陕西 咸阳 712000)

0 引言

微电网的概念于2002年被美国电力可靠性技术解决方案协会(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS)提出。微电网本质上是一个微型电网系统，内部包含了分布式电源、负荷以及储能等装置。微电网中，电能的产生、消费以及储能等各环节比较复杂，有时内部会出现常规保护失灵的现象。但是微电网系统对外表现出的特性是单一独立的，多数呈现电源或者负荷的特点。对于大电网而言，微电网是单一可控单元，实现了即插即用。

微电网的运行模式主要分为并网模式和孤岛模式。两种模式之间可以相互切换。并网模式下，当发现大电网出现故障时，微电网可以立即断开连接，作为一个独立小型电网给负荷供电。此时，微电网的工作模式由并网模式切换到孤岛模式。当检测到故障排除后，微电网再重新并联运行，又从孤岛模式切换为并网模式，实现了和大电网互为备用[1-2]。随着新能源分布式发电的不断发展，微电网已经成为发挥分布式电源效能的有效方式。因此，微电网并网研究具有重要意义。

目前，国内学者对微电网的研究主要在光电、燃料电池和微汽轮机并网上。除了在分布式发电设备研发、制造和设备自身控制方面具有一些较成熟的技术外[3],涉及微电网与大电网的并网,以及并网运行后的系统优化、协调和控制等诸多领域的研究大多刚刚起步。

文献[4]对微电网与大电网的公共连接点(point of common coupling，PCC)处的主接口作了假设，认为主接口可能是固态断路器或者背靠背式的电力电子变流器。文献[5]认为微电网与大电网的连接可分为直接连接或电力电子变流器连接，并简要阐述了电力电子变流器中的电压源变流器(voltage source converter，VSC)可能效率更高。

结合功率传输原理，本文提出了一种基于背靠背VSC的并网方法，以实现微电网与大电网并网运行。

1 并网原理

图1 有功功率与频率之间的特性曲线Fig.1 Characteristic curves of active power and frequency

图1中的S1、S2为两个独立系统，各自包含电源和负荷。假定并联前后负荷总量保持不变，并联前两个系统以各自频率运行，并联后在同一频率f0处运行，并联后S1有功输出的增加部分供给了S2的部分负荷。原动机调节具有滞后性，不能及时补充足额有功，S1将降频运行。同理，S2因获得有功而升频。

频率波动受电源出力和负荷变化综合作用的影响，有功功率和频率的关系满足：

Δf=f1-f2=-(P1-P2)k

(1)

式中：k为系统频率调节特性；f1为负荷变化前系统的频率；f2为负荷变化后系统的频率；Δf为负荷变化前后系统的频率差；P1为负荷变化前的有功功率；P2为负荷变化后的有功功率。

无功功率和电压之间的特性曲线[7]如图2所示。

图2 无功功率和电压之间的特性曲线Fig.2 Characteristeic curves of reactive power and voltage

图2中：曲线1代表在一定有功功率和电压水平下，系统的无功功率-电压特性；曲线2代表无功负荷的无功功率-电压特性；曲线1和曲线2的交点h为系统无功功率平衡点。当系统无功负荷增加，曲线2变化到曲线2′时，由于系统不能及时提供足够无功，系统将降压运行，暂时稳定在h′点。系统经过无功补偿后，将稳定在g点运行。因此，通过改变系统的无功功率大小，可以改变电压。

经过以上分析可知，通过改变待并列两个系统的功率传输可满足并网条件，即无功功率的交换会影响电压差，而有功功率的交换会影响频率差。本文采用背靠背VSC功率传递的原理实现微电网并网。微电网并网如图3所示。

图3 微电网并网示意图Fig.3 Schematic diagram of microgrid grid connection

2 模型分析及搭建

2.1 模型分析

VSC采用全控器件绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)作为基本单元，并采用直流电压利用率较高、注入电网谐波含量较少的空间矢量脉宽调制(space vector pluse width modulation,SVPWM)触发开关管通断[8-9]。

针对川中丘陵区坡耕地多、生态脆弱、人为生产建设活动频繁导致较为严重的水土流失的客观现状，依据农业生产活动与城镇开发建设占压、扰动地表的不同形式和防治水土流失修复生态措施的不同特点和规律，根据水土保持技术的发展趋势和国家生态文明建设的新要求，结合资阳市实际提出的水土保持生态修复思路、技术线路、防治措施，对建设长江上游生态屏障具有较强的针对性、理论性和实践性。生态系统修复技术、房地产等项目透水性和生态型铺装技术还有待在实践中探索、总结和完善。

本文采用的VSC拓扑结构如图4所示。

图4 VSC拓扑结构Fig.4 Topological structure of VSC

忽略变流器IGBT通断产生的谐波分量，可以得到三相静止坐标系下的数学模型：

(2)

式中：ia为输入电感L的a相电流；ib为输入电感L的b相电流；ic为输入电感L的c相电流；idc为VSC直流侧输入电流；il为负载的电流。

在三相坐标系中，如式(2)所示的数学模型物理意义比较明晰，直观易懂。但是，该模型无法实现有功功率和无功功率的控制，需将其转化到两相坐标中。坐标系的变换比较成熟，在此不赘述，克拉克变换见式(3)。克拉克变换向派克变换的矩阵见式(4)。

(3)

(4)

式中：M为待变换的物理量；T32为变换矩阵。

通过坐标变换，VSC数学模型在dq坐标系下变为：

(5)

由式(5)可知，VSC侧电压的直轴和交轴分量是互相耦合的，无法实现独立控制。因此，需要采用电压、电流前馈补偿进行解耦。

分析变流器数学模型，忽略变流器自身损耗和谐波分量，变流器与电网之间交换的有功功率P和无功功率Q满足式(6)和式(7)：

(6)

式中：UC为换流器输出电压的基波分量;US为交流母线电压基波分量;δ为UC落后US之间的相角差;X为变流电抗器的电抗。

(7)

δ的正负和大小决定了有功功率的传输大小，而无功功率传输的大小主要取决于UC。因此，控制δ和UC就实际上分别控制了有功和无功，从而实现了VSC的四象限运行[10]。

2.2 模型搭建

传统的变流器控制为双闭环控制。本文在传统双闭环控制策略的基础上，针对常规比例积分(proportional integral,PI)控制出现的响应速度慢、调节精度和超调情况易受比例系数和积分系数影响的问题，提出以模糊PI控制电压外环和传统PI控制电流内环的双闭环控制策略。以定直流电压模糊控制为例，基于背靠背VSC模糊控制系统如图5所示。

图5 基于背靠背VSC模糊控制系统框图Fig.5 Schematic diagram of fuzzy control system based on back-to-back VSC

图6为外环模糊控制框图。图6中，E和Ec分别表示误差和误差变化率。经过模糊控制器作用，可得到修正后的比例积分因子Kp、Ki，传递给PI调节器，得到内环电流控制所需的参考电流值iref。

图6 外环模糊控制框图Fig.6 Schematic diagram of outer ring fuzzy control

3 模糊控制的实现

模糊控制器的输入变量为E和Ec，输出变量为Kp、Ki。E的论域均取 [-6，6]。Kp、Ki的论域分别取[-6，6]和[-0.6，0.6]。Ec的论域均取[-0.6，0.6]。取7个语言变量为PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB，分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。E、Ec、Kp、Ki模糊化和去模糊化隶属度函数均选择为三角形隶属度函数。去模糊化采用加权平均法。

对变流器模型进行分析得知其控制特点，结合专家经验和试验分析，设计Kp的模糊控制规则如表1所示、Ki的模糊控制规则如表2所示。

表1 Kp的模糊控制规则表

表2 Ki的模糊控制规则表

为得到比较理想的控制效果，可以根据试验结果对规则表进行局部调整，使得规则表尽量接近被控对象的客观规律。

4 仿真验证

在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型，将微电网看作可控电源，用微汽轮机作原动机带动同步电机模拟。微电网系统S1容量为30 MVA。微电网侧和大电网侧机端电压分别为U1=U2=10.5 kV。通过升压变压器将微网母线电压侧升至120 kV、公用网侧升到110 kV。微电网系统的有功负荷为5 MW，无功负荷为3 MVar，两侧输入电阻R=0.2 Ω，电感L=0.005 H。

大电网用水轮机作原动机带动同步机模拟。S2容量为120 MVA，有功负荷为30 MW，无功负荷为20 Mvar。为了使有功从大电网流向微电网，设置S2=50 Hz,频率比S1高0.2 Hz。设定背靠背VSC的额度容量为10 MVA。基于背靠背并网模式的微电网模糊控制仿真结果如图7所示。

图7 基于背靠背并网模式的微电网模糊控制仿真结果Fig.7 Simulation results of fuzzy control of microgrid based on back-to-back grid connection mode

由图7(a)～图7(d)可知，模糊控制方式下背靠背VSC并网时微电网侧和大电网侧的有功和无功冲击和振荡比较小。对比图7(e)与图7(f)、图7(g)与图7(h)可知，模糊控制方式下，并网过程中大电网侧所受的有功振荡和无功冲击均比常规控制并网要小得多。由图7(a)与图7(f)的对比可知，在并网过程中的功率交换的额度一定的情况下，容量大的系统受到的影响比较小；反之，容量小的系统受到的波动稍大。

5 结论

本文以背靠背并网模式的微电网为研究对象，在背靠背VSC双闭环控制中，提出了外环模糊控制策略，并搭建了背靠背并网模式的微电网模糊控制仿真系统。通过仿真结果分析，基于背靠背并网模式的微电网模糊控制方式并网对大电网冲击比较小，可实现平滑并网，提高了系统的稳定性和动态响应。该研究为新能源接入大电网提供了良好的控制策略，对构建新型电力系统具有推动作用。