【文章內(nèi)容簡介】 7 保效益方面具有極大潛力，但目前這些新型電源的成本仍然較高。加快對(duì)這些電源的技術(shù)研究、降低其成本也是增強(qiáng)微電網(wǎng)競爭力、推動(dòng)其發(fā)展的有力因素。 本章小結(jié) 本章介紹了微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，總結(jié)了當(dāng)前并網(wǎng)逆變技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，介紹了微電網(wǎng)研究的一些關(guān)鍵技術(shù)問題。對(duì)微電網(wǎng)的保護(hù)和接入標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了敘述。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 3 章 微電網(wǎng)運(yùn)行與控制 微電網(wǎng)的運(yùn)行 在正常情況下，微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，由大電網(wǎng)提供剛性的電壓和頻率支撐，內(nèi)部 MSI作在電壓源 (Voltage Source， VS)或電流源 (Current Source， CS)狀態(tài)，在能量管理系統(tǒng)或本地的控制下，調(diào)整各自功率輸出。當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)電壓驟升、驟降、不平衡和諧波等電能質(zhì)量問題或有計(jì)劃檢修時(shí)，微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行模式，此時(shí)的電壓和頻率由內(nèi)部 MS負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)。當(dāng)電網(wǎng)故障消失后，微電網(wǎng)重新并入電網(wǎng)。 微電網(wǎng)除了并網(wǎng)／孤島兩種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式外， 還存在著兩種模式間的轉(zhuǎn)換過渡過程。模式轉(zhuǎn)換的方式不是電源的重新啟動(dòng)，而是在逆變器持續(xù)不斷工作的同時(shí)，通過其控制方法和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面的調(diào)整來保證網(wǎng)內(nèi)電壓的連續(xù)平穩(wěn)過渡，即實(shí)現(xiàn)無縫切換，以確保網(wǎng)內(nèi)重要敏感負(fù)荷的供電不受影響。過渡過程是兩種模式間轉(zhuǎn)換的橋梁和紐帶，過渡過程中電能質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響到網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷的安全運(yùn)行，是微電網(wǎng)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)行，提供定制電力服務(wù)的重要標(biāo)志。其中重新并網(wǎng)相對(duì)容易，而從并網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島模式的無縫過渡過程則相對(duì)困難。在不同的微電網(wǎng)運(yùn)行模式和孤島拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，微源可以采用不同的控制方法和 硬件拓?fù)?，造成在模式轉(zhuǎn)換過程中微源控制方法的多樣性和不確定性，究竟何種控制方法能保證網(wǎng)內(nèi)電壓的穩(wěn)定，目前很少有文獻(xiàn)報(bào)道。在進(jìn)行微電網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換時(shí)，微源的控制方法受多種因素的影響，如轉(zhuǎn)換前后的并網(wǎng)／孤島運(yùn)行狀態(tài)、微源硬件配置等，同時(shí)儲(chǔ)能單元也會(huì)對(duì)微源控制方法的選取及其控制效果產(chǎn)生一定的影響，具體包括： 1)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)控制方法的影響 在正常情況下，微電網(wǎng)和大電網(wǎng)共同負(fù)擔(dān)網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷，當(dāng)微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行時(shí)，存在功率需求和供給的不平衡，這時(shí)除了切除普通負(fù)荷外，微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可能會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化 。 2)微源配置對(duì)控制方法的影響 在不同的微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，微源可以采用不同的輸出濾波器結(jié)構(gòu) (L、LC或 LCL)，不同的濾波器結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)微源的控制方法的選取產(chǎn)生影響。 第 3章 微電網(wǎng)技術(shù)運(yùn)行 9 3)微源控制方法的選擇 逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，可以工作在 VS或 CS方式，由大電網(wǎng)提供其電壓和頻率支撐。當(dāng)微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行后，由于電網(wǎng)電壓的缺失，所以這些量必須由網(wǎng)內(nèi)的逆變器來調(diào)節(jié)。有三種不同的情況： 1)一臺(tái)大容量的微源工作在 VS方式，提供電壓支撐，剩余的微源工作在 CS方式，這種情況類似于并網(wǎng)運(yùn)行； 2)多臺(tái)較大容量的微源并聯(lián)工作在 VS方式 ，提供電壓支撐，剩余的微源工作在 CS方式； 3)所有微源均工作在 VS方式，并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)微電網(wǎng)完全解列時(shí)，微源和負(fù)荷一對(duì)一單獨(dú)供電，工作在 VS方式。 可再生能源DC / DC 電路AC / DC 電路控制器逆變器（ DC / AC 電路 ）濾波電路公共電網(wǎng)交流負(fù)載直流負(fù)載儲(chǔ)能裝置（ 蓄電池組 ）直流側(cè)處理電路 圖 微網(wǎng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖 因此，微電網(wǎng)從并網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行時(shí)，逆變器存在著不同的控制方法組合?？偟膩碚f，當(dāng)微電網(wǎng)模式變化時(shí)，微源的控制方式有 VS— VS、 VS— CS、CSVS和 CS— CS四種情況。因此，要根據(jù)不同的微電網(wǎng)孤島拓?fù)浜臀⒃磁渲们闆r來選取合適的微源控制方法或組合。 微電網(wǎng)基本控制策略 目前已有三類經(jīng)典的微電網(wǎng)控制方法 1)基于電力電 子技術(shù)的“即插即用”與“對(duì)等’’的控制思想 該方法根據(jù)微電網(wǎng)控制要求，靈活選擇與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相類似的下垂特性曲線進(jìn)行控制，將系統(tǒng)的不平衡功率動(dòng)態(tài)分配給各機(jī)組承擔(dān)，具有簡單、可靠、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。但該方法沒有考慮系統(tǒng)電壓與頻率的恢復(fù)問題，也就是類似傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)中的二次調(diào)整問題，因此，在微電網(wǎng)遭受嚴(yán)重?cái)_動(dòng)時(shí)，系燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 統(tǒng)的頻率質(zhì)量可能無法保證。此外，該方法沒有討論在微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)的過渡過程。 2)基于功率管理系統(tǒng)的控制 該方法采用不同控制模塊對(duì)有功、無功分別進(jìn)行控制，很好地滿足了微電網(wǎng)多種控制的要求， 尤其在調(diào)節(jié)功率平衡時(shí)，加人了頻率恢復(fù)算法，能夠很好地滿足頻率質(zhì)量要求。另外，針對(duì)微電網(wǎng)中對(duì)無功的不同需求，功率管理系統(tǒng)采用了多種控制方法，從而大大增加了控制的靈活性并提高了控制性能。但與第 1種方法類似，這種方法未考慮在微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)的過渡過程。 3)基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)控制方法 該方法將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的多代理技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)控制系統(tǒng)。代理的自治性、反應(yīng)能力、自發(fā)行為等特點(diǎn)，正好滿足微電網(wǎng)分散控制的需要，提供了一個(gè)能夠嵌入各種控制性能但又無需管理者經(jīng)常出現(xiàn)的系統(tǒng)。但目前多代理技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng) 用多集中于協(xié)調(diào)市場(chǎng)交易、對(duì)能量進(jìn)行管理方面，還未深入到對(duì)微電網(wǎng)中的頻率、電壓等進(jìn)行控制的層面。要使多代理技術(shù)在微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中發(fā)揮更大作用，仍有大量研究工作需要進(jìn)行。 微電網(wǎng)下垂控制策略 概述 由于微電網(wǎng)的提出是基于 UPS并聯(lián)的思想，所以模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)下垂特性的逆變器并聯(lián)技術(shù)在微電網(wǎng)中得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，近年來，逆變電源并聯(lián)技術(shù)在諸多工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)展迅速，國內(nèi)外的許多專家學(xué)者對(duì)此提出了各種各樣的控制策略，其中大部分控制策略可以歸類為有聯(lián)絡(luò)線的并聯(lián)模式。這種有聯(lián)絡(luò)線模式的并聯(lián)理 論相對(duì)簡單，實(shí)現(xiàn)容易，因而在逆變電源技術(shù)發(fā)展早期得到了普遍認(rèn)同。但是有聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)模式也存在著非常明顯的缺點(diǎn)，比如并聯(lián)單元的地理位置受到限制，電磁干擾嚴(yán)重，冗余性不佳等等，這些都不適合應(yīng)用在分布式發(fā)電系統(tǒng)中。正是因?yàn)橛新?lián)絡(luò)線控制技術(shù)這些無法克服的先天性缺點(diǎn)，從而催生了逆變電源的無聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)模式，并促進(jìn)著無聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)控制技術(shù)的快速發(fā)展。 第 3章 微電網(wǎng)技術(shù)運(yùn)行 11 下垂控制策略 根據(jù)逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的功率特性，一些學(xué)者提出了可以將逆變電源無線并聯(lián)的控制技術(shù) —— 電壓頻率下垂法。其實(shí)質(zhì)為：在逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)中，各逆變單元檢測(cè)自 身輸出功率，通過下垂控制得到輸出電壓頻率和幅值的指令值，然后各自反相微調(diào)其輸出電壓幅值和頻率達(dá)到系統(tǒng)有功和無功功率的合理分配。輸出有功功率大的逆變電源，通過頻率下垂特性減小其輸出頻率，從而減少其有功功率輸出；輸出有功功率小的逆變電源，通過頻率下垂特性增大其輸出頻率，從而增加其有功功率輸出。輸出無功功率大的逆變電源，通過幅值下垂特性降低其電壓幅值，從而減小其輸出無功功率；輸出無功功率小的逆變電源，通過幅值下垂特性抬高其電壓幅值，從而增大其輸出無功功率。即輸出功率較少的單元會(huì)根據(jù)電壓一頻率下垂特性增加其輸出，而 輸出功率相對(duì)較多的單元?jiǎng)t相應(yīng)的減少其輸出，并且這種自我調(diào)節(jié)過程將一直持續(xù)下去，直到并聯(lián)系統(tǒng)達(dá)到最小環(huán)流點(diǎn)。 取 2臺(tái)逆變器并聯(lián)為例，簡化原理圖如圖 。逆變器 1輸出阻抗與連線阻抗之和為 11111 ????? ZRjXrZ ；逆變器 2輸出阻抗與連線阻抗之和為22222 ????? ZRjXrZ ； 1r ， 2r 為等效電阻； 1X ， 2X 為等效感抗； 1E 和 2E 分別為逆變器 2的空載輸出電壓； U為并聯(lián)交流母線電壓 ,? 為各個(gè)逆變器模塊的輸出電壓與母線電壓的相角差。 圖 逆變器并聯(lián)簡化原理圖 逆變器的輸出電流為： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 nZnnnn R UEI ?? ? ???? 0（ n=1,2） （ 31） 輸出功率為： nnnnnn QPIES ????? ?? （ 32） 其中： nP 為逆變器 n的輸出有功功率； nQ 為逆變器 n的輸出無功功率。 ? ?? ?nnnnnnZnn UEUUERP ???? s i ns i nc osc os1 2 ??? （ 33） ? ?? ?nnnnnnZnn UEUUERQ ???? c oss i ns i nc os1 2 ??? （ 34） 由式（ 33），（ 34）可知，當(dāng)輸出阻抗與連線阻抗之和為純感性時(shí)，有 nnnn XUEP ?sin? （ 35） nnnn X UEQ 2c os ?? ? （ 36） 由式 (35)和 (36)可知，如果 ? 足夠小，有功功率的流動(dòng)主要由功率角? 決定，而無功功率的流動(dòng)則主要由逆變器輸出電壓決定，所以在一定程度上有功功率和無功功率的流動(dòng)能得到獨(dú)立控制。控制頻率能動(dòng)態(tài)的控制功率角，因此控制有功功率的流動(dòng)能通過控制逆變器的輸出電壓頻率而實(shí)現(xiàn)，同理控制無功功率的流動(dòng)能通過控制逆變器的輸出電壓幅值而實(shí)現(xiàn)。因此大部分逆變器無連線并聯(lián)控制采用傳統(tǒng)的下垂法。 由式 (35)和 (36)可知，微電源輸出的有功功率主要取決于電壓矢量間功角差 ? ，微電源輸出的無功功率主要取決于微電源逆變器電壓的幅值 U。因此，針對(duì)微電源輸出的功率控制，逆變器可采用模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)控制特性的有功功率 — 頻率下垂特性與無功功率 — 電壓下垂特性的控制方法，對(duì)微電源逆變器的輸出功率進(jìn)行靈活控制。 第 3章 微電網(wǎng)技術(shù)運(yùn)行 13 圖 有功功率 頻率的下垂特性 仿照傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)頻率特性，可畫出微電源逆變器的有功功率 —頻率下垂特性曲線如圖 。圖中 f、 P 分別為微電網(wǎng)母線頻率與微電源逆變器輸出的有功功率。 Nf 、 NP 分別為微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)母線額定頻率與微電源逆變器輸出的有功功率；微電源逆變器輸出有功功率的最大值為 maxp ，相應(yīng)的頻率限值為 minf 。 由圖 頻率下垂特性的公式如下： NN fppmf ??? )( （ 37） maxminpp ffmNN ??? （ 38） 式（ 32）（ 33）中， m為微電源逆變器有功功率 頻率下垂曲線的斜率。 圖 無功功率 — 電壓的下垂特性 圖 — 電壓下垂特性曲線， U、 Q 分別為微燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 電網(wǎng)母線的電壓幅值與微電源輸出的無功功率。 NU 、 NQ 分別為微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)母線的額定電壓幅值與微電源輸出的無功功率；微電網(wǎng)母線電壓幅值波動(dòng)的限值分別為 minU 與 maxU ，與之相對(duì)應(yīng)的微電源輸出無功功率分別為 maxQ 與－ maxQ ?？梢缘贸龇从碂o功功率 — 電壓 下垂特性的公式如下： NN UnU ??? )( （ 39） maxmin UUnNN ??? （ 310） 式 (34)、 (35)中， n為微電源逆變器無功功率 — 電壓下垂曲線的斜率 。 微 電源逆變器改變功率下垂特性的控制 以微電網(wǎng)中某一個(gè)微電源為例（如圖 ），設(shè)微電源逆變器的額定容量為 S。當(dāng)微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，微電源逆變器輸出的視在功率為 NS ，有功功率為 Np ，有功功率的最大值為 Npmax, ,無功功率為 NQ ，無功功率的最大值為 NQmax, ，功率因數(shù)角為 N? ，微電源逆變器的有功功率 — 頻率下垂特性為： NN fppmf ??? )( （ 311） NNNN pp ffmm ax,m in???