含電壓源型逆變器和同步電機(jī)接口的微網(wǎng)控制.pdf

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第40卷第23期 2012年12月1日 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 Power System Protection and Control V 01 40 No 23 Dec 1 2012 含電壓源型逆變器和同步電機(jī)接口的微網(wǎng)控制 高曉芝 李林川 張蕾 天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室 天津300072 摘要 根據(jù)微電源類型的不同 其入網(wǎng)接口方式也可分為兩種 電壓源型逆變器 Voltage Source Inverter VSI 接口和 同步電機(jī) Synchronous Generator SG 接口 設(shè)計了一種包含這兩種接口方式的微網(wǎng)控制策略 VSI接口采用針對有功 功率限值的設(shè)定進(jìn)行改進(jìn)的下垂控制策略 并添加相應(yīng)濾波裝置使得控制更加精準(zhǔn) sG接口在下垂控制策略基礎(chǔ)上改進(jìn)輸 出所需機(jī)械功率及勵磁電壓驅(qū)動電機(jī)運行 二者之間無需復(fù)雜的通信環(huán)節(jié) 可實現(xiàn)功率輸出自我調(diào)整 并使微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定在 電能質(zhì)量允許的范圍內(nèi) 為實現(xiàn)微網(wǎng)與大電網(wǎng)的無縫轉(zhuǎn)接 設(shè)計靜態(tài)開關(guān) StatiC Switch SS 使得電網(wǎng) sG接口的微 電源 VSI接口的微電源在彼此電壓接近同頻同相時接通 仿真算例驗證了微網(wǎng)控制策略及靜態(tài)開關(guān)設(shè)計的有效性 關(guān)鍵詞 VSI 同步電機(jī) 下垂控制策略 并網(wǎng) 靜態(tài)開關(guān) Microgrid control with voltage source inverter interface and synchronous generator interface GAO Xiao zhi LI Lin chuan ZHANG Lei Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education Tianjin Univemity Tianjin 300072 China Abstract Based on the different types of Microsources the interfaces of the microsources call be divided into two types voltage source inverter rVsi interface and synchronous generator interface This paper proposes the control strategy of AC Micrclgrid which contains the two interfaces The VSI interface adopts the improved droop control strategy by considering active power limit and adding filters to make the control more accurate The SG interface modifies the droop control strategy to get the mechanical power and filed voltage to drive the SG There is no need about communication between the SG and VSI and the two interfaces Can adjust their active power output autonomously and the microgrid system will reach balance within the limit of power quality demands To achieve the continuous connection between the microgrid and grid the static switch is designed to make the microgrid connect with the grid when the voltages have nearly the same frequency and amplitude The simulation results testify the effectiveness of the proposed control strategyand SS Key words VSI SG droop control strategy grid connection SS 中圖分類號 TM71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674 3415 2012 22 0145 06 0引言 近年來由于能源和環(huán)境壓力 分布式電源以其 獨有的環(huán)保性 經(jīng)濟(jì)性引起越來越多的關(guān)注 將 分布式電源以微網(wǎng)的形式投入應(yīng)用 不僅避免了間 歇性電源造成的電能質(zhì)量問題 也提高了供電可靠 性和安全性 2 微網(wǎng)中分布式電源可分為 微型燃 氣輪機(jī) 燃料電池 光伏發(fā)電 風(fēng)力發(fā)電 內(nèi)燃機(jī) 和儲能裝置等L6 J 分布式電源接入微網(wǎng)的接口方式 可分為同步發(fā)電機(jī)組 Synchronous Generators SG 接口和電壓源型逆變器 Voltage Source Inverter VSI 接口兩種 9 其中燃?xì)廨啓C(jī) 小型柴油發(fā)電機(jī) 組 內(nèi)燃機(jī)多用SG接口 光伏發(fā)電 燃料電池和 儲能裝置則多采用VSI接口 現(xiàn)階段國內(nèi)微網(wǎng)的研究多集中于通過VSI接口 接入微網(wǎng)的微電源 對于采用SG接口方式的微電 源研究較少 文獻(xiàn) 10 研究了含同步發(fā)電機(jī)及電壓 源逆變器接口的微網(wǎng)控制策略 配置潛遺傳變論域 模糊控制的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器實現(xiàn)了微網(wǎng)的穩(wěn)定控制 及聯(lián)網(wǎng)向孤島模式的平滑轉(zhuǎn)接 但由于采用了高精 度自適應(yīng)控制器 也導(dǎo)致微網(wǎng)整體控制結(jié)構(gòu)較為復(fù) 雜 實際實現(xiàn)并不容易 本文依據(jù)下垂控制策略可 根據(jù)分布式電源自身的相關(guān)信息進(jìn)行獨立控制 省 去復(fù)雜的通信環(huán)節(jié) 實現(xiàn)了分布式電源的即插即用 的優(yōu)勢 設(shè)計了VSI和SG接口的相應(yīng)下垂控制策 略并加以改進(jìn) 同時添加相應(yīng)的濾波環(huán)節(jié)使控制更 146 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 為精準(zhǔn) 微網(wǎng)既可與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行 也可在電網(wǎng)故障 或需要時與主網(wǎng)斷開獨立運行 當(dāng)導(dǎo)致微網(wǎng)孤島運 行的因素消除后 微網(wǎng)需要重新和大電網(wǎng)相聯(lián) 此 時要考慮微網(wǎng)與大電網(wǎng)的同步問題 本文在分析開 合閘條件的理論基礎(chǔ)上 設(shè)計實現(xiàn)了連接微網(wǎng)與大 電網(wǎng)的靜態(tài)開關(guān)裝置 Static Switch SS 通過檢 測比較微網(wǎng)側(cè)電壓和電網(wǎng)側(cè)電壓值 使得ss在雙 方壓差值控制在允許范圍內(nèi)時合閘 從而避免沖擊 電流的產(chǎn)生 實現(xiàn)微網(wǎng)與大電網(wǎng)的無縫轉(zhuǎn)接 1 微網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)及控制策略 1 1微網(wǎng)基本結(jié)構(gòu) 本文主要以一個VSI接口和一個SG接口的微 網(wǎng)為例進(jìn)行分析 微網(wǎng)通過SS在公共連接點 PCC 處 與大電網(wǎng)相連 如圖1所示 圖1微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖 Fig 1 Microgrid configuration 1 2 VSI接口控制策略 微電源通過VSI接口接入網(wǎng)絡(luò)時 由于微電源 針對自身的波動性多有相應(yīng)的控制和補(bǔ)償裝置 因 此仿真中多用理想直流電壓源作為微電源的等效模 型 微電源輸出的功率電壓電流等控制則主要通過 vSI接口來實現(xiàn) 此處采用文獻(xiàn) 11 中提出的下垂控制策略 主 要通過控制微電源的頻率和電壓在一定范圍內(nèi)波動 使得輸出的有功和無功接近設(shè)定值 在聯(lián)網(wǎng)的情況 下 若微電源設(shè)定功率輸出值大于等于負(fù)荷所需 則微電源自行調(diào)整輸出滿足負(fù)荷需求 避免向大電 網(wǎng)輸出電能 若功率設(shè)定值小于負(fù)荷所需 微電源 輸出功率為設(shè)定值 同時從大電網(wǎng)獲得剩余所需電 能和頻率支持 孤島情況下 微電源自動調(diào)整輸出 功率 使其滿足負(fù)荷所需 微電源需保證頻率和電 壓在所允許范圍內(nèi)波動 若孤島情況下頻率超出允 許范圍 則通過投切負(fù)荷保證電能質(zhì)量 其主要控 制策略如圖2所示 P 圖2下垂控制策略 Fig 2 Droop control scheme 文獻(xiàn) 10 提到微電源的輸出有功功率應(yīng)該在一 定的范圍內(nèi) 當(dāng)微電源達(dá)到輸出有功功率的限值時 需強(qiáng)制將其下垂特性轉(zhuǎn)為垂直特性 本文用PI環(huán)節(jié) 建立功率偏差和角頻率偏差的關(guān)系 通過添加角頻 率罰值來實現(xiàn)功率限值下垂特性到垂直特性的轉(zhuǎn) 換 改進(jìn)后的控制策略如圖3所示 圖3改進(jìn)后的VSI控制策略 Fig 3 The improved VSI control strategy 圖中 和ACOm 環(huán)節(jié)的適用條件為 0 角頻率罰值范圍為0 A ax0 角頻率 罰值范圍為一丁 ACOm 0 另外 根據(jù)仿真諧波分析結(jié)果并考慮易于實現(xiàn) 程度 2 BJ 本文在控制策略中添加一階慣性濾波環(huán) 節(jié)來濾除諧波電流 諧波電壓以及由此導(dǎo)致的有功 功率無功功率計算值的偏差 如圖4所示 l 簍H 繁H I l值計算得出的P搠 濾波環(huán)節(jié) cas I l蠱 O H 霉H I I值計算得出的 f 濾波環(huán)節(jié)r I 圖4控制策略中添加濾波裝置 Fig 4 Filters added to the control strategy 高曉芝 等 含電壓源型逆變器和同步電機(jī)接口的微網(wǎng)控制 147 1 3 SG接口控制策略 由于下垂控制策略可根據(jù)分布式電源自身的相 關(guān)信息進(jìn)行獨立控制 省去復(fù)雜的通信環(huán)節(jié) 實現(xiàn) 了分布式電源的即插即用的優(yōu)勢 SG接口的控制也 采用下垂控制策略 但同步電機(jī)需要輸入合適的勵 磁電壓和機(jī)械功率才能使得同步電機(jī)工作在電能質(zhì) 量允許范圍內(nèi) 設(shè)計的SG接口下垂控制策略如圖 5所示 圖5 SG控制策略 Fig 5 The SG control strategy 控制策略中采集的控制信號為發(fā)電機(jī)出口處的 角速度 電壓和電流 再由測得的電壓和電流值計 算出發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和無功功率 P 為預(yù)先設(shè)定的有功功率和無功功率值 為標(biāo)準(zhǔn)角頻率值和標(biāo)準(zhǔn)電壓幅值 在聯(lián)網(wǎng) 的情況下 同步發(fā)電機(jī)輸出功率為 輸出 電壓為標(biāo)準(zhǔn)電壓 對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)角頻率值和標(biāo)準(zhǔn)電壓幅 值 同步電機(jī)接口控制策略主要分為兩部分 1 由尸 下垂控制策略求得 后 與測量的角頻率值 的差值經(jīng)過PI環(huán)節(jié)調(diào)整作為功率偏差 功率偏差與 計算得出的有功功率值之和為發(fā)電機(jī)所需的機(jī)械功 率值 限制器環(huán)節(jié)可避免暫態(tài)情況下過大或者過小 的機(jī)械功率需求 求得的機(jī)械功率可作為原動機(jī)與 調(diào)速系統(tǒng)的控制信號 調(diào)節(jié)燃料供應(yīng)及進(jìn)氣閥門位 置 從而使得發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工作 2 Q v下垂控制 策略求得 后 與測量的電壓比較 經(jīng)過PI環(huán)節(jié) 調(diào)整后作為勵磁系統(tǒng)的輸入電壓信號 最終得出勵 磁電壓 使得發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定 2 SS的設(shè)計與實現(xiàn) 靜態(tài)開關(guān) sS 作為大電網(wǎng)與微網(wǎng)的重要連接部 件 需實現(xiàn)在故障或需要時微網(wǎng)與主網(wǎng)斷開獨立運 行的能力 也需要具備當(dāng)導(dǎo)致微網(wǎng)孤島運行的因素 消除后 微網(wǎng)重新和大電網(wǎng)相聯(lián)的功能 J 引 微網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開運行功能實現(xiàn)相對簡單 可 通過檢測信號分析 一旦發(fā)現(xiàn)故障或需要獨立運行 則發(fā)出開閘指令 斷開聯(lián)接 微網(wǎng)與大電網(wǎng)重新聯(lián) 接時 為避免電流沖擊則需要檢測比較微網(wǎng)和電網(wǎng) 側(cè)電壓值 微網(wǎng)并網(wǎng)的理想條件是靜態(tài)開關(guān)兩側(cè)電 壓的三個狀態(tài)量全部相等 即電壓的頻率相等 電 壓的幅值相等 電壓的相角差為零 實際操作中 不可能實現(xiàn)完全理想的情況 只能把雙方壓差值控 制在允許范圍內(nèi) 微網(wǎng)以下垂控制策略孤島運行時 當(dāng)設(shè)定功率 輸出值不能滿足微網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷所需時 則通過下調(diào) 微網(wǎng)內(nèi)部頻率來增大功率輸出 因此微網(wǎng)與大電網(wǎng) 重新連接時 其運行頻率多低于標(biāo)準(zhǔn)頻率 與大電 網(wǎng)連接后 微網(wǎng)獲得相應(yīng)的功率支持 頻率升高至 標(biāo)準(zhǔn)頻率 假設(shè)大電網(wǎng)電壓矢量為 微網(wǎng)電壓矢 量為礦 以每秒鐘50 Hz的頻率逆時針旋轉(zhuǎn) 礦以 低于50 Hz的頻率逆時針旋轉(zhuǎn) 以 為參照物 則 為相當(dāng)于沿順時針方向圍繞 旋轉(zhuǎn) 如圖6所示 主 V 3 一 圖6 E V旋轉(zhuǎn)曲線 Fig 6 E V rotating curve 由圖7可知 當(dāng)大電網(wǎng)電壓超前于微網(wǎng)電壓時 電流由大電網(wǎng)流向微電網(wǎng) 電壓電流關(guān)系如式 1 所 示 U 一V Z I1 1 反之 則由微網(wǎng)流向大電網(wǎng) 電壓電流關(guān)系如 式 2 所示 大電網(wǎng) 礦 微網(wǎng) 圖7 電流流向圖 Fig 7 Current direction 150 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 策略 同時添加相應(yīng)修正環(huán)節(jié)使其適用于同步電機(jī) 仿真 考慮到微網(wǎng)與大電網(wǎng)的無縫轉(zhuǎn)接 本文分析 給定了靜態(tài)開關(guān)裝置的開合閘條件 在此基礎(chǔ)上設(shè) 計實現(xiàn)了靜態(tài)開關(guān) 仿真結(jié)果表明控制策略和靜態(tài) 開關(guān)是切實可行的 參考文獻(xiàn) 1 Lasseter R H Piagi P Microgrid a conceptual solution C IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference Aachen Germany IEEE 2004 4285 4290 2 黃偉 孫昶輝 吳子平 等 含分布式發(fā)電系統(tǒng)的微網(wǎng) 技術(shù)研究綜述 J 電網(wǎng)技術(shù) 2009 33 9 14 18 HUANG Wei SUN Chang hui WU Zi ping et a1 A review on microgrid technology containing distributed generation system J Power System Technology 2009 33 9 14 18 3 王成山 王守相 分布式發(fā)電供能系統(tǒng)若干問題研究 J 電力系統(tǒng)自動化 2008 32 20 1 4 31 WANG Chen shan WANG Shou xiang Study on some key problems related to distributed generation systems J Automation of Electric Power Systems 2008 32 20 1 4 31 4 蘇玲 張建華 王利 等 微電網(wǎng)相關(guān)問題及技術(shù)研究 J 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 2010 38 9 235 239 SU Ling ZHANG Jian hua WANG Li et a1 Study on some key problems and 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包含同步發(fā)電機(jī)及電壓逆 變器接121的微網(wǎng)控制策略 J 電網(wǎng)技術(shù) 2011 35 3 170 176 ZHANGLi XUYu qin WANGZeng ping et a1 Control scheme of microgrid fed by synchronous generator and voltage source inverter J Power System Technology 2011 35 3 170 176 10 Piagi Lasseter R H Autonomous control ofmicrogrids C IEEE Power Engineering Society General Meeting Qu6bec Canada 2006 1 1 Piagi Microgrid control D University of Wisconsin Madison 2005 12 Wakileh G J 電力系統(tǒng)諧波基本原理 分析方法和濾波 器設(shè)計 M 徐政 譯 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2003 Wakileh G J Power systems harmonics fundamentals analysis and filter design M XU Zheng trans Beijing China Machine Press 2003 13 邱曉初 肖建 吳昌東 基于線性濾波器的三相四線 制諧波電流檢測 J 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 2011 39 9 44 51 58 QIU Xiao chu XIAO Jian WU Chang dong A novel harmonic current detection method for three phase four wire system based on linear filter J Power System Protection and Control 2011 39 9 44 51 58 14 時珊珊 魯宗相 閔勇 等 微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時的頻 率特性分析 J 電力系統(tǒng)自動化 2011 35 9 36 41 SHI Shan shan LU Zong yang MIN Yong et a1 Analysis on frequency characteristics of islanded microgrid J Automation of Electric Power Systems 2011 35 9 36 41 15 Best R J et a1 Synchronous islanded operation of a diesel generator J IEEE Transactions on Power Systems 2007 2170 2176 收稿日期 2012 02 17 作者簡介 高曉芝 1981一 女 博士研究生 從事微網(wǎng)控制及其 電能質(zhì)量的研究 E mail hebgirl1981 yahoo com cn 李林川 1948一 男 教授 博士生導(dǎo)師 從事電力系 統(tǒng)優(yōu)化 人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等研究 張蕾 1988一 女 碩士研究生 從事微網(wǎng)控制及電 能質(zhì)量的研究