微网分布式电源及其运行控制分析

微网分布式电源及其运行控制分析

银瑞平

四川明星电力股份有限公司 四川 遂宁 629000

摘要：相较于传统大电网，微网属于小型可控系统，可以接纳分布式电源提高可再生能源利用效率。考虑到分布式电源具有较强随机性，还要加强微网接入研究。对微网采用的恒功率控制、下垂控制等多种运行控制策略展开分析，能够使微网在独立或并网运行状态下始终保持稳定，从而使区域供电可靠性得到提高。

关键词：微网；分布式电源；运行控制策略

引言：作为由各种位电源、负荷等构成的小型电网，微网需要实现自我保护和控制。由于微网能够实现独立或并网运行，促进了分布式电源的大规模投入，成为了主动式配电网建设的重要形式。但微网能否可靠供电，还与采取的控制策略有关。因此，还应加强微网分布式电源及其运行控制研究，从而有效推动微网建设与发展。

1微网分布式电源分析

分布式电源种类不同，工作原理也存在差异，在接入时则具有随机性，在大量接入时将给电网调度带来较大困难。而微网中包含各种分布式电源，如燃料电池、光伏发电机组、风机发电机组等，需要统一在微网运行控制下实现电能供应。为保证微网稳定工作，还要对各种直流源和交流源进行逆变处理，从而输出高质量电压波形，然后与电网连接。实际光伏发电等电源带有不可控特点，难以为微网稳定运行提供电压和频率支撑，因此还要在供能侧加装储能模块保证输出功能稳定。而光伏发电等分布式电源因为种类不同带有不同输出特性，如风机发电与所处环境风速、风力等因素有关，需要通过曲线拟合对发电出力与风速关系进行描述，通过建立特性方程对发电功率进行预测^[1]。在规定负荷范围内对负载逆变电源大小进行调节，从而实现电能稳定输出，则需要采取不同运行控制策略，确保微网成为可控单元顺利与电网配合。

2微网分布式电源运行控制策略

2.1恒功率控制策略

针对风力发电等分布式电源，由于需要对最大功率点进行跟踪，使风机输出功率得到最大限度消纳，因此在接入电源逆变器时可以采取恒功率控制策略。该策略简称为PQ控制，由于微网逆变器输出功率保持耦合关系，三相输出电压角度各相差120°，能够根据三相电压和电流值进行有功和无功功率输出表达。通过对电压进行park变换能够完成解耦分析，得到输出电流直轴和交轴分量^[2]。将电网电压和频率当成是基准，对分布式电源输出电流幅值和相位进行控制，能够实现恒功率输出。通常情况下需要将无功功率设定为零，对单位功率因素下的功率值进行设定，然后利用电流或电压控制方式实现功率输出调节。

采取电流控制方法，可以通过微网控制中心进行参考功率设定，如图1所示，通过加强电流反馈控制达到稳定控制目标。结合微网电压，能够实现电流值计算，然后根据锁相环（PLL）完成电压相位调整，实现输出电流调节。

图 1 电流反馈输出调节示意图

采取电压控制方法，需要将分布式电源看成是电流源，通过测量逆变器端口输出值实现功率调节。根据有功和无功功率节点流动情况，可以对节点间的阻抗值进行假设，然后利用LC电路实现节点隔离。感性电缆有功和无功功率分别等比例于相位差和电压差，因此能够通过调节分布式电源输出电压相角实现输出功率调节。在控制策略实现过程中，需要利用参考电压相角对有功功率进行调节，并通过调节电压幅值实现无功输出调节。针对参考值与实际值间的误差，还要采用PI调节方式，使逆变器输出电压得到调整。实际在线路阻抗较小的情况下，即便发生的电压波动较小也将引发较大的功率变化。在分布式电源直接接入的情况下，难以对电压幅值等参数进行严格控制，因此还要利用电感设备辅助实现电压控制。

2.2下垂控制策略

针对储能模块等微网接入的可控单元，可以结合不可控单元工作状态实现模块控制器调节，采用下垂控制策略实现电源变换器的充放电控制，使微网运行期间产生的功率波动得到抑制。从策略应用原理上来看，通常分布式电源需要通过逆变器接入微网。如果微网独立运行，相当于实现多个逆变器并联，还要采用并联逆变换技术实现输出功率调节。此时，有功功率传输主要受功角δ_n影响，而无功受逆变单元输出电压幅值V_n影响，并联单元输出功率与电压之间呈现出近线性关系。对逆变单元输出角频率w_n或频率f_n进行调节，能够实现相位控制，从而实现有功功率的输出调节，得到：

在逆变器容量并不相同的情况下，不同电源输出功率和电压间的下垂曲线并不相同，还要通过各自调节达到稳定状态，实现功率合理分配。如果下垂曲线相同，在达到稳定状态则能使分布式电源拥有相同功率输出。采取下垂控制策略，还要通过对各逆变单元输出值进行检测完成有功和无功计算，然后根据容量进行指令值的设定，通过反相微调实现功率合理分配。针对功率大的电源，需要通过减小输出频率减小输出，反之可以使输出小的电源输出更大有功功率。通过不断自我调节，如图2所示，能够达到最小环流点。逆变单元有功和无功功率下垂系数分别为m和n，V

₀和f₀分别为无功为零输出电压和电网频率。在有功给定信号为P_ref的情况下，与反馈信号P间误差为ΔP。经过下垂转换，能够得到Δf，与电网频率叠加后可以实现积分调节，得到相角信号w。而Q为无功功率，与指令Q_ref叠加后能够通过下垂转换为ΔV，与V₀叠加可以得到幅值信号，生成SPWM信号实现逆变单元调节控制。无论微网保持独立运行还是并网运行，都可以通过调节分布式电源频率和电压进行功率输出调节，使并联逆变单元能够共享功率。但实际为加强电能质量控制，要求电压变化范围不超88-110%，频率调整不超±1%。

图 2 逆变单元的下垂控制流程

2.3恒压恒频控制

在微网独立运行的过程中，为保证输出电压稳定，可以通过逆变器反馈实现恒压恒频调节。结合微网运行管理经验可知，通过需要设置电压外环和电流内环，通过双环控制实现电压和频率调节。采取该策略，需要将电压和频率当成是节点，将分布式电源这两个参数控制在固定范围内，保证电源输出稳定。如风机发电等分布式电源存在较大随机扰动，还要利用电流随动系统对各种干扰进行抵御，加强交流侧电压调节，使微网保持稳态运行^[3]。利用电流内环增加逆变器控制带宽，能够使设备动态响应得到加快，较好适应非线性负载的扰动，使输出谐波得到减少。针对敏感负荷，可以通过保证输出电压稳定为其他装置运行提供保障。微网容量较小，发生发电装置停止运行的情况还要将非重要负荷断开，以确保微网能够持续为重要负荷供电。实现恒压恒频控制，能够在发生负荷投切情况时进行动态响应，通过闭环控制确保输出电压稳定。实际对分布式电源输出功率进行计算可知，输出频率取决于空载频率、有功功率及其调节系数，而电压则取决于空载电压、无功功率及其调节系数。将给定电流、电压分别与内环电流和外环电压比较，根据差值进行PI调节能够保证电压得到稳定输出。

结论：在分布式电源大量接入微网的情况下，想要保证微网能够保持高质量和灵活供电，还要结合接入的分布式电源特性灵活运用各种运行控制策略，通过加强逆变器输出功率、分布式电源输出电压等各种参数调节保证微网可靠运行，继而使微网能够配合电网保持高效、安全供电，体现较强自我管理能力。

参考文献：

[1]徐远志,张会林,赵星虎.基于SelPSO算法的微网系统优化调度[J].电子测量技术,2020,43(17):45-50.

[2]李海涛,崔树春,闻枫.基于r-BBMOPSO算法的微电网优化运行方法[J].广东电力,2020,33(08):78-85.

[3]雷二涛,马明,王玲,等.基于微网内节点功率优化配置的频率-电压调节方法[J].可再生能源,2019,37(12):1794-1801.