智能電網(wǎng)：微網(wǎng)并網(wǎng)控制策略的研究

微網(wǎng)(MG)作為智能電網(wǎng)重要組成部分，目前在控制方面還存在一些問題，特別是微網(wǎng)的解列和并網(wǎng)控制。針對并網(wǎng)過程對微網(wǎng)和主電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，通過研究電網(wǎng)中的頻率和功率特性關(guān)系，對微網(wǎng)并網(wǎng)過程中的功率流動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。最后使用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC對并網(wǎng)過程進(jìn)行了仿真，通過比較最佳并網(wǎng)時(shí)刻前后的不同并網(wǎng)過程，分析了其頻率和功率變化的不同。研究結(jié)果表明，微網(wǎng)和主電網(wǎng)電壓相對相位的不同對并網(wǎng)過程的電能質(zhì)量有很大的影響。

0 引 言

隨著我國對智能電網(wǎng)研究和規(guī)劃的正式啟動(dòng)， 作為智能電網(wǎng)基礎(chǔ)部分的分布式電源(Distributed Generation， DG)越來越受到人們的關(guān)注。DG 主要包括微汽輪機(jī)、風(fēng)能、太陽能、燃料電池、生物質(zhì)能等。其一般和負(fù)載一起組成微網(wǎng)， 作為一個(gè)可控單元接入主電網(wǎng)。在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)， 微網(wǎng)通過公共連接點(diǎn)和主電網(wǎng)連接， 當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生故障或者電能質(zhì)量問題時(shí)， 微網(wǎng)迅速與主電網(wǎng)斷開， 獨(dú)立向內(nèi)部負(fù)載供電 ， 當(dāng)故障解除、主電網(wǎng)恢復(fù)正常后， 微網(wǎng)可以再次和主電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。為了保證在并網(wǎng)過程中微網(wǎng)和主電網(wǎng)的電壓和頻率等電能質(zhì)量指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)， 并網(wǎng)過程一定要采取合理有效的控制策略， 保證并網(wǎng)過程的順利安全進(jìn)行。

本研究中只考慮并網(wǎng)后電網(wǎng)向微網(wǎng)注入功率， 而微網(wǎng)向電網(wǎng)注入功率的控制在以后的研究中進(jìn)一步深入探討。通過PSCAD /EMTDC仿真， 重點(diǎn)研究并網(wǎng)過程的電壓和頻率波動(dòng)， 提出安全有效的并網(wǎng)控制方法。

1 典型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

典型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示， 主要由分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)載和保護(hù)裝置組成一個(gè)低壓電網(wǎng)( low voltage， LV)， 通過變壓器和主電網(wǎng)的中壓電網(wǎng)(medium voltage， MV)連接 ， 當(dāng)主電網(wǎng)中發(fā)生重大電能質(zhì)量問題時(shí)， 微網(wǎng)控制中心(MicroGrid Control Center，MGCC)控制微網(wǎng)進(jìn)入孤島模式運(yùn)行， 保護(hù)微網(wǎng)內(nèi)部敏感和重要設(shè)備。微網(wǎng)的并網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜的控制過程，在閉合之前需要對一些電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行檢查， 只有這些指標(biāo)滿足同步并網(wǎng)要求， 才能合上開關(guān)接入主電網(wǎng)。

2 并網(wǎng)后的功率流動(dòng)

在電力系統(tǒng)中，當(dāng)功率出現(xiàn)不平衡或者頻率發(fā)生變化時(shí)，頻率和功率的調(diào)整是由負(fù)荷和電源兩者的調(diào)節(jié)效應(yīng)來完成。系統(tǒng)中的頻率和有功功率間的關(guān)系為：

$f = - Ks$P = - Ks(P0-P1) (1)

式中Ks系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)特性;$P系統(tǒng)有功功率的變化;P0、P1不同頻率下對應(yīng)的功率;$f系統(tǒng)頻率的變化。

在孤島模式下，DG提供了微網(wǎng)內(nèi)部負(fù)載所需的所有功率。并網(wǎng)后DG產(chǎn)生功率的多少由微網(wǎng)控制中心的指令決定，微網(wǎng)所需功率的缺額部分再由電網(wǎng)注入。

圖2 孤島系統(tǒng)的頻率-功率特性圖

兩個(gè)孤島系統(tǒng)的頻率-功率特性圖如圖2所示。在連接之前，DG(A)、DG(B)分別以不同頻率獨(dú)立向各自負(fù)載供電，DG(A)的頻率為 fa，DG(B)的頻率為fb，連接后成為含有兩個(gè)DG的孤島。在分開運(yùn)行時(shí)A比B的頻率要高，當(dāng)它們并網(wǎng)連接后只能在同一個(gè)頻率f0下運(yùn)行。從圖2可以看出，此時(shí)A由于頻率下降增加了$Pa的功率輸出，B由于頻率上升減少了$Pb的功率輸出，而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載沒有變化，所以$Pa等于$Pb，并網(wǎng)后功率從A流向了B。同樣，如果并網(wǎng)前DG(A)的頻率低于DG(B)，連接以后功率從B流向了A。這說明并網(wǎng)后功率會(huì)從并網(wǎng)前頻率高的流向頻率低的，所以要使并網(wǎng)以后功率從電網(wǎng)流向微網(wǎng)，必須保證并網(wǎng)前電網(wǎng)頻率要稍高于微網(wǎng)頻率。

上面這種情況在實(shí)際應(yīng)用中也是很有可能遇到的，當(dāng)發(fā)生重大事故后，所有DG都將和微網(wǎng)分離，在微網(wǎng)重新啟動(dòng)時(shí)，DG將依次接入微網(wǎng)。

3 同步并網(wǎng)控制策略

一般來說，并網(wǎng)前兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，其運(yùn)行頻率很難調(diào)整到完全相同。并網(wǎng)前電網(wǎng)電壓和微網(wǎng)電壓分別為U#g和U#m，電壓幅值Ug=Um，頻率fgXfm。假設(shè)并網(wǎng)后功率從電網(wǎng)注入微網(wǎng)，根據(jù)并網(wǎng)后功率流動(dòng)的分析，fm要稍低于fg，可得開關(guān)兩側(cè)的電壓差Us為：

Us=Ugsin(Xgt+Ug)-Umsin(Xmt+Um) (2)

其中，Xg=2Pfg，Xm=2Pfm。

式(2)可變換為：

式中D)滑差角頻率，D=Xg-Xm;B)初相位差，B=Ug-Um。

則式(3)可表示為：

由于Uk是一個(gè)大小波動(dòng)的值，Us是以2Ug為最大值的脈動(dòng)電壓。

圖3 微網(wǎng)仿真模型圖

微網(wǎng)仿真模型圖如圖3所示，微網(wǎng)含有一個(gè)DG和負(fù)載，以直流電源通過逆變器產(chǎn)生交流電來模擬DG，微網(wǎng)通過并網(wǎng)開關(guān)和主電網(wǎng)連接。假設(shè)并網(wǎng)前電網(wǎng)電壓為 E#g，微網(wǎng)電壓為E#m，根據(jù)上面功率流動(dòng)的分析，要使并網(wǎng)后功率從電網(wǎng)流向微網(wǎng)，并網(wǎng)前電網(wǎng)頻率要稍高于微網(wǎng)頻率，即E#g的頻率稍高于E#m的頻率。同時(shí)根據(jù)上面對電壓差的分析得出式(5)，可知并網(wǎng)開關(guān)兩側(cè)的電壓差是脈動(dòng)電壓，仿真結(jié)果如圖4(a)所示。在5.0s時(shí)刻的局部放大圖如圖4(b) 所示，從圖中可以看出，5.0s是最合適的閉合開關(guān)時(shí)刻(這樣的時(shí)刻是周期性出現(xiàn)的)，開關(guān)兩側(cè)的電壓差最小，閉合過程產(chǎn)生的瞬間電流也很小，安全性能比較高。

電壓E#g和E#m的對比圖如圖5所示(點(diǎn)劃線是電網(wǎng)電壓E#g，實(shí)線是微網(wǎng)電壓E#m)。綜合圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)在5.0s是并網(wǎng)的最佳時(shí)刻，但是在實(shí)際應(yīng)用中恰好在5.0s這個(gè)時(shí)刻閉合開關(guān)的可能性很小，往往都是這點(diǎn)的前后合上開關(guān)。仔細(xì)觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)在5.0s前后是兩種不同的情況，5.0s之前是E#m超前于E#g，即E#m的相位超前E#g，5.0s之后則是相反的情況，E#g超前于E#m。下面重點(diǎn)分析這一不同點(diǎn)對并網(wǎng)過程的影響。

微網(wǎng)的總負(fù)載是2.0pu，在孤島模式下由DG提供了全部的功率，而并網(wǎng)后要求DG的輸出功率是1.0pu。首先在5.0s之前閉合開關(guān)，在這個(gè)時(shí)間段E#m超前于E#g，就是說頻率低的電壓相位超前于頻率高的電壓，同時(shí)保證開關(guān)兩側(cè)的電壓差盡量小。在并網(wǎng)過程中DG的輸出功率和頻率的變化如圖6所示。

從圖6(a)可以看到，在并網(wǎng)過程中有一段向上的功率輸出波動(dòng)，然后又迅速回到正常水平。因?yàn)樵诓⒕W(wǎng)前后整個(gè)系統(tǒng)的總負(fù)載沒有變化，對微網(wǎng)來說，那些額外產(chǎn)生的功率流向了并網(wǎng)后的主電網(wǎng)。從圖6(b)中可見，并網(wǎng)過程中有一段頻率突然下降，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了激烈的波動(dòng)。

5.0s之后閉合開關(guān)的情況如圖7所示，電壓差比較小的時(shí)候并網(wǎng)，頻率高的E#g超前于頻率低的E#m，從圖7(a)可以明顯地發(fā)現(xiàn)功率從2.0pu變化到1.0pu，沒有較大的波動(dòng)，過渡比較平穩(wěn)。在圖7(b)中，頻率的過渡同樣也是比較平滑。因此如圖7所示的情況才是最佳的并網(wǎng)過程，頻率和功率波動(dòng)都比較小，而且由于是在電壓差比較小的時(shí)刻閉合并網(wǎng)開關(guān)，開關(guān)中產(chǎn)生的瞬時(shí)電流也比較小，整個(gè)過程中電能質(zhì)量得到了有效的保證。

4 結(jié)束語

本研究通過對含有一個(gè)DG的微網(wǎng)并網(wǎng)過程仿真，研究了并網(wǎng)過程中頻率和電壓波動(dòng)變化，著重分析了在并網(wǎng)前開關(guān)兩側(cè)電壓相對相位超前和落后的兩種不同情況，提出了微網(wǎng)并網(wǎng)的最佳控制策略：

(1)并網(wǎng)時(shí)開關(guān)兩側(cè)的電壓差必須很小，理想狀態(tài)為零;

(2)電網(wǎng)頻率必須稍高于微網(wǎng)頻率;

(3)并網(wǎng)時(shí)刻電網(wǎng)電壓必須超前于微網(wǎng)電壓。

并網(wǎng)后微網(wǎng)向主電網(wǎng)注入功率的情況在以后進(jìn)一步進(jìn)行研究。

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