光伏發(fā)電系統(tǒng)微電網(wǎng)控制策略分析案例1.1微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)總的組成共包含4個(gè)組成部分，分別為：電源模塊、負(fù)荷模塊、控制設(shè)備模塊、儲(chǔ)能設(shè)備模塊，并通過一定的方式連接到一起，從而構(gòu)成小型發(fā)電系統(tǒng)、整個(gè)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中包含的組成部分十分重大，如發(fā)電機(jī)組、蓄電池、太陽能模塊等都可以視為主電源。本文主要針對(duì)光伏太陽能電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究，有太陽能電池?zé)o污染、輸出電壓低、成本少因此逐漸成為各國主要研究的青睞對(duì)象，通常涉及的光伏發(fā)電設(shè)置在用戶側(cè)。從用戶使用光伏電池的角度來看，可以將微電網(wǎng)視為一個(gè)大電網(wǎng)，但從整個(gè)電力系統(tǒng)來講，微電網(wǎng)只是其中一個(gè)很小的發(fā)電單元，可以根據(jù)用戶需要為用戶提供電能，或?qū)l(fā)電并入系統(tǒng)等。當(dāng)前講到的微電網(wǎng)概念大多指的是光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及燃料電池等新能源發(fā)電，不僅可為自身使用發(fā)電，還可根據(jù)需要將產(chǎn)生的剩余電能并入到大電網(wǎng)為其他客戶提供所需的電能[30]。1.2基本控制策略分析1.2.1光伏逆變電源的兩種運(yùn)行模式根據(jù)微電網(wǎng)整體的運(yùn)行模式看，可分為兩種運(yùn)行狀態(tài)，分別為并網(wǎng)運(yùn)行模式和孤島運(yùn)行模式。當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式狀態(tài)下，此時(shí)微電網(wǎng)的運(yùn)行要受到大電網(wǎng)的影響，此時(shí)大多通過電流源（CSI）的方式完成并網(wǎng)輸出的協(xié)調(diào)和控制，使用的電流源方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于無需對(duì)電壓控制，僅通過調(diào)節(jié)控制的方式即可完成有功功率P及無功功率Q的調(diào)整，根據(jù)上面對(duì)有功和無功調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，因此稱該控制方法為PQ逆變電源調(diào)節(jié)法。將微電網(wǎng)從整個(gè)大電網(wǎng)斷開后，此時(shí)微電網(wǎng)進(jìn)入到孤島運(yùn)行狀態(tài)，微電網(wǎng)下面所有連接的負(fù)荷的供電全部由太陽能板提供，由于太陽能電池處于孤島運(yùn)行模式下，因此無法采用PQ方法對(duì)輸出調(diào)節(jié)控制，為了獲得理想的輸出性能，因此往往采用下垂特性的電源（VSI）控制方法，使用的VSI方法最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠全自動(dòng)完成輸出負(fù)荷功率的調(diào)整，從而控制母線電壓的輸出，保證微電網(wǎng)輸出電能符合要求，如圖3-1（a）所示的為VSI下垂控制圖，顯示為有功功率與電壓頻率之間關(guān)系，此外兩條直線1、2分別表示光伏電源的輸出功率與有功功率之間的關(guān)系，根據(jù)圖中各個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，隨著輸出功率的變化一定程度上也影響輸出電壓和頻率參數(shù)的變化。此外當(dāng)保持輸出頻率保持為恒定，均處于幅值為狀態(tài)下，電源1、2分別用符號(hào)和表示輸出功率，為了防止光伏電源內(nèi)部出現(xiàn)環(huán)流，需保證輸出電源幅值、頻率及相位均完全相同。如圖3-1（b），表示的為電源控制原理圖，首先輸入信號(hào)經(jīng)過逆變處理后得到輸出電壓、輸出電流信號(hào)，進(jìn)而完成P、Q解耦計(jì)算，根據(jù)采用的下垂特性方程計(jì)算公式，獲取逆變裝置輸出的信號(hào)的幅值及頻率，從而得到輸出功率數(shù)據(jù)。(a)(b)圖3-1VSI下垂控制示意圖1.2.2運(yùn)行控制分析下面對(duì)當(dāng)前使用較多的幾種控制策略分析，主要有多代理控制技術(shù)、主從控制技術(shù)、對(duì)等控制技術(shù)、功率管理系統(tǒng)控制技術(shù)。此外選取各個(gè)控制技術(shù)需要根據(jù)太陽能電池板的運(yùn)行狀態(tài)選擇合適的控制方法，如處于孤島運(yùn)行模式下，大多采用主從控制，當(dāng)微電網(wǎng)并入大電網(wǎng)狀態(tài)下，此時(shí)相比于大電網(wǎng)而言，微電網(wǎng)的輸出由大電網(wǎng)覺東，因而無需對(duì)微網(wǎng)電壓、頻率調(diào)節(jié)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)有功功率P及無功功率Q即可；當(dāng)微網(wǎng)運(yùn)行在孤島模式狀態(tài)下，采用V/f的控制方法即可對(duì)輸出調(diào)節(jié)，當(dāng)前采用的主從控制策略主要包含如下幾個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，下面簡單介紹分析[31]：１、首先需要設(shè)置檢測(cè)裝置，當(dāng)確認(rèn)微電網(wǎng)與配電網(wǎng)發(fā)生斷接后，此時(shí)微網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式，因此控制逐漸朝主從控制策略轉(zhuǎn)化，采用V/f方法即可有效保證微電網(wǎng)輸出電壓計(jì)頻率的穩(wěn)定。２、在微電網(wǎng)整體供電范圍區(qū)域內(nèi)，隨著負(fù)荷發(fā)生的變化，主控電源需要及時(shí)調(diào)整輸出電流從而保證輸出功率在要求的范圍內(nèi)，此外實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下，及時(shí)檢測(cè)光伏太陽能發(fā)電板自身運(yùn)行運(yùn)行功率發(fā)生的變化，當(dāng)前發(fā)電模塊設(shè)計(jì)時(shí)均保留了一定的可調(diào)容量，因此通過可調(diào)容量即可對(duì)相關(guān)參數(shù)完成調(diào)節(jié)，進(jìn)而保證隨著負(fù)荷的變化從而調(diào)節(jié)輸出功率，當(dāng)從屬系統(tǒng)提高輸出功率數(shù)值后，主控源輸出功率一定程度上會(huì)相應(yīng)的降低，采用該方式確保主控源具有足夠的容量對(duì)負(fù)荷變化進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。３、當(dāng)微電網(wǎng)留存的備用容量較少，無法有效完成有功功率P、無功功率Q參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)，此時(shí)可以通過主控源完成對(duì)有功功率及無功功率的調(diào)節(jié)。此外隨著負(fù)荷的上述，特別是負(fù)荷電壓具有一定的依賴性，因此可顯著降低輸出電壓值、如通過主控源方式仍然無法有效調(diào)節(jié)有功、無功功率，那么根據(jù)負(fù)荷的重要程度，在保證重要負(fù)荷的基礎(chǔ)上，依次切除不重要的負(fù)荷，從而保證微網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)上面介紹的兩種常用的控制策略，“對(duì)等”與“即插即用”原理簡單，實(shí)現(xiàn)方法，因而得到了廣泛青睞。但是應(yīng)當(dāng)看到采用的兩種控制方法需要具備一定的前提條件，適用的微電網(wǎng)具備下垂系統(tǒng)，各個(gè)機(jī)組分配的功率等處于不平衡狀態(tài)。根據(jù)電力系統(tǒng)相關(guān)理論可知，通過頻率描述有功功率，通過電壓描述無功功率，根據(jù)控制策略運(yùn)行相關(guān)算法，即可快速獲得有關(guān)有功功率與頻率、無功功率與電壓之間的關(guān)系曲線，從而完成輸出電壓和頻率的調(diào)節(jié)。下面通過圖1.2對(duì)兩種控制方法下的下垂控制示意分析，當(dāng)完成太陽能電池板電壓和頻率的采集和分析后，通過計(jì)算分析即可獲得有功、無功功率的參考值。如圖1.3所示為對(duì)輸出的有功及無功功率采集控制示意圖，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)從而計(jì)算出該狀態(tài)下微電網(wǎng)的電壓和頻率[32]。圖3-2下垂控制示意圖圖3-3下垂控制示意圖通過對(duì)等控制策略能夠得到有功及無功、電壓和頻率的表達(dá)關(guān)系式，該方法也存在一定的缺陷，如通過該方法無法獲得誤差調(diào)節(jié)，因此當(dāng)外界存在一定的干擾情況下，對(duì)系統(tǒng)頻率變化影響較大，因此無法保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出頻率參數(shù)，但可以添加必要的控制方法完成數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)，從而控制有功功率和無功功率的輸出。不同的控制策略可獲得不同的輸出性能，在滿足輸出的要求下從而獲得靈活的調(diào)節(jié)方法，采用的對(duì)等控制方法也存在一定的缺陷，如微電網(wǎng)運(yùn)行方法發(fā)生切換后，沒有詳細(xì)的考慮運(yùn)行方式變化對(duì)輸出電壓和輸出電流產(chǎn)生的影響。此外當(dāng)前對(duì)微網(wǎng)控制策略使用較多的還有多代理技術(shù)方法，該方法無需要求管理者具有較高的素質(zhì)，通過分散的方式即可有效完成微電網(wǎng)運(yùn)行，該方法大多用于市場交易及能源管理等領(lǐng)域。多代理技術(shù)也存在的缺點(diǎn)和不足之處，如針對(duì)該方法的輸出電壓、輸出頻率等研究相對(duì)較少，因此無法保證高質(zhì)量的輸出，為了更好的發(fā)揮多代理技術(shù)在微電網(wǎng)控制等領(lǐng)域發(fā)揮更顯著作用，還需要科研人員進(jìn)一步深入研究分析。1.3微電網(wǎng)綜合控制策略1.1.1功率傳輸特性微電網(wǎng)有逆變裝置通過并聯(lián)的方式組成，在整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)中，其中可控電源的角色有交流電源充當(dāng)，此外還需要結(jié)合幅值、頻率、相位等參數(shù)相互協(xié)調(diào)和配合，從而承載起負(fù)載電流，如圖1.4所示是兩個(gè)通過并聯(lián)網(wǎng)上運(yùn)行的系統(tǒng)電路圖。為了簡化分析，因此假設(shè)分布式發(fā)電系統(tǒng)的線路阻抗最小，此外線路呈現(xiàn)出感性阻抗，通過線路并聯(lián)網(wǎng)上分析[33]。圖1.4微網(wǎng)并聯(lián)系統(tǒng)電路示意圖根據(jù)圖1.4所示，可有效得到逆變電源的輸出功率表達(dá)式：（1.1）根據(jù)式1.1所示，表示為逆變電源模塊輸出矢量并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓矢量V之間的夾角，表示為逆變電源模塊輸出電抗，根據(jù)上面的分析，因此各個(gè)逆變單元模塊輸出的有功功率及無功功率有式1.2所示：（1.2）實(shí)際運(yùn)行中，輸出電壓幅值往往不會(huì)發(fā)生較大變化，主要原因在于系統(tǒng)需要保持該被控參數(shù)的穩(wěn)定，因此為了簡化分析可以將其看為常數(shù)，令，，，因此有如下計(jì)算式：（1.3）根據(jù)式1.3所示，有功功率傳輸數(shù)據(jù)中，主要參考依據(jù)為功角，無功功率傳輸數(shù)據(jù)中，主要參考依據(jù)為逆變電源輸出電壓。1.1.2恒功率（ＰＱ）控制當(dāng)微網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，此時(shí)可通過恒功率PQ控制逆變電源的運(yùn)行，此時(shí)由整個(gè)大電網(wǎng)承擔(dān)起微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷電壓擾動(dòng)、頻率波動(dòng)。此外通過光伏發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)頻率和電壓作為調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，按照給定參考值從而有效的控制逆變器的輸出進(jìn)而調(diào)整微電網(wǎng)的有功功率及無功功率輸出。根據(jù)上面的運(yùn)行模式可知系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)吸收或發(fā)出功率，因而一定程度上可有效避免發(fā)電系統(tǒng)直接參與到電網(wǎng)饋線的電壓調(diào)節(jié)，從而對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生較大的負(fù)面影響設(shè)微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器的電壓幅值用表示，三相基波輸出電壓用表示，因此有如下表達(dá)式[34]：（1.4）當(dāng)處于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，因此變換系數(shù)為：（1.5）根據(jù)式1.5所示，對(duì)進(jìn)行dq變換后，因此有：（1.6）根據(jù)式1.6所示可知，在旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，此時(shí)可以清晰的看到電壓的d軸分量與q軸分量之間不存在耦合關(guān)系式，因此表示為一個(gè)常數(shù)式，為0。此外在旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下。對(duì)逆變器裝置的輸出電流i分解分析，因而得到d軸與q軸的分量分別，此外在該坐標(biāo)系下，因此可通過俠士表示有功瞬時(shí)功率及無功瞬時(shí)功率：（1.7）假設(shè)，逆變裝置輸出的有功功率和無功功率分別為，并根據(jù)式1.5和1.6所示因此可得到逆變裝置輸出的參考電流表達(dá)式為：（1.8）根據(jù)式1.8所示，通過調(diào)節(jié)控制電流的方式即可有效的完成對(duì)逆變器輸出功率參數(shù)的控制，通過跟蹤控制策略，有效跟蹤控制參考電力系統(tǒng)，通過上面介紹的方式即可完成對(duì)參考有功功率及無功功率的跟蹤，如圖1.5所示表示的為PQ控制原理圖，其中有功功率P由電流控制，無功功率Q由電流控制。圖1.5PQ控制原理示意圖根據(jù)圖1.5所示PQ控制原理圖，基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙閉環(huán)控制測(cè)量進(jìn)而建立的PQ控制法，采用的雙閉環(huán)控制，其中最外環(huán)為功率環(huán)，此時(shí)可以保證逆變裝置具有跟蹤基準(zhǔn)功率的輸出特性，內(nèi)環(huán)表示的為電流控制的PI控制環(huán)，能夠跟蹤參考電流數(shù)值，從而獲得精確的參考電壓，通過上面的控制作用和效果，從而得到逆變裝置輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)SPWM波形，此外通過軟件鎖相器SPLL完成電流的跟蹤控制性能。1.1.3恒壓恒頻（V/f）控制當(dāng)微網(wǎng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)下，此時(shí)可通過V/f控制方式調(diào)節(jié)逆變電源的輸出。此外當(dāng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)下，如存在多個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，那么此時(shí)必須保證至少有一個(gè)DG作為主控電源，從而為微電網(wǎng)的運(yùn)行提供可參考的電壓和頻率數(shù)據(jù)，進(jìn)而維持頻率的處于恒定狀態(tài)[35]。采用的V/f控制方式從本質(zhì)的角度講，當(dāng)逆變電源輸出功率發(fā)生波動(dòng)和變化狀態(tài)下，其電壓和頻率兩個(gè)參數(shù)處于恒定。由于孤島容量受到一定的限制，因此當(dāng)功率出現(xiàn)缺額狀態(tài)下，往往需要將次要負(fù)荷切除，保持重要負(fù)荷從而維持正常工作。根據(jù)V/f控制方式上述相關(guān)要求因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)還要去該方法具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，從而快速的跟蹤負(fù)荷變化及時(shí)完成相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)，進(jìn)而維持逆變器輸出電壓穩(wěn)定。采用的V/f控制大多采用雙閉環(huán)控制，其中外環(huán)為電壓環(huán)，通過反饋電壓的方式調(diào)節(jié)交流側(cè)電壓進(jìn)而保證輸出，可擴(kuò)大系統(tǒng)帶寬，加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，此外接非線性負(fù)載一定程度上也具有良好的控制特性，下面通過圖1.6介紹V/f控制原理示意圖。圖1.6V/f控制原理示意圖1.1.4微網(wǎng)綜合控制的策略微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行主要受到狀態(tài)轉(zhuǎn)換過度過程的英雄，查閱相關(guān)資料可知，當(dāng)前針對(duì)微電網(wǎng)綜合控制策略主要有兩種方案：方案1：當(dāng)完成光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后，此時(shí)涉及的逆變器均采用PQ控制方法進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，因此需要對(duì)此時(shí)大電網(wǎng)運(yùn)行注入一定的有功功率和無功功率，當(dāng)微電網(wǎng)并入到整個(gè)大電網(wǎng)后，因此由大電網(wǎng)決定輸出電壓和頻率參數(shù)，因此不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的輸出功率產(chǎn)生任何影響。此外當(dāng)微電網(wǎng)進(jìn)入到孤島運(yùn)行狀態(tài)后，采用的控制策略也需要發(fā)生一定的調(diào)整，此時(shí)可采用下垂控制方式，該方法運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生一定功率，因此當(dāng)微電網(wǎng)并入到大電網(wǎng)后需要補(bǔ)償一定的功率，從而有效調(diào)節(jié)微電網(wǎng)的輸出電壓和頻率參數(shù)，進(jìn)而保證輸出在要求的范圍內(nèi)。根據(jù)上面的詳細(xì)介紹分析可知，采用的控制方法能夠保證微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行方式下良好的運(yùn)行，由于采用的控制方案運(yùn)行的過渡過程十分短暫，因此往往需要加裝孤島檢測(cè)裝置進(jìn)而檢測(cè)過渡時(shí)間，這就對(duì)檢測(cè)性能提出了更高要求。在微電網(wǎng)并網(wǎng)分析時(shí)，采用下垂控制策略方式下，往往對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較大振蕩，由于無法實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)過渡，因此需要深入研究無縫切換技術(shù)[36]。方案2：上述方案1中，當(dāng)采用下垂控制策略狀態(tài)下，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大的系統(tǒng)