1、第4 4章 微电网运行与控制技术简介：微电网主要以分布式电源为主，由于分布式电源的容量一般不微电网主要以分布式电源为主，由于分布式电源的容量一般不大，但是却数目众多，从而使微电网的控制不能像传统电网那大，但是却数目众多，从而使微电网的控制不能像传统电网那样由电网调度中心统一控制以及处理故障，这就对微电网的运样由电网调度中心统一控制以及处理故障，这就对微电网的运行和控制提出了新的要求。如：根据电网需求或者电网故障情行和控制提出了新的要求。如：根据电网需求或者电网故障情况，能够实现自主与主电网并列、解列或者是两种运行方式的况，能够实现自主与主电网并列、解列或者是两种运行方式的过渡转换运行，同时实现
2、电网有功和无功的控制、频率、电压过渡转换运行，同时实现电网有功和无功的控制、频率、电压控制，可实现微电网与主电网的协调优化运行以及对主电网的控制，可实现微电网与主电网的协调优化运行以及对主电网的安全支撑等。微电网相对于主电网可作为一个可控的模块化单安全支撑等。微电网相对于主电网可作为一个可控的模块化单元，其可对内部负荷提供电能，满足负荷用户的需求，这就需元，其可对内部负荷提供电能，满足负荷用户的需求，这就需要良好的微电网控制和管理能力。微电网的运行控制应该能够要良好的微电网控制和管理能力。微电网的运行控制应该能够做到基于本地信息对电网中的事故作出快速、独立的响应，而做到基于本地信息对电网中的事
3、故作出快速、独立的响应，而不用接受传统电网的统一调度。不用接受传统电网的统一调度。4.1 微电网自动控制结构与体系4.1.1 微电网的经典结构与控制目标1、经典微电网的基本结构如图4.1所示，它由微电源、储能装置和电/热负荷构成，并联在低压配电网中。微电源接入负荷附近，很大的减少了线路损耗，增强了重要负荷抵御来自主电网故障的影响的能力。微电源具有“即插即用”的特性，通过电力电子接口实现并网运行和孤岛运行方式下的控制、测量和保护功能，这些功能有助于实现微电网两种运行方式间的无缝切换。图4.1中微电网包括A、B和C3条馈线，整个网络呈辐射状结构，馈线通过微电网主隔离装置与配电网相连，可实现孤网与并
4、网运行方式的平滑切换。其中A和B为重要负荷，安装了多个DG为其提供电能，馈线A上接敏感负荷，安装了光伏电池和微型燃气轮机，其中微型燃气轮机运行于热电联产，向用户提供热能和电能；采用风力发电和燃料电池共同在为馈线B的可调节负荷供电；馈线C为非敏感负荷，没有配置专门的微电源为馈线C上的负荷供电，直接由配电网供电，孤网运行时，当微电网内部过负荷时，可切断系统对馈线C上的负荷的供电。并网运行时，当外界主电网发生故障停电或者出现电能质量问题时，微电网通过静态开关切断与主电网的联系，孤网运行。微电网的负荷由微电源承担，馈线C可通过母线从母线得到电能并维持正常运行。如果孤网运行模式下无法保证电能的供需平衡，
5、可切断馈线C的负荷，停止对非重要负荷供电。故障消除后，主断路器重新合上，微电网恢复并网运行模式。通过有效的控制方式实现微电网两种运行模式的平滑切换。此外，微电网还配备了潮流控制器和保护协调器，在能量管理系统的统一控制下，通过数据采集，实现调压、控制潮流、馈线保护等多项措施。在大电网发生故障或其电能质量不符合标准情况时，微电网可以孤网运行，保证微电网自身和大电网的正常运行，从而提高供电安全性和可靠性。因此孤网运行时微电网最重要的能力，而实现这一性能的关键技术是微电网与主电网之间的电力电子接口处的控制环节静态开关。该静态开关可实现在接口处灵活控制的接受和输送电能。从大电网的角度看，微电网相当于负荷
6、，是一个可控的整体单元。另一方面，对用户来说，微电网是一个独立自治的电力系统，它可以满足不同用户对电能质量和可靠性的要求。3 4 图4.1 典型微电网的基本结构 5 62、微电网控制的主要目标（1）可对微电源出口电压进行调节，保证电压稳定性。（2）孤网运行时，确保微电源能够快速响应，满足用户的电力需求。（3）根据故障情况或系统需求，可实现平滑自主的与主电网并网、解列或者两种运行方式的过渡转化。（4）调节微电网的馈线潮流，对有功和无功进行独立解耦控制。4.1.2 4.1.2 微电网的控制方式微电网的控制方式目前，微电网的控制方式主要有以下几种：（1）主从控制。即对各微电源采取不同的控制方式，从而
7、使分布式电源实现不同的职能，让其中一个（或几个）微电源作为主控电源，支撑系统的频率，保证电压的稳定，而其他微电源作为从属电源，不负责电压的控制和频率的调节。主从控制的实现：并网运行时各分布式电源均采用P/Q控制，孤岛运行时，一个分布式电源（主控电源）转换成v/f控制，保持电压不变，电流随负荷的变化而变化。但是主从控制存在的缺点有：孤岛运行时对主控电源依赖性高，对通信可靠性要求高，负荷波动时需要较高的旋转备用容量。（2）对等控制策略。即基于电力电子的“即插即用（Plug and Plug）”和“对等（Point to Point）”的控制。系统中各个分布式电源是“平等”的关系，不存在从属关系。根
8、据微电网的控制目标，灵活的设定下垂系数，调节受控微电源，保证整个微电网的电压稳定、频率稳定以及电能的供需平衡，具有简单可靠的优点。但是对等控制策略只考虑了一次调频，而忽略了传统电网的二次调频问题，即没有考虑微电网系统电压和频率的恢复问题，因此，在微电网受到大扰动时，很难保证系统的频率质量，不能保证负荷的正常运行。另外，此方法是针对有电力电子技术的微电源的控制，没有考虑传统发电机如微型燃气轮机与微电网之间的协调控制。（3）基于功率管理系统的控制。该控制方式采用不同的控制模块，分别对有功和无功进行解耦控制。较好的满足了微电网P/Q、v/f等多种控制方式的要求，尤其是对于功率平衡的调节，应用了频率恢
9、复算法，可以很好地满足系统对频率质量的要求。针对微电网中各用户对无功的不同需求，功率管理系统采用了多种控制方法并加入了无功补偿装置，提高了系统的控制能力，同时也提高了控制的灵活性。但是该方法没有考虑含有调速和励磁系统的常规发电，特别是没有考虑含电力电子接口的微电源间的协调控制（4）基于多代理技术的控制。该方法将传统电网的多代理技术应用到微电网控制系统。该控制策略综合了多种控制方式，能够随时插入某种控制，实现了微电网的经济优化调度，保证了微电网系统安全稳定运行。多代理技术具有很好的自愈能力，响应能力强等特点可很好的满足微电网的分散控制的需要。但目前多代理技术在微电网中的应用还处于起步阶段，还只是
10、集中对微电网的系统频率、电压等进行控制的层面，因此要使多代理技术在微电网的控制中发挥更大的作用，还需要大量的研究工作。微电网中的分布式电源的控制方法主要有： PQ控制 VF控制 下垂控制1）PQ控制PQ控制也就是恒功率控制，通常在并网运行状态下采用PQ控制，控制的目的是不考虑其对微电网频率和电压的调节作用，使分布式电源输出的有功和无功能够实时跟踪参考信号，而频率和电压支撑由大电网提供。对于光伏发电和风力发电等分布式电源，其出力受环境影响较大，输出功率具有间歇性，采用PQ控制策略可以保证可再生能源的充分利用。第一种方法是分别控制有功和无功功率，通过给定微电源原动机的有功功率参考值来控制微电源发出
11、的有功，直接给定微电源的无功功率参考值来控制其发出的无功功率。如图4.2所示： 图4.2 PQ控制示意图从图4.2可知，控制原动机发出的有功功率，有功功率参考值为 ,在原动机自身功率调节器的作用下跟踪输出的有功功率，通过在逆变器直流侧的电压PI1控制器来保持母线电压恒定，从而实现微电源的有功输出调节。第二种方法是直接通过逆变器 控制有功和无功功率。逆变器的输出功率就是微电源输出的功率，实现该种控制的具体方法是：通过锁相环得到交流侧的三相电压和电流，经过由Park变换得到dq0分量，通过式（4-1）得到微电源输出的有功和无功功率。 （4-1） 通过式（4-1）计算得到dq轴的电流值，把它作为电流
12、环参考值，与实际的电流值做差，然后通过PI控制器。得到滤波电感参数后，设置dq轴电压参考分量，通过Park反变换，得到三相交流分量，通过PWM输出给逆变器。iuiuiuPddqqddrefiuiuiuQddqqddref（2）VF控制V/f控制通过控制微电源逆变器的输出量，使逆变器输出的电压和频率为参考量，以保证微电网在孤岛运行时的电压和频率的稳定，使负荷功率能够很好的跟踪变化特性。通过设定电压和频率的参考值，再通过PI调节器对电压和频率进行跟踪，作为恒压、恒频电源使用。其控制示意图如图4.3所示： 图4.3 v/f控制示意图从图4.3中可以看出，电源在进行v/f控制时只采集逆变器端口的电压信
13、息，可通过调节逆变器来调节电压值，频率采用恒定值50HZ。（3）下垂（Droop）控制Droop控制主要是指电力电子逆变器的控制方式，其与传统电力系统的一次调频类似，利用有功-频率和无功-电压呈线性关系的特性对系统的电压和频率进行调节。目前主要有两种Droop控制方法，一种是传统的有功-功率（P-f）和无功-电压（Q-U）进行Droop控制，一种是对有功-电压（P-U）和无功-频率（Q-f）进行反Droop控制。如图4.4所示Droop控制有功-频率（P-f）和无功-电压（Q-U）呈线性关系，当微电源输出有功、无功增加时，运行点由A点移动到B点，达到一个新的稳定运行状态，该控制方法不需要各微源
14、之间通信联系就可以实施控制，所以一般采取对微电源接口逆变器控制。 图4.4 频率、电压下垂特性4.2 4.2 微电网的逆变器控制4.2.1 4.2.1 微电网中逆变器的主要控制目标微电网中逆变器的主要控制目标微电网有并网和离网两种稳定运行模式，在两种模式下都要表现为受控的可靠的发电装置，这都对逆变器施加适当的控制。具体而言，微电网中逆变器的控制目标如下：（1）微电网工作与并网模式下。首先，逆变器需满足电网的接口要求，保证注入电流谐波含量合乎标准，不造成当地电能质量的恶化，保持与电网同步的能力，不发生攻角振荡。其次，微电网作为独立受控的单元，一般要求逆变器向电网发出的有功功率是可调度的，要求逆变
15、器和电网间交换的无功功率是可控的，以满足负荷要求，对大电网的频率和电压起调节和支撑作用。再者，电网运营商可能会提出谐波补偿、有源滤波、电网故障时的低电压穿越等要求。（2）微电网工作于离网模式下。逆变器必须能维持电网交流侧的电压和频率，自动匹配本地负载有功无功需求。此外，如果离网运行时交流侧并联有多台逆变器，那么，最好能够按照逆变器容量或其它原则分配每台逆变器的有功、无功出力。3）微电网在两种模式之间切换。当大电网发生故障或由于其它原因，微电网需要从并网模式切换到离网模式，逆变器的控制从电流控制过渡到电压控制，既要保证交流电压频率的平滑过渡，又要让输出功率匹配负荷的速度尽可能快；当微电网从离网模
16、式切换到并网模式时，为了避免并网瞬间的电流冲击，要保证并网前微电网与大电网同步且电压相等。4.2.2 4.2.2 微电网中逆变器的控制方法微电源的控制是微电网控制的基础，而微电网中大多数微电源通过三相电压型逆变器（VSI）接入系统，所以对微电源的控制就是对逆变器的控制。如图4.5，微电源逆变器控制系统拓扑结构可分为内环控制器和外环控制器，内环控制器动态响应快，可以用来提高逆变器输出的电能质量，外环控制器的动态响应速度较慢，用以体现不同的控制目的，并产生内环所需的控制信号。图 4.5 微电源逆变器控制系统拓扑微电网并网运行时，由大电网提供参考电压和参考频率；独立运行时，则要求微电网至少有一个微电
17、源能建立稳定的电源和频率，为微电网系统提供电压和频率参考值。在微电网不同运行模式下，微电源逆变器的外环控制器主要有PQ控制器和v/f控制器两种。微电网并网运行时，微电源逆变器外环控制采用PQ控制器，微电源按指定功率输出；微电网独立运行时，部分微电源使用v/f控制器，使微电源输出电压和频率在允许变化的范围之内，其余微电源采用PQ控制器。目前针对微电网控制的研究大多以假设电网电压三相对称为前提的，在这种条件下，微电源的逆变器输出及微电网中各种控制器的性能能够满足微电网要求。但是实际微电网系统中，一般都存在三相电压不对称现象，微电网中的三相电压不对称可能由以下原因引起：（1）微电网三相系统参数不对称
18、；（2）三相微电源本地负荷不对称；（3）微电网不对称故障；（4）微电网并网运行时大电网不平衡电压的影响。当微电网内三相电压不对称时，这将直接降低微电网的输出性能。在三相不平衡三相三线制微电网系统，相应的控制规律由于受三相电流之间的耦合关系的影响，只有两个独立方程。微电网系统不对称情况的存在，使其内环控制器三相电流之间存在复杂耦合，此时中性点的电源会影响电流控制效果。因此，需研究三相三线制微电源逆变器的内环控制器的电流解耦控制问题。为了提高微电源在各种扰动下的输出性能，通过对微电源逆变器的结构进行分析，利用滑模变结构控制方法对干扰鲁棒性强的特点，针对微电网并网模式和独立模式两种不同运行状态，在自
19、适应离散滑模变结构理论的基础上，提出适用于微电网不对称条件下的微电源逆变器内环电流解耦控制方法。4.2.3 4.2.3 并网逆变器技术1、现有逆变电源并网技术现有的逆变电源并网技术主要分为两类：分布式发电并网技术和微电网并网技术。而传统的分布式发电并网技术不能满足微电网中逆变电源的运行要求。以光伏发电系统为例，分析分布式发电系统的并网技术，来阐述两种并网技术的差异以及微电网的特点。图4.6为光伏并网功率调节系统原理示意图，图中a,b,c为公共电网的三相，末端接有负载，光伏发电系统并于两者之间。在光伏发电系统中，MPPT单元为最大功率跟踪控制单元，用来确定最大功率点工作电压 。电压控制单元，其调
20、节输出为并网电流有功分量幅值的给定 。瞬时无功计算单元检测电网电流的无功分量，由此确定无功补偿电流 ，在指令电流计算单元内将有功分量与无功分量合成，最终得到系统的并网交流电流指令值。电流控制单元完成并网电流的跟踪控制，保证输出电流跟踪指令电流的精度。可见，逆变电源以电网电压为参考，以太阳能最大功率跟踪为目的调节有功电流，以提供负载所需无功为目的调节无功电流，最终通过合成的电流进行闭环控制，驱动逆变电源主电路开关管的通段。显而易见，当微电网处于孤岛状态时，这种电流控制方法失去大电网电压的参考，因此这样并网策略不适合于微电网中。 图4.6 光伏并网功率调节系统在微电网中有许多分散的逆变电源并联在一
21、起，要实现逆变电源并联稳定的运行，其关键在于各并联逆变电源能共同承担负责所需的功率，以达到输出与需求之间的平衡，如此系统才能工作在最佳状态。要做到这一点，要求各逆变电源的输出正弦波电压必须具有相同的频率和幅值。在微电网中，多个并联的逆变电源以输出的有功功率和无功功率为控制量对逆变电源的输出电压进行同步，从而达到稳定和谐并联的目的。图4.7显示的是两台逆变电源并联的等效电路，忽略阻抗 、 中的阻性成分，可得出逆变电源1输出的有功和无功功率的表达式为： (4-2) (4-3)1011sinXVVPXVVVQ01211cos 图4.7 两台逆变电源并联的等效电路由于相角差 很小，因此可认为：sin
22、, .由式（4-2）（4-3）可得：逆变电源的输出有功功率主要由相角差 决定，而无功功率主要受幅值 影响。基于此结论，在由逆变电源组成的微电网系统中，可以借鉴电力系统中同步发电机的下垂特性，引入对P,Q的调节达到控制逆变电源输出电压的幅值和频率的目的，下垂法可表示如下：Pmiiii0QVViiini0（4-4） (4-5) 其中 、 分别为第i台逆变电源空载时输出电源的频率和幅值， ， 分别为第i台逆变电源输出电压的频率幅值的下垂系数，下垂系数m、n的主要是根据多台并联逆变电源的容量决定的，如式（4-6）所示：pmpmpmnn.2211QnQnQnnn.2211（4-6）下垂特性的直观表达如图
23、4.8所示图4.8 不同容量逆变电源下垂特性示意图 目前国外很多微电网平台中的逆变电源控制方法就是采用下垂法。图4.8所示的为采用下垂法的逆变电源控制示意图，图中U、I分别为逆变电源输出电源、电流采样，通过有功、无功计算单元计算出P和Q，再利用下垂模块得到频率和幅值的实际值 、V，并与其相应的指令值相比较，通过反馈调节来稳定逆变电源输出的电源幅值及频率。图4.8 基于下垂法的逆变电源控制示意图采用下垂法控制的逆变电源能够满足输出电源、频率的稳定以及输出功率的平衡，适用于并网和孤岛两种工作状态，但是由于此方法是通过采样电压、电流计算得到有功、无功功率，再经过下垂单元得到实际的频率和电压幅值与给定
24、值相比较的，整个闭环控制过程中没有引入功率指令，所以它在功率调度方面有所不足，无法灵活地随着调度中心指令的变动而变动。2、虚拟同步发电机概念的提出微电网与大电网之间除了规模上的差异之外，发电装置的区别才是两者最本质的不同。相比大电网中的同步发电机，微电网中的逆变电源的主要差异表现在：(1)逆变电源的单机容量相对较小，造成了给相同负载供电时，微电网需要比大电网更多的发电单元，增加了控制上的难度(2) 逆变电源几乎没有惯性，而同步发电机具有大惯量的特点，因此逆变电源的电压波动范围比同步发电机的电压波动大，控制策略比同步发电机复杂的多，进一步加大了控制难度。（3）同步发电机的输出阻抗大，且呈感性，逆
25、变电源的输出阻抗小，因此逆变电源抗电流冲击的能力差，且输出电流变化快，容易给电力电子装置带来不良影响。（4）同步发电机过载能力强，而逆变电源中的电力电子器件的过载能力普遍较弱，一旦出现故障，逆变电源的抵抗能力相对脆弱。根据上文中分析，适用于微电网的逆变电源必须具备调功调频调压的功能，而目前微电网中的逆变电源大多采用下垂法，下垂法模拟了同步发电机的部分特性，却没有同步发电机输出阻抗大、惯量大等特点，不能完全满足微电网对于逆变电源的要求。本文借鉴电力系统中成熟的技术和经验，设计了基于同步发电机模型的微电网逆变电源虚拟同步发电机，使逆变电源能够完全的模拟同步发电机的特性，实现自同步、大惯性、大阻抗等
26、特点，满足微电网对逆变电源的要求，也使微电网在管理和调度方面能更好地借鉴吸收电力系统中的经验，促进了微电网的快速发展。3、虚拟同步发电机的设计原理为了使逆变电源能够模拟同步发电机的输出特性，本文中将同步发电机的数学模型整合到逆变电源的控制算法之中，通过控制算法来改变逆变电源的输出特性。在调节同步发电机的输出过程中，是通过调节输入机械功率稳定输出频率和功率，通过改变励磁电流来调节输出电压，因此在虚拟同步发电机中，必须加入电压、功率、频率的闭环控制，使逆变电源更真实地模拟同步发电机的输出特性。图4.9为虚拟同步发电机的原理示意图，它展示了虚拟同步发电机的组成。图4.9 虚拟同步发电机原理示意图4、
27、虚拟同步发电机的模型分析由图4.9可见，虚拟同步发电机主要由逆变元和虚拟同步发电机算法单元构成，其中逆变单元的拓扑结构如图4.10，微电网功率等级较大，因此采用三相全桥电路，全桥逆变电源则一般用在中大功率场合。逆变器输出级接有 滤波器，图中显示了三个采样点 、 、 ，其中 与 用于电压调节器的控制，来调节励磁电压 的输出， 和 则用来计算逆变电源输出功率的大小，用来调整功率指令 的大小。 为逆变电源与大电网的连接感抗，通过改变逆变电源侧的电压来调节输出电压与电网电压之间的相角关系，使逆变器能够向电网输送能量。图4.10 逆变器主电路拓扑结构示意图在逆变电路控制模型中，高频 调制方式的基本思想是
28、输入的参考正弦 和载波信号比较，用得到的宽度按正弦规律变化的 波形控制逆变电路中开关器件的通断脉冲去控制各功率开关器件。由于开关的动作是非连续的，分析时我们采用状态空间平均法来分析。状态空间平均法是基于输出频率远小于开关频率的情况下，在一个开关周期内，用变量的平均值代替其瞬时值，从而得到连续状态模型，简化了分析过程。为了进一步简化分析的复杂程度，在分析逆变单元模型时，均按照单相全桥拓扑进行分析。图 4.11为单相等效模型，逆变器输出级接有 LC 滤波器，Ls为逆变器与大电网之间的连接感抗，R为负载，图中忽略了电感中的阻性成分。图4.11 单相及等效拓扑结构将滤波器中的电感与电容分别用 和 表示
29、，则可以推导出 A、B 之间的电压与逆变单元输出电压之间的频域传递函数为：111111)(2sRLLCsRCsLsRCssG（4-7）) 12(*DiUUdc（4-8）其中，占空比D根据根据SPWM调制可表示为：)1 (21*UUtrimD(4-9)其中 为参考正弦波信号， 为三角载波峰值。由式（4-9）代入式（4-8）有：UUUUtridcmi*UUUUimdctri* 或 (4-10)则从调制信号输入至逆变桥输出的传递函数为：UUUUKtridcmiPWMss)()(4-11)在SPWM中，载波频率（开关频率）远高于输出频率时，由式（4-11）可将逆变桥看成是一个比例环节，比例系数定义为
30、。联立式（4-7）可得：KsUUUUUUPWMmiimRLLCsssssssG*11)()()()()()()(200(4-12)即为逆变器输入和输出的传递函数，根据传递函数的表达式，可以得到其等效框图如图4.12所示。图4.12 逆变单元结构框图 而对于虚拟同步发电机单元，由虚拟同步发电机算法的标幺值表达式，通过有名值换算以及拉普拉斯变换可得：式中P为转子极对数。在同步发电机并网时，稳态情况下通过一次调频及二次调频，输出频率在额定频率附近的波动是很小的，这也是电网稳定的条件。因此转子运动方程中的机械转速可以认为是恒定值为：Nmp（4-13）结合前式，建立虚拟同步发电机算法的结构图，如图 4.
31、13 所示。其中Io(s)为逆变器输出电流，作为虚拟同步发电机的电枢电流。输出电压U(s) 作为逆变器的指令电压， 、Q的输出为检测信息，用于下文中的功频调节和电压调节。图4.13 虚拟同步机单元算法结构框图5、虚拟同步发电机的控制策略虚拟同步发电机是加入了同步发电机算法的新型逆变电源，它不同于传统的逆变电源，在结构上也不完全等同于同步发电机，它集中了两者各自的特点，因此在其控制策略方面，需要整合普通逆变电源和同步发电机的控制方法。虚拟机的输出电压以及功率是最终要被利用的变量，必须保证输出变量的稳定性和变量的精度，因此在控制结构上，参照并网逆变器的双闭环控制策略，在逆变电源输出端取相应采样点，
32、通过输出变量的反馈比较，达到控制输出稳定的目的。又因为考虑到虚拟同步发电机的设计初衷就是：使其输出特性与同步发电机的输出特性一致。从输入输出角度来看，虚拟同步发电机就是一个同步发电机，因此对于虚拟机的控制可宏观上参照同步发电机的控制方法，图4.14为同步发电机的系统控制图。图4.14 同步发电机的控制结构示意图借鉴同步发电机的控制结构，本文设计了虚拟同步发电机的系统控制结构，如图4.15所示：图4.15 虚拟同步发电机控制结构示意图图4.15展示了虚拟同步发电机的控制框图，设计过程中借鉴了同步机的控制结构，但是虚拟同步发电机本质上是一个逆变电源，因此不存在同步发电机中的转速变量，控制结构中也就
33、没有测速器、调速器、原动机，取而代之的为功率调节，但是两者在控制过程中的意义却是一样的，都是通过系统反馈信号和指令信号的比较来调节核心单元的输入变量，从而稳定输出频率以及调整输出功率。图 4.15中的励磁电压调节器与图4.14中的励磁系统同出一辙，均用于调整励磁电压，稳定输出电压幅值。4.3 微电网并网和离网控制4.3.1 4.3.1 微电网并网运行控制微电网并网运行控制在大电网、微电网均运行正常时，微电网与大电网并网，微电网内的负荷根据情况从微电网内部或外部吸收电能，各微电源都处于并网输出有功的运行状态。如果在电网内部，由于某个发电单元故障、检修等原因退出运行或者负荷急剧增加，致使供电功率不
34、足，微电网应需与外电网并联运行以引进功率；或者由于在某种极限情况，在满足负荷和储能需求后，仍有功率富余，微电网可与外部大电网并联且向外送出能量。为了充分利用风能、太阳能等清洁绿色能源，在联网运行期间，分布式电源通常以最大有功出力运行；若考虑无功补偿，还应适当降低有功输出而增大无功输出；系统的电压幅值和频率参考大电网。当风速、光照等新能源发生突变的时候，由于分布式发电机组的转动惯量很小，所以机组出力将随之迅变，其变化速度通常高于传统发电机的响应速度。若此类分布式发电机组所占比例较大，那么在新能源突变的时候必将引起微电网系统电压的跌落，此时应装设响应速度较快的储能装置，通过储能设备释放或吸收功率来
35、辅助调节微电网的电压和频率稳定。飞轮装置、蓄电池和超级电容等都可以作为储能装置。简之，联网运行时，微电网和传统电网类似，服从系统调度，可同时利用微网内分布式发电和从大电网吸取电能，并能在自身电力充足时间向大电网输送多余电能。4.3.2 4.3.2 微电网离网运行控制微电网离网运行控制当由于电压降落、故障、停电检修等原因造成外部电网连接中断时，微电网需要从并网运行平滑过渡到独立运行状态。与外部电网隔离后，微电网进入独立运行状态，此时，微电网将面临如下几个关键问题：（1）电压和频率管理当微电网并网运行时，其电压和频率由大电网建立。当微电网独立运行时，必须存在一个或几个微电源与储能装置共同建立微电网
36、的电压和频率，否则，微电网将会瓦解。如果微电网频率下降到了允许值范围之外，控制装置将会采取切负荷策略使频率恢复到正常值。（2）电能质量微电网在独立运行模式下，应该将电能质量维持在用户可以接受的范围内。因此，微电网内必须有足够的无功功率进行电压补偿。当频率或电压发生偏移时，储能装置能够快速的对其做出反应，吸收或者发出合适的有功和无功将偏移减小。此外，微电网还应该供给非线性负荷所需要的谐波电流。（3）与微电源相关的问题微电源与传统大电网中的电源相比，一个最大的不同点就是前者没有惯性，因此，微电网中没有大电网中固有的热备用容量。大多数微电源在执行二次电压和频率控制时的响应速度都比较慢，所以此时需要储
37、能装置发挥类似于热备用容量的作用，及时对系统工况的改变做出反应。此外，对于像风力发电和光伏发电这样的电源，其输出功率的大小受天气影响较大，这种微电源的控制目标应该是如何保证功率输出为最大值，并且能够预测未来某个时刻的功率输出。（4）微电网元件之间的通讯微电网在独立运行状态下选择控制策略时，另一个需要考虑的问题是微电网元件之间的通讯网络。微电网应该具有一个“即插即用”的体系结构，所以微电源仅利用当地信息就可以控制它们的功率输出。如果在执行控制策略的过程中，元件之间需要通讯，那么则要求信息在通讯网络的传输过程中不能出现错误。4.4 4.4 微电网电能质量控制微电网电能质量控制微电网中由于非线性电力
38、电子设备和可再生能源的广泛存在，由其产生的谐波等电能质量问题必须引起足够的重视。并联型有源滤波器(APF)是解决电能质量的重要设备，但传统APF直流侧通常连接的是电容，不具备有功调节能力，功能单一；且针对微电网的谐波和无功电流检测方法的准确性也对补偿性能产生重要影响，特别是微电网中电源形式多样，其独立运行时电压不稳定情况时有发生，传统的基于对称电压的谐波和无功电流的检测方法不再适用。本小节以风力发电为例，讨论典型微电源对微电网电压稳定的影响机理，提出基于储能支撑的微电网系统电压稳定控制策略，针对微电网中存在的典型电能质量问题，提出基于储能支撑的微电网谐波和无功补偿的控制策略。4.4.1 4.4
39、.1 电压稳定控制电压稳定控制风力发电是微电网中常见的微电源，但风能具有间歇性和不稳定性特征，结合上文对风力发电机并网特性的分析可知，当风速突变时,发电机的输出功率将产生较大波动，从而引发暂态过程。因独立运行的微电网容量一般较小，这种功率波动可能危及微电网的功率平衡和电压稳定。若在风力发电机接入点处配置一定容量的快速储能变换装置，当风速扰动时储能可对风力发电机输出功率波动进行快速缓冲，两者可等效为一个有功/无功功率输出稳定的微电源，可有效提高微电网的电压稳定性，其控制原理如图4.16所示。图4.16 基于储能支撑的电压稳定控制原理图4.16中，储能逆变器功率电路通过滤波器接入微电网，因储能装置
40、电压等级较低，在并网时需通过Y/Y升压变压器接入微电网，其控制系统由电流控制器、功率控制器（如图4.17所示）等组成。电流控制器位于内环，用以实现有功/无功电流的解祸,进而产生逆变器所需的PWM信号;功率控制器位于外环，产生电流控制器所需的有功/无功电流参考值，其结构取决于储能的控制策略。(a)PV控制 (b) PQ控制 图4.17 功率控制器示意图图4.17给出了储能装置PV和PQ控制中的功率控制器结构，Pv控制的有功功率控制与PQ控制方式一致,无功功率控制则随接入点电压Vr变化：将Vr与参考值Vref的差值经过PI控制器后的输出作为储能装置输出无功功率的参考值，当Vr小于Vref时，储能向
41、微电网输出无功功率以提高Vr，反之储能将吸收部分无功功率使Vr变小。储能PV控制的目标是平滑风力发电机输出有功功率的波动，稳定微电网电压。功率控制器的输出,进一步经过电流解藕控制，从而产生储能控制所需的PWM调制信号。将风力发电机和储能作为一个整体进行控制，进而实现相对于微电网侧的功率平衡及维持微电网系统的电压稳定。4.4.2 4.4.2 不对称系统电能质量的补偿控制技不对称系统电能质量的补偿控制技术术目前针对微电网的研究都是建立在三相平衡的基础上的，但在实际中，单相负载大量存在于 400V 的低压配电网中，因此三相不平衡是常见现象。微电网由于电压等级及自身特性的原因一般位于低压配电网的末端，
42、不可避免的要工作在三相不对称的网络环境下，为了给用户提供高质量的电能，就必须要对三相不对称电压、谐波以及无功功率进行补偿和抑制。1、无功补偿在无功功率补偿方面，目前主要存在两种方法：一种静态补偿方法，一种是动态无功补偿方法。无功补偿电容器就是传统的静态功补偿装置，其阻抗是固定的，不能跟踪负荷无功需求的变化，即不能实现对无功功率的跟踪和动态补偿。随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机。它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自 20 世纪二三十年代以来的几十年中，同步
43、调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。然而，由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。所以 70 年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型动态无功补偿装置所取代，目前有些国家甚至已不再使用同步调相机。早期的静止型动态无功补偿主要有晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）等，它们是由可控开关器件进行一组电容器或电抗器的投切，靠投入的电容器或电抗器的总容量来补偿不同大小的无功功率，具有响应速度快，噪音小的优点。但在平衡的三相电路中，不论负载的功率因数如何，三相瞬时功率的和是一定的，在任何时刻都是等于三相
44、总的有功功率。因此总的来看，在三相电路的电源和负载之间没有无功能量的传递，无功能量是在三相之间变换的。所以，能够将三相总的统一处理的三相桥式变流电路逐渐成为了无功补偿的首选，并且由于三相电路中电源和负载之间没有无功的传递，因此理论上讲，三相对称系统中的桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件，实际上，三相不对称以及谐波的存在也会造成总体看来有少许无功能量在电源和桥式电路之间传递。所以为了维持桥式变流电路的正常工作，其直流侧仍需要一定大小的电感或电容作为储能元件，但若补偿同样大小的无功功率，其所需储能元件的容量远比 TCR和 TSC 等要小得多，具体应用系统结构框图如图4.18所示。这种桥式变流电路
45、被称作静止无功发生器（SVG）或称静止同步补偿器（STATCOM），在近年来逐渐成为无功补偿的主流。图4.18 SVG 的系统结构框图如图4.18所示，SVG 的原理是首先把系统提供的无功电流分量检测出来作为待补偿电流，然后控制逆变器输出一个与待补偿电流幅值相同、相位相反的电流，以补偿线路上的无功功率，因此，SVG 的补偿效果依赖于对无功电流的检测精度以及对逆变器的控制速度。2、谐波抑制与无功补偿对谐波抑制主要有两种方法：一种是改造谐波源无源滤波，一种是谐波补偿。改造谐波源是指设法提高电力系统中主要的谐波源，即整流装置的相数，或是采用高功率因数整流器。谐波补偿是指安装谐波补偿设备，如 LC 滤
46、波器或有源电力滤波器。LC 滤波器是利用 LC 谐振电路的谐振特性，将频率与 LC 谐振频率相等的谐波引入大地，从而达到滤除谐波的目的。它的缺点是一组 LC 滤波器只能滤除一个频率的谐波，并且参数设计复杂。有源电力滤波器（APF）实际上就是SVG 在控制方法上的发展，其结构与 SVG 完全一样，仅是将 SVG 中的待补偿电流变为系统提供的无功和谐波电流分量之和。因此，APF 还可以补偿无功功率。由于它与 SVG 一样具有体积小、容量大、谐波少、动态响应迅速的优点，因此成为了无功补偿和谐波抑制方面的研究和发展趋势。然而，APF 与 SVG的应用并不止于此，近年来，有许多学者提出通过控制 APF
47、或 SVG 的输出方式来进行对三相不平衡电压的抑制，也取得了不错的效果。目前对谐波和无功电流分量的检测方法大体分为频域检测法和时域检测法两类。频域检测法（如 FFT）一般计算量大、实时性差，在系统三相不对称时也无法得到精确的检测结果。而时域检测法在实时性上则要好得多，目前的方法主要有有功电流分离法、瞬时无功功率理论运算法、自适应电流检测法和 dq0 坐标系下的广义瞬时无功检测法。基于Fryze时域分析的有功电流分离法简单有效，但在电压和电流不对称时，其有功电流中将含有基波负序分量，从而使得补偿效果不好。基于瞬时无功功率理论的电流检测方法有两种，分别是p-q分解法和 ip-iq分解法。p-q分解
48、法受电压谐波含量和三相不平衡的影响较大，无法在电压波形畸变时得到准确的结果；ip-iq分解法不受谐波影响，并在三相电压不对称时，能准确的检测到基波正序电流，但对其有功和无功电流的分解将受到三相不平衡程度的影响，误差无法消除。自适应电流检测法基于自适应干扰对消原理，把电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，电压经自适应滤波器处理后，输出一个与负载电流基波有功分量幅值、相位均相等的信号，将此信号从负载电流中扣除，得到高次谐波和无功电流分量的总和。其自适应滤波器又可采用模拟方式和数字方式(如 ANN)来实现，但这种方法不能滤除基波负序电流。基于派克变换的广义瞬时无功功率的检测法可以准确的检测出三相基
49、波正序电流，但是对有功和无功电流的检测也是不准确的。基于瞬时无功功率理论和同步坐标变换的基波正序有功电流检测方法，通过计算基波正序电压的相位可以正确的检测出基波正序有功电流，但这些算法均依赖于总负载电流的检测，并且算法中使用低通滤波器进行滤波，算法的精度和实时性无法得到保证，若要在微电网的补偿中获得应用还需要作出改进。3、三相电压不平衡度的补偿三相电压不对称现象主要是由系统元件参数不对称或是三相线路及负载不对称造成的。三相电压不对称的程度可以用三相电压不平衡度来描述，国家标准GB /T 15543-1995电能质量 三相电压允许不平衡度给出的三相电压不平衡度定义为负序电压有效值占正序电压有效值
50、的百分比。对三相电压不平衡度的补偿主要可以采用以下三种补偿策略：（1）将不对称的三相负载补偿为一个等效的三相对称纯阻性负载，其中比较有代表性的算法是单周控制（One-cycle Control）算法；（2）补偿为三相功率平衡；（3）将非线性或不对称负载的馈线电流补偿为基波正序有功电流，常见的算法有基于瞬时无功功率理论的p-q算法和Ip-Iq算法，以及基于派克变换的补偿算法。第一种补偿策略在不对称电压由三相不平衡负载引起时非常有效，但对于由系统元件参数不对称造成的三相不对称电压的补偿则不再适用，因为不对称的电压会在三相对称纯阻性负载上产生三相不对称电流，从而会对电网的其它部分带来一定的影响。第二
