中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著太陽(yáng)能、風(fēng)能等DG在電網(wǎng)中所占比重越來(lái)越大,微電網(wǎng)作為接納DG的一種有效手段,逐步引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注[1-3]。微電網(wǎng)主要由DG、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)載、變流器等構(gòu)成,可以并網(wǎng)運(yùn)行也可以孤島運(yùn)行,DG通過(guò)微電網(wǎng)集成后再供電可以顯著提高供電可靠性和電能質(zhì)量,還可以為用戶創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。此外,隨著“太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”的逐步實(shí)施,微電網(wǎng)中出現(xiàn)了大量的單相微源和單相負(fù)載,使得微電網(wǎng)成為一個(gè)單相-三相混合的復(fù)雜供電系統(tǒng),再加上分布式電源輸出功率的間歇性和負(fù)荷的多變性,電壓波動(dòng)和三相功率不平衡問(wèn)題日趨嚴(yán)重[7],因此,單相-三相混合微電網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)控制是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。
針對(duì)能量協(xié)調(diào)控制問(wèn)題,大量文獻(xiàn)提出了分散控制策略,其中下垂控制是最典型的一種,文獻(xiàn)[8-12]采用下垂控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)微電網(wǎng)多逆變器并聯(lián)的功率均分控制,無(wú)需依賴互聯(lián)線,提高了微電網(wǎng)控制的可靠性。但由于DG分布比較廣泛,其接入母線的距離不一致,導(dǎo)致各分布式電源的線路阻抗不相等,易導(dǎo)致線路阻抗相對(duì)小的逆變器分配更多的功率,甚至超出其額定容量,影響微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。為此,文獻(xiàn)[13-15]提出了一種改進(jìn)型的下垂控制策略,通過(guò)引入虛擬阻抗,抵消線路阻抗的差異,從而實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中各逆變器的功率均分。
值得注意的是,上述控制方法都是針對(duì)同一微電網(wǎng)中DG的能量協(xié)調(diào)控制,能實(shí)現(xiàn)同一微電網(wǎng)中不同DG之間的功率均分,但并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)混合微電網(wǎng)中各相之間的能量進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,無(wú)法解決混合微電網(wǎng)中的三相功率不平衡和電壓波動(dòng)問(wèn)題。
現(xiàn)有的三相功率不平衡和電壓波動(dòng)抑制方法主要是通過(guò)安裝電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置[16-17],抑制效果明顯,但投資運(yùn)行成本高。為此,文獻(xiàn)[18-19]提出了微電網(wǎng)多功能逆變器的概念,在微電網(wǎng)中,各種DG和儲(chǔ)能設(shè)備是通過(guò)電力電子逆變器接入微電網(wǎng),而逆變器具有靈活性和可控性的特點(diǎn),通過(guò)選擇合適的控制策略即可實(shí)現(xiàn)逆變器在輸出有功功率和無(wú)功功率的同時(shí),開(kāi)展額外的電能質(zhì)量治理工作,有效的降低了投資運(yùn)行成本。但是,上述方法都是針對(duì)三相微電網(wǎng)的控制,并不能直接用于混合微電網(wǎng)中相互連接的單相微電網(wǎng)之間的能量協(xié)調(diào)控制。
對(duì)此,本文提出一種單相-三相混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其能量協(xié)調(diào)控制方法,該結(jié)構(gòu)主要包括PSU、ESU以及單、三相微電網(wǎng)。其中,PSU是由三組單相橋式變換器星型連接而成,針對(duì)PSU提出了基于下垂控制的能量協(xié)調(diào)控制方法,在三相功率不平衡時(shí),PSU可協(xié)調(diào)混合微電網(wǎng)各相進(jìn)行功率交換,從而抑制三相功率不平衡;在混合微電網(wǎng)某相電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),PSU可快速提供有功和無(wú)功支撐,從而抑制混合微電網(wǎng)的電壓波動(dòng)。考慮到DG輸出的間歇性和負(fù)荷的多變性,通過(guò)ESU穩(wěn)定PSU直流側(cè)的母線電壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)混合微電網(wǎng)能量波動(dòng)的緩沖。
1、單相-三相混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)
本文所提單相-三相混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由PSU、ESU以及單、三相微電網(wǎng)組成,通過(guò)斷路器和變壓器連接到大電網(wǎng),可并網(wǎng)運(yùn)行也可孤島運(yùn)行,其中PSU是由三組單相變換器星型連接而成,ESU是由多個(gè)雙向直流變換器并聯(lián)而成。
圖1單相-三相混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)
從圖1可以看出,A、C相都有DG和負(fù)載,而B(niǎo)相只有負(fù)載,沒(méi)有DG,在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),混合微電網(wǎng)接入大電網(wǎng)運(yùn)行,能保證三相功率平衡;若斷路器突然斷開(kāi),進(jìn)入孤島運(yùn)行模式,由于B相并沒(méi)有DG,可能出現(xiàn)功率缺額,B相母線電壓可能發(fā)生波動(dòng),而此時(shí)A、C相可能由于光照風(fēng)能充足,出力過(guò)剩,存在多余的能量,電壓頻率幅值升高,出現(xiàn)三相功率不平衡現(xiàn)象,為了維持A、C相正常運(yùn)行,A、C相就得降低DG的出力,出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象,既浪費(fèi)了能量,又降低了DG的利用率。
本文所提單相-三相混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以很好地解決上述問(wèn)題,PSU中每?jī)山M單相變換器可以組成一個(gè)背靠背的變換器,使得能量可以在各相微電網(wǎng)之間雙向流動(dòng),從而可以協(xié)調(diào)混合微電網(wǎng)各相進(jìn)行功率交換,提高DG的利用率,減少能量的浪費(fèi),抑制三相功率不平衡;在某相電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),PSU可快速提供有功和無(wú)功支撐,對(duì)其輸出電壓進(jìn)行調(diào)整,抑制電壓波動(dòng)。利用ESU可緩解由于DG輸出功率間歇性和負(fù)荷多變性帶來(lái)的能量波動(dòng),維持直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)PSU和ESU采用合適的能量協(xié)調(diào)控制方法,可保證混合微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)三相功率平衡控制,抑制電壓波動(dòng),相互協(xié)調(diào),相互支撐,提高供電電能質(zhì)量。
2、基于下垂控制的PSU能量協(xié)調(diào)控制方法
如圖1所示,PSU是由3組H橋變換器構(gòu)成的,其中每?jī)山MH橋可以組成一個(gè)背靠背的變換器,可很好地實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng),H橋變換器的拓?fù)鋱D如圖2所示,圖中：LI、Ls為濾波電感;C為濾波電容;Cd為公共直流母線電容;us為混合微電網(wǎng)各相母線電壓;iL、iS分別為逆變器側(cè)和網(wǎng)側(cè)的電感電流。
圖2 H橋變換器的拓?fù)鋱D
在對(duì)PSU的能量協(xié)調(diào)控制方法分析之前,先分析混合微電網(wǎng)對(duì)PSU的能量交換需求：
1）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)混合微電網(wǎng)中各相能量的協(xié)調(diào)控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三相功率不平衡的抑制。
2）混合微電網(wǎng)運(yùn)行于額定工作狀態(tài)附近時(shí),無(wú)需通過(guò)PSU進(jìn)行能量交換,以免不必要的浪費(fèi),此時(shí)PSU處于停機(jī)狀態(tài)。
3）混合微電網(wǎng)中任意一相出現(xiàn)功率波動(dòng)時(shí),PSU對(duì)其進(jìn)行有功和無(wú)功的調(diào)整,但是不能影響其他相的正常運(yùn)行。
4）PSU應(yīng)該具備一定的無(wú)功補(bǔ)償能力,在母線電壓跌落時(shí),可以支撐單相-三相混合微電網(wǎng)的母線電壓,抑制電壓波動(dòng)。
為了實(shí)現(xiàn)需求1）—3）,必須知道混合微電網(wǎng)各相對(duì)有功功率的需求情況,本文利用混合微電網(wǎng)各相母線電壓頻率f來(lái)判斷。為了方便計(jì)算,將頻率標(biāo)準(zhǔn)化后作為判斷依據(jù),計(jì)算公式如下：
式中：fmax、fmin分別為混合微電網(wǎng)所允許的最大、最小工作頻率;f°為頻率f標(biāo)準(zhǔn)化后的值,由式(1)可得,f°取值范圍為-1~1,若f°>0,說(shuō)明此時(shí)DG出力過(guò)剩,需要通過(guò)PSU轉(zhuǎn)移部分有功功率至ESU側(cè),若f°<0,說(shuō)明此時(shí)DG出力不足,需要通過(guò)PSU提供額外的有功功率。
為此,本文提出基于下垂控制的能量協(xié)調(diào)控制方法對(duì)PSU的有功功率交換進(jìn)行控制,考慮到盡量減少PSU工作于額定工作狀態(tài)附近時(shí)頻繁的能量交換而造成不必要的損失,對(duì)有功功率交換設(shè)定一個(gè)啟動(dòng)閾值,其下垂控制方程表達(dá)式如下：
式中：P為PSU輸出至ESU側(cè)的有功功率,若P>0,表明混合微電網(wǎng)通過(guò)PSU輸出有功功率至ESU側(cè),若P<0,表明混合微電網(wǎng)通過(guò)PSU從ESU側(cè)吸收有功功率;kp為有功功率交換系數(shù),由微電網(wǎng)的容量決定;f°th為有功功率交換啟動(dòng)閾值,由實(shí)際工程應(yīng)用需求決定。根據(jù)f°th可以把單相-三相混合微電網(wǎng)的工作狀態(tài)分為兩種：
1）狀態(tài)1：當(dāng)f°滿足0≤|f°|<f°th時(shí),表明此時(shí)該相微電網(wǎng)工作在混合微電網(wǎng)所允許的頻率偏移范圍內(nèi),PSU停止功率交換,以免混合微電網(wǎng)在頻繁的功率交換過(guò)程中造成額外的能量損失。
2）狀態(tài)2：當(dāng)f′滿足|f°|>f°th時(shí),表明此時(shí)該相微電網(wǎng)的工作頻率偏移量已經(jīng)超出了文中設(shè)定的有功功率交換啟動(dòng)閾值f°th,PSU啟動(dòng)功率交換,對(duì)混合微電網(wǎng)的有功功率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,從而抑制三相功率不平衡。
按照式(2)對(duì)PSU的有功功率交換進(jìn)行控制,可實(shí)現(xiàn)對(duì)混合微電網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)控制,但是也容易出現(xiàn)PSU的輸出抖動(dòng)問(wèn)題,當(dāng)微電網(wǎng)工作頻率滿足條件|f°|>f°th時(shí),PSU啟動(dòng)有功功率交換,隨后因?yàn)檫M(jìn)行了有功交換導(dǎo)致|f°|變小,這樣就可能會(huì)重新觸發(fā)0≤|f°|<f°th這個(gè)條件,PSU就會(huì)停止有功交換,一旦PSU停止有功交換,|f°|又開(kāi)始變大,如此反復(fù),易導(dǎo)致混合微電網(wǎng)的電壓頻率在啟動(dòng)閾值f°th附近抖動(dòng),進(jìn)而造成PSU的輸出發(fā)生抖動(dòng)。
為此,本文在式(2)的基礎(chǔ)上加入滯環(huán)比較環(huán)節(jié),得到下垂控制曲線如圖3所示,圖中f′′th=f′th?εf″th=f′th?ε,通過(guò)改變?chǔ)纽趴梢哉{(diào)節(jié)滯環(huán)比較的門限寬度,通常取一個(gè)比較小的值。加入滯環(huán)比較環(huán)節(jié)后,由于比較門限的存在,可有效避免PSU的輸出發(fā)生抖動(dòng)。
圖3加入滯環(huán)比較后的下垂控制曲線
按照?qǐng)D3可有效地對(duì)PSU有功功率交換進(jìn)行控制,并達(dá)到很好的控制效果,但前提是直流側(cè)母線電壓保持恒定,這就要求ESU中儲(chǔ)能電池的額定容量無(wú)限大,保證ESU可以完全吸收PSU輸出至ESU的有功功率或提供PSU所需的有功功率,但實(shí)際上儲(chǔ)能電池的額定容量通常是有限的,儲(chǔ)能電池不一定能完全吸收或釋放PSU所需交換的能量,從而引起直流側(cè)母線電壓波動(dòng),進(jìn)而影響對(duì)混合微電網(wǎng)電壓波動(dòng)和三相功率不平衡的抑制效果,因此必須根據(jù)ESU的工作狀態(tài)來(lái)協(xié)調(diào)PSU的有功功率輸出。
從圖1可知,單相微電網(wǎng)中的不平衡功率可以由ESU和三相微電網(wǎng)共同消納,而不平衡功率有正有負(fù),當(dāng)不平衡功率為正時(shí),即DG出力過(guò)剩,若儲(chǔ)能電池的剩余容量(stateofge,SOC)充足,不平衡功率可完全由儲(chǔ)能電池吸收,但是若儲(chǔ)能電池SOC不足,為了避免直流側(cè)母線電壓抬升,必須降低PSU輸出至ESU側(cè)的有功功率,而剩下的不平衡功率由三相微電網(wǎng)消納;當(dāng)不平衡功率為負(fù)時(shí),即DG出力不足,若儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能充足,不平衡功率可完全由儲(chǔ)能電池提供,但是若儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能不足,為了避免直流側(cè)母線電壓跌落,必須降低PSU從ESU側(cè)吸收的有功功率,剩下的不平衡功率由三相微電網(wǎng)提供。
為此,本文提出了引入功率傳輸系數(shù)λ來(lái)協(xié)調(diào)限制PSU的實(shí)際輸出有功功率P°,將圖3得到的有功功率P乘以功率傳輸系數(shù)λ作為后續(xù)控制的有功指令值,即：
根據(jù)ESU中儲(chǔ)能電池的總剩余容量,將其分為3個(gè)區(qū)間,分別如下：
1）區(qū)間1：0≤SOCsum≤SOClow。
2）區(qū)間2：SOClow<SOCsum<SOCup。
3）區(qū)間3：SOCup≤SOCsum≤1。
其中,SOClow為總剩余容量的下限閾值,SOCup為總剩余容量的上限閾值,SOCsum為系統(tǒng)總剩余容量,計(jì)算公式如下：
式中：n為儲(chǔ)能電池的組數(shù);SOCi為第i組儲(chǔ)能電池的剩余容量。
在區(qū)間1內(nèi),表明此時(shí)儲(chǔ)能電池SOCsum不足,若PSU輸出有功功率P為正,則必須降低PSU的功率傳輸系數(shù)λ,以免直流側(cè)母線電壓抬升,剩下的不平衡功率通過(guò)三相微電網(wǎng)消納;若PSU輸出有功功率P為負(fù),由于此時(shí)儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能充足,PSU的功率傳輸系數(shù)λ取值為1,可得計(jì)算公式如下：
在區(qū)間2內(nèi),表明此時(shí)儲(chǔ)能電池處于良好的工作狀態(tài),不管PSU是吸收有功功率還是輸出有功功率,ESU都能夠很好的對(duì)其進(jìn)行消納,因此,PSU的功率傳輸系數(shù)λ取值為1。
在區(qū)間3內(nèi),表明此時(shí)儲(chǔ)能電池SOCsum充足,若PSU輸出有功功率P為正,則PSU的功率傳輸系數(shù)λ取值為1,若PSU輸出有功功率P為負(fù),由于此時(shí)儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能不足,必須降低PSU的功率傳輸系數(shù)λ,以免直流側(cè)母線電壓跌落,剩下的不平衡功率由三相微電網(wǎng)提供,可得計(jì)算公式如下：
此外,從需求(4)可知PSU還應(yīng)該具備一定的無(wú)功補(bǔ)償能力,在母線電壓跌落時(shí),可以支撐混合微電網(wǎng)的母線電壓,抑制電壓波動(dòng),本文提出基于下垂控制的方法計(jì)算混合微電網(wǎng)所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率,具體計(jì)算公式如式(8)所示：
式中：kq為無(wú)功功率交換系數(shù);USN為混合微電網(wǎng)額定工作電壓幅值;US為混合微電網(wǎng)各相實(shí)際工作電壓幅值。當(dāng)Q>0時(shí),表明混合微電網(wǎng)無(wú)功過(guò)剩,需要通過(guò)PSU輸出部分無(wú)功功率至ESU側(cè);當(dāng)Q<0時(shí),表明混合微電網(wǎng)無(wú)功不足,需要通過(guò)PSU補(bǔ)償部分無(wú)功功率。
綜上所述,可得基于下垂控制的PSU能量協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,主要包括能量協(xié)調(diào)控制和準(zhǔn)諧振PR電流控制兩部分。其中us為混合微電網(wǎng)各相的相電壓,PLL為單相鎖相環(huán),相電壓經(jīng)過(guò)PLL后可得到相電壓的相角θ和幅值US。通過(guò)能量協(xié)調(diào)控制可以獲得電流內(nèi)環(huán)的指令電流i*s,再利用準(zhǔn)諧振PR電流控制對(duì)指令電流進(jìn)行跟蹤控制。
圖4基于下垂控制的PSU能量協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖
將指令電流i*s與實(shí)際測(cè)得的電流is相減得到電流誤差信號(hào),再將電流誤差信號(hào)送入準(zhǔn)諧振PR控制器進(jìn)行控制。準(zhǔn)諧振PR控制器在很多文獻(xiàn)[20-21]都有應(yīng)用,它在保持高增益的同時(shí),又可減少頻率偏移對(duì)控制效果造成的影響,其傳遞函數(shù)為
式中：kpr和kr分別為準(zhǔn)諧振PR控制器的比例系數(shù)和諧振增益;ωc為截止頻率,當(dāng)s=jω0時(shí),諧振增益達(dá)到最大值,通過(guò)合理設(shè)置kpr和kr可以使得控制系統(tǒng)在基頻處增益很大,從而可以最大限度的消除穩(wěn)態(tài)誤差。
3、ESU的能量協(xié)調(diào)控制方法
在PSU工作時(shí),易導(dǎo)致直流側(cè)母線電壓波動(dòng),尤其是在各單相微電網(wǎng)都出力不足或過(guò)剩時(shí),直流側(cè)母線電壓會(huì)有很大的偏離,進(jìn)而影響PSU的控制效果,為此,本文利用ESU來(lái)穩(wěn)定PSU直流側(cè)的母線電壓,為PSU的穩(wěn)定工作提供保障,在PSU直流側(cè)母線電壓升高時(shí),ESU工作于充電狀態(tài),吸收多余的能量,使得直流側(cè)母線電壓回落;在PSU直流側(cè)母線電壓下降時(shí),ESU工作于放電狀態(tài),彌補(bǔ)不足的能量,使得直流側(cè)母線電壓回升。
此外,考慮到不同儲(chǔ)能電池在同一時(shí)刻的SOC并不一樣,如果都采用同樣的充放電電流,易導(dǎo)致部分電池過(guò)度充電或者過(guò)度放電,這樣不僅浪費(fèi)電池容量,還會(huì)嚴(yán)重影響電池壽命,因此,必須采用合適的控制策略協(xié)調(diào)各ESU的控制。為此,本文提出利用儲(chǔ)能電池的SOC和直流側(cè)母線電壓偏差uerror來(lái)協(xié)調(diào)ESU的控制,利用兩者調(diào)節(jié)電流限幅器的限幅幅值,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同SOC的儲(chǔ)能電池的充放電速度的協(xié)調(diào)控制。具體控制結(jié)構(gòu)圖如圖5所示,采用電壓電流雙閉環(huán)控制,外環(huán)是電壓控制環(huán),采用PI控制,用以改善系統(tǒng)輸出電壓的波形,使其具有較高的輸出精度;內(nèi)環(huán)是電感電流調(diào)節(jié)環(huán),采用比例P控制,可以提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
圖5 ESU的能量協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖
圖5中Imax為電流限幅器的限幅幅值,具體計(jì)算公式如下：
式中：IN為儲(chǔ)能電池所能承受的額定充放電電流;τ為冪系數(shù)。式(10)中SOC的具體計(jì)算方法如式(11)所示：
式中：SOCt=0為儲(chǔ)能電池初始剩余容量;ibat為儲(chǔ)能電池充放電電流;SN為儲(chǔ)能電池的額定容量。
4、仿真和實(shí)驗(yàn)
4.1 仿真驗(yàn)證
基于Matlab/Simulink搭建了系統(tǒng)仿真模型對(duì)本文所提單相-三相混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其能量協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行驗(yàn)證。利用三臺(tái)單相H橋逆變器組成PSU,利用兩臺(tái)雙向直流變換器連接兩組儲(chǔ)能電池Bat1和Bat2構(gòu)成ESU,單相微電網(wǎng)中,A相由兩組電源和兩組負(fù)荷組成,B相由一組電源和一組負(fù)荷組成,C相由兩組電源和一組負(fù)荷組成。電源都是通過(guò)逆變器連接到微電網(wǎng)中。兩臺(tái)雙向直流變換器額定容量均為6kW,H橋逆變器額定容量均為4kW,各相逆變器的額定容量為3kW,載波頻率均為10kHz,直流母線電壓為400V,仿真模型其他仿真參數(shù)取值如表1所示。
表1系統(tǒng)仿真參數(shù)
為驗(yàn)證本文所提能量協(xié)調(diào)控制方法的有效性,在0.2s時(shí),A相突然減少一組負(fù)荷,B相將唯一一組電源切斷,保持其他不變,仿真結(jié)果如圖6所示,圖中：PA、QA、PB、QB、PC、QC分別為混合微電網(wǎng)A、B、C三相通過(guò)PSU輸出至ESU側(cè)的有功功率和無(wú)功功率;PDGa1、QDGa1和PDGa2、QDGa2分別為A相中兩逆變器DGa1和DGa2輸出的有功功率和無(wú)功功率;PDGb1、QDGb1分別為B相中逆變器DGb1輸出的有功功率和無(wú)功功率;PDGc1、QDGc1和PDGc2、QDGc2分別為C相中兩逆變器DGc1和DGc2輸出的有功功率和無(wú)功功率;PLA、QLA、PLB、QLB、PLC、QLC分別為A、B、C三相負(fù)荷吸收的有功功率和無(wú)功功率。圖7給出了有無(wú)PSU和ESU參與調(diào)節(jié)的三相微電網(wǎng)接入點(diǎn)處的三相電流iA、iB、iC的仿真波形對(duì)比圖,圖8給出了混合微電網(wǎng)A、B、C三相母線電壓變化圖,圖9給出了ESU的控制效果圖,圖中：Udc為公共直流側(cè)母線電壓;iL,Bat1、iL,Bat2分別為流過(guò)兩組雙向直流變換器濾波電感的電流。
圖6混合微電網(wǎng)及其PSU各相的有功無(wú)功功率變化圖
圖6混合
微電網(wǎng)及其PSU各相的有功無(wú)功功率變化圖
從圖6(a)可以看出,在0.2s之前,兩逆變器DGa1和DGa2出力充足,此時(shí)PSU將A相過(guò)剩的能量輸出到ESU側(cè),繼而通過(guò)ESU將其存儲(chǔ)起來(lái),在0.2s時(shí),A相負(fù)荷突然減少,能量過(guò)剩,導(dǎo)致A相電壓頻率幅值升高,PSU增加輸出至ESU側(cè)的有功功率;從圖6(b)可以看出,B相切斷電源后,B相無(wú)法滿足負(fù)荷對(duì)功率的需求,出現(xiàn)功率缺額,此時(shí),PSU快速反應(yīng),從ESU側(cè)輸入能量至B相,支撐B相的繼續(xù)運(yùn)行;從圖6、9可知,在A相增加輸出至ESU側(cè)的有功功率后,ESU的充電電流不但沒(méi)有增加,反而減少了,這是因?yàn)樵贐相切斷唯一一組電源后,需要PSU提供較大的有功功率以支撐B相的功率平衡。以上仿真結(jié)果表明,本文所提控制方法能夠有效實(shí)現(xiàn)混合微電網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)控制并抑制三相功率不平衡。
此外,從圖7(a)和(b)的對(duì)比分析可得,不采用PSU和ESU協(xié)調(diào)控制時(shí),接入三相微電網(wǎng)的三相電流iA、iB、iC存在嚴(yán)重的不平衡現(xiàn)象,而引入PSU和ESU的協(xié)調(diào)控制后,接入三相微電網(wǎng)的三相電流不平衡現(xiàn)象得到了明顯的改善,證明了本文所提控制方法能夠改善混合微電網(wǎng)的三相功率不平衡。
圖7有無(wú)PSU和ESU參與調(diào)節(jié)的三相電流iA、iB、iC對(duì)比圖
從圖8可知,B相切斷電源后,B相電壓出現(xiàn)跌落,此時(shí),PSU快速反應(yīng),對(duì)其提供有功和無(wú)功支撐,從而阻止了B相電壓因?yàn)殡娫吹娜笔Ф蠓碌?表明了本文所提能量協(xié)調(diào)控制方法能夠抑制混合微電網(wǎng)的電壓波動(dòng)。
從圖9可知,通過(guò)ESU的穩(wěn)壓控制,PSU公共直流側(cè)母線電壓基本上保持為直線,表明了ESU的穩(wěn)壓性能優(yōu)越,可以有效的抑制混合微電網(wǎng)能量的波動(dòng)。此外,由于儲(chǔ)能電池Bat1的SOC大于儲(chǔ)能電池Bat2的SOC,所以充電電流iL,Bat1要大于iL,Bat2,可以看出仿真結(jié)果和分析結(jié)果一致,驗(yàn)證了ESU能量協(xié)調(diào)控制方法的有效性。
圖8 A、B、C三相母線電壓變化圖
圖9 ESU的控制效果圖
4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證仿真結(jié)果,根據(jù)上面的仿真模型及其系統(tǒng)參數(shù),搭建了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在樣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后,將A相突然減少一組負(fù)荷,B相將唯一一組電源切斷,保持其他運(yùn)行條件不變。利用Fluke434觀測(cè)PSU各相的有功無(wú)功功率變化情況,如圖10所示,利用DPO3032示波器觀測(cè)混合微電網(wǎng)各相母線電壓波形變化情況和兩組ESU的充放電電流及其穩(wěn)壓情況,分別如圖11和12所示。
圖10 PSU各相的有功無(wú)功變化圖
圖11混合微電網(wǎng)三相電壓波形圖
從圖10可知,在運(yùn)行條件改變之前,混合微電網(wǎng)中各相的DG出力充足,PSU將各相過(guò)剩能量輸出至ESU側(cè),再利用ESU將其存儲(chǔ)起來(lái)。從圖10的線1可以看出,在A相突然減少一組負(fù)荷后,出現(xiàn)能量過(guò)剩,導(dǎo)致A相電壓頻率幅值升高,PSU開(kāi)始工作,將A相過(guò)剩的能量輸出至ESU側(cè);從圖10的線2可以看出,B相切斷電源后,由于B相無(wú)法滿足負(fù)荷對(duì)功率的需求,導(dǎo)致B相電壓跌落,此時(shí)PSU快速做出反應(yīng),對(duì)其提供有功和無(wú)功支撐,以維持B相繼續(xù)正常運(yùn)行;從圖10(a)和圖12可知,在A相增加輸出至ESU側(cè)的有功功率后,ESU充電電流不但沒(méi)有增加,反而減少了,這是因?yàn)锽相切斷唯一一組電源后,需要PSU提供較大的有功功率以支撐B相的功率平衡,表明本文所提控制方法能夠有效實(shí)現(xiàn)混合微電網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)控制并抑制混合微電網(wǎng)的三相功率不平衡。
圖12 ESU的控制實(shí)驗(yàn)波形圖
從圖11可以看出,在A相突然減少一組負(fù)荷后,A相電壓頻率幅值升高,通過(guò)協(xié)調(diào)控制,PSU增加輸出至ESU的有功功率和無(wú)功功率,隨后母線電壓恢復(fù)正常。在B相切斷電源后,B相電壓下跌,此時(shí)PSU快速反應(yīng),對(duì)其提供有功和無(wú)功支撐,使得B相電壓恢復(fù)正常。證明了本文所提能量協(xié)調(diào)控制方法對(duì)抑制混合微電網(wǎng)電壓波動(dòng)效果顯著。
從圖12可知,通過(guò)ESU的穩(wěn)壓控制,PSU公共直流側(cè)母線電壓基本上保持為直線,表明了ESU對(duì)公共直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)壓效果顯著,可有效的抑制混合微電網(wǎng)能量的波動(dòng)。此外,從圖12中還可以看出,充電電流iL,Bat1要大于iL,Bat2,這是因?yàn)閮?chǔ)能電池Bat1的SOC大于儲(chǔ)能電池Bat2的SOC,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)果一致,驗(yàn)證了ESU能量協(xié)調(diào)控制方法的有效性。
5、結(jié)論
針對(duì)傳統(tǒng)單相-三相混合微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)易出現(xiàn)電壓波動(dòng)和三相功率不平衡問(wèn)題,本文提出了一種單相-三相混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其能量協(xié)調(diào)控制方法,得到如下結(jié)論：
1）提出的單相-三相混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)混合微電網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)控制,提高了混合微電網(wǎng)的供電電能質(zhì)量。
2）提出的基于下垂控制的PSU能量協(xié)調(diào)控制方法可協(xié)調(diào)混合微電網(wǎng)各相進(jìn)行功率交換,并且對(duì)其提供有功和無(wú)功支撐,實(shí)現(xiàn)了對(duì)混合微電網(wǎng)三相功率不平衡和電壓波動(dòng)的有效抑制。
3）提出的ESU能量協(xié)調(diào)控制方法可對(duì)混合微電網(wǎng)的能量波動(dòng)進(jìn)行緩沖,確保了PSU直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)定。
4）仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提單相-三相混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其能量協(xié)調(diào)控制方法的有效性,可推廣應(yīng)用到單相-三相混合微電網(wǎng)系統(tǒng)中。
團(tuán)隊(duì)介紹
國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心于2013年，經(jīng)科技部批復(fù)，依托湖南大學(xué)組建，由教育部主管。“中心”主要圍繞我國(guó)電能變換與控制的關(guān)鍵共性理論與技術(shù)難題，開(kāi)展技術(shù)研究、成果轉(zhuǎn)化、應(yīng)用推廣、科技服務(wù)等工作，從而引領(lǐng)電能變換與控制關(guān)鍵共性技術(shù)的科學(xué)發(fā)展，培育、提高自主創(chuàng)新能力，加快該先進(jìn)科研成果在企業(yè)配用電綜合節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用，并促進(jìn)科技成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，提升我國(guó)電氣節(jié)能產(chǎn)業(yè)升級(jí)與高層次人才培養(yǎng)，優(yōu)化、加強(qiáng)行業(yè)人才儲(chǔ)備。“中心”現(xiàn)有教授38人，副教授46人，在校研究生和本科生3000余人。擁有國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科1個(gè)、國(guó)家重點(diǎn)培育學(xué)科1個(gè)；2個(gè)一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)，2個(gè)博士后流動(dòng)站；已建成教育部輸變電新技術(shù)工程研究中心、機(jī)械工業(yè)配電網(wǎng)電氣節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、電力推進(jìn)與伺服傳動(dòng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、電氣科學(xué)及其應(yīng)用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等科研基地，成立了國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心珠海分中心。擁有長(zhǎng)江學(xué)者2人、“千人計(jì)劃”3人、“國(guó)家杰青”2人等人才，是“長(zhǎng)江學(xué)者與創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。近2年來(lái)，“中心”承擔(dān)或完成國(guó)家科技支撐計(jì)劃、國(guó)家“973”、“863”、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目43項(xiàng)，省部級(jí)項(xiàng)目27項(xiàng)，企業(yè)合作項(xiàng)目53項(xiàng)。申請(qǐng)發(fā)明專利36項(xiàng)，獲授權(quán)發(fā)明專利30項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)期刊論文141篇，其中SCI收錄34篇，出版專著2部，獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國(guó)專利金獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)等，培養(yǎng)研究生191名，其中博士29人。中心在“用電設(shè)備電能變換與控制技術(shù)”、“企業(yè)配電網(wǎng)電能質(zhì)量控制技術(shù)”、“企業(yè)用電優(yōu)化與協(xié)調(diào)控制技術(shù)”三個(gè)研究方向取得重大突破，通過(guò)與湖南中科電氣、廣州白云電器集團(tuán)、中鋁華大等7家企業(yè)建立了“產(chǎn)、學(xué)、研、用”聯(lián)盟，研制的20余種電能變換與控制裝備廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、石化、電力等行業(yè)。引領(lǐng)并帶動(dòng)了電能變換與控制領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。
作者介紹
羅安，中國(guó)工程院院士，博士，中共黨員，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，湖南省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)副主席，國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心主任，“全國(guó)優(yōu)秀科技工作者”，“全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文”指導(dǎo)教師，“何梁何利科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)”、“中達(dá)學(xué)者”、“湖南光召科技獎(jiǎng)”、“湖南省勞動(dòng)模范”獲得者，IEEESeniorMember。兼任中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)理事、中國(guó)電源學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)直流輸電與電力電子專委會(huì)副主任、湖南省電機(jī)工程學(xué)會(huì)榮譽(yù)理事長(zhǎng)、長(zhǎng)沙發(fā)明協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)，浙江大學(xué)求實(shí)特聘教授。主要從事大功率冶金特種電源系統(tǒng)，配電網(wǎng)電能質(zhì)量控制，企業(yè)綜合電氣節(jié)能，新能源分布式發(fā)電，微電網(wǎng)控制等方向的研究工作。近年來(lái)，主持國(guó)家973計(jì)劃子項(xiàng)、863計(jì)劃、國(guó)家支撐計(jì)劃、國(guó)家重大成果轉(zhuǎn)化、國(guó)際合作項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目及面上項(xiàng)目、湖南省重大專項(xiàng)等課題20余項(xiàng)。主編專著2部，獲發(fā)明專利50余項(xiàng)，實(shí)用新型專利20余項(xiàng)，在IEEE、IET等國(guó)內(nèi)外期刊發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文200余篇，其中SCI收錄論文30余篇。
周小平，博士研究生，研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電、微電網(wǎng)控制及電能質(zhì)量控制，zxp2011@hnu.edu.cn。
陳燕東，博士，副教授，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電、微電網(wǎng)控制及工業(yè)特種電源技術(shù)，xlcyd520@163.com。
原標(biāo)題:湖南大學(xué)周小平等：一種單相-三相混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其能量協(xié)調(diào)控制方法
