中國儲能網(wǎng)訊：隨著太陽能、風能等DG在電網(wǎng)中所占比重越來越大,微電網(wǎng)作為接納DG的一種有效手段,逐步引起了社會的廣泛關(guān)注[1-3]。微電網(wǎng)主要由DG、儲能系統(tǒng)、負載、變流器等構(gòu)成,可以并網(wǎng)運行也可以孤島運行,DG通過微電網(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)濟效益[4-6]。此外,隨著“太陽能屋頂計劃”的逐步實施,微電網(wǎng)中出現(xiàn)了大量的單相微源和單相負載,使得微電網(wǎng)成為一個單相-三相混合的復雜供電系統(tǒng),再加上分布式電源輸出功率的間歇性和負荷的多變性,電壓波動和三相功率不平衡問題日趨嚴重[7],因此,單相-三相混合微電網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)控制是一個亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。
針對能量協(xié)調(diào)控制問題,大量文獻提出了分散控制策略,其中下垂控制是最典型的一種,文獻[8-12]采用下垂控制實現(xiàn)了對微電網(wǎng)多逆變器并聯(lián)的功率均分控制,無需依賴互聯(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,導致各分布式電源的線路阻抗不相等,易導致線路阻抗相對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)定運行。為此,文獻[13-15]提出了一種改進型的下垂控制策略,通過引入虛擬阻抗,抵消線路阻抗的差異,從而實現(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同一微電網(wǎng)中DG的能量協(xié)調(diào)控制,能實現(xiàn)同一微電網(wǎng)中不同DG之間的功率均分,但并不能實現(xiàn)對混合微電網(wǎng)中各相之間的能量進行協(xié)調(diào)控制,無法解決混合微電網(wǎng)中的三相功率不平衡和電壓波動問題。
現(xiàn)有的三相功率不平衡和電壓波動抑制方法主要是通過安裝電能質(zhì)量補償裝置[16-17],抑制效果明顯,但投資運行成本高。為此,文獻[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和儲能設(shè)備是通過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,通過選擇合適的控制策略即可實現(xiàn)逆變器在輸出有功功率和無功功率的同時,開展額外的電能質(zhì)量治理工作,有效的降低了投資運行成本。但是,上述方法都是針對三相微電網(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,PSU可協(xié)調(diào)混合微電網(wǎng)各相進行功率交換,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)波動時,PSU可快速提供有功和無功支撐,從而抑制混合微電網(wǎng)的電壓波動?？紤]到DG輸出的間歇性和負荷的多變性,通過ESU穩(wěn)定PSU直流側(cè)的母線電壓,實現(xiàn)對混合微電網(wǎng)能量波動的緩沖。
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,通過斷路器和變壓器連接到大電網(wǎng),可并網(wǎng)運行也可孤島運行,其中PSU是由三組單相變換器星型連接而成,ESU是由多個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和負載,而B相只有負載,沒有DG,在并網(wǎng)運行時,混合微電網(wǎng)接入大電網(wǎng)運行,能保證三相功率平衡;若斷路器突然斷開,進入孤島運行模式,由于B相并沒有DG,可能出現(xiàn)功率缺額,B相母線電壓可能發(fā)生波動,而此時A、C相可能由于光照風能充足,出力過剩,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相正常運行,A、C相就得降低DG的出力,出現(xiàn)棄風、棄光現(xiàn)象,既浪費了能量,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題,PSU中每兩組單相變換器可以組成一個背靠背的變換器,使得能量可以在各相微電網(wǎng)之間雙向流動,從而可以協(xié)調(diào)混合微電網(wǎng)各相進行功率交換,提高DG的利用率,減少能量的浪費,抑制三相功率不平衡;在某相電壓出現(xiàn)波動時,PSU可快速提供有功和無功支撐,對其輸出電壓進行調(diào)整,抑制電壓波動。利用ESU可緩解由于DG輸出功率間歇性和負荷多變性帶來的能量波動,維持直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)定。通過對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)在孤島運行狀態(tài)下實現(xiàn)三相功率平衡控制,抑制電壓波動,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,其中每兩組H橋可以組成一個背靠背的變換器,可很好地實現(xiàn)能量雙向流動,H橋變換器的拓撲圖如圖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橋變換器的拓撲圖
在對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PSU的能量交換需求：
1）能夠?qū)崿F(xiàn)對混合微電網(wǎng)中各相能量的協(xié)調(diào)控制,從而實現(xiàn)對三相功率不平衡的抑制。
2）混合微電網(wǎng)運行于額定工作狀態(tài)附近時,無需通過PSU進行能量交換,以免不必要的浪費,此時PSU處于停機狀態(tài)。
3）混合微電網(wǎng)中任意一相出現(xiàn)功率波動時,PSU對其進行有功和無功的調(diào)整,但是不能影響其他相的正常運行。
4）PSU應(yīng)該具備一定的無功補償能力,在母線電壓跌落時,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。
為了實現(xiàn)需求1）—3）,必須知道混合微電網(wǎng)各相對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來判斷。為了方便計算,將頻率標準化后作為判斷依據(jù),計算公式如下：
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標準化后的值,由式(1)可得,f°取值范圍為-1~1,若f°>0,說明此時DG出力過剩,需要通過PSU轉(zhuǎn)移部分有功功率至ESU側(cè),若f°<0,說明此時DG出力不足,需要通過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PSU的有功功率交換進行控制,考慮到盡量減少PSU工作于額定工作狀態(tài)附近時頻繁的能量交換而造成不必要的損失,對有功功率交換設(shè)定一個啟動閾值,其下垂控制方程表達式如下：
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PSU輸出有功功率至ESU側(cè),若P<0,表明混合微電網(wǎng)通過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閾值,由實際工程應(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f°滿足0≤|f°|<f°th時,表明此時該相微電網(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程中造成額外的能量損失。
2）狀態(tài)2：當f′滿足|f°|>f°th時,表明此時該相微電網(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閾值f°th,PSU啟動功率交換,對混合微電網(wǎng)的有功功率進行協(xié)調(diào)控制,從而抑制三相功率不平衡。
按照式(2)對PSU的有功功率交換進行控制,可實現(xiàn)對混合微電網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)控制,但是也容易出現(xiàn)PSU的輸出抖動問題,當微電網(wǎng)工作頻率滿足條件|f°|>f°th時,PSU啟動有功功率交換,隨后因為進行了有功交換導致|f°|變小,這樣就可能會重新觸發(fā)0≤|f°|<f°th這個條件,PSU就會停止有功交換,一旦PSU停止有功交換,|f°|又開始變大,如此反復,易導致混合微電網(wǎng)的電壓頻率在啟動閾值f°th附近抖動,進而造成PSU的輸出發(fā)生抖動。
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,通過改變εε可以調(diào)節(jié)滯環(huán)比較的門限寬度,通常取一個比較小的值。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。
圖3加入滯環(huán)比較后的下垂控制曲線
按照圖3可有效地對PSU有功功率交換進行控制,并達到很好的控制效果,但前提是直流側(cè)母線電壓保持恒定,這就要求ESU中儲能電池的額定容量無限大,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,但實際上儲能電池的額定容量通常是有限的,儲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,進而影響對混合微電網(wǎng)電壓波動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,當不平衡功率為正時,即DG出力過剩,若儲能電池的剩余容量(stateofge,SOC)充足,不平衡功率可完全由儲能電池吸收,但是若儲能電池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;當不平衡功率為負時,即DG出力不足,若儲能電池儲能充足,不平衡功率可完全由儲能電池提供,但是若儲能電池儲能不足,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來協(xié)調(diào)限制PSU的實際輸出有功功率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中儲能電池的總剩余容量,將其分為3個區(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,計算公式如下：
式中：n為儲能電池的組數(shù);SOCi為第i組儲能電池的剩余容量。
在區(qū)間1內(nèi),表明此時儲能電池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三相微電網(wǎng)消納;若PSU輸出有功功率P為負,由于此時儲能電池儲能充足,PSU的功率傳輸系數(shù)λ取值為1,可得計算公式如下：
在區(qū)間2內(nèi),表明此時儲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都能夠很好的對其進行消納,因此,PSU的功率傳輸系數(shù)λ取值為1。
在區(qū)間3內(nèi),表明此時儲能電池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,由于此時儲能電池儲能不足,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,可得計算公式如下：
此外,從需求(4)可知PSU還應(yīng)該具備一定的無功補償能力,在母線電壓跌落時,可以支撐混合微電網(wǎng)的母線電壓,抑制電壓波動,本文提出基于下垂控制的方法計算混合微電網(wǎng)所需補償?shù)臒o功功率,具體計算公式如式(8)所示：
式中：kq為無功功率交換系數(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)各相實際工作電壓幅值。當Q>0時,表明混合微電網(wǎng)無功過剩,需要通過PSU輸出部分無功功率至ESU側(cè);當Q<0時,表明混合微電網(wǎng)無功不足,需要通過PSU補償部分無功功率。
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PLL后可得到相電壓的相角θ和幅值US。通過能量協(xié)調(diào)控制可以獲得電流內(nèi)環(huán)的指令電流i*s,再利用準諧振PR電流控制對指令電流進行跟蹤控制。
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與實際測得的電流is相減得到電流誤差信號,再將電流誤差信號送入準諧振PR控制器進行控制。準諧振PR控制器在很多文獻[20-21]都有應(yīng)用,它在保持高增益的同時,又可減少頻率偏移對控制效果造成的影響,其傳遞函數(shù)為
式中：kpr和kr分別為準諧振PR控制器的比例系數(shù)和諧振增益;ωc為截止頻率,當s=jω0時,諧振增益達到最大值,通過合理設(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,易導致直流側(cè)母線電壓波動,尤其是在各單相微電網(wǎng)都出力不足或過剩時,直流側(cè)母線電壓會有很大的偏離,進而影響PSU的控制效果,為此,本文利用ESU來穩(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,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,ESU工作于放電狀態(tài),彌補不足的能量,使得直流側(cè)母線電壓回升。
此外,考慮到不同儲能電池在同一時刻的SOC并不一樣,如果都采用同樣的充放電電流,易導致部分電池過度充電或者過度放電,這樣不僅浪費電池容量,還會嚴重影響電池壽命,因此,必須采用合適的控制策略協(xié)調(diào)各ESU的控制。為此,本文提出利用儲能電池的SOC和直流側(cè)母線電壓偏差uerror來協(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,從而實現(xiàn)對不同SOC的儲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,具體計算公式如下：
式中：IN為儲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的具體計算方法如式(11)所示：
式中：SOCt=0為儲能電池初始剩余容量;ibat為儲能電池充放電電流;SN為儲能電池的額定容量。
4、仿真和實驗
4.1 仿真驗證
基于Matlab/Simulink搭建了系統(tǒng)仿真模型對本文所提單相-三相混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其能量協(xié)調(diào)控制方法進行驗證。利用三臺單相H橋逆變器組成PSU,利用兩臺雙向直流變換器連接兩組儲能電池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荷組成,B相由一組電源和一組負荷組成,C相由兩組電源和一組負荷組成。電源都是通過逆變器連接到微電網(wǎng)中。兩臺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)
為驗證本文所提能量協(xié)調(diào)控制方法的有效性,在0.2s時,A相突然減少一組負荷,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PSU輸出至ESU側(cè)的有功功率和無功功率;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功功率;PDGb1、QDGb1分別為B相中逆變器DGb1輸出的有功功率和無功功率;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功功率;PLA、QLA、PLB、QLB、PLC、QLC分別為A、B、C三相負荷吸收的有功功率和無功功率。圖7給出了有無PSU和ESU參與調(diào)節(jié)的三相微電網(wǎng)接入點處的三相電流iA、iB、iC的仿真波形對比圖,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各相的有功無功功率變化圖
圖6混合
微電網(wǎng)及其PSU各相的有功無功功率變化圖
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PSU將A相過剩的能量輸出到ESU側(cè),繼而通過ESU將其存儲起來,在0.2s時,A相負荷突然減少,能量過剩,導致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相無法滿足負荷對功率的需求,出現(xiàn)功率缺額,此時,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的充電電流不但沒有增加,反而減少了,這是因為在B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)的對比分析可得,不采用PSU和ESU協(xié)調(diào)控制時,接入三相微電網(wǎng)的三相電流iA、iB、iC存在嚴重的不平衡現(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PSU和ESU參與調(diào)節(jié)的三相電流iA、iB、iC對比圖
從圖8可知,B相切斷電源后,B相電壓出現(xiàn)跌落,此時,PSU快速反應(yīng),對其提供有功和無功支撐,從而阻止了B相電壓因為電源的缺失而大幅下跌,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。
從圖9可知,通過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。此外,由于儲能電池Bat1的SOC大于儲能電池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 實驗驗證
為驗證仿真結(jié)果,根據(jù)上面的仿真模型及其系統(tǒng)參數(shù),搭建了樣機實驗平臺。在樣機穩(wěn)定運行后,將A相突然減少一組負荷,B相將唯一一組電源切斷,保持其他運行條件不變。利用Fluke434觀測PSU各相的有功無功功率變化情況,如圖10所示,利用DPO3032示波器觀測混合微電網(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將各相過剩能量輸出至ESU側(cè),再利用ESU將其存儲起來。從圖10的線1可以看出,在A相突然減少一組負荷后,出現(xiàn)能量過剩,導致A相電壓頻率幅值升高,PSU開始工作,將A相過剩的能量輸出至ESU側(cè);從圖10的線2可以看出,B相切斷電源后,由于B相無法滿足負荷對功率的需求,導致B相電壓跌落,此時PSU快速做出反應(yīng),對其提供有功和無功支撐,以維持B相繼續(xù)正常運行;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充電電流不但沒有增加,反而減少了,這是因為B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的控制實驗波形圖
從圖11可以看出,在A相突然減少一組負荷后,A相電壓頻率幅值升高,通過協(xié)調(diào)控制,PSU增加輸出至ESU的有功功率和無功功率,隨后母線電壓恢復正常。在B相切斷電源后,B相電壓下跌,此時PSU快速反應(yīng),對其提供有功和無功支撐,使得B相電壓恢復正常。證明了本文所提能量協(xié)調(diào)控制方法對抑制混合微電網(wǎng)電壓波動效果顯著。
從圖12可知,通過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。此外,從圖12中還可以看出,充電電流iL,Bat1要大于iL,Bat2,這是因為儲能電池Bat1的SOC大于儲能電池Bat2的SOC,實驗結(jié)果和分析結(jié)果一致,驗證了ESU能量協(xié)調(diào)控制方法的有效性。
5、結(jié)論
針對傳統(tǒng)單相-三相混合微電網(wǎng)孤島運行時易出現(xiàn)電壓波動和三相功率不平衡問題,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)實現(xiàn)了對混合微電網(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)各相進行功率交換,并且對其提供有功和無功支撐,實現(xiàn)了對混合微電網(wǎng)三相功率不平衡和電壓波動的有效抑制。
3）提出的ESU能量協(xié)調(diào)控制方法可對混合微電網(wǎng)的能量波動進行緩沖,確保了PSU直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)定。
4）仿真與實驗結(jié)果驗證了所提單相-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。
團隊介紹
國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，依托湖南大學組建，由教育部主管?！爸行摹敝饕獓@我國電能變換與控制的關(guān)鍵共性理論與技術(shù)難題，開展技術(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)的科學發(fā)展，培育、提高自主創(chuàng)新能力，加快該先進科研成果在企業(yè)配用電綜合節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用，并促進科技成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化，增強產(chǎn)業(yè)核心競爭力，提升我國電氣節(jié)能產(chǎn)業(yè)升級與高層次人才培養(yǎng)，優(yōu)化、加強行業(yè)人才儲備?！爸行摹爆F(xiàn)有教授38人，副教授46人，在校研究生和本科生3000余人。擁有國家重點學科1個、國家重點培育學科1個；2個一級學科博士點，2個博士后流動站；已建成教育部輸變電新技術(shù)工程研究中心、機械工業(yè)配電網(wǎng)電氣節(jié)能重點實驗室、電力推進與伺服傳動教育部重點實驗室、電氣科學及其應(yīng)用湖南省重點實驗室等科研基地，成立了國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心珠海分中心。擁有長江學者2人、“千人計劃”3人、“國家杰青”2人等人才，是“長江學者與創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”創(chuàng)新團隊。近2年來，“中心”承擔或完成國家科技支撐計劃、國家“973”、“863”、國家自然科學基金等項目43項，省部級項目27項，企業(yè)合作項目53項。申請發(fā)明專利36項，獲授權(quán)發(fā)明專利30項，發(fā)表學術(shù)期刊論文141篇，其中SCI收錄34篇，出版專著2部，獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、中國專利金獎1項，省部級一等獎2項、二等獎1項等，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)”三個研究方向取得重大突破，通過與湖南中科電氣、廣州白云電器集團、中鋁華大等7家企業(yè)建立了“產(chǎn)、學、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，中國工程院院士，博士，中共黨員，湖南大學電氣與信息工程學院教授、博士生導師，湖南省科學技術(shù)協(xié)會副主席，國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心主任，“全國優(yōu)秀科技工作者”，“全國優(yōu)秀博士學位論文”指導教師，“何梁何利科學技術(shù)進步獎”、“中達學者”、“湖南光召科技獎”、“湖南省勞動模范”獲得者，IEEESeniorMember。兼任中國電機工程學會理事、中國電源學會常務(wù)理事、中國電機工程學會直流輸電與電力電子專委會副主任、湖南省電機工程學會榮譽理事長、長沙發(fā)明協(xié)會會長，浙江大學求實特聘教授。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，主持國家973計劃子項、863計劃、國家支撐計劃、國家重大成果轉(zhuǎn)化、國際合作項目、國家自然科學基金重點項目及面上項目、湖南省重大專項等課題20余項。主編專著2部，獲發(fā)明專利50余項，實用新型專利20余項，在IEEE、IET等國內(nèi)外期刊發(fā)表高水平學術(shù)論文200余篇，其中SCI收錄論文30余篇。
周小平，博士研究生，研究方向為分布式發(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，研究方向為新能源發(fā)電、微電網(wǎng)控制及工業(yè)特種電源技術(shù)，xlcyd520@163.com。
原標題:湖南大學周小平等：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
