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基于PQ控制方法的微电网并网运行
摘要：
0引言
随着环境问题和能源问题的日益突出,世界各国开始纷纷为寻求更加环保节能的新能源发电方式而努力。近年来,具有环境污染少、能源利用率高及安装地点灵活等优点的分布式发电开始受到世界各国的关注,然而,随着分布式发电的迅速发展及其在大电网中的大量接入,其对大电网的影响也是显而易见的因此,急需另外一种发电方式来解决以上问题,随着新型技术的应用,特别是现代控制理论及电力电子技术的发展,本世纪初微电网的概念被提出。
微电网中的大多数微电源通过逆变器接入系统,因此对微电源的控制即为对其逆变器的控制。无论是并网运行还是独立运行,都需要对微电网内的各个逆变器进行有效地控制,以维持电压和频率在允许变化的范围之内,从而满足负荷对电能质量的要求。PQ控制一般用于发电具有间歇性的微电源,如光伏发电、风力发电等,并用于并网发电,此时微电网的电压由大电网或其他微电源提供稳定支撑时,则此微电源逆变器控制的主要目标就是保证逆变器输出的有功电流和无功电流跟踪参考电流以及电流的频率和相位与微电网电压保持一致。
1 微电网的结构
微电网将分布式电源、负荷、储能装置、控制装置等汇集而成一个小型发配电系统，是一个能够实现自我控制和管理的自治系统，图1-1给出了一种典型的微电网系统示意图。
DG 馈线A B1SPCC 馈线BB4传统负荷B5B6P1+jQ1B2B3P2+jQ2敏感负荷
图1-1典型的微电网系统
图 1-1 中微电网通过公共耦合点(Point of Common Coupling，PCC)处的静态开关(Static Transfer Switch，STS)与配电网相连，整体呈辐射状结构，共有2条馈线 A、B。 重要或敏感负荷接在馈线A上，不重要的负荷接在馈线B上。这样，当微电网与主网解列时，可以切去不重要的负荷，保证网内重要负荷和发电平衡。另外，微电网中还配置有潮流控制器和能量管理器等控制设备，帮助实现微电网有效的控制和管理。当负荷发生变化时，潮流
控制器可根据本地电压频率信息对潮流进行调节，控制分布式电源输出的功率；而能量管理器则可以综合地解决微电网在进行电压和潮流控制以及解列操作时出现的功率分配、稳定运行等一系列运行问题，保证微电网内的功率平衡。
2 微电源的控制方法
微电网存在两种典型的运行模式:正常情况下微电网与大电网并联运行,称为并网模式;当检测到电网故障或者电能质量不满足要求时,微电网将及时的与大电网断开而独立运行,称为孤岛模式。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,则要求微电网内至少有一个微电源能建立稳定的电压和频率,并且使之处于允许的范围之内。
微电网中的大多数微电源通过逆变器接入系统,因此对微电源的控制即为对其逆变器的控制。无论是并网运行还是独立运行,都需要对微电网内的各个逆变器进行有效地控制,以维持电压和频率在允许变化的范围之内,从而满足负荷对电能质量的要求。尤其是微电网在独立运行模式下,由于微电源不再利用并联运行的常规大电网获得电压和频率参考,此时的控制将更加复杂。微电源逆变器的控制方式有V/f控制和PQ控制两种,V/f控制方法使微电源输出的电压和频率在允许变化的范围之内,而PQ控制方法使微电源输出恒定的有功和无功功率。
2.1 PQ控制
通常P/Q控制方式用于微电网并网运行状态，在该状态下，微电网内负荷波动、频率和电压扰动由大电网承担，各DG不参与电压和频率的调节，直接采用大电网提供电压和频率作为支撑。采用电力电子逆变器的分布式电源的P/Q控制方式主要有俩种。
方法一通过设定的微型电源原动机的有功参考值来进行有功功率调节，并通过直流电压控制器参与辅助调节，而无功按照参考值进行控制。
逆变器P/Q控制方式一框图如图2-1所示。 图2-1
?ireact?iactP/Q控
制方式一框图
在该P/Q控制方式下，有功控制和无功控制对象不同。有功控制通过分布式电源控制器与逆变器直流电压控制器共同完成。首先给定原动机功率参考值PSetPoint ,之后在原动机自身功率调节器作用下按参考值进行有功功率输出，同时在逆变器直流侧的电压控制器 PI1 作用下，保障直流电压恒定，从而实现DG有功功率输出。无功功率控制主要通过逆变器进行。首先对逆变器右侧的端口电流i和电压u信号进行测量及计算，得出无功输出Q。然后在调节器PI2的作用下，根据无功功率参考值Qref与实测的逆变器输出无功Q之间的经过差值调节器来控制无功电流的幅值，从而实现恒定无功调节。
方法二是指通过直接控制逆变器实现P/Q控制。在该控制下，通过选择合理的同步旋转轴在Park 变换将逆变器输出电压abc分量转化为dq0分量，此时q轴电压分量为0，ueq=0，逆变器的输出功率用下式表示为
?Pref?ugd?igd?ugq?igq?ugd?igd??Q??u?i?u?i??u?igdgqgqgdgdgq?ref由上式得电流内环的dq轴参考值为
?igd,ref?Pref/ugd??igq,ref??Qref/ugddq轴电流实际测量值igd、igq与电流参考值igd,ref、igq,ref之间的差值通过PI调节器作用后，可为逆变器电压输出参考值uid,ref1、uiq,ref1，经滤波后，由其控制逆变器dq轴电压参考分量值uid,ref和uiq,ref，之后通过Park 反变换将其转化为abc分量进而对逆变器进行控制。
图2-2 P/Q控制方式二框图
2.2微电源逆变器数学模型分析
在介绍微电源逆变器的控制方法之前,首先要进行微电源逆变器数学模型的建立,本文选择介绍三相电压型桥式逆变器,并假设其直流侧为恒定直流源。三相逆变器主电路拓扑结构如图2-3所示,直流侧电压Vdc经过三相逆变器后转换为三相交流电,再经LC滤波器滤除高次谐波,得到工频正弦交流电,给负荷供电且剩余电能还可输出给微电网。
图2-3 三相逆变器主电路拓扑结构
其中,L1 、C1 、R1为滤波电感、滤波电容、滤波电阻,因R1一般较小,在数学建模时可以忽略不计,Z2为负载参数,L3、R3为输出线路参数,u1a、u1b、u1c为逆变器的输出电压,u2a、u2b、u2c为负载电压,i1a、i1b、i1c为滤波电感L1 上的电流,i2a、i2b、i2c为滤波电容上的电流,i3a、i3b、i3c为负载电流和电网电流之和。
从上图中可以看出,逆变器直流侧电源电压用直流电代替。该并网逆变器为电压型三相桥式逆变器,主要由DC/AC逆变电路和输出滤波电路两部分组成。
DC/AC逆变电路由3个半桥组成, 关管全部采用全控型器件,如GTO、IGBT、GTR等,D1-D6为续流二极管。当对波形要求较高时,则一般采用PWM调制方法,以抑制高次谐波。根据各开关管导通时间的长短,该电路可分为180°导电型和120°导电型。在180°导电型中,每个开关管的驱动信号持续180°,同一相上下两个开关管交替导通,任何时刻都有3个开关管导通,在一个周期内,6个 关管触发导通的次序为T1-T6,依次相隔60°。在120°导电型中,同一相上两臂的导通间隔为60°，各相依次相差120°。在同样直流电压时,180°导电的逆变电压比120°的高,故180°导电时开关管的利用率较高,因此180°导电型较为常用。因此本文采取180°导电型的PWM调制方法,使直流电能转换为交流电能,得到与微电网同频同相的正弦交流电并与微电网连接。