微电网的基本控制方法优化

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：目前，微电网常用的基本控制方法主要分为主从型和对等型两种。前者是将DG电源赋予不同的职能，并有一个主单元来协调控制其他DG电源；后者是基于外特性下降法的控制策略，各个DG电源之间采用了相同的控制方法，且它们之间是平等关系。主从控制策略主要用于孤岛运行时的微电网控制。

目前，微电网常用的基本控制方法主要分为主从型和对等型两种。前者是将DG电源赋予不同的职能，并有一个主单元来协调控制其他DG电源；后者是基于外特性下降法的控制策略，各个DG电源之间采用了相同的控制方法，且它们之间是平等关系。除上述两种控制策略外，其他的各种控制策略都可归为这两类，或者是看作基于这两类控制策略的改进与融合。

1.主从控制法

主从控制法是对微电网内各个微电源采取不同的控制方法，并赋予不同的职能。通过将其中一个（或几个）微电源作为主电源来检测电网中的各种电气参量，而后根据电网的运行情况采取相应的调节手段，并通过通信线路来控制其他“从属”电源的输出来达到整个微电网的功率平衡，使电压频率稳定在额定值。

主从控制策略主要用于孤岛运行时的微电网控制。当并网运行时，微电网内的各个微电源只需控制各自功率流的输出以保证微电网内部的功率平衡。由于微电网的总体容量相对于配电网来说较小，因此，微电网的电压水平和额定频率都由配电网来支持和调节。而当微电网脱离配电网进行孤岛运行时，微电网内部如果要保持电压和频率的额定值，就需要某个或者几个电源担当原来配电网的角色来提供额定电压和频率。这个单元被称为主电源或参考电源。参考电源一般采用U-f控制方法，输出额定电压和频率值，而其他的处于从属地位的微电源则根据需要采取P-Q或者P-U控制法，控制输出的功率和电压来维持微电网内部的功率平衡。

主从控制法的一般过程如下：

1）当检测单元检测到孤岛，或微电网主动从配电网断开进入孤岛运行模式时，微电网控制切换到主从模式，通过调整各个微电源的输出功率来达到微电网内部功率平衡。

2）当微电网负载变化时，首先由主电源自动根据负载变化调节输出电流，增大或减少输出功率；同时检测并计算功率的变化量，根据现有发电单元的可用容量来调节某些从属电源的设定值，从而增大或减少它们的输出功率；当其他电源输出功率增大时，主电源的输出就相应地自动减少，从而保证主电源始终有足够的容量来调节瞬时功率变化。

3）当电网中无可调用的有功或无功容量时，只能依靠主单元来调节。当负载增加时，根据负载的电压依赖特性，可以考虑适当减少电压值；如果仍然不能实现功率平衡，则可以采用切负载的措施来维持微电网运行。

当然，主从控制策略也存在一些缺点。首先，主电源采用U-f控制法，其输出的电压是恒定的，要增加输出功率，就只能增大输出电流；而且，负载的瞬时波动通常首先是由主电源来进行平衡的，因而要求主电源有一定的容量。其次，由于整个系统是通过主电源来协调控制其他电源，因而一旦主电源出现故障，整个微电网就会出现瘫痪。另外，主从控制法依赖于控制信号的传输，需要高可靠性的通信技术，因此通信的可靠性直接会影响系统的可靠性，而且增加通信设备会使系统的成本和复杂性增大。

2.对等控制法

所谓对等控制，就是指各微电源之间在关系上是“平等”的，不存在从属关系。所有的微电源以预先设定的控制模式参与有功和无功的调节，维持系统内的电压和频率稳定。对等控制策略主要基于外特性下降法，即分别将频率和有功功率、电压和无功功率关联起来，通过一定的控制算法，模拟传统电网中的有功—频率特性曲线和无功—电压曲线，实现电压、频率的自动调节而无须借助于额外的通信设备。

有功和频率的关系曲线如图6-15所示。其中，由线A和B分别为微电源a和b的有功-频率曲线。正常运行时，微电源a和b均运行于额定角频率ω₀，输出功率分别为P_a0和P_b0。当负载功率增加时，即微电源a和b的输出功率分别增加到P_a1和P_b1时，同时系统角频率从ω₀降到ω₁，系统在新的频率值下继续运行。同样，当负载功率减少时，a和b的输出功率会以同样的比例减少，同时系统频率也会升高到额定频率，甚至高于额定频率，上述系统频率随输出功率调整的过程是可逆的。因此，当微电源的负载发生变化时，微电源的输出功率也随之改变，使得系统频率在额定角频率ω₀附近上下波动。

根据图6-15中曲线可以写出功率—频率变化的动态方程为

ω=ω₀-m（P-P₀）=ω₀-mΔP （6-11）

m=-（ω₀-ω_min）/P_max （6-12）

式中，m为曲线斜率；ω₀和ω_min是系统运行的额定频率和最小频率；P₀和P_max分别为微电源在ω₀和ω_min下的输出功率。

图6-15 有功-频率曲线

类似，电压和无功功率的关系曲线如图6-16所示。

同样，根据曲线可以写出方程

E₀=E_req-m_QQ （6-13）

m_Q=ΔE/Q_max （6-14）

式中，E_req为额定参考电压值；Q_max是电源的无功输出容量；m_Q为曲线斜率，恒为负。只有当注入无功功率为0时，E₀等于E_req。

图6-16 无功-电压曲线

从上面的公式可以看出，采用对等控制策略时，微电源只需测量输出端的电气参量，独立地参与到电压和频率的调节过程中，不用知道其他电源的运行情况，整个过程也无需通信。而且，当某一个微电源发生故障退出运行时，其余的电源仍然能够不受影响地继续运行，系统的可靠性要比主从控制法高。另外，当需要增加新的发电单元时，只需要对新的电源设置同样的控制策略，直接接入系统即可，而无需对系统的其他地方进行改动，方便实现“即插即用”和系统扩容。

当然，对等控制策略也有许多缺点。例如，负载瞬时变化时，输出电压和频率同额定值之间总会存在较小的误差，稳态误差不能为零；不能正确地调节非线性负载及线路造成的谐波分布；不同于输电网（X＞＞R）中，频率主要受有功功率影响而电压主要受无功功率影响的情况，在配电网中，R＞＞X，线路电阻的影响不可忽视，其对无功功率的影响非常显著，在此情况下，系统外特性偏软；再者，在三相系统中，由于拓扑结构变化（如主动孤岛运行）引起的控制模式的改变，因而对等控制法也不一定是个很好的选择，尤其是在同时有线性和非线性负载的情况下。

总之，主从控制策略和对等控制策略各有优缺点，分别适用于不同的运行情况。如何把二者结合起来，发挥它们各自的优势，实现相互补充形成新的控制方法，或者通过适当的控制系统将二者实行分时复用，将是一件非常有意义的事情。

微电网的基本控制方法优化

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