微电网并离网平滑切换控制策略研究_刘景霞.pdf

微电网并离网平滑切换控制策略研究刘景霞,王硕秋(内蒙古科技大学,内蒙古 包头0 1 4 0 1 7)摘 要:针对微电网并网和离网模式切换过程存在电压、频率波动问题,主要从切换过程储能逆变器P/Q控制和V/F控制入手,分析并改进了传统储能逆变器的控制策略。在离网控制策略中加入附加的功率模块,可以补充模式切换造成的功率缺额;在并网控制模式中加入附加的频率和电压控制模块,用来稳定切换造成的电压和频率的波动。最后在MA T L A B中对上述策略进行建模仿真,验证控制的有效性。关键词:微电网;P/Q控制;V/F控制;平滑切换中图分类号:TM 4 6 4 D O I:1 0.1 9 7 6 8/j.c n k i.d g j s.2 0 2 3.0 2.0 0 9S t u d yo nS m o o t hS w i t c h i n gC o n t r o l S t r a t e g yf o rG r i dC o n n e c t i o na n dO f f-g r i dL I UJ i n g x i a,WAN GS h u o q i u(I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,B a o t o u0 1 4 0 1 7,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga tt h ef l u c t u a t i o no fv o l t a g ea n df r e q u e n c yi nt h es w i t c h i n gp r o c e s sb e t w e e nc o n n e c t i o na n do f f-g r i dm o d eo fm i c r o g r i d,s t a r t i n gf r o mt h eP/Qc o n t r o l a n dV/Fc o n t r o lo fe n e r g ys t o r a g e i n v e r t e r i nt h es w i t c h i n gp r o c e s s,t h ec o n t r o l s t r a t e g yo f t r a d i t i o n a l e n e r g ys t o r a g e i n v e r t e r i sa n a l y z e da n d i m p r o v e d.A d d i t i o n a l p o w e rm o d u l e s i sa d d e dt ot h eo f f-g r i dc o n t r o l s t r a t e g y t oc o m p e n s a t e f o r t h ep o w e rd e f i c i t c a u s e db ym o d e s w i t c h i n g.A d d i t i o n a l f r e q u e n c ya n dv o l t-a g ec o n t r o lm o d u l e s a r e a d d e d t o t h eg r i d-t i e dc o n t r o lm o d e t o s t a b i l i z ev o l t a g e a n d f r e q u e n c y f l u c t u a t i o n s c a u s e db ys w i t c-h i n g.F i n a l l y,t h ea b o v es t r a t e g y i sm o d e l e da n ds i m u l a t e d i nMA T L A Bt ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so f c o n t r o l.K e yw o r d s:m i c r o g r i d;P/Qc o n t r o l;V/Fc o n t r o l;s m o o t hs w i t c h i n g收稿日期:2 0 2 2-0 7-0 9作者简介:刘景霞(1 9 7 1-),硕士,研究方向为电力系统、新能源发电、新能源蓄热、通信等;王硕秋(1 9 9 5-),硕士研究生,研究方向为微电网、电力系统、微电网智能监控等。0引言随着社会的发展,只靠煤等不可再生资源发电显然不能满足社会的经济性和环保性需求。以可再生能源发电的微电网具有的优势可以弥补传统发电带来的影响。微电网可以与电网实现能量流动,从而改善电网局部地区用电紧缺,增强电网稳定性;微电网以当地的风光等可再生资源发电,满足当地用电需求的同时,可减少电力远距离传输带来的能量损耗;微电网的储能系统还具有削峰填谷的作用,电能过剩时可存储在微电网的储能系统中,而当用户电力需求过大且发电量不满足时,微电网的储能系统则会放电来满足用户用电需求。在“十四五”规划“碳达峰、碳中 和”目 标 提 出 后,微 电 网 的 发 电 比 例 会 大 幅 度提高1。微电网有并网运行和离网运行两种模式。并网运行时微电网与电网进行能量交换,其频率和电压由电网提供,储能系统采用P/Q控制;离网运行时微电网单独运行,其电压和频率由本身系统提供,储能系统采用V/F控制。在并/离网切换阶段,切换系统结构发生改变,会导致切换系统的电压和频率发生改变。为了保证微电网的稳定运行,需要保证切换前后微电网电压和频率稳定,切换前后联络线电压偏差不大于7%Un,微电网频率偏差不大于0.1fn2。本文以光储微电网的储能系统为研究对象,针对并离网模式切换前后系统功率和频率发生波动的问题,分析并改进传统储能系统控制策略,以期实现更平滑的切换。1光储微电网的结构及控制策略1.1光储微电网结构光储微电网拓扑结构如图1所示。光伏分布式电源通过最大功率点追踪向外输出恒定的功率,逆变器采用P/Q控制;储能系统工作在并网模式时,逆变器采用P/Q控制,储能单元能够根据光伏发电量和电网的信息合理充放电,保证系统电能的质量;储能系统工作在离网模式时,逆变器采用V/F控制,储能系统作为电源为系统供能,保证系统电压和频率的稳定。由于两种控制模式转换前后系统功率存在缺额,会造成切换时系统功率和频率的波动,因此需要改进储能控制策略,以确保并离网切换的顺利进行,还可抑制切换过程造成的波动。92新能源系统与设备 电工技术 图1集中式储能拓扑结构1.2储能系统控制原理1.2.1并网运行模式下的蓄电池逆变器控制策略在并网运行模式下,蓄电池逆变器的控制目标为按照电网的指令输出相应的有功功率和无功功率,即P/Q控制策略。在同步旋转坐标系下,三相逆变器输出的瞬时有功功率和瞬时无功功率分别为:P=32(udid+uqiq)(1)Q=-32(udid+uqiq)(2)式中,P为有功功率;Q为无功功率;ud、uq分别为ua、ub、uc在d q坐标轴上的等效分量;id、iq分别为电感电流iaL、ibL、icL在d q坐标轴上的等效分量。由式(2)可以推出d、q轴电流的指令值idr e f、iqr e f为:idr e f=32(Pr e fud-Qr e fuqu2d+u2q)(3)iqr e f=-32(Pr e fuq+Qr e fudu2d+u2q)(4)在同步旋转坐标系下,电流内环的控制方程为:usd=(Kp+Kis)(idr e f-id)+Lgiq+ud(5)usq=(Kp+Kis)(iqr e f-iq)+Lgid+uq(6)式中,usd、usq为逆变器参考电压;Kp、Ki为电流调节器的控制参数;为电网角频率3。P/Q控制策略下,逆变器的控制框图如图2所示。图2P/Q控制器的控制结构框1.2.2离网运行模式下的蓄电池逆变器控制策略在孤岛运行模式下,系统失去电网电压和频率的支撑,逆变器需切换到恒压恒频(V/F)控制模式。V/F控制与P/Q控制的不同之处在于交、直流电流参考值的获取方式不同。以电容电压为状态量来列写的状态方程,在d、q坐标系下可以得到4。按照此方程可以得到电压外环的控制方程:Cgduddt=id L-r e fCguq-id l(7)Cgduqdt=iq L-r e fCgud-iq l(8)idr e f=Cg(Kp+Kis)(udr e f-ud)-r e fCguq+id l(9)iqr e f=Cg(Kp+Kis)(uqr e f-uq)+r e fCguq+iq l(1 0)V/F的控制框图如图3所示。图3V/F控制模式下的控制结构框2储能逆变器平滑切换控制策略2.1并网切换至离网运行传统的P/Q控制和V/F控制虽然有相同的电流控制模块,但是电流控制模块输入指令前端的控制模块是不同的,该模块计算结果的不同会导致电压波动,所以电流控制模块前的输入指令越接近切换前的数值,模式切换造成的波动就越小。对此,本文在电流控制模块和电压控制模块中间加入一个功率控制模块,利用切换前的功率信息进行P I调节的控制,利用储能系统中的电能对切换前后的功率缺额进行补偿,以有效缓解运行模式改变导致的系统波动5。具体控制策略如图4所示。图4改进后并网切换至离网控制策略2.2离网切换至并网运行微电网并网的前提是与大电网连接处的电压幅值、频率和相位一致。在频率控制上,本文加入了额外的频率控制模块,该模块通过检测两侧频率的差值,改变积分器的输入量来保持两侧频率的一致;在电压的幅值和相位上,电压控制模块通过计算离网电压和并网后整个系统的电03电工技术 新能源系统与设备 压,运用P I调节来补充切换前后的差值6。具体控制策略如图5所示。图5改进后离网切换至并网控制策略3并离网平滑切换控制策略的试验3.1光储微电网建模按照上述分析的光储微电网在MA T L A B/S i m u l i k中搭建仿真模型7,光伏发电阵列单元始终处于最大总功率跟踪状态。光照强度为每秒1 0 0 0W/m2,温度为2 5时,光伏电池模块所组成的光伏阵列单元输出的最大总功率为1 0k W8。微电网运行模式自动切换时,采用改进的控制策略。光伏电量消耗以及光伏发电总负荷需求值始终保持恒定。电网在1s时甩掉部分不重要负荷,在2s时由并网状态自动切换到离网状态,在2.5s时又自动切换到并网状态。搭建的微电网仿真模型如图6所示。图6微电网仿真模型由图7可知,初始时,微电网处于并网状态,储能系统按P/Q控制策略运行。微电网在01s时间段的功率为负值,储能系统处于充电状态,光伏发电系统发出的功率不能满足储能和负荷的需求,需要电网向微电网输送功率;在12s时间段,交流母线功率为正,电流变大,此时系统内不重要负荷被切除,储能系统处于充电状态,微电网发出的功率同时向储能系统和电网输送;在2s时,微电网与电网断开,完成并网向离网状态的切换,控制策略也由P/Q控制切换至V/F控制;在22.5s时间段,交流母线没有电流和功率的流动,储能系统处于放电状态,微电网内的电压和频率由储能系统和光伏发电系统提供;在2.5s时,微电网并入电网,储能系统继续充电,微电网向电网输送功率。至此,微电网完成了一次完整的并网-离网-并网的模式切换过程。图7交流母线仿真结果3.2并网到离网的模式切换分析2s时模式切换的功率和频率对比如图8所示。并网模式切换至离网模式时,额外加入的功率模块使得离网时短暂的功率缺额得到补充,抑制了频率波动。改进前频率最大降到4 9.8H z,频率与额定频率差值为0.2H z,而改进后频率上下波动没有超过0.0 5H z,抑制效果比改进前有明显的提升。图8改进前后并网切换至离网频率功率对比3.3离网到并网模式切换分析2.5s时模式切换的功率和频率对比如图9所示。离网模式切换至并网模式时,而改进前频率与额定频率的最大差值 为0.1 5 H z,波 动 较 大,改 进 后 频 率 基 本 维 持 在5 0H z。图9改进前后离网切换至并网频率功率对比4结语本文分析了储能系统的控制策略,针对两种模式控制策略输入量的不同,添加控制模块,弥补模式转换过程中的功率缺额,抑制频率波动并稳定电压,实现微电网并离网的平滑切换。本文只针对储能系统的控制进行了改进,后续还可以从整个微电网的控制进行分析,通过微电网发电系统、储能系统和电网的信息交互、协调控制,微电网并离网平滑切换的效果会更好。参考文献1 王成山,高菲,李鹏,等.低压微网控制策略研究J.中国电(下转第3 5页)13新能源系统与设备 电工技术 表4。图63月5日去噪前后风功率预测曲线表4误差分析模型均方根误差RM S E平均误差MA E决定系数R23月5日小波去噪前预测值2.8 1 1 11.7 2 0 90.9 4 0 43月5日小波去噪后预测值1.9 7 4 91.3 4 5 20.9 7 0 73月6日小波去噪前预测值6.5 5 6 74.3 1 4 50.7 5 5 73月6日小波去噪后预测值4.8 6 4 63.3 0 3 40.8 7 4 43月7日小波去噪前预测值1.8 2 5 50.9 7 0 40.9 6 4 23月7日小波去噪后预测值1.5 9 7 10.8 4 7 70.9 7 2 3 由图6和表4数据可知,使用去噪后的数据进行风功率预测比传统方法预测的精确度高,该方法消除了数据的波动性,预测曲线更接近实际值。为进一步体现该方法的优越性,人为对2 0 2 2年3月5日的风速、风向数据加入白噪声并通过MA T L A B进行仿真,预测曲线如图7所示。传统的B P神经网络已经严重影响了预测精度,部分数据已经失去了检测效果;而使用小波去噪后的B P神经网络能保持预测精度,效果较好。通过误差分析,同样发现B P神经网络在受到噪声干扰后预测精度明显下降,预测不稳定;而经过小波去噪后的B P神经网络不但能去除加入的噪声,还能去除原始数据中的噪声干扰,使得预测模型仍能保持较高的稳定性及预测精度。5结语本文提出了基于小波去噪的B P神经网络的短期风功率预测,通过小波去噪的分解层数、小波函数以及阈值的 图7加入噪声前后预测值选择进行仿真调试,找到小波去噪与B P神经网络的最优结合方式,即选择d b 1 0小波对风速、风向数据进行二层分解,采用h e u r s u r e阈值进行去噪的效果最好。对某风电场2 0 2 2年3月5日到3月7日的数据进行预测,对比结果表明该方法可提高传统B P神经网络的预测精度。同时模拟数据被噪声干扰,使用该方法进行预测,发现该方法仍能保持较高的预测精度,体现了该方法的优越性。参考文献1 贾文昭,康重庆,李丹,等.基于日前风功率预测的风电消纳能力评估方法J.电网技术,2 0 1 2,3 6(8):6 9-7 5.2 李媛,张鹏飞.基于多级B P神经网络的风功率预测研究C.全国风能应用技术年会暨“十二五”风能9 7 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电工技术