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1、基于分布式发电的微电网黑启动设计与实现摘 要： 针对电网故障的不可预测性，基于逆变器控制的基本原理，对锁相环技术以及SPWM技术的数学建模分析，提出多种控制模式下微电网的黑启动控制策略。对分布式电源的控制方法进行了研究，分析比较了微电网控制模式，并将逆变器的控制方法应用到微电网控制中去，在此基础上提出一种新型的恢复速度更快的并行恢复黑启动方案，基于Matlab对其进行了仿真，验证了微电网串行恢复和并行恢复的有效性和可行性。关键词： 微电网； 逆变器控制； 黑启动； 并行恢复中图分类号： TN915.03?34； TQ028.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）13?
2、0140?05Abstract： For the unpredictability of the power grid fault， the mathematical modeling of SPWM technology and phase?locked loop technology are analyzed based on the basic principle of inverter control. The microgrid black start control strategy under multiple control modes is put forward. In t
3、his paper， the control methods for distributed power are studied， and the microgrid control modes are analyzed and compared. The control method of the inverter is applied to the microgrid control. A new parallel black start scheme with fast recovery rate is proposed， and simulated with Matlab. The v
4、alidity and feasibility of microgrid serial recovery and parallel recovery were verified.Keywords： microgrid； inverter control； black start； parallel recovery随着全球工业化进程不断加速，各个国家对电力资源的需求飞速增长，人们把越来越多的目光投向了既可以提高化石燃料的利用效率又能充分利用各种清洁能源的分布式发电技术【1】。进而，以分布式电源为基础的微电网成为了电网发展的主要趋势。但是，由于电网故障具有不可预测性，当微电网运行出现故障，未能正
5、确处理时，可能导致整个微电网全黑【2】。为了保证微电网的稳定供电，就要求微电网具有黑启动能力应对不确定的事故。本文针对各种微电源的特性，首先，对分布式电源控制技术进行了研究，并对三种控制方式进行仿真验证；其次，对比分析了微电网主从控制和对等控制方式的优点，并对其性能进行分析验证；最后，设计了一套含有串行恢复的分模块并行恢复方案，并利用Matlab对其进行仿真验证。1 分布式电源控制方法研究分布式电源是微电网运行的基础，而分布式电源是通过各种电力电子逆变器接口接入微电网的，所以对这种电源的控制可以转化成对逆变器的控制。目前对逆变器的控制主要有三种方式：恒功率控制（PQ control）、恒压恒频
6、控制（V/f control）以及下垂控制（Droop control）。1.1 恒功率控制恒功率控制是将无功电流和有功电流进行解耦控制，利用PI调节来实现控制，通过SPWM调节控制逆变器保证分布式电源输出的有功功率和无功功率保持在一个固定值【3】。设计一个电流闭环系统，实现对参考电流的实时跟踪。控制器主要包括锁相环、变换器、电流环控制以及SPWM控制。1.2 恒压恒频控制V/f控制使用电压电流双闭环控制方式，电压外环使逆变器能够稳定输出电压，为其他分布式电源提供支持；电流环为内环，提高系统动态响应，减少谐波含量，提高微电网中各个微电源的可控性【4】。V/f控制主要应用于主从控制模式中，主要作
7、用是使微电网中的主控制器输出的电压和频率在可调范围之内，使从控制单元不用承担支撑微电网电压频率的任务，从而能够正常稳定输出。1.3 下垂控制下垂控制器利用传感器对逆变器输出电压电流进行采样，计算得到逆变器输出的有功和无功功率，然后经过下垂控制模块得到电压和频率的参考值输入给电压电流双闭环系统，经过PI调节对参考值进行跟随，得到无静差的正弦信号，最后经过SPWM调制，控制逆变器的开关管通断。2 微电网控制模式建模2.1 主从控制模式主从控制模式是指根据各个分布式电源的自身情况不同，运用不同的控制策略，实现其不同的作用。微电网中，一个分布式电源作为主控制单元测量网侧的各种电气量，根据电网的运行状况
8、进行相应的调节，而其他从控制单元通过通信线路与主控制单元相连接，按照给定进行输出，使整个电网的负载和输出达到功率平衡【5】。主从控制中的主控制单元采用恒压恒频控制，输出稳定的电压频率，而其他从控制单元依然采用恒功率控制其输出功率来维持系统与本地负荷的功率平衡。2.2 对等控制模式对等控制模式是指在整个微电网系统中，各个分布式电源在控制上都有着相等的地位，不存在从属关系，每一个分布式电源都根据接入系统的电压和频率信息进行控制。目前普遍使用的分布式电源的控制方法是Droop控制，各个微电源独立运行。在微电网并网运行时，微电网的电压幅值和频率由配电网支撑，各个微电源按照额定功率输出电能；当系统运行在
9、孤岛模式时，电网中的每一个采用下垂控制的分布式电源都参与到微电网的电压和频率的调节中。当负载发生变化时，各个分布式电源自动根据下垂系数分担负载的变化量。3 微电网黑启动3.1 微电网恢复步骤黑启动电源在输出端为0的情况下，能够自行进行启动，建立微电网的电压，并且带动其他非黑启动的电源启动，逐渐扩大微电网系统的容量，最终实现微电网在离网状态下的正常带载运行，具体操作步骤如下：断开微电网中的本地负荷以及微电源；选择黑启动电源；启动黑启动电源；模式切换与同期并列；启动非黑启动微电源，并入微电网中；增加微电网的本地负载。3.2 传统微电网串行恢复方案串行恢复，启动顺序为由一个黑启动电源启动，建立电网电
10、压频率后，其余电源逐个启动，随后组网。微电网进行串行恢复，首先柴油发电机在不连接外部电网的情况下进行带载自启动，建立起微电网的电压和频率，在运行稳定后，其余的两个分布式电源采用恒功率控制进行启动，直接并入主参考源中，电压频率跟随柴油发电机，自身按照恒定的功率输出。稳定运行后接入负载，微电源对输出功率自行调整，保证输出功率与负载平衡。3.3 微电网并行恢复方案按照图1设计黑启动方案，建立混合控制的微电网。在微电网黑启动初期，将微电网分成三个子模块，其中一个模块采用串行恢复，一个分布式电源采用恒压恒频控制，作为主参考源对电网中的重要负载供电，其余两个模块中的分布式电源采用下垂控制，保证能够在黑启动
11、的第一时间启动，保证负载的供电。由于采用下垂控制的逆变器抗扰动能力较差，所以在分布式电源均启动并稳定运行后，采用下垂控制的逆变器需要转换控制模式，转为恒功率控制，并入到主参考源中，这时整个微电网为主从控制模式，整个微电网的抗扰动能力增强，能够向负载提供稳定的电能。4 仿真分析4.1 基于分布式电源控制方法的仿真分析4.1.1 基于Matlab/Simulink的PQ控制仿真搭建基于PQ控制的三相逆变器运行仿真模型，仿真分为主电路模块和控制模块。系统电压为380 V，频率为50 Hz。逆变器负载端带有两个负载，均为10 kW，初始状态时load2是断开的，0.5 s之后load2接入，观察负载变
12、化时逆变器和电网侧输出功率的变化，如图2所示。从图2可知，逆变器输出的有功功率和无功功率始终跟踪给定值，不随负载的变化而变化，符合恒功率控制原理，同时也验证了仿真模型的正确性。4.1.2 基于Matlab/Simulink的V/f控制仿真在恒压恒频控制中微电源离网运行，参考线电压为380 V，频率为50 Hz。带有负载load1和load2，load1为5 kW，load2为10 kW，初始运行时只接入load1，0.55 s后接入load2，观察负载变化对V/f控制逆变器的影响，如图3所示。由图3可得，无论负载如何变化，微电源输出的电压和频率总是跟随给定值，符合恒压恒频控制基本原理。而逆变器
13、的输出功率时刻跟随负荷变化，说明采用恒压恒频控制的逆变器需要有较大功率容量，输出可调，随时补充网内功率缺额，可在微电网主从控制中作为主控制器使用。4.2 基于微电网控制模式的仿真分析4.2.1 主从控制仿真分析搭建离网运行下的主从控制仿真模型，模型中的参数如表1所示。根据搭建好的主从控制仿真模型，设计一系列开关动作，初始运行时，微电网离网运行，接有本地负载load1，load2，0.1 s时将load2切出，0.2 s接入load3观察负载变化对微电网的影响，0.3 s时将PQ控制的逆变器切出，如图4所示。由图4可得，负载变化产生的功率变化均由采用恒压恒频控制的主控制器跟踪。而且主控制器的暂态
14、过程良好，对功率变化的响应速度很快。由0.3 s时的仿真结果可以看出，主控制单元不仅仅承担了负载的变化，还承担了分布式电源的波动。4.2.2 对等控制仿真分析利用Simulink搭建含有两个分布式电源的微电网，两个微电网均采用Droop控制，独自采集本地电压、电流和频率信息，对逆变器进行控制；两个分布式电源都分别带有本地负荷，微电网中还有一个公共可以切入切出的负荷，所有的逆变器和负荷通过母线与配电网相连，仿真中的配电网用大容量的三相交流电源代替。设计对等控制仿真步骤：初始时，系统处于离网运行状态，0.3 s后系统与电网侧断开连接，进入并网运行状态，查看微电网并/离网状态切换是否稳定，以及系统并
15、网运行性能；0.8 s后系统重新离网运行，1 s后将其中一个负载切出，1.2 s后接入另一个负载，通过开关模拟负载变化，验证其下垂特性以及功率跟踪能力，如图5所示。从图5（a）仿真结果可以得出，两个逆变器快速进行了响应，重新分配功率输出保证负载的供电，同时，验证了对等控制微电网在离网模式运行时采用下垂控制策略的有效性。在图5（b）的对等控制中，系统对单个微电源的依赖性不强，负载的变化由网内的微电源共同承担。4.3 基于微电网黑启动仿真分析4.3.1 基于串行恢复方案的仿真分析柴油发电机作为主控制器，采用V/f控制运行，额定线电压的幅值为380 V，频率为50 Hz，输出功率可调，其余逆变器采用
16、PQ控制，微电网参数设计见表2。按照表3进行黑启动操作，串行恢复负载功率仿真结果如图6（a）所示。由实验结果可知，PQ控制逆变器能够经过自身的调解平定冲击，将输出恢复到设定值。在本地负载依次接入时，由于柴油发电机设计的容量大，并且容量可调，保证了负载的稳定供电。但是，由于使用柴油发电机作为黑启动电源，响应速度较慢，建立网侧电压时间较长，面对网侧突变导致的频率变化调整时间较长，具体如图6（b）所示。虽然顺利完成黑启动，但是速度较慢。4.3.2 基于并行恢复方案的仿真分析建立由三个逆变器组成的微电网。采用V/f控制的微电源作为主参考电源，将微电网分成三个模块，主模块主参考源采用V/f控制进行黑启动
17、，其余模块中微电源采用droop控制进行启动，如表4所示。按照表5进行黑启动操作，并行恢复负载功率仿真结果如图7（a）所示。由实验结果可得，利用这种方式进行黑启动，所有负载第一时间恢复供电，其余时间只是逆变器的控制变换。5 结 论本文针对各种微电源的特性以及控制方式，充分利用各个微电源的黑启动能力制定黑启动方案。主要对分布式电源的控制技术以及微电网的控制方式进行了研究，确立了微电网黑启动的步骤，基于此结合并行恢复以及串行恢复的优点，设计了一套含有串行恢复的分模块并行恢复方案，并且通过仿真实验验证了该方案的有效性和可行性。在以后的研究中，可从微电网的控制方式和控制器结构等方向入手，研究如何减小功
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