一种单相、三相混合微电网结构及其能量协调控制方法

随着太阳能、风能等DG在电网中所占比重越来越大,微电网作为接纳DG的一种有效手段,逐步引起了社会的广泛关注[1-3]。微电网主要由DG、储能系统、负载、变流器等构成,可以并网运行也可以孤岛运行,DG通过微电网集成后再供电可以显著提高供电可靠性和电能质量,还可以为用户创造一定的经济效益[4-6]。此外,随着“太阳能屋顶计划”的逐步实施,微电网中出现了大量的单相微源和单相负载,使得微电网成为一个单相-三相混合的复杂供电系统,再加上分布式电源输出功率的间歇性和负荷的多变性,电压波动和三相功率不平衡问题日趋严重[7],因此,单相-三相混合微电网的能量协调控制是一个亟待解决的关键技术。

针对能量协调控制问题,大量文献提出了分散控制策略,其中下垂控制是最典型的一种,文献[8-12]采用下垂控制实现了对微电网多逆变器并联的功率均分控制,无需依赖互联线,提高了微电网控制的可靠性。但由于DG分布比较广泛,其接入母线的距离不一致,导致各分布式电源的线路阻抗不相等,易导致线路阻抗相对小的逆变器分配更多的功率,甚至超出其额定容量,影响微电网安全稳定运行。为此,文献[13-15]提出了一种改进型的下垂控制策略,通过引入虚拟阻抗,抵消线路阻抗的差异,从而实现微电网中各逆变器的功率均分。

值得注意的是,上述控制方法都是针对同一微电网中DG的能量协调控制,能实现同一微电网中不同DG之间的功率均分,但并不能实现对混合微电网中各相之间的能量进行协调控制,无法解决混合微电网中的三相功率不平衡和电压波动问题。

现有的三相功率不平衡和电压波动抑制方法主要是通过安装电能质量补偿装置[16-17],抑制效果明显,但投资运行成本高。为此,文献[18-19]提出了微电网多功能逆变器的概念,在微电网中,各种DG和储能设备是通过电力电子逆变器接入微电网,而逆变器具有灵活性和可控性的特点,通过选择合适的控制策略即可实现逆变器在输出有功功率和无功功率的同时,开展额外的电能质量治理工作,有效的降低了投资运行成本。但是,上述方法都是针对三相微电网的控制,并不能直接用于混合微电网中相互连接的单相微电网之间的能量协调控制。

对此,本文提出一种单相-三相混合微电网结构及其能量协调控制方法,该结构主要包括PSU、ESU以及单、三相微电网。其中,PSU是由三组单相桥式变换器星型连接而成,针对PSU提出了基于下垂控制的能量协调控制方法,在三相功率不平衡时,PSU可协调混合微电网各相进行功率交换,从而抑制三相功率不平衡;在混合微电网某相电压出现波动时,PSU可快速提供有功和无功支撑,从而抑制混合微电网的电压波动。考虑到DG输出的间歇性和负荷的多变性,通过ESU稳定PSU直流侧的母线电压,实现对混合微电网能量波动的缓冲。

1、单相-三相混合微电网结构

本文所提单相-三相混合微电网结构如图1所示,主要由PSU、ESU以及单、三相微电网组成,通过断路器和变压器连接到大电网,可并网运行也可孤岛运行,其中PSU是由三组单相变换器星型连接而成,ESU是由多个双向直流变换器并联而成。

图1单相-三相混合微电网结构

从图1可以看出,A、C相都有DG和负载,而B相只有负载,没有DG,在并网运行时,混合微电网接入大电网运行,能保证三相功率平衡;若断路器突然断开,进入孤岛运行模式,由于B相并没有DG,可能出现功率缺额,B相母线电压可能发生波动,而此时A、C相可能由于光照风能充足,出力过剩,存在多余的能量,电压频率幅值升高,出现三相功率不平衡现象,为了维持A、C相正常运行,A、C相就得降低DG的出力,出现弃风、弃光现象,既浪费了能量,又降低了DG的利用率。

本文所提单相-三相混合微电网结构可以很好地解决上述问题,PSU中每两组单相变换器可以组成一个背靠背的变换器,使得能量可以在各相微电网之间双向流动,从而可以协调混合微电网各相进行功率交换,提高DG的利用率,减少能量的浪费,抑制三相功率不平衡;在某相电压出现波动时,PSU可快速提供有功和无功支撑,对其输出电压进行调整,抑制电压波动。利用ESU可缓解由于DG输出功率间歇性和负荷多变性带来的能量波动,维持直流侧母线电压的稳定。通过对PSU和ESU采用合适的能量协调控制方法,可保证混合微电网在孤岛运行状态下实现三相功率平衡控制,抑制电压波动,相互协调,相互支撑,提高供电电能质量。

2、基于下垂控制的PSU能量协调控制方法

如图1所示,PSU是由3组H桥变换器构成的,其中每两组H桥可以组成一个背靠背的变换器,可很好地实现能量双向流动,H桥变换器的拓扑图如图2所示,图中：LI、Ls为滤波电感;C为滤波电容;Cd为公共直流母线电容;us为混合微电网各相母线电压;iL、iS分别为逆变器侧和网侧的电感电流。

图2 H桥变换器的拓扑图

在对PSU的能量协调控制方法分析之前,先分析混合微电网对PSU的能量交换需求：

1）能够实现对混合微电网中各相能量的协调控制,从而实现对三相功率不平衡的抑制。

2）混合微电网运行于额定工作状态附近时,无需通过PSU进行能量交换,以免不必要的浪费,此时PSU处于停机状态。

3）混合微电网中任意一相出现功率波动时,PSU对其进行有功和无功的调整,但是不能影响其他相的正常运行。

4）PSU应该具备一定的无功补偿能力,在母线电压跌落时,可以支撑单相-三相混合微电网的母线电压,抑制电压波动。

为了实现需求1）—3）,必须知道混合微电网各相对有功功率的需求情况,本文利用混合微电网各相母线电压频率f来判断。为了方便计算,将频率标准化后作为判断依据,计算公式如下：

式中：fmax、fmin分别为混合微电网所允许的最大、最小工作频率;f°为频率f标准化后的值,由式(1)可得,f°取值范围为-1~1,若f°>0,说明此时DG出力过剩,需要通过PSU转移部分有功功率至ESU侧,若f°<0,说明此时DG出力不足,需要通过PSU提供额外的有功功率。