基于微电网孤网运行中频率特性研究

基于微电网孤网运行中频率特性研究

梁士震

辽宁谦源科技有限公司 

摘要：微电网孤网运行时的频率特性属于比较复杂的问题，也是微电网运行机理的重要组成部分，更是分析和控制策略制定的研究的基础。针对逆变器、同步发电机和异步发电机不同接口型微电源，分别从控制策略、传递函数和结构特点等方面进行定性和定量分析，结果表明不同的微电源具有差调频、无差调频和无调频特性3种不同的调频作用。微电网的频率特性由不同微电源的调频特性共同决定，是否存在无差调频型微电源是影响微电网孤网频率特性的关键。本文结合工作实践，对上述内容进行分析。

关键词：微电网；微电源孤网；运行频率；

0 引言

微电网是一种有效整合各种分布式电源的电网结构。微电网通过对各种微电源的灵活控制，提高供电可靠性和电能质量，避免分布式电源单独供电对电网安全性、稳定性和电能质量等造成冲击。微电网不仅在容量和网络结构上与大电网不同，在运行模式和电源种类上也存在差别。由于含有多种类型的微电源，孤网运行的微电网与传统的分布式电源独立供电的重要区别在于需要对微电源进行协调控制，不同接口的微电源的功频特性分析是研究控制策略的重要基础。

的微电网频率特性。

1.逆变器接口微电源的功频特性分析

逆变器常见的控制策略有电压频率（V-f）控制和有功无功（PQ）控制2种。采用何种控制策略取决于原动机的类型和微电网的运行模式。对于燃料电池、储能装置、微型燃气轮机和柴油机，由于其输出功率恒定，控制策略容易实现，既可采用V-f控制模式，也可采用P-Q控制模式；而光伏发电和风力发电的输出功率具有明显的间歇性和波动性，其控制目标是保证可再生能源的最大利用率，因此多采用P-Q控制策略。微电网并网运行时，各逆变器一般工作在P-Q控制模式；而孤网运行时，至少有一个逆变器需工作在V-f控制模式下。逆变器多采用脉宽调制（PWM）技术，其输出电压基波幅值和频率由正弦控制波的幅值和频率决定，不受交流侧电路影响。不同的控制策略会影响控制波的频率，进而改变逆变器的输出频率。V-f控制又称下垂曲线控制，通过微调逆变器输出的电压和频率以满足负荷的有功功率和无功功率需求，维持微电网电压和频率的稳定。当微电网中负荷增加时，逆变器检测到其输出功率的变化，通过控制改变控制波的频率，进而改变输出电压的频率和功角，调整输出功率以满足负荷需求。该类微电源可对频率进行有差调节，其功频静特性即为逆变器的下垂特性，微电源的单位调节功率K。逆变器接口微电源的功频静特性与逆变器的控制策略有关，即V-f控制型逆变器可以对频率进行有差调节，而P-Q控制型逆变器不参与调频。

2 同步发电机接口微电源的功频特性分析

2.1 微型燃气轮机发电机

微型燃气轮机常用的动态简化模型如图1所示。

图1 微型燃气轮机常用的动态简化模型

假设微型燃气轮机工作在正常状态，则可忽略温度限制环节和限幅环节，再加上同步发电机的转子运动方程，可得到整体传递函数。如果将比例控制变为比例-积分控制，由于积分环节能消除静差，则传递函数不具有下垂特性，频率稳态值应维持在频率参考值，即微电源可实现无差调频。

2.2 柴油发电机

柴油发电机的调速系统如图5所示

图2柴油发电机的调速系统

柴油发电机可调整其输出的机械功率以满足负荷的需求，并维持转速在额定值，起到无差调频的作用。其传递函数仿真结果如图6所示。

图3 仿真结果

根据以上分析可以得到，同步发电机接口微电源的功频特性与其原动机的传递函数有关，如果传递函数中调速部分为比例控制，则可进行有差调频；如果调速部分含积分控制，则可实现无差调频。

3 异步发电机接口微电源功频特性

异步风力发电机并网运行时通过电网电源励磁，其定子电压和频率取决于电网电压和频率，与电机转速无关。如果异步发电机不与电网并联，而与负荷直接相连，需要由并联电容器自励发电，当负荷变化时需要相应地调节转速和电容，以维持其输出电压和频率恒定，调节比较困难。而且由于风电出力的波动性，这种单电源单负荷模式很难稳定，实际中不能应用，所以风力发电机需要与其他微电源并联后才能孤网运行，此时风力发电机的频率随微电网频率的变化而变化，输出功率由原动机的机械功率决定。

双馈异步风力发电机的结构类似于绕线式异步发电机，其定子绕组接电网，转子绕组由一套AC-AC或AC-DC-AC变换器提供励磁电流，调节励磁电流的幅值、频率、相位，可确保发电机输出功率恒频恒压。同样，孤网运行时，双馈风力发电机需与其他微电源并联运行，其输出频率随着微电网频率的改变而改变。文献指出利用风力机本身惯性，通过一定的控制策略使得双馈风力发电机在微电网孤网时起到有差调频或无差调频的作用，但实际应用较少，本文不予考虑。综上所述，异步机接口微电源不参与调频作用。

4. 微电网频率特性分析

按照不同的调频特性，将微电源分为有差调频、无差调频和无调频作用3类。其中：含下垂曲线控制的V-f控制型逆变器和调速系统中采用比例控制的微型燃气轮机具有有差调频特性调速系统中采用比例-积分控制的微型燃气轮机和柴油发电机具有无差调频特性，积分环节的存在可以消除频率静差。这2种微电源在负荷变化时会根据控制环节调整功率输出，并维持频率稳定，在频率控制方面属于主动型微电源。P-Q控制型逆变器和异步机接口风力发电机由于其控制策略和结构特点决定其跟随微电网的频率，即不具备调频作用，该类微电源属于被动型微电源，必须与主动型微电源配合才能孤网运行，其频率由微电网频率决定，功率按给定功率参考值变化。

5.结语

本文针对微电源不同的并网接口及各自的控制策略，分别研究了不同微电源的功频特性及其相互作用，得到了微电网的频率特性及其各微电源之间的功率分配特性。进一步的研究将考虑对有差调频型微电源的控制策略进行改进，使其也能实现无差调频，并对多个无差调频型微电源的功率分配策略进行研究，使其按照合理、经济的方式分配。

参考文献

[1]陈小黎. 基于DMP5000平台的微电网能量管理系统及其应用研究[D].东南大学,2019.

[2]石栋安. 基于MPC的微电网调度优化的研究[D].西安工业大学,2019.

[3]周文琦,戴武昌,赵冠雄.提高微电网孤网运行品质的改进下垂控制方法研究[J].东北电力大学学报,2019,39(02):22-29.

[4]骆阳. 光功率预测及微电网能量管理研究[D].东南大学,2019.

[5]朱鹏. 基于PEMFC的微电网频率控制研究[D].江苏大学,2019.

[6]邢宇. 基于多目标优化的微电网经济调度模型研究[D].沈阳农业大学,2018.