1引言
目前的許多研究致力于為電力系統(tǒng)最優(yōu)化、負(fù)載分配、參數(shù)配置和電能儲存管理制定策略。由于最近對于“智能電網(wǎng)”和“虛擬電廠”的展望，研究的關(guān)注點(diǎn)的選擇通常依據(jù)經(jīng)濟(jì)功效，受到市場的推動。但是，我們不能忘記，任何高級的電力系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)必須以物理上穩(wěn)定和可靠運(yùn)行的電力系統(tǒng)為基礎(chǔ)。為了滿足這種新型電力系統(tǒng)的要求，對電網(wǎng)的物理層面的控制必須重新調(diào)整加以改進(jìn)。與此同時，分布式電源技術(shù)（DERs）和高滲透性的可再生電源技術(shù)（RESs）的持續(xù)發(fā)展趨勢也要求電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過提供一個高效的自動控制平臺可以為DERs和RESs構(gòu)建一個強(qiáng)大的電網(wǎng)連接，如圖1所示。等價于常規(guī)電源，電網(wǎng)連接逆變器可以表現(xiàn)為基本的電網(wǎng)連接功能。只有當(dāng)DERs和RESs可以從常規(guī)的大型集中式電源那里接管過物理調(diào)控任務(wù)時，它們才能在電力系統(tǒng)中獲得與常規(guī)電源平等的地位。只有當(dāng)DERs和RESs在電力接入電網(wǎng)的過程中不止享受權(quán)利，同時也能承擔(dān)義務(wù)的時候，它們才能得到真正的自由。為了使逆變器能夠參與到活躍的電網(wǎng)控制中，充分的控制策略是必需的。然而，時至今日，控制理念的發(fā)展還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于需要。
圖1 逆變器作為ECSs和電網(wǎng)間的柔性多功能基本連接
2逆變器接入電網(wǎng)的要求
今天，DERs和RESs所使用的逆變器仍然主要采用了被動控制技術(shù)。這意味著對電網(wǎng)接入功率的控制與通過一次能源產(chǎn)生電能的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（ECS）密切相關(guān)。對電網(wǎng)側(cè)來說，它們相當(dāng)于負(fù)的負(fù)載。它們將從ECS處獲得的全部功率注入電網(wǎng)。在這種方式下，電網(wǎng)側(cè)的電網(wǎng)控制整合，甚至于主動參與控制和穩(wěn)定電網(wǎng)狀態(tài)變量（頻率和電壓）都是不可能的。
最近的電力系統(tǒng)章程修訂也僅僅對異常的電網(wǎng)變化做出了預(yù)防性的反應(yīng)。對高壓和中壓電網(wǎng)，UCTE操作手冊[1]、國家電網(wǎng)編碼（傳輸編碼）[2]和國家電網(wǎng)連接章程[3][4]等，定義了電網(wǎng)電源連接行為。對低壓網(wǎng)絡(luò)，規(guī)程細(xì)節(jié)至今還未定義和出版。對于高壓和中壓網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)態(tài)要求定義了發(fā)電單元必須減少它們的有功出力以應(yīng)對頻率過高，或者按照電網(wǎng)調(diào)度要求呈階梯狀出力。據(jù)此，超過需求的有功功率會被拒絕上網(wǎng)。在正常運(yùn)行條件下，發(fā)電單元還必須提供無功功率。動態(tài)行為的定義要求發(fā)電單元必須在電網(wǎng)故障的情況下保持與電網(wǎng)的連接并能夠提供短路電流。
這些要求和相關(guān)的控制功能比常規(guī)集中式電源的電網(wǎng)調(diào)控任務(wù)要少得多。今天的電網(wǎng)運(yùn)行和維持電網(wǎng)狀態(tài)變量仍然由傳統(tǒng)電廠執(zhí)行。盡管今天對DERs和RESs進(jìn)行了要求，由于ENTSO_E的規(guī)定[1]，這些電源還是不可以被積極地集成到電網(wǎng)關(guān)鍵調(diào)控任務(wù)中去。
為了增加DERs和RESs在電網(wǎng)中的比例，規(guī)章制度還應(yīng)該進(jìn)行更深入的變革。分布式發(fā)電單元必須與集中式電源承擔(dān)同樣的基礎(chǔ)調(diào)控任務(wù)。只有這樣電網(wǎng)才能被激勵者運(yùn)行在分布形式下。未來的電力系統(tǒng)不僅僅要求DERs和RESs承擔(dān)假定的預(yù)防性的措施和開環(huán)控制。這些電源必須執(zhí)行物理上的實際的電力系統(tǒng)調(diào)控。只有這樣，未來集中式電源才能被DERs和RESs取代或者補(bǔ)充。然而，混合式系統(tǒng)中的電能的產(chǎn)生或管理，例如大多數(shù)的帶逆變器電源，不在本文的研究范圍中。
3常規(guī)電力系統(tǒng)控制方法在逆變器系統(tǒng)中的采用
今天的電力系統(tǒng)及其控制結(jié)構(gòu)是經(jīng)過很長時間才發(fā)展起來的。這是一個有著眾多參與者的巨大而復(fù)雜的系統(tǒng)。它的控制策略持續(xù)發(fā)展，實際運(yùn)行狀態(tài)也得到了長足的提升。這個復(fù)雜系統(tǒng)是不可能在短期內(nèi)被更新或改變的。
新的DERs和RESs必須參與到現(xiàn)有的系統(tǒng)中并適應(yīng)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)和控制策略。因此逆變器必須適應(yīng)現(xiàn)有的電網(wǎng)控制并且遵從基本原則，尤其是在相互連接的運(yùn)行中。基本的逆變器控制必須以傳統(tǒng)發(fā)電控制方式為基礎(chǔ)，并被分類[5]如圖2所示。
圖2 逆變器連接到電網(wǎng)側(cè)的饋電方式[6]
當(dāng)接入電網(wǎng)的構(gòu)件是DERs或RESs時，常規(guī)的基礎(chǔ)控制方式可以被逆變器采用和執(zhí)行。向電網(wǎng)傳輸?shù)墓β士梢员籈CS或電網(wǎng)驅(qū)動。
在ECS驅(qū)動饋電時，ECS決定了向電網(wǎng)傳輸?shù)墓β省Ｈ缃?，單臺RESs逆變器典型地就在這種饋電方式下運(yùn)行，并向電網(wǎng)注入全部可提供的功率。在電網(wǎng)驅(qū)動饋電時，不再是ECS，而是電網(wǎng)決定功率的傳輸。典型的，大多數(shù)常規(guī)大型電廠運(yùn)行在這種方式下，同樣，這種方式潛在的適合DERs和RESs系統(tǒng)，或者至少適合混合式電力系統(tǒng)（HPSs）。在ECS驅(qū)動饋電的情況下，逆變器控制方式被稱作電網(wǎng)平行方式。第二種情況（電網(wǎng)驅(qū)動饋電）可以被兩種不同的逆變器控制方式實現(xiàn)，分別是電網(wǎng)形成方式和電網(wǎng)支持方式。電網(wǎng)形成方式中逆變器的作用是建立和維持電網(wǎng)狀態(tài)變量（頻率和電壓）。電網(wǎng)支持方式中逆變器被用于平衡功率。它可以傳輸預(yù)先設(shè)定數(shù)量的功率，這個數(shù)量可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需要或者高級控制運(yùn)行得到的參考值進(jìn)行調(diào)整。應(yīng)用這個控制方式的逆變器例子如圖3至圖5的左側(cè)所示。此外，這些基本有功功率調(diào)控器潛在的對二次電網(wǎng)控制的相互聯(lián)系可以被類似的闡釋。
圖3 主動控制并與電網(wǎng)連接的逆變器的電網(wǎng)形成（GF）控制方式
圖4 主動控制并與電網(wǎng)連接的逆變器的電網(wǎng)支持（GS）控制方式
圖5 被動控制逆變器的電網(wǎng)平行（GP）控制方式
所有被介紹的控制方式都可以適應(yīng)對稱和不對稱負(fù)載條件和逆變器硬件。對于這些基礎(chǔ)的控制方式，正如前邊介紹的，只有電網(wǎng)形成方式和電網(wǎng)支持方式才適用于被積極地應(yīng)用到物理層面的控制整個電力系統(tǒng)。分布式發(fā)電單元在電網(wǎng)平行方式中不能被從電網(wǎng)側(cè)控制。然而，除了充分的基礎(chǔ)控制方式，發(fā)電單元控制一定要能夠與[1]定義的超常規(guī)二次電網(wǎng)調(diào)控器進(jìn)行交互作用。這個要求同樣能夠被所描述的基礎(chǔ)控制方式所實現(xiàn)。由于這些控制結(jié)構(gòu)是基于常規(guī)電力系統(tǒng)控制策略的，它們提供了與常規(guī)電力系統(tǒng)控制同樣的二次調(diào)控接口（如圖5所示）。因此，具備這些功能的DERs和RESs就可以像常規(guī)單元一樣連接到電網(wǎng)控制中。電網(wǎng)中的二次有功調(diào)控器被要求將電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)到正常值。它為電網(wǎng)形成和電網(wǎng)支持的控制結(jié)構(gòu)提供了在關(guān)注點(diǎn)的有功功率偏移值。
4仿真研究
仿真是驗證提出的控制策略的第一步，控制策略采用常規(guī)的電力系統(tǒng)控制策略。測試條件是：兩個相互連接的電網(wǎng)，每個電網(wǎng)各包含一個電網(wǎng)形成方式的逆變器（GF1，GF2）和一個電網(wǎng)支持方式的逆變器（GS1，GS2），如圖6所示。電網(wǎng)的額定頻率和額定電壓分別是frated=50Hz，VLL=400Vrms。
電網(wǎng)形成和電網(wǎng)支持方式的逆變器額定視在功率分別是Sr=125kVA，Sr=80kVA。兩種逆變器的有功功率和無功功率設(shè)定值都分別是6kW和3.3kvar。仿真使用的電纜型號是NAYY4×50SE，Rl=0.772Ω/km，Xl=0.083Ω/km。為了比較不同的逆變器負(fù)載分配，所有控制器的下垂因數(shù)初始值設(shè)置相同。二次控制器被用來控制功率交換和能量平衡，同時維持正常頻率。
如圖6所示，有功和無功負(fù)載的初始條件兩個電網(wǎng)設(shè)置相同，分別是16kW和7.3kvar。這使得全系統(tǒng)的功率額定值分別為32kW和14.6kvar。15s后，在電網(wǎng)1上加一個階躍負(fù)載。有功功率增加到20.2kW，無功功率增加到7.37kvar。仿真結(jié)果有功功率、無功功率、頻率、三相電壓、三相電流如圖7至圖10所示。
圖6 兩個微型電網(wǎng)，每一個包含一個電網(wǎng)形成方式逆變器和一個電網(wǎng)支持方式逆變器
圖7描述了逆變器的有功功率。最初，每個電網(wǎng)形成方式的逆變器都提供10kW功率，電網(wǎng)支持方式的逆變器都提供6kW功率。于是，兩個電網(wǎng)形成方式的逆變器和兩個電網(wǎng)支持方式的逆變器平均分?jǐn)傌?fù)載功率。15s時，4.2kW的負(fù)載階躍功率被加到第一個電網(wǎng)上。隨著負(fù)載改變，所有的逆變器都馬上做出了反應(yīng)，功率的產(chǎn)生和消耗被重新分配。
圖7 (a)逆變器有功功率 (b)逆變器無功功率
一段時間后，二次控制器控制逆變器動作，第一個電網(wǎng)上的階躍負(fù)載只由第一個電網(wǎng)上的逆變器補(bǔ)償。交換功率受到控制重新回到之前的設(shè)定值。不同逆變器的無功功率如圖7b所示。開始時，所有逆變器提供的無功功率都近似為14.6kvar。15s的時候，第一個電網(wǎng)的無功功率增加了70var。正如前面提到的，本次仿真并沒有對無功功率進(jìn)行二次控制。電網(wǎng)形成方式的逆變器補(bǔ)償增加的階躍負(fù)載，電網(wǎng)支持方式的逆變器提供相同數(shù)量的無功功率。
電力系統(tǒng)的頻率如圖8所示。由于一次和二次控制都影響電網(wǎng)頻率，但是影響是在不同的時間尺度，快速控制器的反應(yīng)如放大窗口所示。
圖8 電力系統(tǒng)頻率
圖9 (a) t=15s時加入階躍負(fù)載的GF1三相電壓 (b) t=15s時加入階躍負(fù)載的GF1三相電流
由于15s加入了階躍負(fù)載，頻率的降落由下垂控制功能決定。當(dāng)一次控制迅速穩(wěn)定頻率后，二次控制相對緩慢的將頻率調(diào)回50Hz。
第一個電網(wǎng)形成方式的逆變器（GF1）在連接點(diǎn)處的電壓和電流如圖9所示。逆變器電壓幾乎不受干擾，與此同時，只有電流去適應(yīng)相關(guān)負(fù)載情況。
圖10以第一個電網(wǎng)負(fù)載的三相電壓和三相電流為例來說明負(fù)載電壓電流質(zhì)量和控制性能。15s時，負(fù)載階躍加入電網(wǎng)。負(fù)載電壓幾乎保持不變，與此同時電流隨著階躍負(fù)載增加。
圖10 (a) t=15s時加入階躍負(fù)載的負(fù)載三相電壓
(b) t=15s時加入階躍負(fù)載的負(fù)載三相電流
5試驗實現(xiàn)
驗證前面介紹的標(biāo)準(zhǔn)化逆變器控制方式的第二部，是在充分的硬件平臺進(jìn)行測試。三種方式的控制結(jié)構(gòu)在對稱和不對稱條件下都得到了實現(xiàn)。圖11展示了孤島或相互連接運(yùn)行狀態(tài)下的逆變器模塊的執(zhí)行情況。圖12展示了類似的不對稱電網(wǎng)形成方式的測試情況。受到本文的局限性，進(jìn)一步的測試結(jié)果將在后續(xù)的論文中發(fā)表。
圖11 逆變器模塊平臺和實驗測試設(shè)備
圖12 不對稱電網(wǎng)形成方式執(zhí)行情況：不對稱阻感負(fù)載階躍下測得的相電壓和相電流
6結(jié)論
目前電力系統(tǒng)仍然基于常規(guī)電廠高壓運(yùn)行的集中控制方式。隨著被動控制的DERs和RESs的不斷接入，可控電能的比率會逐漸減少。電力系統(tǒng)控制的激勵變量的受限會危害系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。為了在未來實現(xiàn)電力系統(tǒng)的可靠控制，DERs和RESs必須被授權(quán)可以積極參與電網(wǎng)狀態(tài)變量頻率和電壓的調(diào)控。
新的DERs和RESs在詳細(xì)的基本運(yùn)行原則的指導(dǎo)方針下正在逐步加入到現(xiàn)已存在的系統(tǒng)中。為了參與到這個控制系統(tǒng)中，現(xiàn)有的常規(guī)控制策略必須作出調(diào)整。作為電網(wǎng)連接的逆變器的控制策略必須基于標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)電廠饋電方式。根據(jù)推薦的策略，DERs和RESs可以活躍的參與到電力系統(tǒng)的物理控制中。仿真研究表明，當(dāng)相互連接的微電網(wǎng)中，只有基于推薦控制方式的逆變器時，電網(wǎng)仍然可以運(yùn)行。這種控制策略已經(jīng)在實驗室的逆變器裝置上被成功的驗證。推薦的控制策略標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用只是為DERS和RESs建立與常規(guī)電力設(shè)備平等條件和能源供應(yīng)在物理層面和技術(shù)層面自由化的第一步。
參考文獻(xiàn)
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