关键词:
微电网
分层控制
模型预测控制(MPC)
二次切换控制
摘要:
党的二十大报告中指出,要积极稳妥地推进碳达峰与碳中和。要一同稳步推进降碳、减污和扩绿,加强对能源的管控,完善能源组成结构,大力推进可再生能源发展,重点控制化石能源消费,逐步转向碳排放总量和强度“双控”制度,同时也要积极参与应对气候变化的全球治理。为了完成这一目标,需要减少传统生物燃料的使用,继而转入更加清洁无污染的可再生能源,因此我国对能源的需求越来越迫切,对可再生能源的探索与利用势在必行,国家需要大力发展清洁可再生能源,如太阳能、风能、潮汐能等。但是现如今清洁能源发电存在一些弊端,新能源发电在并网时会遇到接入与消纳的问题,微电网是解决这些问题的最好方式之一。微电网可以在两种不同的模式下工作:孤岛模式和并网模式。在传统的控制模式下,虽然系统可以较为平稳地运行且保持稳定的输出,但是微电网在离并网时会存在着较大的系统扰动,而且新能源发电具有波动性,而负载具有时变性,因此系统中就会产生较高的总谐波含量(Total Harmonic Distortion,THD),大量的谐波会损坏系统中的元器件,同时会使得输出的电压与电流波形失真,无法调整到额定输出,严重影响系统中的电能质量。针对于系统THD过大这一问题,也是为了应对发用电双重不确定性,需要开发响应速度更快的控制方法。本文中引入一种更快速的微电网系统控制的优化方法,即模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)算法。该优化方法通过预测微电网下一步的状态,以更快的响应速度提前控制微电网的状态,使得微电网保持在一个较低的THD状态下,减少对主电网的电能质量影响。微电网处于孤岛模式下时,由于下垂控制特性,微电网中的频率和功率分配会存在一些误差,随着本地负载增加,频率和电压逐渐下降,若频率与电压下降过大,此时微电网若接到指令要与主电网并网,则会因为两者之间的参数不相符而导致并网失败。且微电网在并网后,引入MPC算法会导致系统中的无功功率难以保持稳定,因此需要在并网控制中加入无功功率反馈控制。通过加入二次切换控制可以使并网后的微电网电压与频率恢复到额定值,也能保证系统中的无功功率稳定。本文在带有储能装置的风力发电的交直流混合微电网的基础上,着重研究了以下问题:首先,本文介绍了微电网的结构并构造了带有储能装置的风力发电的交直流混合微电网的模型,研究了风速等参数对风力发电的影响,也在MATLAB/Simulink中进行了模型的仿真,在该仿真中,微电网能够稳定运行在孤岛模式和并网模式,在离并网的过程中也能做到稳定的切换。同时输出电压和电流也能保证在稳定的范围内,符合微电网系统的运行标准。其次,微电网在正常运行和离并网切换时存在许多有害的谐波,这些谐波会损坏系统中的元器件,降低微电网的输出电能质量。通过在仿真中引入MPC模块,微电网系统中的THD明显降低,并且性能和电能质量得到较好的提升,但是微电网仅通过下垂控制策略无法保持无功功率的稳定,因此导致微电网无法实现正常的运行,为了解决这一问题,需要引入二次控制来保证无功功率的稳定。然后,为了解决微电网仅通过下垂控制策略无法保持无功功率稳定这一问题,在下垂控制的基础之上引入二次切换控制,通过将系统中实时电压和频率与它们的额定值进行比较,可以有效恢复系统的电压与频率,减少了微电网输出的偏差,极大地提升了系统的性能。仿真结果表明加入二次切换控制与MPC可以有效抑制谐波,降低系统THD,提升输出电能的质量,同时保证无功功率的稳定。最后,基于MATLAB/Simulink对上述方法进行仿真模拟和比较,验证了所用方法可以提升微电网响应速度,可以保持微电网中的参数稳定,并且具有较好的适用性和准确性。通过在微电网系统中引入MPC和二次切换控制,有效降低了输出电压与电流中的THD,提高了电能质量,二次切换控制可以有效调节系统中偏离的频率和电压,使其能够保持在较小的范围内,同时也为下一步的并网做好准备。对系统中的交直流电压特性和微电网控制性能的综合分析,验证了所提出方法的可行性和有效性。