基于儲(chǔ)能的微網(wǎng)并網(wǎng)/離網(wǎng)無縫切換技術(shù)

唐西勝 鄧 衛(wèi) 齊智平

（中國(guó)科學(xué)院電工研究所 北京 100190）

1 引言

微網(wǎng)作為分布式發(fā)電的高級(jí)結(jié)構(gòu)形式，可以將多種分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能有效地組織起來，既可以與外部大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以離網(wǎng)運(yùn)行，其供電安全性和可靠性較高[1-4]。隨著風(fēng)電、太陽能光伏等可再生能源分布式發(fā)電的快速發(fā)展，包含風(fēng)電和光伏的可再生能源微網(wǎng)具有良好的應(yīng)用前景[5-8]。

與傳統(tǒng)電網(wǎng)不同，微網(wǎng)的系統(tǒng)慣性小，風(fēng)電與光伏受自然條件的影響，輸出功率具有間歇性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，隨著這類分布式電源接入比例的不斷增加，給系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性及供電可靠性帶來一定的負(fù)面影響[9]。微網(wǎng)在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，一般由輸出功率穩(wěn)定且容量較大的電源擔(dān)負(fù)組網(wǎng)電源，建立并維持系統(tǒng)的電壓與頻率。微型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能等均可作為組網(wǎng)電源。與前兩者相比，儲(chǔ)能在擔(dān)任組網(wǎng)電源時(shí)，控制上更為靈活、便捷，在微網(wǎng)中配置一定容量的儲(chǔ)能，通過靈活快速調(diào)整有功/無功功率的吞吐，可以在一定程度上抑制間歇式電源的波動(dòng)性和難以預(yù)測(cè)性，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)離網(wǎng)或并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定與可靠[10-12]。

微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的無縫切換，可以保證微網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷的供電可靠性，對(duì)大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行也具有重要的作用，已經(jīng)作為微網(wǎng)的重要技術(shù)特征引起了廣泛的重視。目前無縫切換大多集中于單臺(tái)逆變器帶本地負(fù)載，與大電網(wǎng)之間的無縫切換[13-14]。由美國(guó)電力可靠性委員會(huì)（CERTS）資助建設(shè)、美國(guó)電力公司運(yùn)行的微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，分布式電源由3臺(tái)熱電聯(lián)供微燃機(jī)承擔(dān)，每臺(tái)微燃機(jī)的直流母線上并聯(lián)一定容量的蓄電池，通過調(diào)整逆變器輸出電壓的幅值與相位，并控制靜態(tài)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)與大電網(wǎng)的無縫切換[14]。對(duì)于含多種微源的微網(wǎng)與大電網(wǎng)間的無縫切換，目前還缺乏系統(tǒng)的研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由于儲(chǔ)能在控制上可以在電壓控制模式和電流控制模式間靈活快速轉(zhuǎn)換，相應(yīng)地，完成微網(wǎng)組網(wǎng)電源和并網(wǎng)電源的角色轉(zhuǎn)換，對(duì)于實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)離網(wǎng)/并網(wǎng)兩種模式的無縫過渡，確保微網(wǎng)中敏感負(fù)荷的供電可靠性具有重要作用。本文針對(duì)含間歇式電源和儲(chǔ)能的典型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分析微網(wǎng)在離網(wǎng)運(yùn)行模式、并網(wǎng)運(yùn)行模式以及模式無縫切換過程中的運(yùn)行特性，對(duì)儲(chǔ)能在上述運(yùn)行過程中的控制策略進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1描述了本文研究的典型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其中微源由儲(chǔ)能、光伏以及異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Asynchronous Wind Turbine，AWT）組成，負(fù)荷1為重要負(fù)荷，負(fù)荷2和負(fù)荷3為一般負(fù)荷。微網(wǎng)通過固態(tài)開關(guān)SST連接配電網(wǎng)。

光伏單元由光伏電池、三相并網(wǎng)逆變器，以及LC濾波電路組成。AWT由風(fēng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、籠形異步發(fā)電機(jī)以及無功補(bǔ)償電容器組成。

儲(chǔ)能單元主要包括儲(chǔ)能電池組和功率控制器（Voltage Source Converter, VSC），其主電路如圖2所示（圖中，L為濾波電感器，C為濾波電容器，Z為本地負(fù)載，Ls為并網(wǎng)電感，Udc為直流母線電壓，Va，b，c為儲(chǔ)能控制器輸出三相電壓，a,b,ci′ 為濾波電感三相電流，ila、ilb、ilc為負(fù)載三相電流，va、vb、vc為濾波電容三相電壓，ia，b，c為并網(wǎng)電感三相電流，ea、eb、ec為儲(chǔ)能接入點(diǎn)三相電壓）。

圖1 含間歇式電源和儲(chǔ)能的典型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of micro-grid based on intermittent generation and energy storage

圖2 儲(chǔ)能控制器主電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Power circuit of energy storage VSC

假定 ea=Esin（ωt），ia=Isin（ωt+θ），va=Usin（ωt+α），在已知ea，ia的情況下，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，結(jié)合儲(chǔ)能主電路結(jié)構(gòu)，可得

d-q坐標(biāo)系下滿足

式中，vd,q、ild,lq、 d,qi′、id,q、Vd,q、ed,q分別為 va、vb、vc、ila、ilb、ilc、ai′，ib、ic、ia、ib、ic、Va、Vb、Vc、ea、eb、ec的d-q軸分量。

Vd,q的狀態(tài)空間平均表達(dá)式滿足

式中，[DdDq]T為PWM占空比[DaDbDc]T的d-q軸分量。整理可得儲(chǔ)能時(shí)域形式的狀態(tài)空間平均模型，如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能控制器狀態(tài)空間平均模型結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of state space averaging model of energy storage VSC

3 基于儲(chǔ)能的微網(wǎng)運(yùn)行模式控制

微網(wǎng)的運(yùn)行方式包括離網(wǎng)模式、并網(wǎng)模式以及離網(wǎng)/并網(wǎng)模式之間的切換過程。由于采用了儲(chǔ)能單元作為微網(wǎng)的組網(wǎng)電源，因而，儲(chǔ)能控制的控制策略對(duì)于微網(wǎng)運(yùn)行方式的控制非常重要。

3.1 離網(wǎng)模式

儲(chǔ)能采用 V/f控制方法，建立并維持系統(tǒng)的電壓與頻率，儲(chǔ)能的輸出電壓及相位取自系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值，經(jīng)濾波電容電壓環(huán)、濾波電感電流環(huán)雙環(huán)控制后產(chǎn)生儲(chǔ)能控制器的PWM信號(hào)。

3.2 并網(wǎng)模式

在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，配電網(wǎng)提供微網(wǎng)的電壓及頻率支撐，儲(chǔ)能控制器采用P/Q控制，以使儲(chǔ)能單元處于適宜的荷電狀態(tài)和良好的功率調(diào)節(jié)能力，或根據(jù)系統(tǒng)的需要向配電網(wǎng)吸收或輸出一定的有功/無功功率，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)與配電網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC功率潮流的相對(duì)穩(wěn)定。在離網(wǎng)運(yùn)行模式的濾波電容電壓環(huán)、濾波電感電流環(huán)的基礎(chǔ)上，增加功率外環(huán)，由給定的Pc、Qc指令依次控制兩個(gè)內(nèi)環(huán)。

3.3 離網(wǎng)/并網(wǎng)模式無縫切換

微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)接收到并網(wǎng)調(diào)度指令，微網(wǎng)將切換至并網(wǎng)運(yùn)行模式，快速準(zhǔn)確的電網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)以及電壓同步控制可以減少并網(wǎng)沖擊，實(shí)現(xiàn)模式的平穩(wěn)切換。

微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)計(jì)劃?rùn)z修或配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，微網(wǎng)將切換至離網(wǎng)運(yùn)行模式，儲(chǔ)能的快速控制可以縮短系統(tǒng)電壓及頻率的過渡時(shí)間，實(shí)現(xiàn)模式的靈活切換。

微網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)，儲(chǔ)能控制策略相應(yīng)改變，其建立的 V/f與 PQ控制環(huán)節(jié)如圖 4所示。當(dāng)采用PQ控制時(shí)，儲(chǔ)能控制器采用三環(huán)控制方式，利用功率控制環(huán)（并網(wǎng)電感電流）產(chǎn)生濾波電容電壓環(huán)的d-q軸分量參考值 vdref、vqref，并引入電壓前饋提高控制系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力。當(dāng)采用V/f控制時(shí)，vdref、vqref值由儲(chǔ)能控制器直接給定。vdref、vqref經(jīng)濾波電容電壓環(huán)、濾波電感電流環(huán)產(chǎn)生儲(chǔ)能控制器的PWM信號(hào)。

圖4 儲(chǔ)能控制器運(yùn)行模式控制圖Fig.4 Schematic diagram of control loops of energy storage VSC

在微網(wǎng)從并網(wǎng)運(yùn)行切換至離網(wǎng)運(yùn)行模式過程中，儲(chǔ)能控制器及時(shí)從三環(huán)控制方式切換至雙環(huán)工作方式。由于濾波電容電壓環(huán)和濾波電感電流環(huán)在兩種工作模式中保持不變，因而能夠確保系統(tǒng)在模式轉(zhuǎn)換過程中的平滑和快速。

4 仿真分析

本文搭建了如圖1所示的微網(wǎng)仿真模型，其中，儲(chǔ)能控制器容量為60 kVA/100 kW·h；光伏并網(wǎng)發(fā)電單元采用三相三線輸出方式，容量為15 kW；風(fēng)電單元為異步發(fā)電機(jī)發(fā)電，容量為16 kW，為補(bǔ)償其消耗的無功功率，在風(fēng)電單元的并網(wǎng)側(cè)配置無功補(bǔ)償裝置，使其輸出功率因數(shù)達(dá)到0.98以上；線路參數(shù) R+jX=0.64+j0.1(Ω/km)；負(fù)荷 1、負(fù)荷 2、負(fù)荷 3分別為40 kW、10 kW、10 kW/5 kvar；系統(tǒng)頻率為50 Hz，線電壓為380 V。

4.1 算例Ⅰ

t=0時(shí)，儲(chǔ)能單元起動(dòng)，建立微網(wǎng)的電壓與頻率，給負(fù)荷 1（40kW）供電；t=0.15s時(shí)，投入普通負(fù)荷；t=0.3s時(shí)，光伏單元接入，輸出功率為11.7kW；t=0.5s時(shí)，AWT接入，輸出功率為 6.5kW；t=0.8s時(shí)，切除并網(wǎng)電感；t=1s時(shí)，AWT的無功補(bǔ)償電容器投入；t=1.1s時(shí)，風(fēng)速增大，AWT輸出功率為15.8kW；t=1.4s時(shí)，光照強(qiáng)度減弱，光伏輸出功率為4.67kW。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 算例Ⅰ微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行Fig.5 Case Ⅰ micro-grid islanded operation mode

圖5表明，儲(chǔ)能控制器能夠快速啟動(dòng)，建立微網(wǎng)的電壓與頻率，并確保離網(wǎng)模式下負(fù)荷投入、光伏/AWT接入及功率波動(dòng)等運(yùn)行過程中微網(wǎng)的電壓和系統(tǒng)頻率在允許范圍以內(nèi)。由于儲(chǔ)能控制器的快速響應(yīng)能力，儲(chǔ)能可以快速消除各種典型擾動(dòng)下，確保微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 算例Ⅱ

t=1.5s時(shí)，靜態(tài)開關(guān) CBgrid閉合，微網(wǎng)從離網(wǎng)模式切換至并網(wǎng)模式，儲(chǔ)能控制相應(yīng)由V/f控制切換至P/Q控制，設(shè)定儲(chǔ)能并網(wǎng)后初始狀態(tài)為吸收功率11.8kW/9.3kvar；t =1.55s時(shí)，儲(chǔ)能輸出功率11.8kW；t=1.6s時(shí)，儲(chǔ)能輸出功率9.3kvar。仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

微網(wǎng)并網(wǎng)后電壓與頻率將被配電網(wǎng)鎖定，儲(chǔ)能控制器調(diào)整并網(wǎng)前微網(wǎng)電壓的幅值及相位，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)與配電網(wǎng)在電壓幅值和相位上的同步。由圖6可知，模式切換過程中，系統(tǒng)電壓和頻率保持平穩(wěn)，能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

并網(wǎng)后儲(chǔ)能可以從配電網(wǎng)吸收功率，也可以在負(fù)荷擾動(dòng)、光伏/AWT功率波動(dòng)等情況下輸出功率以維持PCC處功率潮流的穩(wěn)定，使微網(wǎng)成為電網(wǎng)的一個(gè)可控單元。由圖7可知，儲(chǔ)能V/f控制切換至PQ控制過渡時(shí)間短，微網(wǎng)并網(wǎng)后儲(chǔ)能的功率輸出（Pout、Qout）能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤功率指令（Pref、Qref）的變化，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能的四象限靈活運(yùn)行。

圖6 算例Ⅱ微網(wǎng)由離網(wǎng)切換至并網(wǎng)模式Fig.6 CaseⅡmicro-grid transferred to grid-connected mode

圖7 算例Ⅱ微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能輸出功率變化Fig.7 CaseⅡPower output of energy storage in micro-grid under grid-connected mode

綜合算例Ⅱ的仿真結(jié)果可知，儲(chǔ)能控制器可以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)從離網(wǎng)模式到并網(wǎng)模式的無縫切換；并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能控制可以快速跟蹤給定功率，維持特定條件下PCC功率潮流的穩(wěn)定。

4.3 算例Ⅲ

t=1.725s時(shí)，配電網(wǎng)計(jì)劃?rùn)z修，微網(wǎng)切換至離網(wǎng)模式，儲(chǔ)能控制從 PQ控制方式切換至 V/f控制方式。仿真結(jié)果如圖8所示。

微網(wǎng)從并網(wǎng)模式切換至離網(wǎng)模式時(shí)，儲(chǔ)能 PQ控制生成的vdref、vqref將分別過渡至V/f控制下的預(yù)設(shè)值，PCC電壓出現(xiàn)短時(shí)波動(dòng)，然后快速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。模式切換過程中，頻率變化始終控制在允許的范圍以內(nèi)。

離網(wǎng)模式下配電網(wǎng)不再向微網(wǎng)輸送功率，儲(chǔ)能輸出電流由并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的給定值過渡至新的穩(wěn)態(tài)值，該穩(wěn)態(tài)值取決于微網(wǎng)的負(fù)荷大小以及發(fā)電單元功率輸出等因素。

圖8 算例Ⅲ 微網(wǎng)由并網(wǎng)切換至離網(wǎng)模式（t=1.725s）Fig.8 Case Ⅲ micro-grid transferred to islanded mode at t=1.725s

綜合算例三的仿真結(jié)果可知，儲(chǔ)能控制器可以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)從并網(wǎng)模式到離網(wǎng)模式的無縫切換，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行以及重要負(fù)荷的供電質(zhì)量。

5 實(shí)驗(yàn)研究

本文搭建了包括儲(chǔ)能、光伏、風(fēng)電和典型負(fù)荷的微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用鉛酸蓄電池儲(chǔ)能，儲(chǔ)能控制器功率為30 kVA；光伏單元容量為15 kW；AWT容量為16 kW；負(fù)荷1、負(fù)荷2、負(fù)荷3分別為40 kW、10 kW、10 kW/5 kvar。微網(wǎng)的典型運(yùn)行過程包括：

（1）儲(chǔ)能作為微網(wǎng)的組網(wǎng)電源，采用V/f控制方式，建立微網(wǎng)的電壓及頻率，負(fù)荷投入。

（2）光伏單元接入運(yùn)行，輸出功率在5～8 kW之間隨機(jī)波動(dòng)。

（3）AWT接入運(yùn)行，輸出功率在5～9 kW之間隨機(jī)波動(dòng)。

（4）微網(wǎng)切換至并網(wǎng)模式，儲(chǔ)能采用PQ控制，給定輸出功率25 kW。

（5）并網(wǎng)運(yùn)行一定時(shí)間后微網(wǎng)切換至離網(wǎng)模式，儲(chǔ)能采用 V/f控制方式，重新成為微網(wǎng)的組網(wǎng)電源。

圖9、圖10所示為實(shí)驗(yàn)結(jié)果（每張圖中共有8個(gè)通道，其中上面4個(gè)通道為主通道，下面4個(gè)通道記錄主通道光標(biāo)區(qū)域的放大波形）。

微網(wǎng)由離網(wǎng)模式向并網(wǎng)模式切換時(shí)，儲(chǔ)能控制器由V/f控制方式切換至PQ控制方式。由圖9可知，儲(chǔ)能控制器響應(yīng)較快，PCC處的電壓實(shí)現(xiàn)了與配電網(wǎng)電壓幅值及相位的準(zhǔn)確同步，未出現(xiàn)大的沖擊，成功實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)由離網(wǎng)向并網(wǎng)運(yùn)行模式的切換。

圖9 微網(wǎng)離網(wǎng)/并網(wǎng)無縫切換過程Fig.9 Micro-grid transferred to grid-connected mode

圖10 微網(wǎng)并網(wǎng)/離網(wǎng)無縫切換過程Fig.10 Micro-grid transferred to islanded mode

微網(wǎng)由并網(wǎng)模式向離網(wǎng)模式切換時(shí)，儲(chǔ)能控制器由PQ控制方式切換至V/f控制方式。由圖10可知，PCC處電壓經(jīng)儲(chǔ)能V/f控制能夠快速調(diào)節(jié)至穩(wěn)態(tài)，轉(zhuǎn)換過程平滑。

6 結(jié)論

儲(chǔ)能在可再生能源微網(wǎng)中具有重要的作用，可以作為組網(wǎng)電源，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的組網(wǎng)和穩(wěn)定控制，也是微網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與外部大電網(wǎng)無縫切換的重要環(huán)節(jié)。本文針對(duì)典型可再生能源微網(wǎng)，深入分析了儲(chǔ)能在微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行，以及兩種模式無縫切換過程中的作用。提出了包含濾波電感電流環(huán)、濾波電容電壓環(huán)和并網(wǎng)電感功率外環(huán)組成的三環(huán)控制策略，并給出了三環(huán)控制在微網(wǎng)運(yùn)行模式切換過程中轉(zhuǎn)換過程。

本文搭建了包括模擬風(fēng)力發(fā)電、模擬光伏發(fā)電、蓄電池儲(chǔ)能的微網(wǎng)仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，儲(chǔ)能控制器能夠可靠實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的離網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行控制，有效消減光伏、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電輸出功率間歇性和隨機(jī)性等不足，確保微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和供電可靠性。

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