基于換流器歸一化模型的微電網(wǎng)無縫切換控制策略

李光輝，何國慶，郝木凱，孫艷霞

(中國電力科學(xué)研究院，北京市100192)

0 引 言

微電網(wǎng)是由分布式電源、儲能單元、負(fù)荷以及控制保護(hù)裝置組成的集合，是一個能夠自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)［1］。微電網(wǎng)通過聯(lián)網(wǎng)和孤島2 種運(yùn)行模式，為負(fù)荷提供高可靠性和高質(zhì)量的電能，因此得到越來越多的重視和研究［2-6］。無縫切換是微電網(wǎng)運(yùn)行特性的重要指標(biāo)之一［7-12］，國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)與孤島雙模式切換的技術(shù)分以下3 種:(1)以柴油發(fā)電機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)等常規(guī)電源作為組網(wǎng)單元，該模式對化石燃料資源的依賴程度大，容易造成環(huán)境污染，且孤島運(yùn)行時風(fēng)電和光伏等間歇性新能源所占的比例不能太大;(2)以單相小功率儲能單元作為組網(wǎng)單元，通過3個單相換流器協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的雙模式切換，該模式中3個換流器的聯(lián)網(wǎng)/孤島雙模式切換過程中的同步配合成為系統(tǒng)切換的一個制約因素;(3)依靠運(yùn)行模式控制器和儲能組網(wǎng)單元實(shí)現(xiàn)，該模式中通信技術(shù)存在一定的時間延時，模式切換過程中往往需要微電網(wǎng)短時啟停。

本文研究的微電網(wǎng)以儲能單元作為系統(tǒng)的組網(wǎng)單元，采用主從控制模式實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)/孤島之間切換控制。研究儲能雙模式換流器組網(wǎng)單元的P/Q與V/f 模式歸一化控制模型，同時利用儲能雙模式換流器就地控制微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)/孤島雙模式無縫切換。

1 微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)/孤島切換控制原理

本文研究的微電網(wǎng)由光伏并網(wǎng)發(fā)電單元、風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電單元、儲能單元以及系統(tǒng)負(fù)荷組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該系統(tǒng)由聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行2 種模式，由儲能單電源作為組網(wǎng)單元實(shí)現(xiàn)主從控制，在系統(tǒng)孤島運(yùn)行模式時建立系統(tǒng)的電壓和頻率參考值。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Microgrid structure

在大電網(wǎng)正常情況下，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、儲能單元均并網(wǎng)運(yùn)行于P/Q 模式，能量管理系統(tǒng)控制目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)PCC點(diǎn)的功率、功率變化率以及功率因數(shù)滿足規(guī)定的要求。當(dāng)儲能換流器檢測到大電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時，儲能換流器從P/Q 模式切換到V/f 模式，同時控制PCC 點(diǎn)開關(guān)斷開，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)由聯(lián)網(wǎng)模式切換到孤島模式運(yùn)行。當(dāng)儲能換流器檢測到大電網(wǎng)狀態(tài)恢復(fù)正常后，微電網(wǎng)同期控制實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)同期調(diào)節(jié)［1］，在滿足同期條件時，儲能換流器由V/f 模式切換到P/Q 模式，同時控制PCC 點(diǎn)開關(guān)閉合，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)由孤島模式切換到聯(lián)網(wǎng)模式，控制流程如圖2 所示。

2 儲能換流器P/Q 控制模型

微電網(wǎng)運(yùn)行于聯(lián)網(wǎng)模式時，微電網(wǎng)要求儲能組網(wǎng)單元運(yùn)行于P/Q 模式，即儲能單元按照能量管理系統(tǒng)下達(dá)的有功功率P 和無功功率Q 給定值運(yùn)行，而儲能換流器輸出電壓幅值和頻率由大電網(wǎng)決定，儲能換流器P/Q 控制模型如圖3 所示。

圖2 聯(lián)網(wǎng)/孤島切換控制流程Fig.2 Switching control process between grid-connected and island mode

圖3 P/Q 控制模型Fig.3 P/Q control model

儲能換流器P/Q 控制模型框圖如圖4 所示，其中，功率變換環(huán)節(jié)G5(s)= k1，電流PI 調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)G1(s)= (kps + ki)/s，逆變環(huán)節(jié)G2(s)= kpwm/(Ts+1)，濾波環(huán)節(jié)G3(s)= s/(Ls2+ C)，反饋環(huán)節(jié)G4(s)= k2，前饋環(huán)節(jié)Gn(s)= － (Ts+1)/kpwm。

圖4 P/Q 控制模型框圖Fig.4 Block diagram of P/Q control model

由圖4 可知電流內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)如式(1)所示:

根據(jù)各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，可得式(2):

電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)如式(3)所示:

整理得:

3 儲能換流器V/f 控制模型

微電網(wǎng)運(yùn)行于孤島模式時，微電網(wǎng)要求儲能組網(wǎng)單元運(yùn)行于V/f 模式，即儲能單元按照能量管理系統(tǒng)下達(dá)的電壓幅值V 和電壓頻率f 給定值運(yùn)行，而儲能換流器輸出有功功率和無功功率由孤島系統(tǒng)負(fù)荷決定，儲能換流器V/f 控制模型如圖5 所示。

圖5 V/f 控制模型Fig.5 V/f control model

儲能換流器V/f 控制模型框圖如圖6 所示，其中，坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)G9(s)= k1;電壓外環(huán)PI 調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)G8(s)= (kups + kui)/s;電壓反饋環(huán)節(jié)G7(s)= k2。

圖6 V/f 控制模型框圖Fig.6 Block diagram of V/f control model

由圖6 可知V/f 控制模式開環(huán)傳遞函數(shù)如式(5)所示:

整理得:

V/f 控制模型閉環(huán)傳遞函數(shù)如式(7)所示:

整理得:

4 儲能換流器歸一化控制模型

由儲能換流器V/f 控制模型與P/Q 控制模型對應(yīng)的內(nèi)環(huán)控制框圖完全相同，均采用電流內(nèi)環(huán)控制。而儲能換流器V/f 控制模型與P/Q 控制模型外環(huán)分別采取了電壓控制環(huán)和功率控制環(huán)，換流器模式切換通過外環(huán)切換實(shí)現(xiàn)。本文建立的儲能雙模式換流器歸一化控制模型如圖7 所示。由圖7 可知，儲能換流器雙模式切換體現(xiàn)為電流內(nèi)環(huán)給定值的切換來實(shí)現(xiàn)的，因此通過該控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)逆變器在模式切換過程中系統(tǒng)的連續(xù)性，避免模式切換對逆變器造成的功率沖擊。

根據(jù)不同的電網(wǎng)狀態(tài)，采用不同的外環(huán)控制，而內(nèi)環(huán)始終為共同的電流內(nèi)環(huán)。通過電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，避免模式切換過程中調(diào)制信號的突變，實(shí)現(xiàn)雙模式的平滑切換，儲能雙模式換流器歸一化控制模型原理框圖如圖8 所示。

圖7 歸一化控制模型Fig.7 Normallzed control model

圖8 儲能歸一化控制模型框圖Fig.8 Block diagram of normallzed control model

圖9為控制模型的波特圖，圖10 為控制模型的根軌跡分布圖，由圖9～10 可見控制模型具有較強(qiáng)的抗擾動型，滿足微電網(wǎng)組網(wǎng)單元的特性要求。

圖9 歸一化控制波特圖Fig.9 Bode diagram of normallzed control model

5 仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 仿真分析

圖10 歸一化控制零極點(diǎn)分布圖Fig.10 Zero and pole distribution of normallzed control model

本文首先在RT_Lab 實(shí)時仿真平臺上搭建了微電網(wǎng)仿真模型，該模型中各單元容量如表1 所示。系統(tǒng)電壓基準(zhǔn) UB=380 V，容量基準(zhǔn)值SB=50 kVA。在t=25 s 時，大電網(wǎng)故障，微電網(wǎng)由聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)切換到孤島狀態(tài)，仿真結(jié)果如圖11 所示。在t =28s 時，大電網(wǎng)恢復(fù)正常;28 ～30 s 微電網(wǎng)進(jìn)行同期調(diào)節(jié)過程;在t=30 s 時，閉合PCC 點(diǎn)并網(wǎng)開關(guān)，完成微電網(wǎng)孤島轉(zhuǎn)聯(lián)網(wǎng)切換，仿真結(jié)果如圖12 所示。

表1 仿真模型各單元額定參數(shù)Tab.1 Each unit rated parameters of simulation model

由圖11(a)可知，微電網(wǎng)由聯(lián)網(wǎng)模式切換到并網(wǎng)模式過程中，交流母線電壓經(jīng)過短暫的暫態(tài)調(diào)節(jié)后恢復(fù)正常，而且切換過程中系統(tǒng)電壓質(zhì)量滿足國標(biāo)要求。由圖11(b)可知，微電網(wǎng)由聯(lián)網(wǎng)模式切換到孤島模式后，儲能換流器由P/Q 模式切換到V/f 模式，且通過歸一化控制模型，儲能換流器未產(chǎn)生大幅度電流沖擊。由圖11(c)可知，微電網(wǎng)由聯(lián)網(wǎng)切換到孤島模式后，PCC 點(diǎn)開關(guān)斷開，電流為零。由圖11(d)可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)在微電網(wǎng)孤島模式時諧波電流要低于微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)模式，說明微電網(wǎng)交流母線電壓的背景諧波在微電網(wǎng)孤島模式時較低。由圖11(e)可知，微電網(wǎng)由聯(lián)網(wǎng)模式切換到孤島模式過程中，對光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率產(chǎn)生微弱的功率沖擊，可控制在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)。

圖11 聯(lián)網(wǎng)切換到孤島仿真波形Fig.11 Simulation waveform of switching grid-connected mode to island mode

圖12 孤島切換到聯(lián)網(wǎng)仿真波形Fig.12 Simulation waveform of switching island mode to grid-connected mode

由圖12(a)可知，微電網(wǎng)由孤島模式切換到并網(wǎng)模式過程中，需要經(jīng)過微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的同期調(diào)節(jié)過程實(shí)現(xiàn)，當(dāng)兩交流電壓滿足同期條件后，完成微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。由圖12(b)可知，微電網(wǎng)的同期過程中，PCC 點(diǎn)開關(guān)兩側(cè)的電壓相角逐漸減小。由圖12(c)可知，電網(wǎng)由孤島模式切換到聯(lián)網(wǎng)模式后，儲能換流器由V/f 模式切換到P/Q 模式，且通過歸一化控制模型，儲能換流器未產(chǎn)生大幅度電流沖擊。由圖12(d)可知，微電網(wǎng)由孤島切換到聯(lián)網(wǎng)模式后，PCC 點(diǎn)開關(guān)閉合，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)功率交換。由圖12(e)可知，微電網(wǎng)由孤島模式切換到聯(lián)網(wǎng)模式后，光伏并網(wǎng)電流的諧波有所增大，進(jìn)一步證明了微電網(wǎng)孤島模式電壓的電能質(zhì)量較高。由圖12(f)可知，微電網(wǎng)在同期并網(wǎng)過程中，光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)功率一直運(yùn)行在控制范圍內(nèi)，受沖擊影響較小。

5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證儲能雙模式換流器歸一化控制模型的有效性，在國家能源大型風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心搭建了微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺［1］，開展微電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)/孤島無縫切換實(shí)驗(yàn)，其波形如圖13 所示。

圖13 聯(lián)網(wǎng)/孤島雙模式切換實(shí)驗(yàn)波形Fig.13 Experimental waveform of switching between grid-connected and island mode

由圖13 可知，基于儲能雙模式換流器的歸一化控制模型，微電網(wǎng)能夠靈活實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)/孤島雙模式間的無縫切換，與文中仿真結(jié)論相符，有效驗(yàn)證了本文提出控制策略的有效性和正確性。

6 結(jié) 論

本文基于儲能雙模式換流器歸一化控制模型，提出了以儲能為組網(wǎng)單元的微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)/孤島雙模式無縫切換控制策略，利用RT_Lab 實(shí)時仿真平臺完成微電網(wǎng)建模仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證控制策略正確性，最后依托微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)平臺，對控制策略開展實(shí)證性測試研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的有效性。

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