含多端口能量路由器的多能互補系統(tǒng)故障保護功能測試研究

周一凡，蘇 適，朱 斌，孫 宬

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，云南 昆明650217）

0 引言

隨著旅游業(yè)的發(fā)展，某區(qū)域用電負荷存在無限制接入、無法準確預(yù)測等問題，且存在較嚴重的季節(jié)性過載現(xiàn)象，旅游旺季用電負荷明顯上升，導(dǎo)致供電可靠性下降。同時，該區(qū)域的水力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)存在功率波動大、穩(wěn)定性較差的問題。針對以上存在的問題，如果僅采用一次手段對配電網(wǎng)進行改造，會造成一次設(shè)備浪費嚴重，大多數(shù)情況下低載運行。

能量路由器是配電網(wǎng)系統(tǒng)多能接入的核心裝置，最基本任務(wù)是管理接入能量和負荷，尋求最優(yōu)路徑[1-3]。能量路由器具有多個電氣接口，可將配電網(wǎng)與各種可再生能源、各類負荷需求緊密結(jié)合，實現(xiàn)能源的耦合、互濟、互補[4-6]。因此，能量路由器的應(yīng)用研究具有重要意義。

本文研制了多能（含水電、光伏、儲能）、多端口的能量路由器裝置及其能量管理系統(tǒng)，能夠就近消納小水電、光伏等新能源，綜合考慮當?shù)囟鄨鼍斑\行，實現(xiàn)資源的合理配置與利用，解決季節(jié)性過載問題。但能量路由器的引入對配電網(wǎng)的功能及性能會帶來影響[7-8]。因此，需要對接入能量路由器后的配電網(wǎng)進行測試。本文將針對含能量路由器的多能互補系統(tǒng)的故障保護功能進行測試研究，從而評估該多能互補系統(tǒng)的功能和性能。

1 能量路由器拓撲結(jié)構(gòu)和工作模式

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該能量路由器具有4個端口，總功率為500 kW，直流母線電壓為750 V，儲能端口能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖3為多端口能量路由器實際系統(tǒng)。

圖1 電廠布置圖Fig. 1 Power plant layout

圖2 拓撲結(jié)構(gòu)Fig. 2 Topology

圖3 多端口能量路由器Fig. 3 Multi-port energy router

（1）小水電端口采用1個500 kW的中點鉗位型（NPC）三電平PWM整流器。

水電端口的輸出電壓為6.3 kV，通過工頻變壓器將6.3 kV轉(zhuǎn)化為380 V，方便能量路由器裝置的低壓接入和工程實現(xiàn)。

拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括12個帶有反并聯(lián)二極管的IGBT（T1～T12）和6個二極管D1～D6。相較兩電平結(jié)構(gòu)，中點鉗位型（NPC）三電平結(jié)構(gòu)雖然器件數(shù)量較多，控制較為復(fù)雜，但對開關(guān)管進行合理控制，可有效改善輸出電壓波形，降低諧波含量，提高電能質(zhì)量[9,10]。并且開關(guān)管承受的電壓僅為Ud/2，電壓應(yīng)力小，適合高壓大功率的場景下使用。

圖4 中點鉗位型（NPC）三電平PWM整流電路Fig. 4 Neutral point clamp (NPC) type three-level PWM rectifier circuit

（2）并網(wǎng)端口采用1個500 kW的兩電平隔離型PWM逆變器。

并網(wǎng)端口接入10 kV電網(wǎng)，故采用10 kV/380 V的工頻變壓器實現(xiàn)電壓等級變換，方便能量路由器裝置的低壓接入以及電氣隔離。

如圖5所示，該電路能實現(xiàn)能量雙向流動，可以運行在整流狀態(tài)或逆變狀態(tài)，且兩種狀態(tài)下均能實現(xiàn)功率因數(shù)單位化。

圖5 三相橋式兩電平PWM逆變電路Fig. 5 Three-phase bridge two-level PWM inverter circuit

電路工作原理遵循180°導(dǎo)電方式，上下橋臂交替導(dǎo)通，三相開關(guān)器件的導(dǎo)通起始角度依次相差120°。任意時刻均有3個開關(guān)管導(dǎo)通，不同開關(guān)組合時輸出的相電壓值如表1所示（設(shè)直流側(cè)電壓為1）。

表1 不同開關(guān)組合時輸出的相電壓值Tab. 1 The output phase voltage value in different switch combinations

（3）光伏/儲能端口分別采用2個250 kW的非隔離型DC/DC變換器。

光伏/儲能端口的非隔離型 DC/DC變換器采用高升壓比級聯(lián)型Buck/Boost電路，不僅可以實現(xiàn)雙向直流升、降壓變換[11,12]，且可以通過合理控制IGBT關(guān)斷及適當?shù)目刂撇呗?，確保光伏端口的能量單向流動。拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示，包含8個帶有反并聯(lián)二極管的IGBT。

圖6 高升壓比級聯(lián)型Buck/Boost電路Fig. 6 Buck/Boost circuit of high-step-up cascade

該電路的工作原理如表2所示，在能量流向不同的情況下，均可作為Buck或者Boost變換器使用，每種變換器都存在兩個不同的工作狀態(tài)，每個工作狀態(tài)下的能量通道也不同。

表2 工作原理Tab. 2 Working principle

1.2 工作模式

1.2.1 DC/AC變換器工作模式

DC/AC變換器詳細的工作模式切換過程如圖7所示。

圖7 DC/AC變換器工作模式Fig. 7 DC/AC converter working mode

并網(wǎng)逆變器包括兩種工作模式：

（1）并網(wǎng)模式：充電包括恒流充電、恒壓充電；放電包括恒功率放電、恒流放電。能實現(xiàn)平滑功率輸出、削峰填谷、系統(tǒng)調(diào)頻、改善電能質(zhì)量等功能。

（2）獨立逆變模式：在電網(wǎng)斷電或處于孤網(wǎng)狀態(tài)時，穩(wěn)定輸出電壓和頻率，可繼續(xù)為各種負荷供電，此時變流器處于放電狀態(tài)。

1.2.2 DC/DC變換器工作模式

DC/DC變換器詳細的工作模式切換過程如圖8所示。

圖8 DC/DC變換器工作模式Fig. 8 DC/DC converter working mode

DC/DC變換器包括4種工作模式：

（1）恒功率模式：變流器以設(shè)定功率進行充放電。

（2）恒流模式：變流器以儲能側(cè)設(shè)定電流進行充放電。

（3）恒母線電壓模式：變流器根據(jù)設(shè)定值維持母線電壓恒定。母線電壓大于設(shè)定值時，儲能充電使母線電壓降低；母線電壓小于設(shè)定值時，儲能放電，使母線電壓升高。

（4）MPPT模式：保證光伏陣列始終以最大功率輸出。

2 故障保護功能測試

在各個端口都正常運行（光伏端口暫時未使用），直流母線電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)輸出功率跟隨上層功率指令工作的前提下，對實際系統(tǒng)在不同故障情況下的響應(yīng)進行了現(xiàn)場測試。

2.1 正常運行狀態(tài)

如表3所示，在正常運行狀態(tài)下，小水電機組向能量路由器輸出有功功率為24.1 kW，能量路由器向電網(wǎng)輸出有功功率為9.9 kW，儲能電池#1和#2均處于充電狀態(tài)。

表3 正常運行狀態(tài)下的電氣參數(shù)Tab. 3 The electrical parameters under normal operating conditions

2.2 小水電端口斷電且短時間內(nèi)不恢復(fù)

正常運行狀態(tài)下，其他端口正常運行，但小水電端口突然斷電，測試結(jié)果如表4所示。

由表 4可以看出，水電端口斷電后，直流母線電壓仍保持穩(wěn)定，但小水電端口變流器狀態(tài)由“運行”變?yōu)椤肮收稀保Ｖ惯\行。儲能電池運行狀態(tài)變?yōu)榉烹?，系統(tǒng)由儲能電池#1和#2放電提供能量維持運行。電池放電按照恒流模式運行，輸出功率固定，因此無法跟隨上層功率指令運行。此時并網(wǎng)輸出有功功率變大，為30.6 kW。

表4 小水電端口斷電且短時間內(nèi)不恢復(fù)狀態(tài)下的電氣參數(shù)Tab. 4 The electrical parameters with the power of small hydropower port being cut off and non-restoring in a short time

一段時間后，由于小水電端口一直未恢復(fù)供電，儲能電池#1和#2依次變?yōu)榉烹娊刂範顟B(tài)，結(jié)果如表5、表6所示。

表5 儲能電池#1停止供電狀態(tài)下的電氣參數(shù)Tab. 5 The electrical parameters with the power of the energy storage battery #1 being cut off

表6 儲能電池#2停止供電狀態(tài)下的電氣參數(shù)Tab. 6 The electrical parameters with the power of the energy storage battery #2 being cut off

由表5、表6可以看出，由于小水電端口長時間未恢復(fù)供電，儲能電池#1先進入放電截止狀態(tài)，系統(tǒng)僅由儲能電池#2提供能量，并網(wǎng)變流器輸出功率大幅下降，但系統(tǒng)內(nèi)部的直流母線電壓依然能保持穩(wěn)定；當小水電端口繼續(xù)保持未恢復(fù)供電狀態(tài)，儲能電池#2也同樣進入放電截止狀態(tài)。此時由于能量路由器各端口無能量輸入，直流母線失壓，系統(tǒng)停機。

2.3 小水電端口斷電且短時間內(nèi)恢復(fù)

小水電端口斷電后，系統(tǒng)運行20 min，之后恢復(fù)供電。結(jié)果如表7所示。

表7 小水電端口斷電且短時間內(nèi)恢復(fù)狀態(tài)下的電氣參數(shù)Tab. 7 The electrical parameters with the power of small hydropower port being cut off and recovering in a short time

小水電端口斷電后與表4測試結(jié)果相同，由儲能電池#1和#2供電。待20 min后小水電端口恢復(fù)供電，由表7可以看出，小水電端口變流器重新啟動運行，恢復(fù)能量輸入；儲能電池運行狀態(tài)由放電變?yōu)槌潆姡到y(tǒng)輸出功率跟隨上層功率指令，系統(tǒng)恢復(fù)到正常運行狀態(tài)。

2.4 儲能電池側(cè)出現(xiàn)故障

分別對儲能電池#1單獨故障、兩組儲能電池均故障以及兩組儲能電池故障均消除3種狀態(tài)進行模擬，測試系統(tǒng)的故障響應(yīng)狀態(tài)，結(jié)果如表8～10所示。

由表8可以看出，儲能電池#1單獨故障時，直流母線電壓始終保持穩(wěn)定，儲能端口變流器1停機，儲能電池#2保持充電狀態(tài)，小水電端口輸入能量，系統(tǒng)連接電網(wǎng)供電，保持穩(wěn)定運行。

表8 儲能電池#1發(fā)生故障狀態(tài)下的電氣參數(shù)Tab. 8 The electrical parameters of energy storage battery #1 under fault state

由表9可以看出，當兩組儲能電池同時故障時，直流母線電壓始終保持穩(wěn)定，儲能端口變流器1、2均停機，小水電端口輸入能量，系統(tǒng)連接電網(wǎng)供電，保持穩(wěn)定運行。

表9 儲能電池#1、#2均發(fā)生故障狀態(tài)下的電氣參數(shù)Tab. 9 The electrical parameters of energy storage batteries #1 and #2 under fault state

由表10可以看出，當兩組儲能電池故障均消除后，直流母線電壓依舊保持穩(wěn)定，儲能電池恢復(fù)正常，系統(tǒng)恢復(fù)至穩(wěn)定運行狀態(tài)。

表10 兩組儲能電池故障均消除后的電氣參數(shù)Tab. 10 The electrical parameters after the two sets of energy storage batteries fault being eliminated

2.5 小水電端口斷電且兩組儲能電池均故障

當小水電端口斷電且兩組儲能電池均發(fā)生故障，測試結(jié)果如表11所示。

表11 小水電端口斷電且兩組儲能電池均故障狀態(tài)下的電氣參數(shù)Tab. 11 The electrical parameters with the power of small hydropower port being cut off under the two sets of energy storage batteries faulty state

結(jié)果顯示，小水電端口斷電后，小水電端口變流器停機；儲能電池#1、#2均故障，儲能端口變流器1、2停機。能量路由器無能量輸入，所有設(shè)備進入停機狀態(tài)。

3 結(jié)論

當小水電端口斷電后，儲能電池可以迅速放電，使直流母線電壓始終穩(wěn)定在700 V左右，小水電端口故障消除后，系統(tǒng)能快速恢復(fù)至正常運行狀態(tài)；儲能電池故障消除前后，系統(tǒng)均能維持正常運行，但削峰填谷等功能無法正常實現(xiàn)；各端口均故障時，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定切換至停機狀態(tài)。

綜上所述，系統(tǒng)各端口基本功能達到了預(yù)定目標，全端口聯(lián)合測試功能正常，各部分可以相互協(xié)調(diào)，同時工作。該系統(tǒng)具有較好的故障保護功能，各端口出現(xiàn)故障時，有效實現(xiàn)了不同場景下的工作模式切換，直流母線電壓穩(wěn)定以及上層功率指令跟蹤等功能，能保證系統(tǒng)在一定故障時間內(nèi)的穩(wěn)定輸出能力。并且在故障消除后能夠快速恢復(fù)至正常運行狀態(tài)，所以可以用于解決當?shù)赜秒娯摵杉竟?jié)性過載和可再生能源功率波動較大的問題。