一種光儲(chǔ)交直流微網(wǎng)并/離網(wǎng)無縫切換策略

薄 鑫，吳 倩，趙菲菲，楊 杰，鄭建勇，繆惠宇，顧盼盼

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇南京 210008；2. 南京電力工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇南京 210009；3. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京 210096)

0 引 言

隨著分布式電源的發(fā)展以及國家政策大力支持。其分布式新能源的研究與應(yīng)用具有廣闊的前景。光伏作為新能源的重要一種，一直受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1]。分布式能源滲透率的提高與大功率儲(chǔ)能的應(yīng)用，使得交直流微網(wǎng)技術(shù)得到大力發(fā)展。交直流微網(wǎng)相比傳統(tǒng)配電網(wǎng)，其在交流母線的基礎(chǔ)上，通過電力電子裝置專設(shè)直流母線[2-3]，使得光伏、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等新型源荷更方便地接入電網(wǎng)。

供電可靠性要求光儲(chǔ)供電系統(tǒng)在大電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)不再是停止運(yùn)行而是擁有一定的獨(dú)立供電的能力。因此光儲(chǔ)交直流微網(wǎng)必須具有在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工作模式下運(yùn)行的能力[4-5]。而傳統(tǒng)并網(wǎng)模式與離網(wǎng)模式間的切換會(huì)引起沖擊，過大的電流沖擊會(huì)導(dǎo)致并網(wǎng)失敗，甚至系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障[6]。如何實(shí)現(xiàn)交直流微網(wǎng)并離網(wǎng)無縫切換是亟待解決的問題。

眾多國內(nèi)外學(xué)者對(duì)微網(wǎng)無縫切換這一問題進(jìn)行大量研究。文獻(xiàn)[7]提出了一種在下垂控制下的無縫切換策略，但是文獻(xiàn)中未涉及對(duì)微源的控制問題。文獻(xiàn)[8]提出采用超級(jí)電容與儲(chǔ)能電池結(jié)合的混合儲(chǔ)能減小并/離網(wǎng)切換過程對(duì)母線電壓的沖擊，但額外配置的超級(jí)電容增加了成本，而且混合儲(chǔ)能系統(tǒng)需要協(xié)調(diào)各個(gè)儲(chǔ)能的控制策略，增加了控制難度。文獻(xiàn)[9]針對(duì)微網(wǎng)問題提出設(shè)置電壓環(huán)調(diào)節(jié)器需求策略以減小并離網(wǎng)對(duì)交流母線的沖擊，但該策略并沒有涉及到并離網(wǎng)對(duì)直流母線電壓的沖擊。

本文結(jié)合以上研究成果，研究并離網(wǎng)控制策略，設(shè)計(jì)一種改進(jìn)預(yù)同步算法，保證并離網(wǎng)時(shí)相位的平滑性。在此基礎(chǔ)上，提出一種模式切換器，實(shí)現(xiàn)微源并/離網(wǎng)的平滑切換，減小切換過程中的交直流母線電壓震蕩[10]。

1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)與控制方法

本文所研究的光儲(chǔ)交直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。交直流微網(wǎng)系統(tǒng)由光伏陣列，儲(chǔ)能電池，直流變流器，雙向交直變流器以及配電網(wǎng)組成。交流源荷接入交流母線上，直流源荷接入直流母線上。系統(tǒng)運(yùn)行在并網(wǎng)模式，配電網(wǎng)作為微網(wǎng)直流母線電壓支撐。系統(tǒng)運(yùn)行在離網(wǎng)模式，儲(chǔ)能作為微網(wǎng)交直流母線電壓支撐[10]。

圖1 光儲(chǔ)交直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.1 光伏陣列控制模式

光伏陣列輸出電壓較低，需要選擇升壓變換器以實(shí)現(xiàn)升壓功能以接入直流母線與最大功率跟蹤(MPPT)功能。微網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行與離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，光伏工作在MPPT運(yùn)行模式[11]。暫不考慮在離網(wǎng)時(shí)，微網(wǎng)輕載時(shí)，光伏進(jìn)行恒壓控制的情況。光伏MPPT實(shí)現(xiàn)方法因篇幅所致就不贅述，本文采用的MPPT 算法選擇電導(dǎo)增量法，該方法能夠快速響應(yīng)外界環(huán)境的變化。

1.2 儲(chǔ)能控制模式

儲(chǔ)能設(shè)備通過雙向DC-DC變換器與直流母線相連，傳統(tǒng)雙向DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方式如圖2所示[12]。

(1)

式中：Ubat為電池電壓，而儲(chǔ)能吸收或釋放能量通過調(diào)節(jié)Pref來實(shí)現(xiàn)。

圖2 雙向直流變換器控制方式

(2)

1.3 雙向逆變器控制模式

雙向逆變器實(shí)現(xiàn)直流母線與交流母線的交互，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方式如圖3所示。

(3)

圖3 雙向交直變流器控制方式

(4)

2 預(yù)同步設(shè)計(jì)

可靠的預(yù)同步設(shè)計(jì)是保證微網(wǎng)在并網(wǎng)與離網(wǎng)兩種工作狀態(tài)之間實(shí)現(xiàn)相位平滑過渡的關(guān)鍵技術(shù)。尤其是當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)從離網(wǎng)切換到并網(wǎng)時(shí)，如果電壓存在相位或者幅值差，會(huì)在并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生較大的沖擊，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定[13]。而離網(wǎng)運(yùn)行模式采用U/f控制方式，系統(tǒng)等效阻抗較小，電壓幅值的跟蹤精度較高，并網(wǎng)前逆變器輸出電壓幅值與大電網(wǎng)相差不大。因此本文忽略電壓幅值差對(duì)并網(wǎng)沖擊帶來的影響，重點(diǎn)研究相角同步問題。圖4為本文提出的預(yù)同步控制框圖。

圖4 預(yù)同步框圖

圖中，θg為電網(wǎng)電壓相角；θinv為微網(wǎng)系統(tǒng)電壓相角；Set為模式切換信號(hào)；ωn為微網(wǎng)系統(tǒng)的角頻率。

當(dāng)系統(tǒng)孤島運(yùn)行時(shí)，Set=0，頻率補(bǔ)償Δω為0，系統(tǒng)交流母線以角頻率ωn運(yùn)行，經(jīng)過積分器之后可以得到孤島運(yùn)行時(shí)的電壓相角θinv。

當(dāng)系統(tǒng)由孤島運(yùn)行向并網(wǎng)模式切換時(shí)，微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間存在相位差，此時(shí)令Set=1，預(yù)同步開始，此時(shí)：

Δω=Kp(θg-θinv)

(5)

式中：大電網(wǎng)與微網(wǎng)之間的相角差經(jīng)過比例控制器，可以得到頻率差為Δω。此時(shí)，微網(wǎng)的交流母線以角頻率ωn+Δω運(yùn)行，由于Δω是時(shí)變變量，所以交流母線頻率會(huì)隨著相位差發(fā)生變化。為保證預(yù)同步過程中微網(wǎng)頻率在一定的范圍內(nèi)，通常會(huì)額外增加限幅器。當(dāng)微網(wǎng)交流母線相位與大電網(wǎng)相位差值在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)操作，并網(wǎng)之后令Set=0。

系統(tǒng)轉(zhuǎn)到離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，Set=0，由于積分器對(duì)誤差的累積功能，系統(tǒng)交流母線仍以接近的相位角θg運(yùn)行。

如圖5所示的是采用該種預(yù)同步算法所得到的仿真實(shí)驗(yàn)圖。如圖5(a)所示，假設(shè)微網(wǎng)0.3s之前將一直處于離網(wǎng)狀態(tài)，0.3s至0.4s進(jìn)行預(yù)同步算法，于大約0.43s左右微網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，微網(wǎng)于0.6s再次離網(wǎng)進(jìn)行孤島運(yùn)行。不妨假設(shè)0s時(shí)大電網(wǎng)相位θg為0°，微網(wǎng)相位θinv由0.3s開始向電網(wǎng)頻率逼近，至0.43s左右，相角差Δθ接近于0，相位預(yù)同步結(jié)束，并網(wǎng)開關(guān)閉合，完成離網(wǎng)到并網(wǎng)模式的切換，如圖5(b)所示。在0.6s時(shí)系統(tǒng)切換到離網(wǎng)模式，系統(tǒng)立即完成離網(wǎng)操作，從圖5(c)可以看出，交流母線電壓相角無論是在并網(wǎng)過程還是離網(wǎng)過程始終保持為平滑的鋸齒波狀，沒有發(fā)生突變。

圖5 預(yù)同步輸出相角

3 并/離網(wǎng)無縫切換關(guān)鍵技術(shù)

3.1 并/離網(wǎng)切換控制框圖

傳統(tǒng)微源逆變器在切換過程中，因?yàn)殡p向直流變換器以及雙向逆變器電壓外環(huán)采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器，其輸出達(dá)到飽和，當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，PI調(diào)節(jié)器輸出其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間較長，超調(diào)量也較大，所以內(nèi)環(huán)電流標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)生波動(dòng)，從而影響交直流母線電壓的穩(wěn)定。

3.1 近年來我國老年腸道疾病的發(fā)生率不斷上升，腸道檢查日益普及，行結(jié)腸鏡檢查的老年便秘患者也逐年增加，清腸措施不斷完善，清腸劑也越來越多，有效的清潔腸道是結(jié)腸鏡檢查成功的關(guān)鍵。腸道清潔度不佳，不僅影響腸鏡檢查操作，更重要的是遺漏病變［4］。

考慮到圖2和圖3中的雙向直流變換器和雙向交直變換器其控制外環(huán)類似，本文提出一種改進(jìn)型的電壓調(diào)節(jié)器，可同時(shí)應(yīng)用于雙向直流變換器和雙向交直變換器。

該控制器原理是在微網(wǎng)系統(tǒng)并離網(wǎng)切換時(shí)重置電壓環(huán)輸出需求，使其值與切換后穩(wěn)態(tài)輸出值相等，從而減小輸出超調(diào)量與調(diào)節(jié)時(shí)間。改進(jìn)后的電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)電壓環(huán)結(jié)構(gòu)

3.2 補(bǔ)償系數(shù)設(shè)定

針對(duì)交直流逆變器，當(dāng)系統(tǒng)從離網(wǎng)切換到并網(wǎng)，假設(shè)切換前光伏出力、交直流負(fù)荷功率不變。由功率平衡原理可得，并網(wǎng)后逆變器輸出功率Pinv為

Pinv=Ppv-Pbat_ref-Pdc_load

(6)

式中：Ppv為光伏出力；Pbat_ref為并網(wǎng)時(shí)儲(chǔ)能出力；Pdc_load為直流負(fù)載功率。儲(chǔ)能功率與逆變器功率發(fā)生變化，因此系統(tǒng)潮流發(fā)生變化，導(dǎo)致外環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出穩(wěn)態(tài)值發(fā)生改變，穩(wěn)態(tài)值改變的暫態(tài)過程存在響應(yīng)時(shí)間與超調(diào)，此時(shí)為了使得平滑切換，此時(shí)外環(huán)需要補(bǔ)償分量可以表示為

(7)

當(dāng)系統(tǒng)從并網(wǎng)切換到離網(wǎng)時(shí)，根據(jù)功率平衡理論可以得到，離網(wǎng)后儲(chǔ)能輸出功率Pbat為

Pbat=Ppv-Pinv-Pdc_load

(8)

離網(wǎng)后逆變器輸出功率Pinv為

Pinv=Pac_load

(9)

(10)

(11)

式中：Pac_load為交流負(fù)載功率；Ebat為儲(chǔ)能電壓。

3.3 無縫切換控制分析

如圖6所示，在控制框圖的上半部分中，如果Ctrl為1，閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(12)

當(dāng)K很大時(shí)傳遞函數(shù)看成1，閉環(huán)輸出和輸入近似看成相等；如果Ctrl為0，上半部分輸出為0。

下半部分，如果Ctrl為1，閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(13)

當(dāng)K很大時(shí)，傳遞函數(shù)看成0，下半部分輸出為0；如果Ctrl為0，下半部分直接看成是PI控制。

當(dāng)Ctrl信號(hào)為1時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)參考值idref為

(14)

i*=ic

(15)

穩(wěn)態(tài)之后iu的值變化為0。下半部分可以看做一個(gè)單純的PI控制器，實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)跟蹤。最終，電流內(nèi)環(huán)的參考值可以表示為

(16)

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所提改進(jìn)電壓外環(huán)的可行性和有效性，利用Matlab/Simulink對(duì)交直流微網(wǎng)并離網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)模型包括光伏陣列、儲(chǔ)能電池、雙向直流變換器、雙向逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。表1為雙向直流變換器以及雙向逆變器主要電氣參數(shù)。仿真針對(duì)并網(wǎng)以及離網(wǎng)運(yùn)行方式進(jìn)行分析，系統(tǒng)中各單元輸出功率如表2所示，負(fù)者表示輸出功率。

表1 變換器參數(shù)

表2 各單元功率情況

當(dāng)采用傳統(tǒng)的并/離網(wǎng)切換時(shí)，不對(duì)其進(jìn)行平滑控制，其具體波形如圖7和8所示。

圖7 切換過程中交直流母線電壓

系統(tǒng)在0.3s時(shí)出現(xiàn)并網(wǎng)指令，經(jīng)過預(yù)同步過程，系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，在0.48s時(shí)出現(xiàn)離網(wǎng)指令，系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行。

由圖7可得，切換過程中光儲(chǔ)微網(wǎng)直流母線以及交流母線出現(xiàn)了大幅度的波動(dòng)，其中，直流母線電壓距離其標(biāo)準(zhǔn)值800V的波動(dòng)幅度達(dá)到50V，交流母線電壓在并網(wǎng)切換到離網(wǎng)的過程中產(chǎn)生沖擊。從圖8可以看出，在光儲(chǔ)微網(wǎng)離網(wǎng)到并網(wǎng)以及并網(wǎng)到離網(wǎng)切換過程中，由于系統(tǒng)潮流變化導(dǎo)致電壓環(huán)穩(wěn)態(tài)輸出發(fā)生變化，而由于傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的局限性導(dǎo)致在輸出穩(wěn)態(tài)改變的暫態(tài)過程中輸出產(chǎn)生超調(diào)和沖擊。

圖8 切換過程中電壓環(huán)輸出值

本文所提出的改進(jìn)型并/離網(wǎng)切換方式的仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。系統(tǒng)同樣在0.3s時(shí)出現(xiàn)并網(wǎng)指令，經(jīng)過預(yù)同步過程，系統(tǒng)在0.36s時(shí)完成并網(wǎng)。0.48s時(shí)出現(xiàn)離網(wǎng)指令，系統(tǒng)立刻完成離網(wǎng)。

對(duì)比圖9以及圖7，可以看出，采用常規(guī)控制策略，交直流母線出現(xiàn)波動(dòng)。而采用改進(jìn)的電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器，其輸出曲線得到優(yōu)化，其超調(diào)量與調(diào)節(jié)時(shí)間大大減小，保證了切換時(shí)的平滑。

對(duì)比圖10以及圖8，可以直觀看出，采用本文提出的改進(jìn)型電壓環(huán)調(diào)節(jié)器，結(jié)合改進(jìn)預(yù)同步設(shè)計(jì)，在模式切換時(shí)，直流變換器電壓環(huán)輸出得到明顯減小，而雙向逆變器電壓環(huán)輸出電壓的抖動(dòng)得到抑制。

圖9 改進(jìn)后切換過程中交直流母線電壓

圖10 改進(jìn)后切換過程中電壓環(huán)輸出值

綜上，本文提出的改進(jìn)型的電壓外環(huán)策略較好地解決并離網(wǎng)切換產(chǎn)生的交直流電壓波動(dòng)問題，實(shí)現(xiàn)了光儲(chǔ)交直流微網(wǎng)并/離網(wǎng)兩種模式間的平滑無縫切換。

5 結(jié) 論

① 針對(duì)光儲(chǔ)交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)同步算法為逆變器提供相位基準(zhǔn)，保證系統(tǒng)在并/離網(wǎng)模式切換下電壓相位的連續(xù)性，為無縫切換奠定基礎(chǔ)。

② 研究光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制模式，為無縫切換策略提供仿真平臺(tái)。

③ 本文最大的創(chuàng)新是提出應(yīng)用于雙向直流變換器以及雙向逆變器改進(jìn)型的電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器，在并/離網(wǎng)模式切換前重置每個(gè)調(diào)節(jié)器輸出需求。通過Matlab/Simulink仿真，其仿真結(jié)果說明該改進(jìn)策略較好地解決并/離網(wǎng)切換帶來的交直流母線電壓波動(dòng)問題，較好解決并離網(wǎng)無縫切換問題。

④ 本文提出的改進(jìn)策略缺點(diǎn)在于需要在并/離網(wǎng)切換時(shí)檢測各單元的出力，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，但優(yōu)勢在于僅僅通過系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)并/離網(wǎng)切換產(chǎn)生的電壓波動(dòng)的改善，不需要額外配置混合儲(chǔ)能、UPS等電能質(zhì)量治理裝置。

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