微機(jī)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行方式無(wú)縫切換研究

李培宜，歐陽(yáng)逸風(fēng)，李燕，孫攀

(南京國(guó)電南自自動(dòng)化有限公司，南京 211100)

1 微電網(wǎng)運(yùn)行概況

可再生能源的應(yīng)用催生出微電網(wǎng)。微電網(wǎng)可變相抑制再生能源的間歇性，將清潔能源接入大電網(wǎng)，可提高清潔能源的利用率。 我國(guó)微電網(wǎng)目前處于起步階段，工程多為示范性。本文針對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)行方式的切換，提出一種微機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換的方法，提高微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量。

典型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含儲(chǔ)能變流器(PCS)、電池、負(fù)荷、可再生能源(光伏、風(fēng)電等)。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

微電網(wǎng)運(yùn)行方式可分為并網(wǎng)運(yùn)行方式、離網(wǎng)運(yùn)行方式。并網(wǎng)運(yùn)行指并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合，微電網(wǎng)和大電網(wǎng)電氣連接，微電網(wǎng)可和大電網(wǎng)交互電能。離網(wǎng)運(yùn)行指并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，微電網(wǎng)自給自足。

微電網(wǎng)中儲(chǔ)能變流器的控制模式可分為PQ、V/f、下垂。工作在下垂模式下的儲(chǔ)能變流器，在并/離網(wǎng)切換過(guò)程中，無(wú)需切換控制模式。在切換過(guò)程中，只需保證功率平衡，切換就可順利完成，本文不作討論。

并網(wǎng)運(yùn)行方式下，儲(chǔ)能變流器控制模式為PQ，大電網(wǎng)為主電源，作為電壓、頻率的支撐。離網(wǎng)運(yùn)行方式下，儲(chǔ)能變流器控制模式為V/f，儲(chǔ)能變流器為主電源。

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行切換為離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，需斷開(kāi)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)，切換儲(chǔ)能變流器控制模式為V/f。離網(wǎng)運(yùn)行切換為并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，需閉合并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)，切換儲(chǔ)能變流器控制模式為PQ[1]。

本文通過(guò)微機(jī)裝置的控制，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)(閉合)、儲(chǔ)能變流器控制模式切換的時(shí)序配合，達(dá)到微電網(wǎng)運(yùn)行方式無(wú)縫切換。

圖1中微機(jī)裝置1采集并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流、并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)位置等實(shí)時(shí)信息，微機(jī)裝置2～4采集微電網(wǎng)內(nèi)電源、負(fù)荷的電壓、電流、開(kāi)關(guān)位置等信息，并實(shí)時(shí)上送至微機(jī)裝置1。其中微機(jī)裝置2與PCS通訊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)PCS輸出功率的控制。

2 并網(wǎng)運(yùn)行方式切換為離網(wǎng)運(yùn)行方式

并網(wǎng)運(yùn)行方式切換到離網(wǎng)運(yùn)行方式，可分為計(jì)劃性(人為)、非計(jì)劃性(大電網(wǎng)故障等因素)。

并網(wǎng)運(yùn)行方式下，儲(chǔ)能控制模式為PQ。計(jì)劃性離網(wǎng)遵循如下步驟。

(1)微機(jī)裝置1根據(jù)聯(lián)絡(luò)線上實(shí)時(shí)功率和儲(chǔ)能PCS輸出實(shí)時(shí)功率，下發(fā)命令調(diào)節(jié)儲(chǔ)能PCS的輸出功率，使聯(lián)絡(luò)線上的交換功率為0。

(2)微機(jī)裝置1分開(kāi)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)，同時(shí)切換PCS的控制模式為V/f。

上述過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間，需儲(chǔ)能控制模式切換為V/f同時(shí)完成。如采用通信切換PCS控制模式，由于通信延時(shí)的不確定性，無(wú)法保證時(shí)序。PCS控制模式切換為V/f通過(guò)微機(jī)裝置1開(kāi)出硬節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。斷開(kāi)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)、切換儲(chǔ)能控制模式時(shí)序如圖2所示，微機(jī)裝置1下發(fā)分閘命令后，間隔△t時(shí)間，下發(fā)切換PCS控制模式為V/f命令。

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行方式下，發(fā)生非計(jì)劃性離網(wǎng)的原因主要?dú)w為3類[1]：外部電網(wǎng)故障；外部電網(wǎng)失電；外部電網(wǎng)電能質(zhì)量不滿足標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 計(jì)劃性離網(wǎng)時(shí)序

圖3 計(jì)劃性并網(wǎng)時(shí)序

微機(jī)裝置1通過(guò)電壓、電流等判據(jù)識(shí)別上述情形，跳開(kāi)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)，切換為離網(wǎng)運(yùn)行方式。發(fā)生非計(jì)劃性離網(wǎng)前，聯(lián)絡(luò)線上的功率不為0，離網(wǎng)運(yùn)行方式下，功率不平衡，可能會(huì)存在穩(wěn)定問(wèn)題。故非計(jì)劃性離網(wǎng)前，聯(lián)絡(luò)線向外部電網(wǎng)輸送功率，跳開(kāi)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)的同時(shí)可切除相應(yīng)的可再生能源。非計(jì)劃性離網(wǎng)前，聯(lián)絡(luò)線從外部電網(wǎng)吸收功率，可根據(jù)負(fù)荷重要性切除相應(yīng)的負(fù)荷。

微機(jī)裝置1下發(fā)分并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)、切換控制模式為V/f命令的時(shí)序同計(jì)劃性離網(wǎng)。

3 離網(wǎng)運(yùn)行方式切換為并網(wǎng)運(yùn)行方式

當(dāng)外部電網(wǎng)正常時(shí)，微電網(wǎng)需由離網(wǎng)運(yùn)行方式切換為并網(wǎng)運(yùn)行方式，遵循以下步驟。

(1)調(diào)節(jié)微電網(wǎng)離網(wǎng)主電源，使微電網(wǎng)母線頻率為50 Hz，電壓同大電網(wǎng)電壓。

(2)微機(jī)裝置1同期合并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)。

合并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)、切換儲(chǔ)能控制模式時(shí)序如圖3所示，微機(jī)裝置1下發(fā)合閘命令后，間隔△t時(shí)間，下發(fā)切換PCS控制模式為PQ命令。

4 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)室并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)采用靜態(tài)開(kāi)關(guān)，10 ms可實(shí)現(xiàn)三相的分?jǐn)啵?.5 ms可實(shí)現(xiàn)三相閉合。 蓄電池為鉛碳電池，能量為30 kW·h。運(yùn)行方式切換過(guò)程中，記錄并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流波形。觀看是否達(dá)到無(wú)縫切換的目的。

根據(jù)時(shí)序配合關(guān)系，實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證微電網(wǎng)運(yùn)行方式切換過(guò)程中，并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)(閉合)分別超前、同時(shí)、滯后PCS控制模式切換完成，觀察微電網(wǎng)運(yùn)行方式切換是否成功。

4.1 計(jì)劃性離網(wǎng)

(1)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)和儲(chǔ)能控制模式切換同時(shí)完成。電壓波形如圖4所示，微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行切換至離網(wǎng)運(yùn)行成功，微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。觀察切換過(guò)程中的三相電壓波形，可發(fā)現(xiàn)切換過(guò)程中電壓發(fā)生畸變，過(guò)渡過(guò)程約為20 ms。

圖4 計(jì)劃性離網(wǎng)電壓波形(并網(wǎng)點(diǎn)斷開(kāi)和控制模式切換同時(shí))

(2)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)滯后儲(chǔ)能控制模式切換15 ms。電壓波形如圖5所示，微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行切換至離網(wǎng)運(yùn)行失敗。微電網(wǎng)切換為離網(wǎng)運(yùn)行后，PCS故障退出運(yùn)行。分析切換過(guò)程中存在大電網(wǎng)和PCS同時(shí)為主電源的時(shí)刻，PCS保護(hù)動(dòng)作，PCS退出運(yùn)行。

(3)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)超前儲(chǔ)能控制模式切換100 ms。電壓波形如圖6所示，微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行切換至離網(wǎng)運(yùn)行失敗。微電網(wǎng)切換為離網(wǎng)運(yùn)行后，PCS故障退出運(yùn)行。觀察電壓，發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，三相電壓頻率不穩(wěn)，PCS保護(hù)動(dòng)作，PCS退出運(yùn)行。

4.2 非計(jì)劃性離網(wǎng)

實(shí)驗(yàn)室模擬外部失電，進(jìn)行非計(jì)劃性離網(wǎng)。

(1)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)和儲(chǔ)能控制模式切換同時(shí)(2)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)滯后儲(chǔ)能控制模式切換完成15 ms。電壓波形如圖8所示， 微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行切換至離網(wǎng)運(yùn)行成功，微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。在同樣時(shí)序下，計(jì)劃性離網(wǎng)運(yùn)行方式切換失敗。分析后，發(fā)現(xiàn)由于外部失電，不存在大電網(wǎng)和PCS同時(shí)為主電源的時(shí)刻。

圖5 計(jì)劃性離網(wǎng)電壓波形(并網(wǎng)點(diǎn)斷開(kāi)滯后控制模式切換)

圖6 計(jì)劃性離網(wǎng)電壓波形(并網(wǎng)點(diǎn)斷開(kāi)超前控制模式切換)

完成。電壓波形如圖7所示，微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行切換至離網(wǎng)運(yùn)行成功，微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。觀察切換過(guò)程中的三相電壓波形，可發(fā)現(xiàn)切換過(guò)程中電壓發(fā)生畸變，過(guò)渡過(guò)程約為20 ms。

圖7 非計(jì)劃性離網(wǎng)電壓波形(并網(wǎng)點(diǎn)斷開(kāi)和控制模式切換同時(shí))

圖8 非計(jì)劃性離網(wǎng)電壓波形(并網(wǎng)點(diǎn)斷開(kāi)滯后控制模式切換)

(3)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)超前儲(chǔ)能控制模式切換完成100 ms。電壓波形如圖9所示， 微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行切換至離網(wǎng)運(yùn)行失敗。微電網(wǎng)切換為離網(wǎng)運(yùn)行后，PCS故障退出運(yùn)行。觀察波形，并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，電壓頻率不穩(wěn)，PCS保護(hù)動(dòng)作，PCS退出運(yùn)行。

圖9 非計(jì)劃性離網(wǎng)電壓波形(并網(wǎng)點(diǎn)斷開(kāi)超前控制模式切換)

4.3 計(jì)劃性并網(wǎng)

(1)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合和儲(chǔ)能控制模式切換同時(shí)完成。電壓波形如圖10所示，微電網(wǎng)由離網(wǎng)運(yùn)行切換至并網(wǎng)運(yùn)行成功，微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。切換過(guò)程中的電壓波形連續(xù)正常。

(2)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合滯后儲(chǔ)能控制模式切換15 ms。電壓波形如圖11所示，微電網(wǎng)由離網(wǎng)運(yùn)行切換至并網(wǎng)運(yùn)行成功，微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。切換過(guò)程中的電壓波形有短暫的畸變。

(3)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合超前儲(chǔ)能控制模式切換100 ms。微電網(wǎng)由離網(wǎng)運(yùn)行切換至并網(wǎng)運(yùn)行失敗。在并網(wǎng)運(yùn)行方式下，PCS故障退出。記錄的微電網(wǎng)母線電壓波形正常，分析發(fā)現(xiàn)，存在大電網(wǎng)和PCS同時(shí)為電源的時(shí)刻，PCS保護(hù)動(dòng)作，PCS退出運(yùn)行。

圖10 計(jì)劃性并網(wǎng)電壓波形(并網(wǎng)點(diǎn)閉合和控制模式切換同時(shí))

圖11 計(jì)劃性并網(wǎng)電壓波形(并網(wǎng)點(diǎn)閉合滯后控制模式切換)

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，通過(guò)時(shí)序配合達(dá)到并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)(閉合)、儲(chǔ)能變流器控制模式切換同時(shí)刻完成，可實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行方式的無(wú)縫切換。并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)(閉合)超前、滯后儲(chǔ)能變流器控制模式切換，都可能造成儲(chǔ)能變流器故障退出運(yùn)行，導(dǎo)致微電網(wǎng)運(yùn)行方式切換失敗。

微機(jī)綜合保護(hù)測(cè)控裝置已在我國(guó)電力系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用。微電網(wǎng)的保護(hù)、測(cè)控功能的實(shí)現(xiàn)目前示范性工程也大都如此。利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行方式的無(wú)縫切換，在未增加成本的基礎(chǔ)上，可以達(dá)到毫秒級(jí)的時(shí)序控制，有利于提高微電網(wǎng)電能質(zhì)量和穩(wěn)定運(yùn)行水平。