基于儲能的交流微網(wǎng)運行模式無縫切換研究

白超

（國家電力投資集團貴州金元股份有限公司，貴陽 550081）

0 前言

分布式發(fā)電以其成本低，能源利用效率高，污染少的特點受到廣泛的關(guān)注與研究[1]。微電網(wǎng)是一種集成分布式能源、換流器、儲能和負荷的獨立可控的系統(tǒng)，覆蓋完整的發(fā)、配電和能源利用系統(tǒng)[2]。利用微電網(wǎng)可以實現(xiàn)對分布式能源的就地消納，充分發(fā)揮分布式能源在經(jīng)濟、節(jié)能與環(huán)保中的優(yōu)勢[3]。一般情況下，具備儲能裝置的微電網(wǎng)可以工作在并網(wǎng)工作模式和離網(wǎng)工作模式下[4]，在并網(wǎng)運行狀態(tài)時微電網(wǎng)與主網(wǎng)互為補充，協(xié)調(diào)運行，但在主網(wǎng)斷開運行后微電網(wǎng)只能離網(wǎng)運行。

當交流微電網(wǎng)運行在離網(wǎng)模式時，考慮到分布式能源出力的波動性，將由儲能裝置為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓u和頻率f參考，并吸收不平衡功率以穩(wěn)定整個系統(tǒng)[5]。文[6]利用由超級電容器組成的能量存儲系統(tǒng)，在并/離網(wǎng)瞬間通過控制連接超級電容器的逆變器吸收不平衡功率，實現(xiàn)了微電網(wǎng)的并/離網(wǎng)無縫切換。文[7]對光儲微電網(wǎng)進行建模，通過測量PCC點的電壓和頻率來控制儲能變流器的工作模式，實現(xiàn)微電網(wǎng)的并/離網(wǎng)無縫切換。文[8]提出一種軟件鎖相的方法，為儲能變流器提供相位基準，保證了微電網(wǎng)在切換過程中的母線電壓相位的連續(xù)、平滑性，所提方法簡單、可靠。文[9]針對含有蓄電池組的微電網(wǎng)提出一種基于前饋控制的微電網(wǎng)無縫切換策略，在逆變器端接入阻性負載，通過電網(wǎng)狀態(tài)判別自動切換微電網(wǎng)運行的工作模式。

由上述文獻可知，要實現(xiàn)微電網(wǎng)的并/離網(wǎng)無縫切換，對儲能變流器采用合適的控制方式變得十分重要。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，提出一種微電網(wǎng)無縫切換控制策略以減少微電網(wǎng)在模式切換時的沖擊。在內(nèi)環(huán)添加了微分反饋補償控制；在外環(huán)添加了微分前饋補償控制，并與內(nèi)環(huán)微分反饋控制共同工作，從而消除了切換過程中的沖擊現(xiàn)象。

1 交流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與控制方法

本文所研究交流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包括靜態(tài)開關(guān)（static transfer switch，STS）、儲能電池和儲能變流器、風力發(fā)電機和風機逆變器、光伏發(fā)電模塊和光伏逆變器以及負荷。

圖1 交流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

正常運行狀態(tài)下，STS處于閉合狀態(tài)，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行，當電網(wǎng)發(fā)生故障時或是電網(wǎng)電能質(zhì)量不佳時，STS斷開，微電網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島運行狀態(tài)。

1.1 光伏發(fā)電模塊

光伏板通過光伏逆變器與電網(wǎng)進行連接，光伏逆變器的控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，光伏逆變器采用由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成的雙環(huán)控制。外環(huán)控制器的電壓參考命令值為MPPT尋優(yōu)得到的UDCREF，電流內(nèi)環(huán)通過PI控制器對dq軸的電流進行控制，以實現(xiàn)有功、無功功率的解耦控制。

圖2 光伏模塊控制器示意圖

由圖2可知，光伏逆變器的控制器公式表示如下：

上式中，udcref、udc、Kpdc和Kidc分別為直流電壓參考值、直流電壓測量值、外環(huán)PI控制器比例參數(shù)和積分參數(shù)；idref、id、Kp_id和KI_id分別為電流內(nèi)環(huán)控制器的d軸電流參考值、d軸電流測量值，d軸電流環(huán)控制器的比例參數(shù)和積分參數(shù)；iqref、iq、Kp_iq和KI_iq分別為電流內(nèi)環(huán)控制器的q軸電流參考值、q軸電流測量值，q軸電流環(huán)控制器的比例參數(shù)和積分參數(shù)。

1.2 風力發(fā)電機模型

本文選擇直驅(qū)風機作為風力發(fā)電模塊的風機模型，直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

風機通過背靠背換流器與電網(wǎng)進行連接，采用永磁同步發(fā)電機與全功率變流器進行配合可以改善電能質(zhì)量，并能有效減少風機對低壓電網(wǎng)的沖擊[10]。根據(jù)文獻[10]設(shè)計直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的整體控制策略，可以得到風力發(fā)電系統(tǒng)整體控制如圖4所示。

圖4 風力發(fā)電系統(tǒng)整體控制

1.3 儲能控制系統(tǒng)模型

儲能變流器采用三相全橋變流器拓撲，蓄電池通過儲能變流器與電網(wǎng)進行連接，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 儲能變流器拓撲結(jié)構(gòu)

儲能變流器作為主控單元，需具備在P/Q和V/F兩種工作模式中切換的功能。當微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行模式時，儲能變流器工作在P/Q模式；當微電網(wǎng)處于離網(wǎng)運行模式時，儲能變流器工作在V/F模式，為整個交流微電網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓和頻率參考以防止微網(wǎng)系統(tǒng)失去穩(wěn)定。

1.3.1 并網(wǎng)運行控制模式

當圖1中的STS閉合時，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)連接，儲能變流器處于并網(wǎng)工作模式，根據(jù)基爾霍夫定律，可以得到逆變器輸出的電壓方程如下式表示：

式（3）采用dq坐標表示，其中，uId和uIq分別表示變流器輸出電壓的d、q軸分量；uFd和uFd分別表示電網(wǎng)電壓的d、q軸分量；id和iq分別為變流器輸出電流的d、q軸分量；ω和L分別為電網(wǎng)同步轉(zhuǎn)速和濾波電感值。

經(jīng)過dq解耦后變流器可實現(xiàn)對有功功率和無功功率的分別控制，此時采用P/Q控制的變流器控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 儲能變流器并網(wǎng)工作模式

由圖6可知，采用PI控制的控制器方程為：

上式中，Kpd、Kid、Kpq、Kiq分別為電流環(huán)d軸比例參數(shù)、積分參數(shù)和電流環(huán)q軸的比例參數(shù)和積分參數(shù)；idref為電流環(huán)的d軸參考電流值。

1.3.2 離網(wǎng)運行控制模式

當STS斷開時，微電網(wǎng)處于離網(wǎng)運行模式，采用V/F控制，離網(wǎng)運行控制框圖如圖7所示。

圖7 儲能變流器離網(wǎng)工作模式

在離網(wǎng)運行時，為使變流器輸出電壓為50Hz，可在控制器內(nèi)部生成一個頻率為50Hz的參考正弦波，將該參考波形作為dq轉(zhuǎn)換的定向矢量，使得dq變換輸出的

2 微電網(wǎng)無縫切換方法

無論微電網(wǎng)處于并網(wǎng)還是離網(wǎng)運行模式，其都必須保證其內(nèi)部頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量符合配網(wǎng)要求；另一方面，當微電網(wǎng)在進行并/離網(wǎng)工作模式切換時，需保證其內(nèi)部電壓幅值、頻率沒有太大變化，不能有過大的沖擊電流導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定，若是滿足以上條件，則認為微電網(wǎng)無縫切換成功。

微電網(wǎng)通常處于并網(wǎng)運行狀態(tài)，當配電網(wǎng)發(fā)生故障或者檢測到PCC點的電能質(zhì)量不滿足要求時，迅速打開STS，使微電網(wǎng)脫離配網(wǎng)轉(zhuǎn)為離網(wǎng)運行狀態(tài)，儲能的控制方式由P/Q控制轉(zhuǎn)為V/F控制；當主網(wǎng)恢復(fù)正常運行時，需要閉合STS使微電網(wǎng)重新并網(wǎng)運行，此時，儲能的控制方式又會由V/F控制轉(zhuǎn)為P/Q控制。當微電網(wǎng)運行模式發(fā)生切換時，由于控制目標和控制策略的改變，會導(dǎo)致電壓或電流的突變，并對系統(tǒng)造成沖擊[3]。為避免在切換過程中受到較大沖擊，以及能夠在離網(wǎng)運行時保證電壓、頻率的穩(wěn)定，本文提出一種雙環(huán)補償控制方案，并網(wǎng)運行采用P/Q控制時，在內(nèi)環(huán)添加了微分反饋補償控制；離網(wǎng)運行時采用V/F控制，在外環(huán)添加了微分前饋補償控制，并與內(nèi)環(huán)微分反饋控制共同工作，從而消除了切換過程中的沖擊現(xiàn)象。本文提出的基于儲能的微電網(wǎng)運行模式無縫切換控制方式如圖8所示。

圖8 微電網(wǎng)并離網(wǎng)無縫切換控制

圖8中反饋補償和前饋補償微分環(huán)節(jié)增益為K0。在外環(huán)增加前饋補償微分控制，實質(zhì)上使原本的PI控制器變?yōu)榱薖ID控制器，利用微分補償環(huán)節(jié)改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，使得輸入偏差信號值在變化太大之前，引入一個有效的早期修正信號以減少調(diào)節(jié)時間，增加控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度；在模式切換前由于內(nèi)環(huán)PI控制器的輸出已經(jīng)是穩(wěn)定值，切換后輸出結(jié)果有一個從零到穩(wěn)定的重新調(diào)整的過程，故在內(nèi)環(huán)控制器添加反饋補償環(huán)節(jié)，將切換前的輸出補償?shù)角袚Q后的控制器輸入當中，意味著在切換后進行電壓控制時，內(nèi)環(huán)電流控制器有一個參考初值，避免了電流沖擊的現(xiàn)象。

3 仿真驗證

利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建如圖1所示交流微電網(wǎng)模型，其中，所有分布式電源都采用P/Q控制，其無功功率參考值都設(shè)定為0；光伏發(fā)電的有功功率參考命令為160kW，風機系統(tǒng)有功功率參考命令為200kW，儲能的有功功率參考命令為150kW，負載為300kW；補償控制微分增益K0設(shè)定為6×10-4。

算例1

0～2秒時STS閉合，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，此時儲能變流器工作在P/Q控制模式下；2～4時斷開STS，微電網(wǎng)離網(wǎng)運行，儲能變流器工作在V/F控制模式下，不采用電壓電流補償控制，微電網(wǎng)運行特性如圖9所示。

圖9 未采用電壓電流補償?shù)奈㈦娋W(wǎng)運行特性

根據(jù)圖9可以看出，當微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行模式時，各個分布式發(fā)電系統(tǒng)能夠按照給定的有功、無功命令參考值穩(wěn)定地輸出功率，微電網(wǎng)運行狀態(tài)良好；在2s轉(zhuǎn)為離網(wǎng)運行后，儲能變流器和風機逆變器發(fā)出的無功功率發(fā)生了波動，這是由于儲能變流器無法快速穩(wěn)定交流母線電壓和頻率的緣故，而離網(wǎng)時的電流也含有較大沖擊，可能會對微網(wǎng)系統(tǒng)造成傷害；在4s結(jié)束離網(wǎng)運行后，可以看到并網(wǎng)點電流產(chǎn)生了較大沖擊，以上在并/離網(wǎng)時發(fā)生的電流沖擊都是不利于電網(wǎng)穩(wěn)定運行的。

算例2

儲能變流器采用如圖8所示的電壓電流補償控制，其余設(shè)定與算例1相同，微電網(wǎng)在并/離網(wǎng)運行模式切換時的運行特性如圖10所示。

圖10 采用電壓電流補償?shù)奈㈦娋W(wǎng)運行特性

采用電壓電流補償后，通過圖10可以看到，成功消除了并網(wǎng)點的沖擊電流，儲能變流器在離網(wǎng)期間承擔了不平衡功率，其余各個功率單元在微電網(wǎng)并/離網(wǎng)過程中運行平穩(wěn)，驗證了本文所提出的方法。

4 結(jié)束語

本文為實現(xiàn)基于儲能的交流微電網(wǎng)無縫切換，提出了基于一種電壓、電流環(huán)補償控制的無縫切換控制策略，經(jīng)過仿真算例驗證了該策略的可行性和有效性，消除了微電網(wǎng)在并/離網(wǎng)工作模式切換下的沖擊電流，實現(xiàn)了交流微電網(wǎng)的無縫切換。