微電網(wǎng)中電力電子變壓器與儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制策略研究

微電網(wǎng)作為發(fā)揮分布式能源（DER）效能的重要方式之一，具有非常廣泛的應(yīng)用。隨著微電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，建立在電子電力變壓器基礎(chǔ)之上的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)獲得了普遍的關(guān)注。在電力電子變壓器的控制過(guò)程中，其通過(guò)將DER 和蓄電池等相應(yīng)的儲(chǔ)能裝置與本地負(fù)荷有效的接入到主電網(wǎng)中，在PET 的控制作用下就能將分布式電能進(jìn)行就地消納，進(jìn)而對(duì)功率流和電能質(zhì)量進(jìn)行主動(dòng)的調(diào)控，為電網(wǎng)的正常運(yùn)行提供可靠保障。

建立在電力電子交換基礎(chǔ)上的PET 在實(shí)際控制過(guò)程中，能夠?qū)⒅麟娋W(wǎng)和微電網(wǎng)進(jìn)行有效的隔離，進(jìn)而避免兩者在運(yùn)行過(guò)程中相互影響，有助于提高微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓頻率有效的控制，并且還能為上一級(jí)電網(wǎng)提供有效的支撐。同時(shí)，由于DER 在運(yùn)行過(guò)程中其出力存在隨機(jī)性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，為確保微電網(wǎng)的運(yùn)行性能始終處于良好的狀態(tài)，可將儲(chǔ)能作為平抑功率波動(dòng)的能量緩沖裝置，與風(fēng)光等DER 進(jìn)行聯(lián)合供電。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及協(xié)調(diào)運(yùn)行原理分析

1.1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

建立在電力電子變壓器基礎(chǔ)上的微電網(wǎng)系統(tǒng)，主要是分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。微電網(wǎng)的提出主要是為實(shí)現(xiàn)分布式電源的靈活、高效應(yīng)用，解決數(shù)量龐大、形式多樣的分布式電源并網(wǎng)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行進(jìn)一步的延伸，能夠?yàn)槎喾N能源形式的負(fù)荷提供高可靠的供給，這是一種主動(dòng)式的配電網(wǎng)形式，有助于促進(jìn)傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。

其中PET 主要是由輸入級(jí)、隔離級(jí)以及輸出級(jí)等三個(gè)級(jí)別按照一定的結(jié)構(gòu)形式組成的，其中輸入級(jí)主要是由H 橋型AC-DC 變流器通過(guò)級(jí)聯(lián)而構(gòu)成的，其能夠適應(yīng)不同接入電壓的主電網(wǎng)連接要求；隔離級(jí)主要是由雙向全橋DC-DC 變流器以并聯(lián)方式構(gòu)成；其在工作過(guò)程中主要用于實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)和電壓變化等功能；輸出級(jí)采用電壓源型的逆變結(jié)構(gòu)，具有良好適應(yīng)性，能夠?yàn)槲㈦娋W(wǎng)提供低壓交流接口。

在PET 的控制過(guò)程中，輸入級(jí)的重要作用就是對(duì)高壓側(cè)的電容電壓進(jìn)行有效控制，將其限制在安全范圍內(nèi)，一旦其超過(guò)允許的范圍后就能及時(shí)采取有效調(diào)整措施，確保電容電壓能夠滿足安全運(yùn)行需求；隔離級(jí)的主要作用是對(duì)低壓側(cè)的電容電壓進(jìn)行科學(xué)合理控制，為輸入級(jí)與輸出級(jí)之間能量的有效交換提供可靠保障，并通過(guò)輸出級(jí)對(duì)微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的協(xié)調(diào)控制。

1.2 協(xié)調(diào)運(yùn)行原理分析

在PET 與BESS 實(shí)際的控制運(yùn)行過(guò)程中，主要通過(guò)將BESS 作為平衡節(jié)點(diǎn)為電壓頻率控制提供有效支撐，并還能對(duì)DER 和負(fù)荷的不平衡功率進(jìn)行科學(xué)合理的響應(yīng)。PET 能夠作為PQ 的節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)儲(chǔ)能荷點(diǎn)狀態(tài)（SOC）的實(shí)際情況對(duì)輸出進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)節(jié)，進(jìn)而確保BESS 的容量能夠始終處于一個(gè)相位穩(wěn)定的狀態(tài)。在進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的過(guò)程中，BESS 通過(guò)快速的充放電能夠?yàn)橛泄β实挠行Э刂铺峁┛煽勘Ｕ?，進(jìn)而確保微電網(wǎng)的頻率能夠始終處于額定值。DER 進(jìn)行就地消納后會(huì)形成一定大小的不平衡功率，為將其所造成的不利影響限制在較小范圍內(nèi)，其主要是由主電網(wǎng)通過(guò)PET 進(jìn)行承擔(dān)控制，但在控制過(guò)程中PET 自身接口具有一定程度的虛擬慣性，這就有助于對(duì)傳輸功率進(jìn)行一定的平滑處理，降低微電網(wǎng)內(nèi)部由間歇性波動(dòng)功率所帶來(lái)的不利影響[1]。

2 PET 與BESS 協(xié)調(diào)控制策略

協(xié)調(diào)控制的核心就是確保微電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的頻率穩(wěn)定性，同時(shí)還要兼顧儲(chǔ)能容量調(diào)節(jié)和功率的有效交互，并且當(dāng)PET 和BESS 出現(xiàn)不同程度的故障后，微電網(wǎng)仍舊能夠切換至故障運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 BESS 控制

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BESS 主要是由蓄電池、接口變換器以及LC 濾波器等3部分構(gòu)成，其中的輸出接口與微電網(wǎng)交流母線間進(jìn)行有效的連接。BESS 的控制重點(diǎn)就是確保微電網(wǎng)的電壓頻率能夠始終處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，并還能夠結(jié)合DER 或負(fù)荷的波動(dòng)功率進(jìn)行快速的輸出，其中的接口變換器主要采用了基于電壓電流雙閉環(huán)的恒壓恒頻控制。在具體結(jié)構(gòu)中，iLabc表示濾波電感電流，uoabc表示接口變換器的輸出電壓，Eref、fref分別表示給定的電壓幅值和頻率參考值。通過(guò)對(duì)線路中的參考頻率進(jìn)行相應(yīng)的積分處理后，就能進(jìn)一步得到經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換之后的相位θref，輸出電壓經(jīng)過(guò)abc/dq 的變換處理后就能得到uod和uoq方向上的分量。通過(guò)BESS 接口變換器產(chǎn)生恒定的微電網(wǎng)頻率，由電壓電流雙閉環(huán)提高控制精度，進(jìn)一步加強(qiáng)了微電網(wǎng)頻率的抗擾動(dòng)能力。

2.2 PET 控制

PET 控制的輸入級(jí)和隔離級(jí)在運(yùn)行過(guò)程中，分別采用了傳統(tǒng)外環(huán)電壓、內(nèi)環(huán)電流的雙環(huán)控制和移相角控制的聯(lián)合控制方式，在實(shí)際的控制過(guò)程中，需要結(jié)合控制需求進(jìn)行有針對(duì)性的切換控制。其中的輸入級(jí)外環(huán)電壓在控制過(guò)程中，主要是根據(jù)高壓側(cè)電容電壓的實(shí)測(cè)值對(duì)全部電容的電壓之和進(jìn)行有效的控制，而內(nèi)環(huán)電流則是實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)交流側(cè)并網(wǎng)電流的直接控制。隔離級(jí)則是通過(guò)控制調(diào)節(jié)PI 值對(duì)低壓側(cè)電容的電壓進(jìn)行科學(xué)合理的控制，確保其始終處于一個(gè)相對(duì)恒定的范圍，進(jìn)而為功率雙向的穩(wěn)定流動(dòng)提供可靠保障。PET 輸出級(jí)采用的VSG控制結(jié)構(gòu)，虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）控制能夠模擬虛擬慣性平滑波動(dòng)功率的整個(gè)傳輸過(guò)程，并還能在BESS 發(fā)生故障后為微電網(wǎng)電壓頻率保持穩(wěn)定提供支持。

2.3 PET與BESS 協(xié)調(diào)控制

在VSG 控制基礎(chǔ)上，通過(guò)結(jié)合機(jī)械功率的變化設(shè)計(jì)進(jìn)而對(duì)PET 和BESS 的協(xié)調(diào)運(yùn)行進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。在BESS 的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，其中的開(kāi)關(guān)與a 點(diǎn)之間進(jìn)行有效的連接，由于微電網(wǎng)中的頻率被BESS 所鉗位，這就會(huì)導(dǎo)致VSG 中的有功功率-頻率調(diào)節(jié)特性失效，進(jìn)而會(huì)對(duì)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響。PET 在對(duì)儲(chǔ)能容量進(jìn)行調(diào)節(jié)過(guò)程中，其主要是結(jié)合機(jī)械參考功率Pref（Pref=Po+△P，其中Po為基點(diǎn)運(yùn)行功率指令，△P 為確保儲(chǔ)能容量穩(wěn)定輸出所需要的調(diào)節(jié)功率）的輸出功率進(jìn)行控制的。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

仿真分析。本文所構(gòu)建模型的能源主要是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏按照一定的結(jié)構(gòu)形式組成的，其中的儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)采用比較常見(jiàn)的鉛酸蓄電池。PET 輸入級(jí)的級(jí)聯(lián)數(shù)設(shè)置為3，所采用的主電網(wǎng)電壓值選定為10kV，而低壓側(cè)的電容電壓結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行情況設(shè)置為800V。

工況1：風(fēng)光出力隨機(jī)波動(dòng)。根據(jù)某次模擬的風(fēng)光實(shí)際出力情況，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，其出力波動(dòng)范圍在47.5～83kW 之間，而光伏則在18～33kW 的范圍內(nèi)，其總的負(fù)荷需求為100kW。當(dāng)風(fēng)光出力發(fā)生一定程度的波動(dòng)后，BESS 能夠感應(yīng)到風(fēng)光與負(fù)荷所產(chǎn)生的不平衡功率，并采取相應(yīng)的調(diào)整措施，進(jìn)而確保微電網(wǎng)內(nèi)源荷始終處于供需平衡的狀態(tài)。PET 則表現(xiàn)出明顯的虛擬慣性，根據(jù)SOC 對(duì)輸出功率進(jìn)行緩慢的調(diào)節(jié)[2]，用以滿足BESS 正常運(yùn)行的需求，確保SOC 的穩(wěn)定運(yùn)行。SOC 在參考值附近出現(xiàn)波動(dòng)，一方面是由于虛擬同步電機(jī)自身所具有的控制慣性導(dǎo)致PET 的輸出變慢；另一方面是由于風(fēng)光出力發(fā)生一定程度的波動(dòng)后，當(dāng)微電網(wǎng)中的功率保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)而沒(méi)有發(fā)生較大的波動(dòng)，SOC 就能較好的貼合參考值，表現(xiàn)出良好的性質(zhì)。

工況2：負(fù)荷突變。為盡可能避免運(yùn)行效果造成的干擾，風(fēng)光需嚴(yán)格按照平均出力進(jìn)行恒定輸出。當(dāng)微電網(wǎng)的負(fù)荷發(fā)生突然減小之后，BESS 則會(huì)吸收負(fù)荷突然減小而形成的剩余功率，同時(shí)蓄電池還會(huì)吸收電能而導(dǎo)致SOC 升高，超過(guò)參考值。隨后PET 就會(huì)緩慢減小其有功輸出，相應(yīng)的BESS 所吸收到的電能也會(huì)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)直至降低為零，然后就開(kāi)始進(jìn)行放電，SOC 就會(huì)相應(yīng)的降低，回落至初始水平。通過(guò)PET 的調(diào)節(jié)，進(jìn)而確保SOC 能夠盡可能的貼近參考值[3]，微電網(wǎng)中的剩余功率則由PET 吸收并傳輸?shù)街麟娋W(wǎng)中。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生突變時(shí)，微電網(wǎng)的頻率只是產(chǎn)生了較小的波動(dòng)，并能較快的恢復(fù)至所設(shè)定的額定值，進(jìn)而滿足微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的需求。在負(fù)荷發(fā)生突變的過(guò)程中，BESS 所輸出的功率就會(huì)快速的提升，有助于最大限度的抑制負(fù)荷突變而帶來(lái)的頻率波動(dòng)；PET 所輸出的波形整體上能夠保持平滑的趨勢(shì)，有效緩解了微電網(wǎng)內(nèi)功率大幅波動(dòng)對(duì)主電網(wǎng)的影響。

工況3：BESS 故障，PET 獨(dú)立運(yùn)行。根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行的仿真結(jié)果能夠得到，當(dāng)BESS 發(fā)生故障時(shí)，其能夠自動(dòng)的退出運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行有效的操作，進(jìn)而切換到獨(dú)立的運(yùn)行模式。除了BESS 的輸出功率逐漸降低到零，PET 還會(huì)對(duì)風(fēng)光進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)、進(jìn)行波動(dòng)出力，并結(jié)合VSG 所具有的下垂特征對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行頻率進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)節(jié)，以此確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)觀察發(fā)生故障時(shí)微電網(wǎng)交流母線電壓波形的變化情況，能夠得到整個(gè)切換過(guò)程中的電壓比較穩(wěn)定，波形呈現(xiàn)平滑的變化趨勢(shì)，幅值也在較小的范圍內(nèi)發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而就能在BESS 發(fā)生故障時(shí)，確保微電網(wǎng)始終處于平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài)。

工況4：PET 故障，BESS 獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)PET發(fā)生故障后，BESS 就能根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行的整體情況，采取相應(yīng)措施維持正常的運(yùn)行。隨著PET 所輸出的有功功率變?yōu)榱?，將由BESS 繼續(xù)承擔(dān)風(fēng)光的波動(dòng)出力，但由于風(fēng)光的出力有限，導(dǎo)致其無(wú)法滿足負(fù)荷的總需求，BESS 所釋放出的電能超過(guò)其所吸收的電能量，這就會(huì)引起SOC 呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。微電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的頻率穩(wěn)定在50Hz，當(dāng)進(jìn)行切換時(shí)就會(huì)發(fā)生短暫的小幅抖動(dòng)，而對(duì)交流母線的電壓進(jìn)行切換時(shí)則比較平滑，幅值相對(duì)穩(wěn)定，整個(gè)故障切換過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行。由此可以看出，當(dāng)BESS發(fā)生故障后微電網(wǎng)的運(yùn)行性能能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，但由于其儲(chǔ)能容量非常有限，無(wú)法滿足微電網(wǎng)的運(yùn)行需求，在必要時(shí)可采取負(fù)荷切出等措施輔助微電網(wǎng)運(yùn)行[4]。

工況5：BESS 充放電控制。微電網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)往往會(huì)受到各種不利因素的影響，這就導(dǎo)致其內(nèi)功率難免發(fā)生較大幅度的波動(dòng)，而B(niǎo)ESS 則能夠分?jǐn)傄徊糠謧鬏敼β?，進(jìn)而確保PET 的運(yùn)行功率始終處于規(guī)定允許的范圍內(nèi)而避免超額運(yùn)行，其中BESS 吸收或釋放的電能量可進(jìn)行有效的控制，以此滿足不同的運(yùn)行需求。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，調(diào)節(jié)BESS釋放10kW 的功率，PET 所傳輸?shù)挠泄β室矔?huì)相應(yīng)的減少10kW。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為對(duì)理論分析的合理性進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證構(gòu)建了RT-LAB 硬件結(jié)構(gòu)。在該模型的構(gòu)建過(guò)程中，BESS 和PET 相應(yīng)的模塊是由實(shí)時(shí)仿真器構(gòu)建而成，能夠滿足不同工況條件下的模擬需求，采樣周期設(shè)置為6.4kHz。BESS 和PET 所采用的控制器與信號(hào)采集模塊間需設(shè)置專門(mén)的轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)而能夠?qū)煞N不同的信號(hào)進(jìn)行有效的連接。此外，由于在模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中難免會(huì)受到各種不利因素的影響，這就要求實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)盡可能保持一致，進(jìn)而能夠?qū)⒉焕蛩厮斐傻牟焕绊懴拗圃谳^小的范圍內(nèi)[5]，確保誤差在合理的范圍內(nèi)。

通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫?，?shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果保持一致，當(dāng)其中的風(fēng)光出力發(fā)生不同程度的波動(dòng)后，BESS 能夠針對(duì)出現(xiàn)的波動(dòng)功率進(jìn)行迅速的響應(yīng)，PET 也能夠相應(yīng)的體現(xiàn)出虛擬慣性特性緩慢進(jìn)行儲(chǔ)能容量的調(diào)節(jié)。由BESS 的充放電功率和對(duì)應(yīng)時(shí)間能夠得到，其儲(chǔ)能釋放和吸收的功率相當(dāng)，而SOC 則始終能夠維持在參考值附近，進(jìn)而確保微電網(wǎng)的正常運(yùn)行。同時(shí)，由于微電網(wǎng)的頻率相對(duì)穩(wěn)定，其所產(chǎn)生的波動(dòng)值也非常小，交流母線的電壓和電流曲線變化也非常平緩，電壓的幅值也保持穩(wěn)定，整個(gè)微電網(wǎng)的整體運(yùn)行性能良好[6]。

與仿真分析結(jié)果相同，當(dāng)PET 發(fā)生故障而無(wú)法正常運(yùn)行后，BESS 能針對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行情況，響應(yīng)其中風(fēng)光與負(fù)荷的不平衡功率，進(jìn)而能夠確保微電網(wǎng)的頻率保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生故障需進(jìn)行切換時(shí)，其電壓幾乎沒(méi)有發(fā)生畸變且幅值保持穩(wěn)定，而頻率也只是在規(guī)定允許的范圍內(nèi)發(fā)生較小幅度的抖動(dòng)，進(jìn)而能夠確保PET 發(fā)生故障后的平穩(wěn)切換。此外，BESS 發(fā)生故障時(shí)同樣能夠得到相同的結(jié)論，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中要予以充分的關(guān)注。

5 結(jié)語(yǔ)

微電網(wǎng)在分布式能源效能充分發(fā)揮的過(guò)程中具有非常重要的作用，這就需要在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中予以充分的關(guān)注。為確保微電網(wǎng)與主電網(wǎng)間的穩(wěn)定連接，就要結(jié)合微電網(wǎng)的控制要求，采取有針對(duì)性的電力電子變壓器與儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制策略，進(jìn)而有助于提高微電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓頻率有效的控制。