白超

（國家電力投資集團(tuán)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(diǎn)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(chǔ)能和負(fù)荷的獨(dú)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(shí)現(xiàn)對(duì)分布式能源的就地消納，充分發(fā)揮分布式能源在經(jīng)濟(jì)、節(jié)能與環(huán)保中的優(yōu)勢[3]。一般情況下，具備儲(chǔ)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(yùn)行狀態(tài)時(shí)微電網(wǎng)與主網(wǎng)互為補(bǔ)充，協(xié)調(diào)運(yùn)行，但在主網(wǎng)斷開運(yùn)行后微電網(wǎng)只能離網(wǎng)運(yùn)行。

當(dāng)交流微電網(wǎng)運(yùn)行在離網(wǎng)模式時(shí)，考慮到分布式能源出力的波動(dòng)性，將由儲(chǔ)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(gè)系統(tǒng)[5]。文[6]利用由超級(jí)電容器組成的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，在并/離網(wǎng)瞬間通過控制連接超級(jí)電容器的逆變器吸收不平衡功率，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)的并/離網(wǎng)無縫切換。文[7]對(duì)光儲(chǔ)微電網(wǎng)進(jìn)行建模，通過測量PCC點(diǎn)的電壓和頻率來控制儲(chǔ)能變流器的工作模式，實(shí)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(chǔ)能變流器提供相位基準(zhǔn)，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(duì)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(fù)載，通過電網(wǎng)狀態(tài)判別自動(dòng)切換微電網(wǎng)運(yùn)行的工作模式。

由上述文獻(xiàn)可知，要實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的并/離網(wǎng)無縫切換，對(duì)儲(chǔ)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(shí)的沖擊。在內(nèi)環(huán)添加了微分反饋補(bǔ)償控制；在外環(huán)添加了微分前饋補(bǔ)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(chǔ)能電池和儲(chǔ)能變流器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)機(jī)逆變器、光伏發(fā)電模塊和光伏逆變器以及負(fù)荷。

圖1 交流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

正常運(yùn)行狀態(tài)下，STS處于閉合狀態(tài)，微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)或是電網(wǎng)電能質(zhì)量不佳時(shí)，STS斷開，微電網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)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(jìn)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(duì)dq軸的電流進(jìn)行控制，以實(shí)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(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

本文選擇直驅(qū)風(fēng)機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電模塊的風(fēng)機(jī)模型，直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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

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

圖4 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)整體控制

1.3 儲(chǔ)能控制系統(tǒng)模型

儲(chǔ)能變流器采用三相全橋變流器拓?fù)洌铍姵赝ㄟ^儲(chǔ)能變流器與電網(wǎng)進(jìn)行連接，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

儲(chǔ)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(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，儲(chǔ)能變流器工作在P/Q模式；當(dāng)微電網(wǎng)處于離網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，儲(chǔ)能變流器工作在V/F模式，為整個(gè)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(yùn)行控制模式

當(dāng)圖1中的STS閉合時(shí)，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)連接，儲(chǔ)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(biāo)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(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無功功率的分別控制，此時(shí)采用P/Q控制的變流器控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 儲(chǔ)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(yùn)行控制模式

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

圖7 儲(chǔ)能變流器離網(wǎng)工作模式

在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為使變流器輸出電壓為50Hz，可在控制器內(nèi)部生成一個(gè)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(yùn)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(dāng)微電網(wǎng)在進(jìn)行并/離網(wǎng)工作模式切換時(shí)，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(rèn)為微電網(wǎng)無縫切換成功。

微電網(wǎng)通常處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障或者檢測到PCC點(diǎn)的電能質(zhì)量不滿足要求時(shí)，迅速打開STS，使微電網(wǎng)脫離配網(wǎng)轉(zhuǎn)為離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，儲(chǔ)能的控制方式由P/Q控制轉(zhuǎn)為V/F控制；當(dāng)主網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)，需要閉合STS使微電網(wǎng)重新并網(wǎng)運(yùn)行，此時(shí)，儲(chǔ)能的控制方式又會(huì)由V/F控制轉(zhuǎn)為P/Q控制。當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行模式發(fā)生切換時(shí)，由于控制目標(biāo)和控制策略的改變，會(huì)導(dǎo)致電壓或電流的突變，并對(duì)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(yùn)行時(shí)保證電壓、頻率的穩(wěn)定，本文提出一種雙環(huán)補(bǔ)償控制方案，并網(wǎng)運(yùn)行采用P/Q控制時(shí)，在內(nèi)環(huán)添加了微分反饋補(bǔ)償控制；離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)采用V/F控制，在外環(huán)添加了微分前饋補(bǔ)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(chǔ)能的微電網(wǎng)運(yùn)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(bǔ)償和前饋補(bǔ)償微分環(huán)節(jié)增益為K0。在外環(huán)增加前饋補(bǔ)償微分控制，實(shí)質(zhì)上使原本的PI控制器變?yōu)榱薖ID控制器，利用微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使得輸入偏差信號(hào)值在變化太大之前，引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)以減少調(diào)節(jié)時(shí)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(gè)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(bǔ)償環(huán)節(jié)，將切換前的輸出補(bǔ)償?shù)角袚Q后的控制器輸入當(dāng)中，意味著在切換后進(jìn)行電壓控制時(shí)，內(nèi)環(huán)電流控制器有一個(gè)參考初值，避免了電流沖擊的現(xiàn)象。

3 仿真驗(yàn)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(fēng)機(jī)系統(tǒng)有功功率參考命令為200kW，儲(chǔ)能的有功功率參考命令為150kW，負(fù)載為300kW；補(bǔ)償控制微分增益K0設(shè)定為6×10-4。

算例1

0～2秒時(shí)STS閉合，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，此時(shí)儲(chǔ)能變流器工作在P/Q控制模式下；2～4時(shí)斷開STS，微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行，儲(chǔ)能變流器工作在V/F控制模式下，不采用電壓電流補(bǔ)償控制，微電網(wǎng)運(yùn)行特性如圖9所示。

圖9 未采用電壓電流補(bǔ)償?shù)奈㈦娋W(wǎng)運(yùn)行特性

根據(jù)圖9可以看出，當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，各個(gè)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(yùn)行狀態(tài)良好；在2s轉(zhuǎn)為離網(wǎng)運(yùn)行后，儲(chǔ)能變流器和風(fēng)機(jī)逆變器發(fā)出的無功功率發(fā)生了波動(dòng)，這是由于儲(chǔ)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(shí)的電流也含有較大沖擊，可能會(huì)對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)造成傷害；在4s結(jié)束離網(wǎng)運(yùn)行后，可以看到并網(wǎng)點(diǎn)電流產(chǎn)生了較大沖擊，以上在并/離網(wǎng)時(shí)發(fā)生的電流沖擊都是不利于電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的。

算例2

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

圖10 采用電壓電流補(bǔ)償?shù)奈㈦娋W(wǎng)運(yùn)行特性

采用電壓電流補(bǔ)償后，通過圖10可以看到，成功消除了并網(wǎng)點(diǎn)的沖擊電流，儲(chǔ)能變流器在離網(wǎng)期間承擔(dān)了不平衡功率，其余各個(gè)功率單元在微電網(wǎng)并/離網(wǎng)過程中運(yùn)行平穩(wěn)，驗(yàn)證了本文所提出的方法。

4 結(jié)束語

本文為實(shí)現(xiàn)基于儲(chǔ)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(bǔ)償控制的無縫切換控制策略，經(jīng)過仿真算例驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了交流微電網(wǎng)的無縫切換。