上海電氣輸配電集團 上海 200042

1 設計背景

直流微電網(wǎng)是以直流配電的形式,通過一條公共直流母線將所有微電源連接起來的獨立可控系統(tǒng),可以就地提供能量[1]。與交流微電網(wǎng)相比,直流微電網(wǎng)具有不需要無功功率、頻率和相位控制的優(yōu)點,利于直流分布式電源、儲能設備及直流負荷的接入,并且能夠降低系統(tǒng)的功率損耗和控制復雜度[2-3]。

交直流微電網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)包括直流微電網(wǎng)、交直流混合微電網(wǎng)、直流背靠背變流器交流環(huán)網(wǎng)等。如圖1所示交直流微電網(wǎng)系統(tǒng),通過兩個靜態(tài)開關KB1和KB2與大電網(wǎng)連接,進行能量交換。筆者基于交直流微電網(wǎng)試驗平臺,設計了直流微電網(wǎng)控制系統(tǒng)。

2 直流微電網(wǎng)工作原理

直流母線開關閉合,變流器P1或P2工作,交流母線設備停運,直流母線設備投運,形成直流微電網(wǎng),此時進行直流微電網(wǎng)各種試驗,對負荷特性、系統(tǒng)控制等進行研究。考慮直流母線供電的可靠性、多種分布式能源及負荷接入的靈活性,采用多母線結(jié)構(gòu),某段直流母線發(fā)生故障時,直流母線開關可以快速動作,隔離故障區(qū)域[4]。

圖1 交直流微電網(wǎng)系統(tǒng)

直流微電網(wǎng)可以并網(wǎng)運行,也可以離網(wǎng)運行。并網(wǎng)運行時,直流微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間公共連接點的固態(tài)開關閉合,直流微電網(wǎng)與大電網(wǎng)進行功率交換,直流微電網(wǎng)內(nèi)的電壓和頻率由大電網(wǎng)維持。離網(wǎng)運行又稱孤網(wǎng)運行,離網(wǎng)運行時,直流微電網(wǎng)與主網(wǎng)配電網(wǎng)系統(tǒng)斷開,即公共連接點固態(tài)開關斷開,由分布式能源、儲能設備獨立為負荷供電[5]。在直流微電網(wǎng)中,控制系統(tǒng)除可以手動控制操作外,還具有一鍵啟動功能。

3 直流微電網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示,直流微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以分為三層:能量管理層、中央控制層和就地控制層[6]。

能量管理層具有運行優(yōu)化和調(diào)度、數(shù)據(jù)加工、管理及存儲功能。

中央控制層一般包括中央控制器與人機交互界面。中央控制器與風力發(fā)電機變流器、光伏發(fā)電變流器、儲能變流器、負荷變流器等就地控制器通信,采集各個設備的運行數(shù)據(jù),包括設備運行狀態(tài)、電壓、電流、功率等,控制各個設備的啟停、模式切換,實現(xiàn)故障報警,并執(zhí)行能量管理層的調(diào)度指令,使整個系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。通過人機交互界面可以查看各個設備的實時運行狀況、故障信息,能夠?qū)δ承﹨?shù)進行設定。在手動模式下,可以按流程進行整個系統(tǒng)的啟停操作。

圖2 直流微電網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

就地控制器包括風力發(fā)電機變流器、光伏發(fā)電變流器、儲能變流器、負荷變流器。就地控制器接收中央控制器的指令,控制風力發(fā)電機、光伏發(fā)電設備及儲能裝置的運行模式,實現(xiàn)過程控制、安全保護、數(shù)據(jù)采集等功能。

4 直流微電網(wǎng)運行模式

直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運行時的模式有停運、并網(wǎng)和離網(wǎng)三種,離網(wǎng)模式又稱孤島模式。

由于分布式能源發(fā)電系統(tǒng)及負荷數(shù)量較多,各模式之間存在過渡過程,包括停運轉(zhuǎn)并網(wǎng)、停運轉(zhuǎn)離網(wǎng)、并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)、離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)、并網(wǎng)轉(zhuǎn)停運、離網(wǎng)轉(zhuǎn)停運。其中,停運至離網(wǎng)的過程又稱為黑啟動。

直流微電網(wǎng)還有一個特殊模式,稱為人工調(diào)試模式。各個運行模式之間的跳轉(zhuǎn)流程如圖3所示。

圖3 直流微電網(wǎng)運行模式跳轉(zhuǎn)流程

4.1 停運模式

直流微電網(wǎng)系統(tǒng)初始化結(jié)束后,進入停運模式。在停運模式下,可以一鍵并網(wǎng)運行,也可以黑啟動進入離網(wǎng)模式或進入調(diào)試模式。在調(diào)試模式下,只有專業(yè)人員有權(quán)限操作,且所有設備及開關均可以手動打開或關閉。

4.2 并網(wǎng)模式

并網(wǎng)模式指直流微電網(wǎng)通過公共連接點與配電網(wǎng)相連,與大電網(wǎng)進行功率交換。當直流微電網(wǎng)內(nèi)負荷大于分布式電源發(fā)電量時,直流微電網(wǎng)從大電網(wǎng)吸收部分電能。反之,當直流微電網(wǎng)內(nèi)負荷小于分布式電源發(fā)電量時,直流微電網(wǎng)向大電網(wǎng)輸出多余電量。直流微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時,直流微電網(wǎng)內(nèi)的電壓和頻率由大電網(wǎng)來維持。

在并網(wǎng)模式下,直流微電網(wǎng)有四種工作狀態(tài)。

(1) 自動運行狀態(tài)。各個設備自動運行,不產(chǎn)生干涉,電網(wǎng)電壓和頻率由大電網(wǎng)支撐,功率自由在大電網(wǎng)與直流微電網(wǎng)之間流動。

(2) 經(jīng)濟運行狀態(tài)。能量管理系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)濟運行算法下發(fā)各分布式設備的功率設定指令,各分布式設備及負荷控制器接收下發(fā)的指令。

(3) 節(jié)能減排狀態(tài)。能量管理系統(tǒng)根據(jù)節(jié)能減排算法下發(fā)各分布式設備的功率設定指令,各分布式設備接收下發(fā)的指令。

(4) 公共連接點潮流限值狀態(tài)。從大電網(wǎng)經(jīng)公共連接點流向直流微電網(wǎng)的功率受限制,采用公共連接點潮流限值算法。在這一狀態(tài)下,直流微電網(wǎng)的輸出和輸入功率可以設定,控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)各分布式設備的出力及負荷的投切,進而滿足輸出和輸入的目標功率。

四種工作狀態(tài)中,第2、第3種工作狀態(tài)接受能量管理系統(tǒng)的調(diào)度,第4種狀態(tài)屬于微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的功能。

4.3 離網(wǎng)模式

在離網(wǎng)模式下,直流微電網(wǎng)控制系統(tǒng)采用主從控制策略[7]。儲能電池作為主電源,運行在恒壓模式,輸出穩(wěn)定的電壓和頻率,同時實時監(jiān)控并協(xié)調(diào)各個分布式電源的功率,在必要時切除次要負荷[8]。

4.4 過渡過程

如前所述,各模式之間的過渡過程包括停運轉(zhuǎn)并網(wǎng)、停運轉(zhuǎn)離網(wǎng)、并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)、離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)、并網(wǎng)轉(zhuǎn)停運、離網(wǎng)轉(zhuǎn)停運。一般而言,分布式電源設備種類及數(shù)量較多,負荷種類也多種多樣,在系統(tǒng)啟動或者停運過程中,需要按照一定的次序進行通斷電、啟?；蚰Ｊ角袚Q操作,因此設計了過渡過程。在過渡過程中,人機交互界面不可操作。

5 變流器控制原理

筆者設計的直流微電網(wǎng)控制系統(tǒng)采用變流器控制。在直流微電網(wǎng)與交流電網(wǎng)并網(wǎng)運行時,交流電源與直流電源的能量交換由變流器實現(xiàn)。變流器采用脈寬調(diào)制技術(shù),通過兩電平拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)交流轉(zhuǎn)直流、直流轉(zhuǎn)交流、直流背靠背多電源轉(zhuǎn)換工作。變流器接收上位機遠程控制操作指令,并具有參數(shù)與數(shù)據(jù)的保存功能。變流器配備觸摸屏,能夠?qū)崿F(xiàn)就地控制。變流器還具有功率雙向流動及維持母線電壓穩(wěn)定的作用,在微電網(wǎng)與外電網(wǎng)需要同期并網(wǎng)時,調(diào)整交流母線電壓的幅值和頻率[9]。

在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中,變流器P1、P2可以工作在交流/直流恒壓模式、直流/交流恒壓模式、并網(wǎng)模式及待機模式。系統(tǒng)在停運狀態(tài)并網(wǎng)啟動時,交流側(cè)電壓為400 V,直流側(cè)電壓為0 V,變流器以交流/直流恒壓模式啟動運行。系統(tǒng)運行后,直流側(cè)輸出穩(wěn)定的直流電壓。

直流微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)運行時,交直流側(cè)都有電壓,變流器以交流/直流恒壓模式運行。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)先轉(zhuǎn)為并網(wǎng)模式運行,然后停機,再進入離網(wǎng)模式運行[10]。

直流微電網(wǎng)系統(tǒng)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)運行時,直流側(cè)有電壓,交流側(cè)電壓為0 V,變流器以直流/交流恒壓模式運行。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運行時,交流側(cè)輸出穩(wěn)定的交流電壓。此時,變流器直流側(cè)和交流側(cè)均有電壓,可以通過更改所設置的有功功率來改變能量流動方向和功率大小。這一過程又稱為同期并網(wǎng)。

6 直流微電網(wǎng)控制系統(tǒng)功能

6.1 儲能控制

在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中,直流母線下接兩臺儲能裝置——磷酸鐵鋰儲能電池和超級電容,分別通過變流器P5、P8與直流母線連接。

連接磷酸鐵鋰儲能電池的變流器P5可以工作在恒壓模式、恒功率模式及待機模式。在恒壓模式下,直流側(cè)母線輸出電壓可以自動維持穩(wěn)定。在恒功率模式下,可以對磷酸鐵鋰電池進行充放電操作。在待機模式下,可以根據(jù)磷酸鐵鋰儲能電池剩余電量自動調(diào)節(jié)充放電狀態(tài)。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)配置標準工業(yè)通信口,接收中央控制器的指令,按指令進行模式切換及充放電操作。

變流器P5和磷酸鐵鋰電池構(gòu)成直流微電網(wǎng)的儲能系統(tǒng),主要功能是實現(xiàn)直流微電網(wǎng)的功率平衡和支撐直流母線電壓。當直流微電網(wǎng)處于自動運行狀態(tài)時,儲能系統(tǒng)運行于待機模式,自我調(diào)節(jié)充放電狀態(tài)。當直流微電網(wǎng)處于公共連接點潮流限值狀態(tài)時,儲能系統(tǒng)運行于恒功率模式,維持功率平衡。當直流微電網(wǎng)處于離網(wǎng)模式時,儲能系統(tǒng)作為主電源運行于恒壓模式,支撐直流母線電壓。當直流微電網(wǎng)失壓時,儲能系統(tǒng)先以恒壓模式啟動,支撐直流母線電壓,然后逐步啟動直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的各設備,實現(xiàn)黑啟動[11]。

變流器P8和超級電容構(gòu)成直流微電網(wǎng)的能量波動緩沖系統(tǒng)。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的功率失衡表現(xiàn)為電壓失衡,變流器P8工作于待機模式,能夠根據(jù)電網(wǎng)電壓與超級電容電壓自動調(diào)節(jié)充放電狀態(tài)。直流母線電壓高于610 V時,變流器P8對超級電容強制充電。母線電壓低于590 V時,變流器P8對超級電容強制放電。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)配置標準工業(yè)通信口,接受中央控制器的指令,按指令進行充放電操作。對于特殊情況,超級電容過壓時只放電不充電,欠壓時只充電不放電。

直流微電網(wǎng)并網(wǎng)啟動時,根據(jù)超級電容的電壓情況進行充放電操作。待充電完成后,發(fā)出充電完成指令。若提前發(fā)出充電完成指令,則充放電無效。若在充電完成前發(fā)出待機指令,則系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)電壓及超級電容電壓情況進行自動充放電調(diào)節(jié)。相對于電池儲能系統(tǒng),超級電容系統(tǒng)反應更迅速,可以更有效地抑制系統(tǒng)電壓劇烈波動。

6.2 光伏控制

變流器P4與光伏發(fā)電設備構(gòu)成直流微電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng),采用全橋逆變,整流生成平滑直流電流,連接至直流母線,接收中央控制器指令,按指令進行發(fā)電與控制。光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行模式為最大功率跟蹤模式。

6.3 風力發(fā)電控制

變流器P3與風力發(fā)電機構(gòu)成直流微電網(wǎng)的風力發(fā)電系統(tǒng),接收中央控制器指令,按指令進行發(fā)電與控制。

風力發(fā)電系統(tǒng)啟動時,要求交流側(cè)和直流側(cè)都為帶電狀態(tài),即風力發(fā)電機和直流母線有穩(wěn)定電壓,且母線上有負荷,用于消耗能量。風力發(fā)電系統(tǒng)默認的啟動模式為并網(wǎng)啟動,在啟動前和啟動后均可根據(jù)需要調(diào)節(jié)功率。需要注意的是,功率必須設置為正,否則能量從直流側(cè)進入交流側(cè),會對風力發(fā)電機造成沖擊。

6.4 負荷控制

直流負荷和交流負荷分別通過變流器P6、P7連接直流母線。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)在功率受限或離網(wǎng)運行時,會對直流母線下的負荷進行投切控制。對兩者的優(yōu)先級進行排序,分為重要負荷和次要負荷,首先保證重要負荷的供電,在必要時切除次要負荷。

6.5 一鍵啟動

直流微電網(wǎng)系統(tǒng)在停運狀態(tài)下,進行并網(wǎng)或者離網(wǎng)啟動時,可以實現(xiàn)一鍵啟動,即在人機交互界面操作面板上,選擇啟動的設備列表及次序,點擊并網(wǎng)按鈕,各個設備會依次自動啟動。設備的一鍵啟動次序需要較高權(quán)限,一般操作人員只可選擇設備列表,啟動次序為默認。

6.6 同期并網(wǎng)

直流微電網(wǎng)系統(tǒng)與外電網(wǎng)進行同期并網(wǎng)時,變流器P1或P2交流側(cè)與交流母線相連,對交流母線的電壓和頻率進行調(diào)整。此時變流器運行于直流/交流恒壓模式,即用直流電壓穩(wěn)定交流電壓。中央控制器對電網(wǎng)側(cè)和母線電壓進行測量,計算出電壓幅值比和相位差,發(fā)出幅值和頻率調(diào)整指令。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)接收調(diào)整指令后,對交流電壓的幅值和頻率進行調(diào)整,以使母線電壓對電網(wǎng)電壓實現(xiàn)追隨。在滿足同期并網(wǎng)的要求時,系統(tǒng)靜態(tài)開關KB1閉合,變流器進入待機模式封閉脈沖,然后運行于并網(wǎng)模式[10]。

7 結(jié)束語

筆者基于交直流微電網(wǎng)試驗平臺,設計了一套直流微電網(wǎng)控制系統(tǒng)。與交流微電網(wǎng)控制系統(tǒng)相比,直流微電網(wǎng)控制系統(tǒng)不需要考慮頻率及無功功率控制?；诳刂葡到y(tǒng),直流微電網(wǎng)系統(tǒng)可以運行于并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式,并且能夠相互切換,具有一鍵啟動、黑啟動、同期并網(wǎng)等功能。所設計的直流微電網(wǎng)控制系統(tǒng)為整個直流微電網(wǎng)項目的建成奠定了基礎。