微網儲能變換器并網/離網無縫切換策略仿真

田 兵，毛承雄，陸繼明，王 丹，陳 迅，曾 杰

（1.華中科技大學強電磁工程與新技術國家重點實驗室，武漢430074；2.華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢430074；3.廣東電網公司電力科學研究院，廣州510600）

微網作為電力系統可控的“細胞”，并網/離網切換是其基本功能[1-3]，微網中的儲能電源在并網時控制微網與電力系統的能量交換，離網時保障微網中敏感負荷的供電，儲能電源的并網/離網切換動態過程直接影響到敏感負荷的供電質量。目前，圍繞微網無縫切換技術已開展大量研究[4-10]。由于并網/離網轉換前后控制對象發生變化，并網狀態和離網狀態控制策略的不同，電網故障時不能快速脫網，因此切換過渡過程較長，沖擊較大，對敏感負荷的供電質量也有較大影響。文獻[11]分析了切換過渡過程并提出一種電壓電流加權控制策略，有效抑制了切換過程電流沖擊，但過渡過程較長；文獻[12]提出一種采用abc 坐標系控制的切換方法，將切換過程分成4 個階段，也能有效地減小切換沖擊，但階段較多，增加了控制復雜性，電網電壓發生跌落時不能快速脫網。

本文建立了儲能逆變器在并網和離網情況下的控制系統模型，并討論了并網/離網切換控制方法。在電網電壓正常情況下若需要主動離網切換，則采取并網固態開關分斷前逆變器逐步承擔全部敏感負荷功率的方法，以減小切換過渡過程；對于電網電壓發生跌落時被動離網，則采用滯環電流控制的切換方法，加速逆變器脫網，減小對敏感負荷的沖擊。并網切換時，若存在初始相位差，采用頻率滑差的方法實現零相位差無縫切換。最后，在Matlab/Simulink 環境中建立了系統模型，對不同的轉換過程進行了仿真，仿真結果驗證了切換控制策略的有效性和可行性。

1 控制系統模型

儲能系統結構如圖1 所示。儲能裝置采用蓄電池組；由開關管T1、T2、電感Ld，以及直流電容Cd構成Buck/Boost 變換器；VT1～VT6構成三相電壓源型逆變器；L、C 構成濾波器，R 為電感內阻，帶敏感負荷Z，經過反并聯晶閘管開關S1、S2、S3與電網連接。

圖1 儲能系統結構Fig.1 Structure of energy storage system

儲能系統在電網正常情況下工作于并網模式，作為電網可調度負荷，補償本地無功負荷，使系統對電網呈現單位功率因數；在電網需要檢修或異常情況下，固態開關S1～S3迅速斷開，儲能系統工作于離網模式，保障本地敏感負荷的供電；電網恢復正常后，閉合固態開關，恢復到并網工作模式。

1.1 并網模型

在電網電壓正常情況下，并網固態開關閉合，儲能工作于并網模式，其輸出電壓由電網給定，即ue，k=ek，k=a，b，c。通常電網容量遠大于變換器容量，因此在并網模式下，濾波電容及負荷的影響可忽略。通過控制輸出電感電流來控制其與電網的有功和無功交換。

根據圖1 所示電流方向，在三相靜止坐標系下建立儲能逆變器方程，即

為簡化控制，將式（1）變換到dq 同步旋轉坐標系下，選取電網電壓合成矢量為d 軸，則變換矩陣為

則在dq 坐標系下有

因此，由于濾波電感的存在，逆變器在dq 坐標系下是耦合的。采用雙閉環前饋解耦控制系統仿真模型如圖2 所示。電流內環控制電感電流，d軸直流電壓外環穩定逆變器直流側電壓，q 軸電網無功電流外環保證系統對電網呈現單位功率因數。

圖2 逆變器并網控制仿真模型Fig.2 Simulation model of controling for inverter connected to grid

1.2 離網模型

在離網情況下，負荷端電壓由逆變器維持，控制模型需考慮濾波電容和負荷的影響。采用雙閉環前饋解耦控制仿真模型如圖3 所示。旋轉坐標系與并網時一致。電感電流內環提高動態響應速度，并具有限流作用，d 軸電容電壓外環保障負荷端電壓質量，q 軸電壓外環給定值為0，保證從并網切換到離網后負載電壓相位不變。而逆變器直流側電壓由蓄電池及Buck/Boost 電路維持。在電感電流方程基礎上濾波電容電壓方程為

圖3 逆變器離網控制仿真模型Fig.3 Simulation model of controlling for inverter disconnected to grid

由KCL 定律得

2 并網/離網切換控制

切換控制包括離網和并網兩部分，而離網切換又分主動離網和被動離網。主動離網是指微網根據自身情況主動與電網分離；被動離網是指電網發生故障，微網被迫與電網分離。

2.1 主動離網切換控制

主動離網切換控制是在電網電壓正常情況下進行的，例如配電網檢修。切換過程分3 個階段完成，如圖4 所示，圖中iinv=iL-iC為逆變器輸出電流。假定切換前儲能裝置釋放能量，則負荷功率由電網和逆變器共同承擔。當需要主動離網時，控制器控制Buck/Boost 電路維持直流母線電壓為額定值，在圖2 中i*Ld不再由直流母線電壓環給出，而是由控制器直接給定，且從接收到轉換命令后的初始值開始線性增加，并不斷檢測電網電流，直至電網電流減小到0，增加的斜率不應過小使轉換過程過長，也不應過大使控制器不能跟隨指令電流。當電網電流下降至0 時自然斷開，此時撤消固態開關驅動信號，將控制器轉換到離網運行模式，實現無縫切換。切換過程的中間階段電網沒有退出，仍然給負荷提供電壓支撐，以減小切換過程對負荷端電壓的影響；否則，由于控制器切換后需要調節時間，調節過程中負荷端電壓質量難以保證。

圖4 逆變器主動離網過程Fig.4 Active process for inventer tranferring from grid-connected to grid-disconnected

2.2 被動離網切換控制

被動離網是指電網發生故障時為保護微網而自身被迫與電網斷開連接，此種情況下電網電壓異常，要求在最短時間內切斷電網，恢復敏感負荷的供電。由于晶閘管不能控制關斷，必須等待電流自然過零，因此負荷端電壓故障時間較長，為加速晶閘管的關斷，縮短過渡過程，減小對負荷的影響，采用滯環電流控制的方法迫使電網電流迅速回零，其切換過程如圖5 所示。切換過程分為3 個階段，假設電網在t1時刻發生故障，控制系統在t2時刻檢測到故障信號，同時撤消晶閘管驅動信號，（t2-t1）為檢測時間；在t2時刻以前，采用并網模式控制器，此后，切換到滯環電流控制模式，其電流指令值為負荷電流iZ，根據KCL 定律，若控制使得iinv=iZ，則電網電流ig=0，由于滯環電流控制快速跟蹤電流，能夠加速電網電流回零，使晶閘管開關關斷；在t3時刻控制系統檢測到晶閘管關斷，迅速將控制器切換到離網工作模式，切換過程完成。實際系統中，采用定頻滯環電流控制固定功率器件的開關頻率，由于變換器在該模式下工作時間只有幾ms，因此開關損耗不是主要矛盾，可設置一個較小的電流環寬。

圖5 逆變器被動離網過程Fig.5 Passive process for inventer tranferring from grid-connected to grid-disconnected

2.3 并網切換控制

在電網電壓恢復正常后，需要將儲能裝置從離網狀態恢復到并網狀態。恢復后的電網電壓幅值、頻率和相位可能與逆變器輸出電壓的不同。幅值和頻率差別一般不大，而相位可能相差較大，因此控制系統需要檢測電網電壓相位。若與逆變器輸出電壓相差不足而導致沖擊電流，則可以直接觸發S1～S3導通完成并網；若相差較大，直接并網將產生沖擊電流，嚴重時可能損壞設備。為了使電網電壓與逆變器輸出電壓同相位，采取調整逆變器輸出電壓頻率的方法，電壓頻率的調節范圍應符合電能質量關于頻率的相關規定，主動調整其相位使之與電網電壓相同，然后再切換。例如電網和逆變器初始輸出電壓頻率均為50 Hz，相位差180°，現將逆變器輸出頻率調整為50.5 Hz，若忽略調整頻率時相位的突變，則經過t=180/[（50.5-50）×360]=1 s 后，電網電壓與逆變器輸出電壓同相，此時觸發S1～S3導通，逆變器切換到并網運行模式，完成轉換。

3 系統仿真研究

本文在Matlab/Simulink 環境下建立了5 kV·A系統模型，模型參數為：額定線電壓400 V，線路阻抗為（0.5+j0.1）Ω，負荷為5 kV·A 阻感負荷，cos φ=0.85，儲能裝置額定電壓480 V，額定容量288 kC，初始荷電狀態SOC 為80%，逆變器直流側額定電壓750 V，直流母線電容6.8 mF，輸出濾波電感10 mH，電感內阻0.35 Ω，濾波電容22 μF，開關頻率10 kHz。

3.1 主動離網切換

轉換前電網電壓正常，儲能變換器工作于并網模式，電網與儲能系統共同提供負荷電流。在t1=0.25 s 時，要求儲能變換器由并網狀態切換到離網狀態，切換過程的波形如圖6 所示。

圖6 儲能變換器主動離網切換波形Fig.6 Waves of energy storage system for active transferring fromgrid-connectedtogriddisconnected

從圖6 可以看出，在轉換指令信號有效后（STS=1），儲能系統逐漸增大輸出功率，輸出電流增大；并網電流逐漸減小，當減小到一定程度時（t2=0.303 s），撤消晶閘管驅動信號（SDRV=0），晶閘管幾乎在撤消驅動的同時斷開（SOFF=1），逆變器轉變為離網狀態，提供全部負荷電流，此時將控制器切換到離網模式，很大程度上減小了過渡過程，因此對負荷端電壓影響很小。

3.2 被動離網切換

電網故障后，儲能變換器應盡快脫離電網，以保障敏感負荷的供電。圖7 為電網a 相發生電壓跌落時的切換波形，其中圖7（a）～圖7（e）為采用傳統等待晶閘管續流結束斷開電網的切換過程波形，圖7（f）～圖7（i）為采用本文提出的采用滯環電流加速斷開的切換波形。

圖7 單相電壓跌落離網切換波形Fig.7 Waves of single-phase voltage transferring from grid-connected state to grid-disconnected state during single phase voltage drop

從圖7 可以看出，單相電壓跌落發生在t1=0.300 s 時刻，在t2=0.301 667 s 時檢測到故障，并撤消晶閘管驅動，檢測時間為1.667 ms。采用傳統切換方法時，晶閘管續流3.2 ms 后斷開（SOFF=1），最嚴重的情況可能持續半個周期（10 ms），而采用滯環電流方法的續流時間僅為0.8 ms，加速與電網分離，縮短了切換過程，減小了切換對負荷的影響。

圖8 電網短路故障切換波形Fig.8 Waveforms of transfer in grid short fault condition

圖8為電網兩相相間短路和三相對地短路被動離網切換波形，其中圖8 分別為a、b 兩相相間短路被動離網切換波形和三相對地短路被動離網切換波形。在切換過程中均有震蕩及過電流現象，主要是由于電網斷開前儲能逆變器輸出濾波電容經過線路阻抗對短路點放電產生的。在實際設計中，可考慮采取LCL 濾波器消除該現象。由圖8 可見，采用滯環電流加速切換方法能夠加速電網斷開，縮短切換過渡過程，減小對負荷的影響。

3.3 并網切換

電網電壓恢復正常后，儲能變換器將從離網模式切換到并網模式。電網已恢復正常，并在t=0.1 s 時發出并網切換命令，電網電壓與負荷端電壓初始相角差為10°。切換波形如圖9 所示。

圖9 系統從離網狀態切換到并網狀態的波形Fig.9 Waves of energy storage system transferring from grid-disconnected state to grid-connected state

從圖9 可以看出，當接收到并網指令后，由于逆變器輸出電壓與電網電壓存在相位差，并沒有立即導通固態開關，而是調整逆變器輸出頻率，減小相位差，當相位差接近0 時才切換。由此表明并網切換平滑無沖擊，對負荷幾乎無影響。

4 結語

為減小微網中儲能變換器并網/離網切換時對敏感負荷的影響，本文研究了不同情況下的切換控制策略。對于主動離網切換，逆變器在并網固態開關斷開前逐漸承擔全部負荷功率，能夠有效減小過渡過程，減小對敏感負荷的影響；對于被動離網切換，采用滯環電流控制方法能夠加速電網脫離，縮短切換過渡過程；對于存在初始相位差的并網切換，采取調整逆變器輸出頻率縮小相位差的方法能夠有效地減小并網沖擊。仿真表明上述3種切換過程實現了無縫無沖擊切換。

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