基于儲能變流器的微電網并/離網無縫切換的研究

李超+趙志剛

摘 要：智能微電網憑借著將分布式電源靈活可靠的接入大電網以及解決了傳統電網的一些弊端的優勢已經成為智能配電網發展的關鍵環節之一。智能微電網的的關鍵作用是具有并網與離網的無縫切換功能，保證大電網斷電時，系統中的關鍵負荷不斷電。以鉛酸電池作為主控制單元，通過儲能換流器PCS來實現微網系統的并網/孤島運行模式的無縫切換。借助實驗的結果以及電壓的波形驗證了無縫切換的正確性。

關鍵詞：智能微電網；P-Q模式；V-F模式； 儲能換流器；無縫切換

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.149

0 引言

近年來，隨著電力系統的電網規模不斷擴大，分布式發電技術越來越多的受到國家和社會的重視。分布式電源通過微電網以可控單元形式接入大電網是分布式電源被有效利用的最佳方式[1]。智能微電網是指由分布式電源、儲能裝置、負荷、能量轉換裝置、監控和保護裝置等組合成的一個小型發配電系統，它是一個能夠實現自我保護、控制和管理的自治系統。智能微電網具有的一個特點是存在兩種運行方式，一種是在交流大電網下的并網運行，另一種是在沒有大電網或者大電網斷電時獨立運行。為了保證負荷在這兩種運行狀況下不受影響，更好的體現微電網的意義，智能微電網應做到并/離網轉換的無縫切換。所謂的無縫切換，就是指在整個切換過程中的微電網的電壓和頻率在智能微電網運行標準規定的范圍之內[2-3]，能夠保證對重要負荷進行不間斷的供電。本文通過儲能變流器PCS 的兩種不同的控制策略來實現對微電網的無縫切換，儲能變流器在并網運行時是有功無功控制模式（P-Q模式），在獨立運行時是電壓頻率控制模式（V-F模式），本文以沈陽工程學院智能微電網實驗室的風光儲一體的微電網實驗室作為平臺，通過儲能變流器PCS采集并網點處的電壓、頻率的同期和開關的開斷，從而實現并/離網的無縫切換。

1 并網運行的控制策略（P-Q運行模式）

并網運行策略即P-Q運行模式，在與電網并網模式下，儲能換流器依靠電網所提供電壓和頻率的剛性支撐，這時電網中的負荷波動、電壓和頻率的擾動都由大電網承擔；分布式電源不需考慮電壓和頻率調節，即PQ控制模式[4]。當儲能換流器在并網的狀態時，采用交流電網電壓的有功無功解耦的控制策略，采取雙閉環控制方式，外環采取功率控制，內環采用電流控制方式。

2 恒壓/恒頻控制（V-F控制）

獨立運行策略即V-F控制，大電網發生故障的時，為了保證微網系統中的關鍵負荷不斷電，智能微電網系統可根據需要進行獨立運行。獨立運行時，儲能變流器相當于系統中的一個電源，為微網系統提供合適的電壓和頻率。將逆變后所生成的正弦電壓頻率通過鎖相技術進行調節[5]。

3 無縫切換的實現

（1）并網切換到獨立運行。當儲能換流器在并網狀態運行，此時PCS的控制策略為PQ控制。當交流電網處發生故障時，并網點PCC處的電壓會迅速下降，微電網接口處保護裝置會檢測到擾動，使PCC處靜態開關動作跳開。從而微電網和配電網形成兩個單獨的系統，此時PCS切換為VF控制。

（2）獨立運行切換到并網運行。儲能換流器平穩同期方法微電網同期并網是一個 V-F 運行策略換流器與多個P-Q 模式的分布式電源換流器協調同期過程，通過交流電網鎖相環輸出的信號來控制儲能換流器PCS的調制頻率，從而完成微電網頻率的同期調節。交流電網電壓相位與微網電壓相位進行比較調節，獲得儲能換流器的調制相位角。把交流電網電壓幅值與微電網的電壓幅值進行比較調節，獲得PCS的VF 運行策略下的電壓外環參考值。

4 實驗驗證并/離網的無縫切換

在微電網系統PCS作為主控制的并網運行時，直接手動斷開PCC開關QF2模擬電網故障，同時加入適當的電子負載來平衡系統的功率，由圖可知，大電網斷電之后，電壓發生了微小的波動，大概兩個周波左右恢復了正常波形，符合電壓的正常波動要求，微網系統中的原有負載沒有斷電，驗證了并網到孤島的無縫切換理論正確。

交流電網的故障恢復后，由波形我們可以發現，大電網電壓與PCS獨立運行下的電壓同時存在，并網點開關QF2沒有立即閉合，只有在相位和幅值都對好之后PCS才能發出閉合并網點開關QF2的指令進行并網。由實驗的波形看出經過幾個周期的調整很快電網側電壓和換流器側電壓幅值和相角相同兩路波形重合，完成無縫切換。因此，驗證無縫切換的理論正確。

5 結束語

本文介紹了微網的P-Q和V-F兩種控制策略，微電網的關鍵技術之一在于無縫切換的實現，以滿足系統中關鍵負荷在電網發生故障時不斷電的需要。文章研究了基于PCS的無縫切換策略，通過使換流器直接采取并網點PCC處開關的電壓和頻率的數值，從而控制整個微電網進行并網運行和孤島運行的無縫切換。通過真實的實驗平臺進行實驗，微電網并網轉離網后電壓波形發生微弱的波動，很快恢復正常，離網轉并網時，儲能換流器進行并網點的電壓同期檢測，符合要求后進行并網。通過實驗驗證了基于儲能換流器微網系統無縫切換的正確性和可行性。

參考文獻：

[1]吳在中，趙上林，胡敏強等.交流微網邊方向變化量保護[J]. 中國電機工程學報，2012，32（25）：158-166.

[2]IEEE.1547.2-2008 IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems[S]. NewYork：IEEE，2008.

[3]UL.1741-2010Inverters，Converters，Controllers and Interconnection System Equipment for Use With Distributed EnergyResources[S].Chicago：UL，2010.

[4]景雷.微電網系統無縫切換策略研究與仿真[J].電氣應用 2013（S1）：1672-9560.

[5]楊恢宏，余高旺，樊占峰等.微電網系統控制器的研發及實際應用[J].電力系統保護與控制，201139（19）：126-129.

作者簡介：李超（1992-），男，遼寧人，碩士研究生，研究方向：智能微電網。endprint