微機實現微電網運行方式無縫切換研究

李培宜，歐陽逸風，李燕，孫攀

(南京國電南自自動化有限公司，南京 211100)

1 微電網運行概況

可再生能源的應用催生出微電網。微電網可變相抑制再生能源的間歇性，將清潔能源接入大電網，可提高清潔能源的利用率。 我國微電網目前處于起步階段，工程多為示范性。本文針對微電網運行過程中運行方式的切換，提出一種微機實現無縫切換的方法，提高微電網運行時的電能質量。

典型微電網結構如圖1所示，包含儲能變流器(PCS)、電池、負荷、可再生能源(光伏、風電等)。

圖1 微電網結構示意

微電網運行方式可分為并網運行方式、離網運行方式。并網運行指并網點開關閉合，微電網和大電網電氣連接，微電網可和大電網交互電能。離網運行指并網點開關斷開，微電網自給自足。

微電網中儲能變流器的控制模式可分為PQ、V/f、下垂。工作在下垂模式下的儲能變流器，在并/離網切換過程中，無需切換控制模式。在切換過程中，只需保證功率平衡，切換就可順利完成，本文不作討論。

并網運行方式下，儲能變流器控制模式為PQ，大電網為主電源，作為電壓、頻率的支撐。離網運行方式下，儲能變流器控制模式為V/f，儲能變流器為主電源。

微電網并網運行切換為離網運行時，需斷開并網點開關，切換儲能變流器控制模式為V/f。離網運行切換為并網運行時，需閉合并網點開關，切換儲能變流器控制模式為PQ[1]。

本文通過微機裝置的控制，實現并網點開關斷開(閉合)、儲能變流器控制模式切換的時序配合，達到微電網運行方式無縫切換。

圖1中微機裝置1采集并網點電壓、電流、并網點開關位置等實時信息，微機裝置2～4采集微電網內電源、負荷的電壓、電流、開關位置等信息，并實時上送至微機裝置1。其中微機裝置2與PCS通訊，可實現對PCS輸出功率的控制。

2 并網運行方式切換為離網運行方式

并網運行方式切換到離網運行方式，可分為計劃性(人為)、非計劃性(大電網故障等因素)。

并網運行方式下，儲能控制模式為PQ。計劃性離網遵循如下步驟。

(1)微機裝置1根據聯絡線上實時功率和儲能PCS輸出實時功率，下發命令調節儲能PCS的輸出功率，使聯絡線上的交換功率為0。

(2)微機裝置1分開并網點開關，同時切換PCS的控制模式為V/f。

上述過程中，為實現無縫切換，并網點開關斷開瞬間，需儲能控制模式切換為V/f同時完成。如采用通信切換PCS控制模式，由于通信延時的不確定性，無法保證時序。PCS控制模式切換為V/f通過微機裝置1開出硬節點實現。斷開并網點開關、切換儲能控制模式時序如圖2所示，微機裝置1下發分閘命令后，間隔△t時間，下發切換PCS控制模式為V/f命令。

微電網并網運行方式下，發生非計劃性離網的原因主要歸為3類[1]：外部電網故障；外部電網失電；外部電網電能質量不滿足標準。

圖2 計劃性離網時序

圖3 計劃性并網時序

微機裝置1通過電壓、電流等判據識別上述情形，跳開并網點開關，切換為離網運行方式。發生非計劃性離網前，聯絡線上的功率不為0，離網運行方式下，功率不平衡，可能會存在穩定問題。故非計劃性離網前，聯絡線向外部電網輸送功率，跳開并網點開關的同時可切除相應的可再生能源。非計劃性離網前，聯絡線從外部電網吸收功率，可根據負荷重要性切除相應的負荷。

微機裝置1下發分并網點開關、切換控制模式為V/f命令的時序同計劃性離網。

3 離網運行方式切換為并網運行方式

當外部電網正常時，微電網需由離網運行方式切換為并網運行方式，遵循以下步驟。

(1)調節微電網離網主電源，使微電網母線頻率為50 Hz，電壓同大電網電壓。

(2)微機裝置1同期合并網點開關。

合并網點開關、切換儲能控制模式時序如圖3所示，微機裝置1下發合閘命令后，間隔△t時間，下發切換PCS控制模式為PQ命令。

4 實驗室驗證

實驗室并網點開關采用靜態開關，10 ms可實現三相的分斷，2.5 ms可實現三相閉合。 蓄電池為鉛碳電池，能量為30 kW·h。運行方式切換過程中，記錄并網點電壓、電流波形。觀看是否達到無縫切換的目的。

根據時序配合關系，實驗室驗證微電網運行方式切換過程中，并網點開關斷開(閉合)分別超前、同時、滯后PCS控制模式切換完成，觀察微電網運行方式切換是否成功。

4.1 計劃性離網

(1)并網點開關斷開和儲能控制模式切換同時完成。電壓波形如圖4所示，微電網由并網運行切換至離網運行成功，微電網穩定運行。觀察切換過程中的三相電壓波形，可發現切換過程中電壓發生畸變，過渡過程約為20 ms。

圖4 計劃性離網電壓波形(并網點斷開和控制模式切換同時)

(2)并網點開關斷開滯后儲能控制模式切換15 ms。電壓波形如圖5所示，微電網由并網運行切換至離網運行失敗。微電網切換為離網運行后，PCS故障退出運行。分析切換過程中存在大電網和PCS同時為主電源的時刻，PCS保護動作，PCS退出運行。

(3)并網點開關斷開超前儲能控制模式切換100 ms。電壓波形如圖6所示，微電網由并網運行切換至離網運行失敗。微電網切換為離網運行后，PCS故障退出運行。觀察電壓，發現開關斷開后，三相電壓頻率不穩，PCS保護動作，PCS退出運行。

4.2 非計劃性離網

實驗室模擬外部失電，進行非計劃性離網。

(1)并網點開關斷開和儲能控制模式切換同時(2)并網點開關斷開滯后儲能控制模式切換完成15 ms。電壓波形如圖8所示， 微電網由并網運行切換至離網運行成功，微電網穩定運行。在同樣時序下，計劃性離網運行方式切換失敗。分析后，發現由于外部失電，不存在大電網和PCS同時為主電源的時刻。

圖5 計劃性離網電壓波形(并網點斷開滯后控制模式切換)

圖6 計劃性離網電壓波形(并網點斷開超前控制模式切換)

完成。電壓波形如圖7所示，微電網由并網運行切換至離網運行成功，微電網穩定運行。觀察切換過程中的三相電壓波形，可發現切換過程中電壓發生畸變，過渡過程約為20 ms。

圖7 非計劃性離網電壓波形(并網點斷開和控制模式切換同時)

圖8 非計劃性離網電壓波形(并網點斷開滯后控制模式切換)

(3)并網點開關斷開超前儲能控制模式切換完成100 ms。電壓波形如圖9所示， 微電網由并網運行切換至離網運行失敗。微電網切換為離網運行后，PCS故障退出運行。觀察波形，并網點開關斷開后，電壓頻率不穩，PCS保護動作，PCS退出運行。

圖9 非計劃性離網電壓波形(并網點斷開超前控制模式切換)

4.3 計劃性并網

(1)并網點開關閉合和儲能控制模式切換同時完成。電壓波形如圖10所示，微電網由離網運行切換至并網運行成功，微電網穩定運行。切換過程中的電壓波形連續正常。

(2)并網點開關閉合滯后儲能控制模式切換15 ms。電壓波形如圖11所示，微電網由離網運行切換至并網運行成功，微電網穩定運行。切換過程中的電壓波形有短暫的畸變。

(3)并網點開關閉合超前儲能控制模式切換100 ms。微電網由離網運行切換至并網運行失敗。在并網運行方式下，PCS故障退出。記錄的微電網母線電壓波形正常，分析發現，存在大電網和PCS同時為電源的時刻，PCS保護動作，PCS退出運行。

圖10 計劃性并網電壓波形(并網點閉合和控制模式切換同時)

圖11 計劃性并網電壓波形(并網點閉合滯后控制模式切換)

5 結束語

經實驗室驗證，通過時序配合達到并網點開關斷開(閉合)、儲能變流器控制模式切換同時刻完成，可實現微電網運行方式的無縫切換。并網點開關斷開(閉合)超前、滯后儲能變流器控制模式切換，都可能造成儲能變流器故障退出運行，導致微電網運行方式切換失敗。

微機綜合保護測控裝置已在我國電力系統中大規模應用。微電網的保護、測控功能的實現目前示范性工程也大都如此。利用微機實現微電網運行方式的無縫切換，在未增加成本的基礎上，可以達到毫秒級的時序控制，有利于提高微電網電能質量和穩定運行水平。