區(qū)域微電網(wǎng)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)改造方案設(shè)計(jì)

卞在平，王鑫，王小明

(1.中國(guó)電建集團(tuán)海南電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，海口 571100； 2. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院， 合肥 230000)

0 引言

部分地區(qū)由于受地域影響，當(dāng)?shù)嘏潆娤到y(tǒng)無法直接與大電網(wǎng)相連，長(zhǎng)期采用微電網(wǎng)方式進(jìn)行供電。但隨著當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)發(fā)展及負(fù)荷重要性不斷提高，電網(wǎng)建設(shè)已延伸至當(dāng)?shù)嘏渚W(wǎng)[1]，從而需要對(duì)該類地區(qū)進(jìn)行改造，完成由原離網(wǎng)運(yùn)行方式向并網(wǎng)運(yùn)行方式的順利過渡，并能保證在大電網(wǎng)切斷時(shí)，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)仍能繼續(xù)孤島運(yùn)行[2-3]。

目前很多文獻(xiàn)提出了微電網(wǎng)的控制策略和思路，文獻(xiàn)[4]提出了分層控制方式，減少電流總諧波畸變率的產(chǎn)生，降低微電網(wǎng)在并網(wǎng)瞬間受諧波電流的沖擊。文獻(xiàn)[5]提出了一種抑制光伏并網(wǎng)電壓突升方法。文獻(xiàn)[6]提出了一種微電網(wǎng)暫態(tài)電壓控制策略，分析了當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，不同類型電動(dòng)機(jī)對(duì)微電網(wǎng)暫態(tài)電壓產(chǎn)生的影響。以上成果對(duì)微電網(wǎng)并離網(wǎng)控制策略提供了豐富的理論支撐，但是較少文獻(xiàn)從微電網(wǎng)并入大電網(wǎng)的實(shí)際改造原理和控制方法論述配網(wǎng)側(cè)微電網(wǎng)改造設(shè)計(jì)方法。

儲(chǔ)能雙向換流器和并網(wǎng)切換開關(guān)為微電網(wǎng)并離網(wǎng)切換的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，微網(wǎng)中央控制器為并離網(wǎng)切換控制策的載體，微網(wǎng)中央控制器在儲(chǔ)能雙向換流器的配合下，按策略合理控制并網(wǎng)開關(guān)的動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行狀態(tài)的平滑過渡和轉(zhuǎn)換，對(duì)微電網(wǎng)并網(wǎng)或離網(wǎng)運(yùn)行發(fā)揮關(guān)鍵作用。

1 最大功率點(diǎn)跟蹤

風(fēng)機(jī)與光伏板在發(fā)電過程中，其輸出伏安特性隨風(fēng)速和光照條件的變化而發(fā)生改變，同時(shí)輸出功率也會(huì)隨著微電網(wǎng)負(fù)載的變化而不斷改變，即其輸出功率為隨時(shí)間變化的非線性函數(shù)。為了達(dá)到分布式電源隨風(fēng)光資源變化保持輸出功率最大狀態(tài)，與大電網(wǎng)或儲(chǔ)能系統(tǒng)所提供的電壓和頻率保持同步，負(fù)責(zé)電能轉(zhuǎn)換的逆變器利用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)功能發(fā)揮主要作用[7]。

圖1所示為MPPT控制的分布式發(fā)電伏安特性曲線，當(dāng)光照強(qiáng)度增強(qiáng)或風(fēng)速增大時(shí)，直流輸出會(huì)由特性曲線1變?yōu)樘匦郧€2，其最大功率點(diǎn)分別在A點(diǎn)和B點(diǎn)。如果負(fù)荷不變，當(dāng)逆變器因外界條件改變而以特性曲線2進(jìn)行輸出時(shí)，會(huì)繼續(xù)以A′的值輸出，將偏離最大功率點(diǎn)B，所以需要通過改變負(fù)荷曲線來使輸出穩(wěn)定在負(fù)荷曲線2的B點(diǎn)處。如果光照減弱或風(fēng)速減少，功率輸出將由B點(diǎn)移至B′，同樣需要通過改變負(fù)荷曲線，將最大功率點(diǎn)移至A點(diǎn)處。

圖1 MPPT控制的基本原理

改變負(fù)荷曲線的方法通常采用串聯(lián)阻抗變換器的方法，利用調(diào)節(jié)阻抗變換器接入開關(guān)的占空比來實(shí)現(xiàn)負(fù)荷特性曲線的調(diào)整，其常用的方法有恒壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等等，其特點(diǎn)各異，限于篇幅不在此累述[8]。

2 微電網(wǎng)控制策略

對(duì)于配有儲(chǔ)能系統(tǒng)的微電網(wǎng)，雙向儲(chǔ)能換流器(PCS)成為了微電網(wǎng)可以正常并離網(wǎng)切換的重要組成。本系統(tǒng)中利用PCS雙向換流對(duì)蓄電池進(jìn)行放電和充電操作，當(dāng)前有很多文獻(xiàn)對(duì)PCS的控制策略進(jìn)行了理論研究，其可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)恒功率控制、無功功率調(diào)節(jié)、V/f控制、并網(wǎng)電壓異常響應(yīng)、頻率異常響應(yīng)等功能[9]。

2.1 微電網(wǎng)工作原理

微電網(wǎng)系統(tǒng)主要分為并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)運(yùn)行兩種模式，當(dāng)處于離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，PCS對(duì)儲(chǔ)能蓄電池進(jìn)行放電，其放電功率的大小取決于負(fù)荷側(cè)的實(shí)際需求，由于本系統(tǒng)中分布式發(fā)電容量較小，當(dāng)脫離大電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)多余電能上送的情況。當(dāng)處于并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，PCS對(duì)儲(chǔ)能蓄電池可以進(jìn)行放電、充電、保持3種工作方式。當(dāng)蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于飽和狀態(tài)下時(shí)，PCS需要對(duì)其進(jìn)行定期維護(hù)，進(jìn)行恒功率放電。當(dāng)蓄電池電量較低時(shí)，PCS需要對(duì)其進(jìn)行恒功率充電。不屬于以上兩種情況時(shí)，則PCS處于待機(jī)狀態(tài)。

PCS在并網(wǎng)狀態(tài)下對(duì)儲(chǔ)能蓄電池進(jìn)行放電時(shí)的邏輯原理如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)雙向儲(chǔ)能換流器PCS的邏輯結(jié)構(gòu)同光伏逆變器的邏輯結(jié)構(gòu)類似。當(dāng)儲(chǔ)能蓄電池在并網(wǎng)狀態(tài)下進(jìn)行放電時(shí)，由PCS進(jìn)行切換使其工作于定功率逆變狀態(tài)下，蓄電池電壓會(huì)不斷下降，在跟蹤相角的同時(shí)將三相輸出電流經(jīng)過dq變換出id和iq，進(jìn)行差值計(jì)算后同樣最終得到觸發(fā)逆變器進(jìn)行逆變的觸發(fā)角，其與光伏逆變器的工作原理相類似，不再贅述。

圖2 PCS主電路拓?fù)浼安⒕W(wǎng)逆變運(yùn)行時(shí)的控制原理

當(dāng)PCS運(yùn)行于并網(wǎng)整流時(shí)，也就是充電模式的時(shí)候，只需要將Iq的符號(hào)變換為負(fù)值即可。當(dāng)PCS運(yùn)行于離網(wǎng)逆變時(shí)，PCS輸出端的電壓經(jīng)由dq變換分別得到id、iq、ed、eq，其分量與原給定值進(jìn)行差值比較后經(jīng)過比例積分運(yùn)放，其輸出的α與β分量再經(jīng)SVPWM模塊輸出脈沖，控制電力電子裝置產(chǎn)生380 V/50 Hz的三相交流電壓[10-13]。

2.2 微電網(wǎng)控制方法

在進(jìn)行離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)操作時(shí)，微網(wǎng)中央控制器首先會(huì)判斷電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和高級(jí)應(yīng)用壓板狀態(tài)，系統(tǒng)中首先以離轉(zhuǎn)并使能作為離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號(hào)，切換模式如圖3所示。

圖3 分布式電源及儲(chǔ)能的控制方法

為了更平滑地使系統(tǒng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)，微網(wǎng)中央控制器將參考當(dāng)前分布式電源及儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力情況，合理調(diào)整PCS的運(yùn)行狀態(tài)，使系統(tǒng)處于下垂?fàn)顟B(tài)，同期控制器與大電網(wǎng)進(jìn)行同期，當(dāng)系統(tǒng)完成與大電網(wǎng)電壓頻率的同步后，并滿足最低時(shí)間要求，并網(wǎng)斷路器迅速合閘，完成離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)操作。并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)切換邏輯如圖4所示。

圖4 并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)切換邏輯

3 微網(wǎng)切換開關(guān)投資成本優(yōu)化

常規(guī)新建微電網(wǎng)項(xiàng)目，負(fù)責(zé)連接微電網(wǎng)母線與大電網(wǎng)的微網(wǎng)切換開關(guān)在項(xiàng)目投資中占很大一部分比例，對(duì)于小型微電網(wǎng)系統(tǒng)改造，其主要是在原有配電系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造。

電力電子式的靜態(tài)微網(wǎng)切換開關(guān)具有成本高(見表1)、體積大的缺點(diǎn)，本文為了節(jié)約建設(shè)成本，經(jīng)過反復(fù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)某開關(guān)廠生產(chǎn)的塑殼斷路器，其具有穩(wěn)定的合閘時(shí)間，經(jīng)過試驗(yàn)確定其并網(wǎng)同期的導(dǎo)前時(shí)間和導(dǎo)前角后，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)劃性無縫離轉(zhuǎn)并操作。對(duì)于市電突發(fā)性失電情況，微網(wǎng)中央控制器經(jīng)過一定的邏輯判斷，即可自行黑啟動(dòng)進(jìn)行供電工作。對(duì)于檢修計(jì)劃性停電，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)劃性無縫離轉(zhuǎn)并操作。

表1 切換開關(guān)選型對(duì)比表

本系統(tǒng)采用帶有電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的塑殼斷路器，型號(hào)為CM5-250，額定電流250 A，其具有以下特點(diǎn)。

(1)體積適中。與原有斷路器大小相近，方便直接改造；電力電子式靜態(tài)斷路器體積大，需要額外對(duì)柜體改造。

(2)價(jià)格經(jīng)濟(jì)。人民幣2 500元左右，電力電子式靜態(tài)斷路器成本在人民幣50 000元左右。

(3)后期維護(hù)方便。更換成本低，制造技術(shù)成熟，便于維護(hù)；電力電子式靜態(tài)斷路器更換成本很高，技術(shù)更新?lián)Q代快，不便維護(hù)。

4 離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)切換

圖5所示利用后臺(tái)進(jìn)行離轉(zhuǎn)并操作，切換前微網(wǎng)母線電壓和市電電壓平滑運(yùn)行，在200 ms處進(jìn)行切換，切換瞬間，市電電壓略有下降，微網(wǎng)母線電壓在雙向儲(chǔ)能換流器的控制下由0.22 kV升至市電電壓0.24 kV，切換后波形基本平穩(wěn)，順利完成離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的切換控制。

圖5 離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)切換監(jiān)測(cè)波形

5 結(jié)論

本文分析了微電網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)，研究了微電網(wǎng)的控制方法，提出由離網(wǎng)系統(tǒng)平滑過渡到并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，從改造成本和改造性能兩方面對(duì)切換開關(guān)改造的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，采用快速塑殼斷路器作為切換開關(guān)的改造設(shè)計(jì)方法，該方法適用于對(duì)原有配電系統(tǒng)進(jìn)行改造且微電網(wǎng)容量較小的微電網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)果表明在微網(wǎng)控制器的配合下，可以合理與大電網(wǎng)進(jìn)行同期，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃性無縫離轉(zhuǎn)并操作。