基于儲能的交流微網運行模式無縫切換研究

白超

（國家電力投資集團貴州金元股份有限公司，貴陽 550081）

0 前言

分布式發電以其成本低，能源利用效率高，污染少的特點受到廣泛的關注與研究[1]。微電網是一種集成分布式能源、換流器、儲能和負荷的獨立可控的系統，覆蓋完整的發、配電和能源利用系統[2]。利用微電網可以實現對分布式能源的就地消納，充分發揮分布式能源在經濟、節能與環保中的優勢[3]。一般情況下，具備儲能裝置的微電網可以工作在并網工作模式和離網工作模式下[4]，在并網運行狀態時微電網與主網互為補充，協調運行，但在主網斷開運行后微電網只能離網運行。

當交流微電網運行在離網模式時，考慮到分布式能源出力的波動性，將由儲能裝置為微電網系統提供穩定的電壓u和頻率f參考，并吸收不平衡功率以穩定整個系統[5]。文[6]利用由超級電容器組成的能量存儲系統，在并/離網瞬間通過控制連接超級電容器的逆變器吸收不平衡功率，實現了微電網的并/離網無縫切換。文[7]對光儲微電網進行建模，通過測量PCC點的電壓和頻率來控制儲能變流器的工作模式，實現微電網的并/離網無縫切換。文[8]提出一種軟件鎖相的方法，為儲能變流器提供相位基準，保證了微電網在切換過程中的母線電壓相位的連續、平滑性，所提方法簡單、可靠。文[9]針對含有蓄電池組的微電網提出一種基于前饋控制的微電網無縫切換策略，在逆變器端接入阻性負載，通過電網狀態判別自動切換微電網運行的工作模式。

由上述文獻可知，要實現微電網的并/離網無縫切換，對儲能變流器采用合適的控制方式變得十分重要。本文在上述研究的基礎上，提出一種微電網無縫切換控制策略以減少微電網在模式切換時的沖擊。在內環添加了微分反饋補償控制；在外環添加了微分前饋補償控制，并與內環微分反饋控制共同工作，從而消除了切換過程中的沖擊現象。

1 交流微電網結構與控制方法

本文所研究交流微電網結構如圖1所示，其中包括靜態開關（static transfer switch，STS）、儲能電池和儲能變流器、風力發電機和風機逆變器、光伏發電模塊和光伏逆變器以及負荷。

圖1 交流微電網結構示意圖

正常運行狀態下，STS處于閉合狀態，微電網并網運行，當電網發生故障時或是電網電能質量不佳時，STS斷開，微電網轉為孤島運行狀態。

1.1 光伏發電模塊

光伏板通過光伏逆變器與電網進行連接，光伏逆變器的控制器結構如圖2所示。由圖2可知，光伏逆變器采用由電壓外環和電流內環組成的雙環控制。外環控制器的電壓參考命令值為MPPT尋優得到的UDCREF，電流內環通過PI控制器對dq軸的電流進行控制，以實現有功、無功功率的解耦控制。

圖2 光伏模塊控制器示意圖

由圖2可知，光伏逆變器的控制器公式表示如下：

上式中，udcref、udc、Kpdc和Kidc分別為直流電壓參考值、直流電壓測量值、外環PI控制器比例參數和積分參數；idref、id、Kp_id和KI_id分別為電流內環控制器的d軸電流參考值、d軸電流測量值，d軸電流環控制器的比例參數和積分參數；iqref、iq、Kp_iq和KI_iq分別為電流內環控制器的q軸電流參考值、q軸電流測量值，q軸電流環控制器的比例參數和積分參數。

1.2 風力發電機模型

本文選擇直驅風機作為風力發電模塊的風機模型，直驅風力發電系統結構如圖3所示。

圖3 直驅風力發電系統結構示意圖

風機通過背靠背換流器與電網進行連接，采用永磁同步發電機與全功率變流器進行配合可以改善電能質量，并能有效減少風機對低壓電網的沖擊[10]。根據文獻[10]設計直驅風力發電系統的整體控制策略，可以得到風力發電系統整體控制如圖4所示。

圖4 風力發電系統整體控制

1.3 儲能控制系統模型

儲能變流器采用三相全橋變流器拓撲，蓄電池通過儲能變流器與電網進行連接，其結構如圖5所示。

圖5 儲能變流器拓撲結構

儲能變流器作為主控單元，需具備在P/Q和V/F兩種工作模式中切換的功能。當微電網處于并網運行模式時，儲能變流器工作在P/Q模式；當微電網處于離網運行模式時，儲能變流器工作在V/F模式，為整個交流微電網系統提供電壓和頻率參考以防止微網系統失去穩定。

1.3.1 并網運行控制模式

當圖1中的STS閉合時，微電網與大電網連接，儲能變流器處于并網工作模式，根據基爾霍夫定律，可以得到逆變器輸出的電壓方程如下式表示：

式（3）采用dq坐標表示，其中，uId和uIq分別表示變流器輸出電壓的d、q軸分量；uFd和uFd分別表示電網電壓的d、q軸分量；id和iq分別為變流器輸出電流的d、q軸分量；ω和L分別為電網同步轉速和濾波電感值。

經過dq解耦后變流器可實現對有功功率和無功功率的分別控制，此時采用P/Q控制的變流器控制結構如圖6所示。

圖6 儲能變流器并網工作模式

由圖6可知，采用PI控制的控制器方程為：

上式中，Kpd、Kid、Kpq、Kiq分別為電流環d軸比例參數、積分參數和電流環q軸的比例參數和積分參數；idref為電流環的d軸參考電流值。

1.3.2 離網運行控制模式

當STS斷開時，微電網處于離網運行模式，采用V/F控制，離網運行控制框圖如圖7所示。

圖7 儲能變流器離網工作模式

在離網運行時，為使變流器輸出電壓為50Hz，可在控制器內部生成一個頻率為50Hz的參考正弦波，將該參考波形作為dq轉換的定向矢量，使得dq變換輸出的

2 微電網無縫切換方法

無論微電網處于并網還是離網運行模式，其都必須保證其內部頻率穩定，電能質量符合配網要求；另一方面，當微電網在進行并/離網工作模式切換時，需保證其內部電壓幅值、頻率沒有太大變化，不能有過大的沖擊電流導致系統失去穩定，若是滿足以上條件，則認為微電網無縫切換成功。

微電網通常處于并網運行狀態，當配電網發生故障或者檢測到PCC點的電能質量不滿足要求時，迅速打開STS，使微電網脫離配網轉為離網運行狀態，儲能的控制方式由P/Q控制轉為V/F控制；當主網恢復正常運行時，需要閉合STS使微電網重新并網運行，此時，儲能的控制方式又會由V/F控制轉為P/Q控制。當微電網運行模式發生切換時，由于控制目標和控制策略的改變，會導致電壓或電流的突變，并對系統造成沖擊[3]。為避免在切換過程中受到較大沖擊，以及能夠在離網運行時保證電壓、頻率的穩定，本文提出一種雙環補償控制方案，并網運行采用P/Q控制時，在內環添加了微分反饋補償控制；離網運行時采用V/F控制，在外環添加了微分前饋補償控制，并與內環微分反饋控制共同工作，從而消除了切換過程中的沖擊現象。本文提出的基于儲能的微電網運行模式無縫切換控制方式如圖8所示。

圖8 微電網并離網無縫切換控制

圖8中反饋補償和前饋補償微分環節增益為K0。在外環增加前饋補償微分控制，實質上使原本的PI控制器變為了PID控制器，利用微分補償環節改善系統的動態特性，使得輸入偏差信號值在變化太大之前，引入一個有效的早期修正信號以減少調節時間，增加控制系統的調節速度；在模式切換前由于內環PI控制器的輸出已經是穩定值，切換后輸出結果有一個從零到穩定的重新調整的過程，故在內環控制器添加反饋補償環節，將切換前的輸出補償到切換后的控制器輸入當中，意味著在切換后進行電壓控制時，內環電流控制器有一個參考初值，避免了電流沖擊的現象。

3 仿真驗證

利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建如圖1所示交流微電網模型，其中，所有分布式電源都采用P/Q控制，其無功功率參考值都設定為0；光伏發電的有功功率參考命令為160kW，風機系統有功功率參考命令為200kW，儲能的有功功率參考命令為150kW，負載為300kW；補償控制微分增益K0設定為6×10-4。

算例1

0～2秒時STS閉合，微電網與大電網并網運行，此時儲能變流器工作在P/Q控制模式下；2～4時斷開STS，微電網離網運行，儲能變流器工作在V/F控制模式下，不采用電壓電流補償控制，微電網運行特性如圖9所示。

圖9 未采用電壓電流補償的微電網運行特性

根據圖9可以看出，當微電網處于并網運行模式時，各個分布式發電系統能夠按照給定的有功、無功命令參考值穩定地輸出功率，微電網運行狀態良好；在2s轉為離網運行后，儲能變流器和風機逆變器發出的無功功率發生了波動，這是由于儲能變流器無法快速穩定交流母線電壓和頻率的緣故，而離網時的電流也含有較大沖擊，可能會對微網系統造成傷害；在4s結束離網運行后，可以看到并網點電流產生了較大沖擊，以上在并/離網時發生的電流沖擊都是不利于電網穩定運行的。

算例2

儲能變流器采用如圖8所示的電壓電流補償控制，其余設定與算例1相同，微電網在并/離網運行模式切換時的運行特性如圖10所示。

圖10 采用電壓電流補償的微電網運行特性

采用電壓電流補償后，通過圖10可以看到，成功消除了并網點的沖擊電流，儲能變流器在離網期間承擔了不平衡功率，其余各個功率單元在微電網并/離網過程中運行平穩，驗證了本文所提出的方法。

4 結束語

本文為實現基于儲能的交流微電網無縫切換，提出了基于一種電壓、電流環補償控制的無縫切換控制策略，經過仿真算例驗證了該策略的可行性和有效性，消除了微電網在并/離網工作模式切換下的沖擊電流，實現了交流微電網的無縫切換。