直流微電網控制系統的設計

上海電氣輸配電集團 上海 200042

1 設計背景

直流微電網是以直流配電的形式,通過一條公共直流母線將所有微電源連接起來的獨立可控系統,可以就地提供能量[1]。與交流微電網相比,直流微電網具有不需要無功功率、頻率和相位控制的優點,利于直流分布式電源、儲能設備及直流負荷的接入,并且能夠降低系統的功率損耗和控制復雜度[2-3]。

交直流微電網網絡結構包括直流微電網、交直流混合微電網、直流背靠背變流器交流環網等。如圖1所示交直流微電網系統,通過兩個靜態開關KB1和KB2與大電網連接,進行能量交換。筆者基于交直流微電網試驗平臺,設計了直流微電網控制系統。

2 直流微電網工作原理

直流母線開關閉合,變流器P1或P2工作,交流母線設備停運,直流母線設備投運,形成直流微電網,此時進行直流微電網各種試驗,對負荷特性、系統控制等進行研究?？紤]直流母線供電的可靠性、多種分布式能源及負荷接入的靈活性,采用多母線結構,某段直流母線發生故障時,直流母線開關可以快速動作,隔離故障區域[4]。

圖1 交直流微電網系統

直流微電網可以并網運行,也可以離網運行。并網運行時,直流微電網與大電網之間公共連接點的固態開關閉合,直流微電網與大電網進行功率交換,直流微電網內的電壓和頻率由大電網維持。離網運行又稱孤網運行,離網運行時,直流微電網與主網配電網系統斷開,即公共連接點固態開關斷開,由分布式能源、儲能設備獨立為負荷供電[5]。在直流微電網中,控制系統除可以手動控制操作外,還具有一鍵啟動功能。

3 直流微電網控制系統結構

如圖2所示,直流微電網控制系統的結構可以分為三層:能量管理層、中央控制層和就地控制層[6]。

能量管理層具有運行優化和調度、數據加工、管理及存儲功能。

中央控制層一般包括中央控制器與人機交互界面。中央控制器與風力發電機變流器、光伏發電變流器、儲能變流器、負荷變流器等就地控制器通信,采集各個設備的運行數據,包括設備運行狀態、電壓、電流、功率等,控制各個設備的啟停、模式切換,實現故障報警,并執行能量管理層的調度指令,使整個系統的正常運轉。通過人機交互界面可以查看各個設備的實時運行狀況、故障信息,能夠對某些參數進行設定。在手動模式下,可以按流程進行整個系統的啟停操作。

圖2 直流微電網控制系統結構

就地控制器包括風力發電機變流器、光伏發電變流器、儲能變流器、負荷變流器。就地控制器接收中央控制器的指令,控制風力發電機、光伏發電設備及儲能裝置的運行模式,實現過程控制、安全保護、數據采集等功能。

4 直流微電網運行模式

直流微電網穩定運行時的模式有停運、并網和離網三種,離網模式又稱孤島模式。

由于分布式能源發電系統及負荷數量較多,各模式之間存在過渡過程,包括停運轉并網、停運轉離網、并網轉離網、離網轉并網、并網轉停運、離網轉停運。其中,停運至離網的過程又稱為黑啟動。

直流微電網還有一個特殊模式,稱為人工調試模式。各個運行模式之間的跳轉流程如圖3所示。

圖3 直流微電網運行模式跳轉流程

4.1 停運模式

直流微電網系統初始化結束后,進入停運模式。在停運模式下,可以一鍵并網運行,也可以黑啟動進入離網模式或進入調試模式。在調試模式下,只有專業人員有權限操作,且所有設備及開關均可以手動打開或關閉。

4.2 并網模式

并網模式指直流微電網通過公共連接點與配電網相連,與大電網進行功率交換。當直流微電網內負荷大于分布式電源發電量時,直流微電網從大電網吸收部分電能。反之,當直流微電網內負荷小于分布式電源發電量時,直流微電網向大電網輸出多余電量。直流微電網并網運行時,直流微電網內的電壓和頻率由大電網來維持。

在并網模式下,直流微電網有四種工作狀態。

(1) 自動運行狀態。各個設備自動運行,不產生干涉,電網電壓和頻率由大電網支撐,功率自由在大電網與直流微電網之間流動。

(2) 經濟運行狀態。能量管理系統根據經濟運行算法下發各分布式設備的功率設定指令,各分布式設備及負荷控制器接收下發的指令。

(3) 節能減排狀態。能量管理系統根據節能減排算法下發各分布式設備的功率設定指令,各分布式設備接收下發的指令。

(4) 公共連接點潮流限值狀態。從大電網經公共連接點流向直流微電網的功率受限制,采用公共連接點潮流限值算法。在這一狀態下,直流微電網的輸出和輸入功率可以設定,控制系統協調各分布式設備的出力及負荷的投切,進而滿足輸出和輸入的目標功率。

四種工作狀態中,第2、第3種工作狀態接受能量管理系統的調度,第4種狀態屬于微電網控制系統的功能。

4.3 離網模式

在離網模式下,直流微電網控制系統采用主從控制策略[7]。儲能電池作為主電源,運行在恒壓模式,輸出穩定的電壓和頻率,同時實時監控并協調各個分布式電源的功率,在必要時切除次要負荷[8]。

4.4 過渡過程

如前所述,各模式之間的過渡過程包括停運轉并網、停運轉離網、并網轉離網、離網轉并網、并網轉停運、離網轉停運。一般而言,分布式電源設備種類及數量較多,負荷種類也多種多樣,在系統啟動或者停運過程中,需要按照一定的次序進行通斷電、啟?；蚰Ｊ角袚Q操作,因此設計了過渡過程。在過渡過程中,人機交互界面不可操作。

5 變流器控制原理

筆者設計的直流微電網控制系統采用變流器控制。在直流微電網與交流電網并網運行時,交流電源與直流電源的能量交換由變流器實現。變流器采用脈寬調制技術,通過兩電平拓撲結構實現交流轉直流、直流轉交流、直流背靠背多電源轉換工作。變流器接收上位機遠程控制操作指令,并具有參數與數據的保存功能。變流器配備觸摸屏,能夠實現就地控制。變流器還具有功率雙向流動及維持母線電壓穩定的作用,在微電網與外電網需要同期并網時,調整交流母線電壓的幅值和頻率[9]。

在直流微電網系統中,變流器P1、P2可以工作在交流/直流恒壓模式、直流/交流恒壓模式、并網模式及待機模式。系統在停運狀態并網啟動時,交流側電壓為400 V,直流側電壓為0 V,變流器以交流/直流恒壓模式啟動運行。系統運行后,直流側輸出穩定的直流電壓。

直流微電網系統并網轉離網運行時,交直流側都有電壓,變流器以交流/直流恒壓模式運行。直流微電網系統先轉為并網模式運行,然后停機,再進入離網模式運行[10]。

直流微電網系統離網轉并網運行時,直流側有電壓,交流側電壓為0 V,變流器以直流/交流恒壓模式運行。直流微電網系統并網運行時,交流側輸出穩定的交流電壓。此時,變流器直流側和交流側均有電壓,可以通過更改所設置的有功功率來改變能量流動方向和功率大小。這一過程又稱為同期并網。

6 直流微電網控制系統功能

6.1 儲能控制

在直流微電網系統中,直流母線下接兩臺儲能裝置——磷酸鐵鋰儲能電池和超級電容,分別通過變流器P5、P8與直流母線連接。

連接磷酸鐵鋰儲能電池的變流器P5可以工作在恒壓模式、恒功率模式及待機模式。在恒壓模式下,直流側母線輸出電壓可以自動維持穩定。在恒功率模式下,可以對磷酸鐵鋰電池進行充放電操作。在待機模式下,可以根據磷酸鐵鋰儲能電池剩余電量自動調節充放電狀態。直流微電網系統配置標準工業通信口,接收中央控制器的指令,按指令進行模式切換及充放電操作。

變流器P5和磷酸鐵鋰電池構成直流微電網的儲能系統,主要功能是實現直流微電網的功率平衡和支撐直流母線電壓。當直流微電網處于自動運行狀態時,儲能系統運行于待機模式,自我調節充放電狀態。當直流微電網處于公共連接點潮流限值狀態時,儲能系統運行于恒功率模式,維持功率平衡。當直流微電網處于離網模式時,儲能系統作為主電源運行于恒壓模式,支撐直流母線電壓。當直流微電網失壓時,儲能系統先以恒壓模式啟動,支撐直流母線電壓,然后逐步啟動直流微電網系統內的各設備,實現黑啟動[11]。

變流器P8和超級電容構成直流微電網的能量波動緩沖系統。直流微電網系統內部的功率失衡表現為電壓失衡,變流器P8工作于待機模式,能夠根據電網電壓與超級電容電壓自動調節充放電狀態。直流母線電壓高于610 V時,變流器P8對超級電容強制充電。母線電壓低于590 V時,變流器P8對超級電容強制放電。直流微電網系統配置標準工業通信口,接受中央控制器的指令,按指令進行充放電操作。對于特殊情況,超級電容過壓時只放電不充電,欠壓時只充電不放電。

直流微電網并網啟動時,根據超級電容的電壓情況進行充放電操作。待充電完成后,發出充電完成指令。若提前發出充電完成指令,則充放電無效。若在充電完成前發出待機指令,則系統根據電網電壓及超級電容電壓情況進行自動充放電調節。相對于電池儲能系統,超級電容系統反應更迅速,可以更有效地抑制系統電壓劇烈波動。

6.2 光伏控制

變流器P4與光伏發電設備構成直流微電網的光伏發電系統,采用全橋逆變,整流生成平滑直流電流,連接至直流母線,接收中央控制器指令,按指令進行發電與控制。光伏發電系統的運行模式為最大功率跟蹤模式。

6.3 風力發電控制

變流器P3與風力發電機構成直流微電網的風力發電系統,接收中央控制器指令,按指令進行發電與控制。

風力發電系統啟動時,要求交流側和直流側都為帶電狀態,即風力發電機和直流母線有穩定電壓,且母線上有負荷,用于消耗能量。風力發電系統默認的啟動模式為并網啟動,在啟動前和啟動后均可根據需要調節功率。需要注意的是,功率必須設置為正,否則能量從直流側進入交流側,會對風力發電機造成沖擊。

6.4 負荷控制

直流負荷和交流負荷分別通過變流器P6、P7連接直流母線。直流微電網系統在功率受限或離網運行時,會對直流母線下的負荷進行投切控制。對兩者的優先級進行排序,分為重要負荷和次要負荷,首先保證重要負荷的供電,在必要時切除次要負荷。

6.5 一鍵啟動

直流微電網系統在停運狀態下,進行并網或者離網啟動時,可以實現一鍵啟動,即在人機交互界面操作面板上,選擇啟動的設備列表及次序,點擊并網按鈕,各個設備會依次自動啟動。設備的一鍵啟動次序需要較高權限,一般操作人員只可選擇設備列表,啟動次序為默認。

6.6 同期并網

直流微電網系統與外電網進行同期并網時,變流器P1或P2交流側與交流母線相連,對交流母線的電壓和頻率進行調整。此時變流器運行于直流/交流恒壓模式,即用直流電壓穩定交流電壓。中央控制器對電網側和母線電壓進行測量,計算出電壓幅值比和相位差,發出幅值和頻率調整指令。直流微電網系統接收調整指令后,對交流電壓的幅值和頻率進行調整,以使母線電壓對電網電壓實現追隨。在滿足同期并網的要求時,系統靜態開關KB1閉合,變流器進入待機模式封閉脈沖,然后運行于并網模式[10]。

7 結束語

筆者基于交直流微電網試驗平臺,設計了一套直流微電網控制系統。與交流微電網控制系統相比,直流微電網控制系統不需要考慮頻率及無功功率控制?；诳刂葡到y,直流微電網系統可以運行于并網模式和離網模式,并且能夠相互切換,具有一鍵啟動、黑啟動、同期并網等功能。所設計的直流微電網控制系統為整個直流微電網項目的建成奠定了基礎。