第 4 卷 第 1 期 216 年 5 月 日 Vol.4No.1 May,216 DOI:1.75/AEPS215647 毕 大 强 1,2, 周 稳 3, 戴 瑜 兴 3, 李 显 国 3 (1. 清 华 大 学 电 机 工 程 与 应 用 电 子 技 术 系, 北 京 市 184; 2. 电 力 系 统 及 发 电 设 备 控 制 和 仿 真 国 家 重 点 实 验 室, 清 华 大 学, 北 京 市 184; 3. 电 气 数 字 化 设 计 技 术 浙 江 省 工 程 实 验 室, 温 州 大 学, 浙 江 省 温 州 市 335) 摘 要 : 设 计 了 一 种 交 直 流 混 合 微 电 网 结 构, 分 析 了 储 能 变 流 器 在 该 微 电 网 平 台 结 构 中 的 作 用, 重 点 研 究 了 并 网 切 换 孤 岛 孤 岛 切 换 并 网 的 过 程. 针 对 不 同 工 况 互 相 切 换 过 程 中 存 在 的 问 题, 提 出 了 储 能 变 流 器 无 缝 切 换 策 略, 包 含 并 网 切 换 孤 岛 过 程 补 偿 算 法 与 孤 岛 切 换 并 网 过 程 预 同 步 方 法. 实 现 了 两 种 工 作 模 式 间 的 无 缝 切 换, 变 流 器 输 出 电 压 电 流 平 滑 过 渡. 仿 真 与 实 验 结 果 验 证 了 所 提 方 法 的 有 效 性 与 可 靠 性. 关 键 词 : 微 电 网 ( 微 网 ); 储 能 ; 变 流 器 ; 无 缝 切 换 ; 并 网 / 孤 岛 运 行 引 言 微 电 网 是 分 布 式 电 源 储 能 系 统 负 荷 等 汇 集 而 [1G2] 成 的 小 型 发 配 用 电 系 统. 光 伏 风 力 等 新 能 源 能 以 微 电 网 形 式 得 到 有 效 利 用, 以 光 伏 微 电 网 为 代 表 的 小 微 网 大 市 场 模 式 正 积 极 推 动 中 国 分 布 式 [3G5] 发 电 的 发 展. 微 电 网 需 要 保 障 系 统 在 并 网 与 孤 岛 工 况 下 都 能 运 行, 因 此 对 系 统 内 电 力 电 子 接 口 变 流 器 提 出 了 更 高 的 要 求, 如 何 实 现 并 网 运 行 模 式 与 孤 岛 运 行 模 式 之 间 的 无 缝 切 换, 成 为 保 障 系 统 稳 定 运 行 的 关 键 技 术. 文 献 [6G7] 研 究 了 基 于 微 电 网 主 从 结 构 的 无 缝 切 换 策 略, 由 主 逆 变 器 承 担 并 网 同 步 与 孤 岛 恒 频 恒 压 操 作, 保 障 模 式 切 换 过 程 平 滑. 文 献 [8] 提 出 光 伏 发 电 系 统 在 并 网 孤 岛 两 种 工 况 下 都 采 用 电 压 型 控 制, 避 免 切 换 过 程 的 冲 击. 文 献 [9] 采 用 改 进 电 压 环 控 制 以 及 新 型 软 件 锁 相 环, 保 障 切 换 过 程 微 电 网 母 线 电 压 电 流 平 顺. 文 献 [1] 分 析 了 微 电 网 在 离 网 运 行 模 式 并 网 运 行 模 式 以 及 模 式 无 缝 切 换 过 程 中 的 运 行 特 性, 但 其 对 并 网 与 孤 岛 切 换 条 件 没 有 分 析. 文 献 [11] 分 析 了 微 电 网 系 统 控 制 器 参 数 的 影 响, 提 出 了 状 态 跟 随 的 切 换 方 法, 其 实 现 较 为 复 杂. 文 献 [12] 分 析 了 逆 变 器 在 并 网 运 行 与 孤 岛 运 行 时 分 别 采 用 P/Q 控 制 与 V/f 控 制, 但 其 切 换 过 程 直 接 切 收 稿 日 期 :215G6G4; 修 回 日 期 :215G1G1. 上 网 日 期 :216G2G15. 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 (863 计 划 ) 资 助 项 目 (212AA5121). 换, 要 求 动 作 迅 速, 时 机 准 确, 容 易 产 生 暂 态 冲 击. 文 献 [13] 研 究 了 光 储 微 电 网 系 统 并 网 / 孤 岛 运 行 控 制 策 略, 提 出 一 种 基 于 储 能 的 电 压 管 理 策 略, 但 是 缺 乏 对 切 换 过 程 的 分 析 研 究. 文 献 [14] 提 出 了 基 于 运 行 模 式 自 识 别 的 并 离 网 平 滑 切 换 控 制 实 现 方 法, 其 重 点 研 究 智 能 识 别 当 前 微 电 网 的 运 行 模 式. 无 缝 切 换 中 并 网 预 同 步 方 面, 文 献 [15] 提 出 了 一 种 基 于 锁 相 环 原 理 的 新 型 主 动 同 步 控 制 策 略, 通 过 主 动 调 整 微 电 网 母 线 电 压 的 频 率 相 角 与 幅 值 跟 踪 电 网 电 压, 其 算 法 较 为 复 杂. 文 献 [16] 设 计 了 一 种 双 二 次 广 义 积 分 方 法 提 取 电 压 正 序 分 量 方 法 的 锁 相 环, 实 现 不 同 模 式 间 的 切 换, 但 该 方 法 运 算 量 大, 数 字 实 现 难. 文 献 [17] 进 行 了 基 于 虚 拟 同 步 发 电 机 控 制 逆 变 电 源 的 并 网 预 同 步 过 程 分 析, 其 仅 进 行 了 仿 真 研 究, 缺 乏 可 靠 实 验. 总 之, 目 前 文 献 鲜 有 研 究 交 直 流 混 合 微 电 网 中 并 网 与 孤 岛 工 况 运 行 的 无 缝 切 换 问 题, 对 并 网 切 换 孤 岛 孤 岛 切 换 并 网 这 两 个 工 作 暂 态 过 程 缺 乏 有 机 统 一 结 合 分 析. 针 对 上 述 切 换 过 程 中 存 在 的 电 流 暂 态 冲 击 算 法 复 杂 等 问 题, 本 文 在 设 计 的 交 直 流 混 合 微 电 网 结 构 基 础 之 上, 分 析 了 储 能 变 流 器 的 并 网 与 孤 岛 控 制 策 略, 重 点 研 究 了 并 网 切 换 孤 岛 孤 岛 切 换 并 网 的 过 程. 提 出 了 储 能 变 流 器 并 网 与 孤 岛 两 种 模 式 之 间 无 缝 切 换 的 控 制 策 略, 包 含 并 网 切 换 孤 岛 模 式 时 的 补 偿 算 法, 孤 岛 切 换 并 网 时 的 预 同 步 操 作, 实 现 了 切 换 过 程 电 压 电 流 平 滑 过 渡, 保 障 了 并 网 与 孤 岛 工 况 运 行 稳 定, 重 要 负 荷 持 续 稳 定 供 电. 利 用 MATLAB/ Simulink 软 件 进 行 了 仿 真 分 析, 搭 建 了 实 验 平 台 进 84
毕 大 强, 等 行 实 验 验 证. 1 交 直 流 混 合 微 电 网 直 流 微 电 网 与 交 流 微 电 网 拥 有 各 自 的 优 势 [18], 本 文 设 计 交 直 流 混 合 微 电 网 平 台 结 构 如 图 1 所 示, 充 分 利 用 两 者 的 优 点. 直 流 微 电 网 侧, 微 源 光 伏 采 用 最 大 功 率 点 跟 踪 (maximum power point tracking,mppt) 控 制, 最 大 化 利 用 新 能 源.Pload1 为 可 控 直 流 负 荷,Pload2 为 直 流 负 荷. 电 池 采 用 双 向 DC/DC 控 制, 进 行 功 率 调 度 的 充 放 电 控 制. 直 流 母 线 电 压 在 并 网 与 孤 岛 工 况 都 由 交 直 流 接 口 变 流 器 Converter1 进 行 稳 压 控 制 ; 交 流 微 电 网 侧, 设 计 交 流 负 荷 Pload3, 并 网 公 共 耦 合 点 (pointofcommon coupling,pcc) 通 过 固 态 断 路 器 进 行 断 网 并 网 操 作, 交 流 侧 电 池 通 过 储 能 变 流 器 Converter2 与 交 流 母 线 相 连, 并 网 工 况 下, 储 能 变 流 器 Converter2 进 行 单 位 功 率 因 数 充 电 控 制, 当 荷 电 状 态 (stateof charge,soc) 大 于 95% 时 待 机 保 护 电 池. 孤 岛 工 况 下, 由 其 作 维 持 交 流 母 线 电 压 幅 值 频 率 稳 定 的 恒 频 恒 压 控 制. " DC/DC P load2 load2 DC/DC,#!4 #!4 DC/AC Converter1 P load1 load1 L 1 C 1 PCC P g L 2 Converter2 AC/DC " P load3 load3 5 图 1 交 直 流 混 合 微 电 网 Fig.1 StructureofhybridAC/DCmicrogridsystem 该 微 电 网 系 统 中, 交 流 侧 储 能 变 流 器 Converter2 承 担 着 重 要 作 用. 微 电 网 需 要 保 持 并 网 工 况 与 孤 岛 工 况 稳 定 运 行, 储 能 变 流 器 ( 下 文 中 储 能 变 流 器 皆 指 Converter2) 就 需 要 在 两 种 模 式 之 间 平 滑 切 换. 并 网 切 换 孤 岛 模 式 时, 设 计 在 并 网 工 况 下, 储 能 变 流 器 作 整 流 充 电 控 制, 当 大 电 网 由 于 计 划 或 计 划 外 故 障 断 开 时, 通 过 被 动 的 孤 岛 检 测 方 法 能 立 即 检 测 出 孤 岛, 为 储 能 变 流 器 提 供 模 式 转 换 信 号, 实 现 储 能 变 流 器 由 并 网 向 孤 岛 运 行 的 平 滑 切 换. 孤 岛 切 换 并 网 时, 微 电 网 系 统 期 望 运 行 在 并 网 工 况, 当 电 网 故 障 结 束, 需 要 发 出 并 网 指 令 信 号, 达 到 并 网 条 件 后 重 新 合 闸 并 网, 实 现 储 能 变 流 器 模 式 的 平 滑 切 换. 该 交 直 流 混 合 微 电 网 结 构 将 分 布 式 电 源 置 于 直 流 微 电 网 侧, 充 分 利 用 直 流 微 电 网 只 需 保 障 直 流 母 线 电 压 稳 定, 无 需 考 虑 无 功 功 率 频 率 稳 定 等 优 点, 直 流 母 线 电 压 完 全 由 交 直 流 接 口 变 流 器 ( 下 文 中 交 直 流 接 口 变 流 器 皆 指 Converter1) 进 行 逆 变 或 整 流 来 保 持 稳 定. 通 过 设 置 交 流 母 线, 减 少 系 统 内 电 力 电 子 接 口 的 运 用, 提 高 能 量 利 用 效 率, 以 交 流 侧 储 能 变 流 器 作 为 承 担 并 网 与 孤 岛 运 行 转 换 的 重 要 角 色, 系 统 运 行 控 制 简 单 可 靠, 且 节 约 了 经 济 成 本. 2 孤 岛 / 并 网 无 缝 切 换 控 制 2.1 储 能 接 口 变 流 器 控 制 策 略 储 能 变 流 器 在 并 网 运 行 模 式 下 进 行 单 位 功 率 因 数 控 制. 如 附 录 A 图 A1 所 示, 图 中 P 为 有 功 功 率 参 考 值,P 为 有 功 功 率,Q 为 无 功 功 率,vd 和 v q 分 别 为 三 相 电 压 有 功 分 量 与 无 功 分 量,id 和 i q 分 别 为 三 相 电 流 有 功 分 量 与 无 功 分 量,i d 和 i q 分 别 为 三 相 电 流 有 功 参 考 量 与 无 功 参 考 量,θ 为 通 过 软 件 锁 相 环 得 到 的 电 网 电 压 相 位. 储 能 变 流 器 并 网 工 况 保 持 充 电 运 行, 整 流 充 电 采 取 无 功 控 制 为 零 的 单 位 功 率 因 数 控 制. 通 过 采 集 储 能 变 流 器 输 出 电 压 电 流, 进 行 Park 变 换 后, 按 式 (1) 进 行 功 率 计 算 得 到 有 功 功 率 P 与 无 功 功 率 Q. P=1.5(vdid v q i q ) (1) { Q=1.5(v q id -vdi q ) 采 取 控 制 外 环 为 功 率 控 制 环, 内 环 为 电 流 控 制 环 的 双 环 控 制, 无 功 功 率 给 定 为 零, 有 功 功 率 给 定 自 定 义, 功 率 控 制 输 出 为 电 流 控 制 内 环 参 考 值, 由 此 储 能 变 流 器 按 照 功 率 给 定 输 入 或 输 出 功 率, 进 行 单 位 功 率 因 数 整 流 或 逆 变 控 制. 微 电 网 系 统 孤 岛 运 行 模 式 下, 失 去 了 大 电 网 的 支 撑, 需 要 储 能 进 行 恒 频 恒 压 操 作, 维 持 交 流 母 线 电 压 幅 值 与 频 率 的 稳 定. 孤 岛 模 式 V/f 控 制 策 略 如 附 录 A 图 A2 所 示, 图 中 f 为 参 考 频 率. 采 取 电 压 电 流 双 闭 环 控 制, 电 压 控 制 外 环 输 出 为 电 流 内 环 给 定 参 考 值. 电 流 内 环 控 制 id 与 i q. 通 过 控 制 频 率 得 到 空 间 矢 量 脉 宽 调 制 (SVPWM) 以 及 Park 变 换 计 算 所 需 相 位 角 θ1. 由 此, 保 障 储 能 变 流 器 输 出 电 压 幅 值 与 频 率 稳 定. 2.2 并 网 切 换 孤 岛 交 直 流 混 合 微 电 网 的 应 用 场 景 中, 系 统 期 望 运 行 在 并 网 工 况, 能 够 最 大 限 度 利 用 分 布 式 电 能 以 及 电 网 的 支 撑 作 用. 但 是, 电 网 可 能 检 修 出 现 计 划 孤 岛, 或 电 网 突 然 出 现 故 障, 需 要 通 过 孤 岛 检 测 快 速 检 测 出 孤 岛 状 态, 获 得 储 能 变 流 器 工 作 模 式 转 换 指 令. 在 检 测 到 孤 岛 后, 需 要 将 储 能 变 流 器 的 工 作 模 式 从 并 网 切 换 到 孤 岛 的 V/f 运 行 模 式, 如 果 收 到 切 换 指 令 后 直 接 切 换 到 孤 岛 运 行 模 式, 将 可 能 出 现 并 网 切 换 孤 岛 直 接 硬 切 换 的 电 流 冲 击 ( 仿 真 分 析 结 果 如 附 录 A 图 A3 所 示 ), 当 储 能 变 流 器 从 单 位 功 率 因 数 控 htp://www.aepsginfo.com 85
216,4(1) 研 制 与 开 发 制 切 换 到 V/f 控 制 模 式 时, 切 换 前 电 流 控 制 环 中 的 比 例 积 分 () 控 制 器 已 经 是 处 于 稳 定 状 态, 则 其 控 制 器 输 出 结 果 是 稳 定 值, 切 换 后 电 流 控 制 环 控 制 器 的 输 出 值 却 需 要 从 零 开 始 逐 渐 调 整 到 稳 态. 储 能 变 流 器 输 出 电 流 切 换 瞬 间 将 会 出 现 较 大 的 波 动, 存 在 电 流 冲 击 波 动 较 大 的 问 题. 因 此, 为 解 决 存 在 的 问 题, 本 文 提 出 采 用 电 流 补 偿 的 方 法, 具 体 方 法 如 图 2 所 示. P i d_gref P i i d q_gref 5 i q i d_bu v v d_ref d_uout i d_iref v d i d v q_ref v q_uout i q_iref v q i q_bu i q i d_bu dq abc i q_bu u d dq u q abc Island _cmd Switch PWM SVPWM 图 2 并 网 切 换 孤 岛 控 制 策 略 Fig.2 ControlstrategyofgridGconnectedmode transferredtoislandmode 储 能 变 流 器 从 并 网 单 位 功 率 因 数 控 制 模 式 转 换 到 孤 岛 V/f 控 制 时, 增 加 了 外 环 电 压 控 制 环, 其 输 出 为 电 流 控 制 内 环 的 参 考 量. 图 2 中 Island_cmd 为 孤 岛 检 测 提 供 的 指 令 信 号,id_gref 为 切 换 前 并 网 模 式 下 有 功 电 流 参 考 量, 来 自 于 有 功 控 制 外 环 输 出, 无 功 电 流 参 考 量 i q _gref 为 零. 切 换 到 孤 岛 模 式 下 vd_ref 和 v q _ref 为 有 功 无 功 电 压 参 考 量, 其 电 压 外 环 控 制 输 出 为 vd_uout 和 v q _uout. 这 两 个 参 考 值 经 过 外 环 电 压 环 控 制 逐 渐 调 整 进 入 稳 态, 若 切 换 前 已 达 到 稳 态, 则 在 切 换 后 会 出 现 突 变 的 调 整 过 程. 故 后 一 级 电 流 内 环 跟 踪 该 参 考 电 流 值 时, 会 导 致 储 能 变 流 器 接 口 输 出 电 流 突 变. 因 此, 要 保 障 切 换 过 程 中 的 平 稳 性, 需 要 将 切 换 前 的 控 制 信 号 引 入 切 换 后 的 控 制 环 路 中, 采 用 方 法 是 获 取 切 换 前 电 流 控 制 环 输 出 变 量 id_bu 和 i q _bu, 将 其 补 偿 到 切 换 后 电 流 控 制 环, 使 控 制 器 实 现 快 速 平 滑 过 渡. 改 变 电 流 内 环 控 制 参 考 量 为 id_iref 和 i q _iref: id_iref=vd_uoutid_bu (2) { i q _iref=v q _uouti q _bu 2.3 孤 岛 切 换 并 网 当 电 网 故 障 排 除 之 后, 系 统 需 要 并 网 运 行, 储 能 变 流 器 将 从 孤 岛 转 向 并 网 运 行 工 作 模 式. 孤 岛 运 行 时 储 能 变 流 器 输 出 电 压 频 率 相 位 和 幅 值, 可 能 会 与 电 网 电 压 的 频 率 相 位 幅 值 有 所 差 异. 存 在 频 率 差 相 位 差 或 幅 值 差 时, 会 在 并 网 瞬 间 产 生 较 大 的 冲 击. 因 此, 在 并 网 之 前 预 同 步 操 作 必 不 可 少. 当 储 能 变 流 器 输 出 频 率 与 电 网 一 致 时, 与 电 网 的 相 位 不 一 定 一 致, 但 当 储 能 变 流 器 输 出 的 电 压 相 位 与 电 网 一 致 时, 其 频 率 一 定 是 一 致 的. 故 可 以 通 过 检 测 储 能 变 流 器 输 出 电 压 和 电 网 电 压 的 幅 值 与 相 位, 使 两 者 趋 于 一 致, 实 现 预 同 步 操 作. 本 文 设 计 预 同 步 方 法 如 图 3 所 示. v grid θ grid Set SPLL 2π 2πf Δθ θ mod v ref inv θ inv SPLL Phase _cmd Set 1 <.1 Grid_on v d_grid Set v d Δv v d d_bu i d_ref v d_inv v d RMS _cmd 1 <.5v d 图 3 孤 岛 切 换 并 网 控 制 策 略 Fig.3 Controlstrategyofislandmodetransferred togridgconnectedmode 图 3 中 Set 为 并 网 指 令 信 号, 发 出 并 网 指 令 后, 相 位 预 同 步 通 过 利 用 在 并 网 前 采 集 大 电 网 侧 电 压 v grid, 储 能 变 流 器 当 前 孤 岛 工 况 输 出 电 压 vinv, 计 算 电 网 侧 电 压 相 位 θ grid 储 能 变 流 器 输 出 电 压 相 位 θinv, 得 到 : Δθ=θ grid-θinv (3) 利 用 两 者 相 位 差 值, 经 过 控 制 器 得 到 储 能 变 流 器 控 制 的 参 考 相 位 : æ k pθ kiθ ö ç Δθ2πf è s ø θref= (4) 2π 式 中 :θref 为 储 能 变 流 器 参 考 相 位 ;k pθ 为 控 制 器 比 例 系 数 ;kiθ 为 控 制 器 积 分 系 数 ;f 为 电 网 电 压 基 波 频 率, 取 5Hz. 幅 值 预 同 步 操 作, 幅 值 选 取 Park 变 换 后 计 算 的 大 电 网 侧 电 压 的 有 功 分 量 vd_grid 与 储 能 变 流 器 输 出 电 压 的 有 功 分 量 vd_inv, 得 到 : Δvd =vd_grid-vd_inv (5) æ vd_bu= k pv kiv ö ç è s ø Δvd (6) æ id_ref= k pi kii ö ç (v d vd_bu-vd) (7) è s ø 式 中 :vd_bu 为 幅 值 调 整 输 出 信 号 ;k pv 为 幅 值 调 整 控 制 器 比 例 系 数 ;kiv 为 幅 值 调 整 控 制 器 积 分 系 数 ;id_ref 为 电 流 内 环 参 考 值 ;k pi 为 电 压 外 环 控 制 器 比 例 系 数 ;kii 为 电 压 外 环 控 制 器 积 分 系 数 ; v d 为 电 压 给 定 参 考 值. 当 孤 岛 工 况 V/f 控 制 下 储 能 变 流 器 经 过 调 整 86
毕 大 强, 等 输 出 电 压 相 位 θinv, 使 得 相 位 差 满 足 一 定 的 范 围 要 求 时, 输 出 相 位 预 同 步 完 毕 信 号 Phase_cmd. 当 控 制 调 整 当 前 储 能 变 流 器 输 出 的 电 压 有 功 分 量 vd_inv 与 大 电 网 电 压 有 功 分 量 vd_grid 满 足 一 定 要 求 时, 输 出 幅 值 预 同 步 完 毕 信 号 RMS_cmd. 两 者 都 预 同 步 完 毕 后, 发 出 PCC 合 闸 以 及 模 式 转 换 信 号 Grid_on. 3 仿 真 分 析 采 用 MATLAB/Simulink 仿 真 软 件, 搭 建 了 前 文 图 1 所 示 的 交 直 流 混 合 微 电 网 实 验 平 台, 直 流 微 电 网 侧 直 流 母 线 额 定 电 压 为 12 V, 直 流 负 载 为 1.5kW, 光 伏 出 力 为 1.55kW, 直 流 侧 储 能 电 池 容 量 为 98V/1Ah. 交 流 微 电 网 侧 交 流 母 线 电 压 为 75V/5Hz, 交 流 侧 负 载 为 1kW, 交 直 流 接 口 变 流 器 滤 波 器 电 感 L1 为 3 mh, 电 容 C1 为 12μF, 交 流 侧 储 能 侧 滤 波 器 电 感 L2 为 5mH, 交 流 侧 储 能 电 池 容 量 为 13V/1Ah. 3.1 并 网 切 换 孤 岛 为 了 验 证 本 文 设 计 并 网 切 换 孤 岛 控 制 策 略 的 有 效 性, 仿 真 算 例 先 让 系 统 运 行 在 并 网 工 况,.2s 时 进 行 计 划 孤 岛 操 作, 附 录 A 图 A3 为 未 采 用 本 文 策 略 的 硬 切 换 储 能 变 流 器 输 出 电 流 仿 真 情 况, 附 录 A 图 A4 为 采 用 本 文 策 略 的 仿 真 结 果. 附 录 A 图 A4(a) 为 孤 岛 指 令 信 号 及 其 局 部 放 大 图, 在.2s 时 PCC 断 开 电 网 电 压, 由 于 并 网 时 储 能 变 流 器 整 流 充 电, 断 网 后 将 会 立 刻 形 成 电 压 幅 值 频 率 的 波 动, 采 用 被 动 的 孤 岛 检 测 方 法, 能 快 速 检 测 出 孤 岛 提 供 指 令 信 号. 然 后 进 行 储 能 变 流 器 工 作 模 式 转 换, 交 流 侧 母 线 电 压 将 由 储 能 变 流 器 维 持 稳 定, 附 录 A 图 A4(b) 为 储 能 变 流 器 输 出 电 压 及 其 局 部 放 大 图, 在.2s 由 并 网 模 式 切 换 到 孤 岛 V/f 运 行 模 式, 实 现 了 平 滑 过 渡, 无 突 出 跌 落 或 凸 起 情 况. 附 录 A 图 A4(c) 为 储 能 变 流 器 输 出 电 流 及 其 局 部 放 大 图, 在 并 网 模 式 下, 储 能 变 流 器 进 行 单 位 功 率 因 数 控 制 整 流 充 电.5kW,.2s 切 换 到 孤 岛 恒 频 恒 压 V/f 控 制 模 式, 切 换 过 程 平 滑 没 有 冲 击, 由 整 流 转 向 逆 变 输 出.5kW, 交 直 流 接 口 变 流 器 此 时 提 供.5kW 支 持, 一 起 供 给 交 流 侧 负 荷. 附 录 A 图 A4(d) 为 电 网 侧 电 流 情 况,.2s 前 为 并 网 工 况, 电 网 支 撑 供 给 负 载 与 储 能 充 电,.2s 之 后 电 网 断 开, 电 流 为. 3.2 孤 岛 切 换 并 网 为 了 验 证 本 文 设 计 预 同 步 算 法 的 有 效 性, 仿 真 搭 建 平 台 参 数 条 件 与 前 文 一 致, 在.2s 发 出 并 网 指 令, 通 知 可 以 开 始 并 网 预 同 步 操 作,.2s 之 前 系 统 处 于 孤 岛 运 行 状 态, 孤 岛 运 行 模 式 切 换 到 并 网 运 行 模 式 时 的 仿 真 结 果 如 附 录 A 图 A5 所 示. 由 附 录 A 图 A5(a) 可 以 看 到 在.2s 并 网 指 令 发 出 之 前, 储 能 变 流 器 运 行 在 孤 岛 V/f 控 制 模 式 下, 输 出 电 压 相 位 与 电 网 电 压 相 位 存 在 偏 差. 并 网 指 令 发 出 后, 进 行 相 位 同 步 操 作. 由 附 录 A 图 A5(b) 可 知, 经 过.95s 左 右 相 位 与 幅 值 达 到 并 网 要 求, 发 出 PCC 合 闸 以 及 模 式 转 换 指 令. 附 录 A 图 A5(c) 为 储 能 变 流 器 由 孤 岛 V/f 控 制 转 换 为 并 网 单 位 功 率 因 数 整 流 控 制 的 输 出 电 压 及 其 局 部 放 大 图, 电 压 平 滑 切 换 过 渡. 附 录 A 图 A5(d) 为 储 能 变 流 器 输 出 电 流 及 其 局 部 放 大 图, 切 换 之 前, 直 流 微 电 网 侧 通 过 交 直 流 接 口 变 流 器 向 交 流 侧 提 供.5kW 支 撑, 储 能 变 流 器 作 V/f 控 制 逆 变 输 出.5kW 供 给 交 流 侧 负 载. 并 网 之 后, 储 能 变 流 器 转 为 并 网 工 况 整 流 充 电.5kW. 由 图 可 知, 电 流 在 切 换 过 程 中 平 滑 无 冲 击. 附 录 A 图 A5(e) 为 电 网 侧 电 流 情 况, 并 网 指 令 发 出 前 处 于 孤 岛 工 况, 并 网 指 令 发 出 后, 输 入 1kW 支 撑 交 流 侧 负 荷 以 及 储 能 充 电. 4 实 验 验 证 为 了 验 证 本 文 设 计 方 法 在 储 能 变 流 器 上 的 应 用, 搭 建 如 附 录 A 图 A6 所 示 交 直 流 混 合 微 电 网 中 对 应 部 分 实 验 平 台, 实 验 原 理 图 如 附 录 A 图 A1 所 示, 利 用 交 流 可 调 负 荷 储 能 电 池 变 流 器 构 建 实 验 平 台, 通 过 变 压 器 与 大 电 网 相 连 接, 采 用 固 态 断 路 器 作 为 PCC 合 闸 控 制 开 关. 储 能 电 池 为 13 V/ 38Ah 的 铅 酸 蓄 电 池, 交 流 侧 通 过 变 比 为 38 V/ 75V 的 变 压 器 与 大 电 网 进 行 连 接, 所 以 储 能 变 流 器 并 网 输 出 电 压 为 75V/5Hz, 储 能 变 流 器 输 出 滤 波 器 电 感 为 5mH, 储 能 变 流 器 额 定 功 率 为 1kW, 交 流 负 载 为 可 调 三 相 负 荷. 实 验 采 用 横 河 示 波 记 录 仪 DL85V 进 行 数 据 记 录. 图 4 为 储 能 变 流 器 由 并 网 工 况 切 换 到 孤 岛 工 况 的 实 验 结 果. # /V, /V i a /A i grid /A 5-5 - - 5# E E - 4 8 1 2 1 6 2 t/ms 图 4 并 网 切 换 孤 岛 模 式 试 验 结 果 Fig.4 TestresultsofgridGconnected modetransferredtoislandmode htp://www.aepsginfo.com 87
216,4(1) 研 制 与 开 发 并 网 工 况 下, 电 网 给 交 流 负 荷 供 电 以 及 储 能 电 池 充 电.i grid 为 电 网 侧 电 流, 指 示 电 网 侧 PCC 开 关 情 况. 当 电 网 断 开 时 i grid 为 零. 储 能 变 流 器 检 测 出 孤 岛, 提 供 模 式 切 换 指 令 信 号, 储 能 变 流 器 输 出 三 相 电 压 快 速 平 滑 切 换 过 渡. 通 过 储 能 变 流 器 输 出 三 相 电 流 中 a 相 电 流 ia 可 知, 储 能 变 流 器 从 并 网 整 流 充 电 控 制 切 换 到 孤 岛 V/f 逆 变 输 出, 电 流 没 有 冲 击, 平 滑 切 换. 图 5 为 储 能 变 流 器 由 孤 岛 工 况 切 换 到 并 网 工 况 的 实 验 结 果. 由 图 可 知, 在 发 出 并 网 指 令 之 前, 电 网 侧 电 流 i grid 为 零,PCC 开 关 断 开. 储 能 变 流 器 为 孤 岛 V/f 控 制, 输 出 电 压 为 ua,ub,uc, 储 能 变 流 器 输 出 三 相 电 流 中 的 a 相 电 流 为 ia. 当 接 收 到 并 网 指 令 后, 储 能 变 流 器 将 开 始 执 行 预 同 步 操 作, 幅 值 与 相 位 值 满 足 要 求 之 后, 如 图 5 中 并 网 指 令 与 模 式 转 换 指 令 所 示, 经 过 一 段 时 间, 幅 值 和 相 位 完 成 预 同 步 操 作, 才 会 发 出 模 式 转 换 指 令 信 号, 令 PCC 开 关 进 行 合 闸 操 作. 由 电 压 ua,ub,uc 与 电 流 ia 可 知, 切 换 过 程 电 压 电 流 无 冲 击, 快 速 平 滑 过 渡. 储 能 变 流 器 工 作 模 式 由 孤 岛 V/f 逆 变 输 出 切 换 到 并 网 整 流 充 电. /V E, /V i a /A i grid /A 5-5 - - 5 结 语 E E E 5 5# - 2 4 6 8 1 t/ms 图 5 孤 岛 切 换 并 网 模 式 试 验 结 果 Fig.5 Testresultsofislandmodetransferred togridgconnectedmode 本 文 针 对 所 设 计 的 交 直 流 混 合 微 电 网, 分 析 了 系 统 中 储 能 变 流 器 的 控 制 策 略, 重 点 研 究 了 并 网 切 换 孤 岛 孤 岛 切 换 并 网 的 工 作 模 式 转 换 过 程, 保 障 并 网 与 孤 岛 工 况 稳 定 运 行 ; 提 出 一 种 储 能 变 流 器 控 制 无 缝 切 换 策 略, 分 别 进 行 了 仿 真 与 实 验 验 证. 实 验 和 仿 真 结 果 表 明, 并 网 切 换 到 孤 岛 过 程, 电 压 电 流 平 滑 过 渡 无 冲 击. 孤 岛 切 换 到 并 网 过 程, 电 压 电 流 平 滑 切 换, 能 够 保 障 微 电 网 系 统 重 要 负 荷 可 靠 供 电, 并 网 与 孤 岛 工 况 稳 定 运 行. 附 录 见 本 刊 网 络 版 (htp://www.aepsginfo. com/aeps/ch/index.aspx). 参 考 文 献 [1] 王 成 山, 武 震, 李 鹏. 微 电 网 关 键 技 术 研 究 [J]. 电 工 技 术 学 报, 214,29(2):1G9. WANG Chengshan, WU Zhen,LI Peng,Research on key technologies of microgrid [J]. Transactions of China ElectrotechnicalSociety,214,29(2):1G9. [2] 鲁 宗 相, 王 彩 霞, 闵 勇, 等. 微 电 网 研 究 综 述 [J]. 电 力 系 统 自 动 化, 27,31(19):1G17. LUZongxiang,WANGCaixia,MIN Yong,etal.Overviewon microgridresearch[j].automationofelectricpowersystems, 27,31(19):1G17. [3]LIQing,XU Zhao,YANG Li.Recentadvancementsonthe developmentof microgrids [J].Journal of Modern Power SystemsandCleanEnergy,214,2(3):26G211. [4] 马 艺 玮, 杨 苹, 王 月 武, 等. 微 电 网 典 型 特 征 及 关 键 技 术 [J]. 电 力 系 统 自 动 化, 215, 39(8): 168G174.DOI: 1.75/ AEPS214982. MA Yiwei, YANG Ping, WANG Yuewu,et al.typical characteristics and key technologies of microgrid [J]. AutomationofElectricPowerSystems,215,39(8):168G174. DOI:1.75/AEPS214982. [5]LI Yunwei, NEJABATKHAH F. Overview of control, intergrationandenergy managementofmicrogrids[j].journal of Modern Power Systemsand Clean Energy,214,2(3): 212G222. [6]WANGChengshan,LIXialin,GUO Li.Aseamlessoperation modetransition control strategy for a microgrid based on mastergslavecontrol[c]// 31stChinese ControlConference, JulyG27,212,Hefei,China:6748G6775. [7]CHEN Xin, WANG Yanhong, WANG Yuncheng.A novel seamlesstransferringcontrol methodfor microgrid based on mastergslaveconfiguration[c]//ecceasiadownunder(ecce Asia),June2G6,213,Melbourne,Australia:351G356. [8] 佟 云 剑, 沈 健, 刘 鸿 鹏, 等. 光 伏 发 电 系 统 运 行 模 式 无 缝 切 换 控 制 策 略 [J]. 电 网 技 术,214,38(1):2794G281. TONGYunjian,SHENJian,LIU Hongpeng,etal.Aseamless switchingcontrolstrategyforoperating modesofphotovoltaic generation system [J].Power System Technology,214, 38(1):2794G281. [9] 陈 杰, 陈 新, 冯 志 阳, 等. 微 网 系 统 并 网 / 孤 岛 运 行 模 式 无 缝 切 换 控 制 策 略 [J]. 中 国 电 机 工 程 学 报,214,34(19):389G397. CHEN Jie,CHEN Xin,FENG Zhiyang,etal.A control strategy of seamless transfer between gridgconnected and islandingoperationformicrogrid[j].proceedingsofthecsee, 214,34(19):389G397. [1] 唐 西 胜, 邓 卫, 齐 志 平. 基 于 储 能 的 微 网 并 网 / 离 网 无 缝 切 换 技 术 [J]. 电 工 技 术 学 报,211,26(1):279G284. TANG Xisheng,DENG Wei,QIZhiping.ResearchongridG connected/islandedseamlesstransitionof microgridbasedon energystorage[j].transactions of China Electrotechnical Society,211,26(1):279G284. 88
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