田 兵，毛承雄，陸繼明，王 丹，陳 迅，曾 杰

（1.華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢430074；3.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州510600）

微網(wǎng)作為電力系統(tǒng)可控的“細(xì)胞”，并網(wǎng)/離網(wǎng)切換是其基本功能[1-3]，微網(wǎng)中的儲(chǔ)能電源在并網(wǎng)時(shí)控制微網(wǎng)與電力系統(tǒng)的能量交換，離網(wǎng)時(shí)保障微網(wǎng)中敏感負(fù)荷的供電，儲(chǔ)能電源的并網(wǎng)/離網(wǎng)切換動(dòng)態(tài)過程直接影響到敏感負(fù)荷的供電質(zhì)量。目前，圍繞微網(wǎng)無縫切換技術(shù)已開展大量研究[4-10]。由于并網(wǎng)/離網(wǎng)轉(zhuǎn)換前后控制對(duì)象發(fā)生變化，并網(wǎng)狀態(tài)和離網(wǎng)狀態(tài)控制策略的不同，電網(wǎng)故障時(shí)不能快速脫網(wǎng)，因此切換過渡過程較長，沖擊較大，對(duì)敏感負(fù)荷的供電質(zhì)量也有較大影響。文獻(xiàn)[11]分析了切換過渡過程并提出一種電壓電流加權(quán)控制策略，有效抑制了切換過程電流沖擊，但過渡過程較長；文獻(xiàn)[12]提出一種采用abc 坐標(biāo)系控制的切換方法，將切換過程分成4 個(gè)階段，也能有效地減小切換沖擊，但階段較多，增加了控制復(fù)雜性，電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)不能快速脫網(wǎng)。

本文建立了儲(chǔ)能逆變器在并網(wǎng)和離網(wǎng)情況下的控制系統(tǒng)模型，并討論了并網(wǎng)/離網(wǎng)切換控制方法。在電網(wǎng)電壓正常情況下若需要主動(dòng)離網(wǎng)切換，則采取并網(wǎng)固態(tài)開關(guān)分?jǐn)嗲澳孀兤髦鸩匠袚?dān)全部敏感負(fù)荷功率的方法，以減小切換過渡過程；對(duì)于電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)被動(dòng)離網(wǎng)，則采用滯環(huán)電流控制的切換方法，加速逆變器脫網(wǎng)，減小對(duì)敏感負(fù)荷的沖擊。并網(wǎng)切換時(shí)，若存在初始相位差，采用頻率滑差的方法實(shí)現(xiàn)零相位差無縫切換。最后，在Matlab/Simulink 環(huán)境中建立了系統(tǒng)模型，對(duì)不同的轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了切換控制策略的有效性和可行性。

1 控制系統(tǒng)模型

儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。儲(chǔ)能裝置采用蓄電池組；由開關(guān)管T1、T2、電感Ld，以及直流電容Cd構(gòu)成Buck/Boost 變換器；VT1～VT6構(gòu)成三相電壓源型逆變器；L、C 構(gòu)成濾波器，R 為電感內(nèi)阻，帶敏感負(fù)荷Z，經(jīng)過反并聯(lián)晶閘管開關(guān)S1、S2、S3與電網(wǎng)連接。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of energy storage system

儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)正常情況下工作于并網(wǎng)模式，作為電網(wǎng)可調(diào)度負(fù)荷，補(bǔ)償本地?zé)o功負(fù)荷，使系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)呈現(xiàn)單位功率因數(shù)；在電網(wǎng)需要檢修或異常情況下，固態(tài)開關(guān)S1～S3迅速斷開，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作于離網(wǎng)模式，保障本地敏感負(fù)荷的供電；電網(wǎng)恢復(fù)正常后，閉合固態(tài)開關(guān)，恢復(fù)到并網(wǎng)工作模式。

1.1 并網(wǎng)模型

在電網(wǎng)電壓正常情況下，并網(wǎng)固態(tài)開關(guān)閉合，儲(chǔ)能工作于并網(wǎng)模式，其輸出電壓由電網(wǎng)給定，即ue，k=ek，k=a，b，c。通常電網(wǎng)容量遠(yuǎn)大于變換器容量，因此在并網(wǎng)模式下，濾波電容及負(fù)荷的影響可忽略。通過控制輸出電感電流來控制其與電網(wǎng)的有功和無功交換。

根據(jù)圖1 所示電流方向，在三相靜止坐標(biāo)系下建立儲(chǔ)能逆變器方程，即

為簡(jiǎn)化控制，將式（1）變換到dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，選取電網(wǎng)電壓合成矢量為d 軸，則變換矩陣為

則在dq 坐標(biāo)系下有

因此，由于濾波電感的存在，逆變器在dq 坐標(biāo)系下是耦合的。采用雙閉環(huán)前饋解耦控制系統(tǒng)仿真模型如圖2 所示。電流內(nèi)環(huán)控制電感電流，d軸直流電壓外環(huán)穩(wěn)定逆變器直流側(cè)電壓，q 軸電網(wǎng)無功電流外環(huán)保證系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)呈現(xiàn)單位功率因數(shù)。

圖2 逆變器并網(wǎng)控制仿真模型Fig.2 Simulation model of controling for inverter connected to grid

1.2 離網(wǎng)模型

在離網(wǎng)情況下，負(fù)荷端電壓由逆變器維持，控制模型需考慮濾波電容和負(fù)荷的影響。采用雙閉環(huán)前饋解耦控制仿真模型如圖3 所示。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與并網(wǎng)時(shí)一致。電感電流內(nèi)環(huán)提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，并具有限流作用，d 軸電容電壓外環(huán)保障負(fù)荷端電壓質(zhì)量，q 軸電壓外環(huán)給定值為0，保證從并網(wǎng)切換到離網(wǎng)后負(fù)載電壓相位不變。而逆變器直流側(cè)電壓由蓄電池及Buck/Boost 電路維持。在電感電流方程基礎(chǔ)上濾波電容電壓方程為

圖3 逆變器離網(wǎng)控制仿真模型Fig.3 Simulation model of controlling for inverter disconnected to grid

由KCL 定律得

2 并網(wǎng)/離網(wǎng)切換控制

切換控制包括離網(wǎng)和并網(wǎng)兩部分，而離網(wǎng)切換又分主動(dòng)離網(wǎng)和被動(dòng)離網(wǎng)。主動(dòng)離網(wǎng)是指微網(wǎng)根據(jù)自身情況主動(dòng)與電網(wǎng)分離；被動(dòng)離網(wǎng)是指電網(wǎng)發(fā)生故障，微網(wǎng)被迫與電網(wǎng)分離。

2.1 主動(dòng)離網(wǎng)切換控制

主動(dòng)離網(wǎng)切換控制是在電網(wǎng)電壓正常情況下進(jìn)行的，例如配電網(wǎng)檢修。切換過程分3 個(gè)階段完成，如圖4 所示，圖中iinv=iL-iC為逆變器輸出電流。假定切換前儲(chǔ)能裝置釋放能量，則負(fù)荷功率由電網(wǎng)和逆變器共同承擔(dān)。當(dāng)需要主動(dòng)離網(wǎng)時(shí)，控制器控制Buck/Boost 電路維持直流母線電壓為額定值，在圖2 中i*Ld不再由直流母線電壓環(huán)給出，而是由控制器直接給定，且從接收到轉(zhuǎn)換命令后的初始值開始線性增加，并不斷檢測(cè)電網(wǎng)電流，直至電網(wǎng)電流減小到0，增加的斜率不應(yīng)過小使轉(zhuǎn)換過程過長，也不應(yīng)過大使控制器不能跟隨指令電流。當(dāng)電網(wǎng)電流下降至0 時(shí)自然斷開，此時(shí)撤消固態(tài)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將控制器轉(zhuǎn)換到離網(wǎng)運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)無縫切換。切換過程的中間階段電網(wǎng)沒有退出，仍然給負(fù)荷提供電壓支撐，以減小切換過程對(duì)負(fù)荷端電壓的影響；否則，由于控制器切換后需要調(diào)節(jié)時(shí)間，調(diào)節(jié)過程中負(fù)荷端電壓質(zhì)量難以保證。

圖4 逆變器主動(dòng)離網(wǎng)過程Fig.4 Active process for inventer tranferring from grid-connected to grid-disconnected

2.2 被動(dòng)離網(wǎng)切換控制

被動(dòng)離網(wǎng)是指電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)為保護(hù)微網(wǎng)而自身被迫與電網(wǎng)斷開連接，此種情況下電網(wǎng)電壓異常，要求在最短時(shí)間內(nèi)切斷電網(wǎng)，恢復(fù)敏感負(fù)荷的供電。由于晶閘管不能控制關(guān)斷，必須等待電流自然過零，因此負(fù)荷端電壓故障時(shí)間較長，為加速晶閘管的關(guān)斷，縮短過渡過程，減小對(duì)負(fù)荷的影響，采用滯環(huán)電流控制的方法迫使電網(wǎng)電流迅速回零，其切換過程如圖5 所示。切換過程分為3 個(gè)階段，假設(shè)電網(wǎng)在t1時(shí)刻發(fā)生故障，控制系統(tǒng)在t2時(shí)刻檢測(cè)到故障信號(hào)，同時(shí)撤消晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，（t2-t1）為檢測(cè)時(shí)間；在t2時(shí)刻以前，采用并網(wǎng)模式控制器，此后，切換到滯環(huán)電流控制模式，其電流指令值為負(fù)荷電流iZ，根據(jù)KCL 定律，若控制使得iinv=iZ，則電網(wǎng)電流ig=0，由于滯環(huán)電流控制快速跟蹤電流，能夠加速電網(wǎng)電流回零，使晶閘管開關(guān)關(guān)斷；在t3時(shí)刻控制系統(tǒng)檢測(cè)到晶閘管關(guān)斷，迅速將控制器切換到離網(wǎng)工作模式，切換過程完成。實(shí)際系統(tǒng)中，采用定頻滯環(huán)電流控制固定功率器件的開關(guān)頻率，由于變換器在該模式下工作時(shí)間只有幾ms，因此開關(guān)損耗不是主要矛盾，可設(shè)置一個(gè)較小的電流環(huán)寬。

圖5 逆變器被動(dòng)離網(wǎng)過程Fig.5 Passive process for inventer tranferring from grid-connected to grid-disconnected

2.3 并網(wǎng)切換控制

在電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，需要將儲(chǔ)能裝置從離網(wǎng)狀態(tài)恢復(fù)到并網(wǎng)狀態(tài)。恢復(fù)后的電網(wǎng)電壓幅值、頻率和相位可能與逆變器輸出電壓的不同。幅值和頻率差別一般不大，而相位可能相差較大，因此控制系統(tǒng)需要檢測(cè)電網(wǎng)電壓相位。若與逆變器輸出電壓相差不足而導(dǎo)致沖擊電流，則可以直接觸發(fā)S1～S3導(dǎo)通完成并網(wǎng)；若相差較大，直接并網(wǎng)將產(chǎn)生沖擊電流，嚴(yán)重時(shí)可能損壞設(shè)備。為了使電網(wǎng)電壓與逆變器輸出電壓同相位，采取調(diào)整逆變器輸出電壓頻率的方法，電壓頻率的調(diào)節(jié)范圍應(yīng)符合電能質(zhì)量關(guān)于頻率的相關(guān)規(guī)定，主動(dòng)調(diào)整其相位使之與電網(wǎng)電壓相同，然后再切換。例如電網(wǎng)和逆變器初始輸出電壓頻率均為50 Hz，相位差180°，現(xiàn)將逆變器輸出頻率調(diào)整為50.5 Hz，若忽略調(diào)整頻率時(shí)相位的突變，則經(jīng)過t=180/[（50.5-50）×360]=1 s 后，電網(wǎng)電壓與逆變器輸出電壓同相，此時(shí)觸發(fā)S1～S3導(dǎo)通，逆變器切換到并網(wǎng)運(yùn)行模式，完成轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)仿真研究

本文在Matlab/Simulink 環(huán)境下建立了5 kV·A系統(tǒng)模型，模型參數(shù)為：額定線電壓400 V，線路阻抗為（0.5+j0.1）Ω，負(fù)荷為5 kV·A 阻感負(fù)荷，cos φ=0.85，儲(chǔ)能裝置額定電壓480 V，額定容量288 kC，初始荷電狀態(tài)SOC 為80%，逆變器直流側(cè)額定電壓750 V，直流母線電容6.8 mF，輸出濾波電感10 mH，電感內(nèi)阻0.35 Ω，濾波電容22 μF，開關(guān)頻率10 kHz。

3.1 主動(dòng)離網(wǎng)切換

轉(zhuǎn)換前電網(wǎng)電壓正常，儲(chǔ)能變換器工作于并網(wǎng)模式，電網(wǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)共同提供負(fù)荷電流。在t1=0.25 s 時(shí)，要求儲(chǔ)能變換器由并網(wǎng)狀態(tài)切換到離網(wǎng)狀態(tài)，切換過程的波形如圖6 所示。

圖6 儲(chǔ)能變換器主動(dòng)離網(wǎng)切換波形Fig.6 Waves of energy storage system for active transferring fromgrid-connectedtogriddisconnected

從圖6 可以看出，在轉(zhuǎn)換指令信號(hào)有效后（STS=1），儲(chǔ)能系統(tǒng)逐漸增大輸出功率，輸出電流增大；并網(wǎng)電流逐漸減小，當(dāng)減小到一定程度時(shí)（t2=0.303 s），撤消晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)（SDRV=0），晶閘管幾乎在撤消驅(qū)動(dòng)的同時(shí)斷開（SOFF=1），逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)殡x網(wǎng)狀態(tài)，提供全部負(fù)荷電流，此時(shí)將控制器切換到離網(wǎng)模式，很大程度上減小了過渡過程，因此對(duì)負(fù)荷端電壓影響很小。

3.2 被動(dòng)離網(wǎng)切換

電網(wǎng)故障后，儲(chǔ)能變換器應(yīng)盡快脫離電網(wǎng)，以保障敏感負(fù)荷的供電。圖7 為電網(wǎng)a 相發(fā)生電壓跌落時(shí)的切換波形，其中圖7（a）～圖7（e）為采用傳統(tǒng)等待晶閘管續(xù)流結(jié)束斷開電網(wǎng)的切換過程波形，圖7（f）～圖7（i）為采用本文提出的采用滯環(huán)電流加速斷開的切換波形。

圖7 單相電壓跌落離網(wǎng)切換波形Fig.7 Waves of single-phase voltage transferring from grid-connected state to grid-disconnected state during single phase voltage drop

從圖7 可以看出，單相電壓跌落發(fā)生在t1=0.300 s 時(shí)刻，在t2=0.301 667 s 時(shí)檢測(cè)到故障，并撤消晶閘管驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)時(shí)間為1.667 ms。采用傳統(tǒng)切換方法時(shí)，晶閘管續(xù)流3.2 ms 后斷開（SOFF=1），最嚴(yán)重的情況可能持續(xù)半個(gè)周期（10 ms），而采用滯環(huán)電流方法的續(xù)流時(shí)間僅為0.8 ms，加速與電網(wǎng)分離，縮短了切換過程，減小了切換對(duì)負(fù)荷的影響。

圖8 電網(wǎng)短路故障切換波形Fig.8 Waveforms of transfer in grid short fault condition

圖8為電網(wǎng)兩相相間短路和三相對(duì)地短路被動(dòng)離網(wǎng)切換波形，其中圖8 分別為a、b 兩相相間短路被動(dòng)離網(wǎng)切換波形和三相對(duì)地短路被動(dòng)離網(wǎng)切換波形。在切換過程中均有震蕩及過電流現(xiàn)象，主要是由于電網(wǎng)斷開前儲(chǔ)能逆變器輸出濾波電容經(jīng)過線路阻抗對(duì)短路點(diǎn)放電產(chǎn)生的。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可考慮采取LCL 濾波器消除該現(xiàn)象。由圖8 可見，采用滯環(huán)電流加速切換方法能夠加速電網(wǎng)斷開，縮短切換過渡過程，減小對(duì)負(fù)荷的影響。

3.3 并網(wǎng)切換

電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，儲(chǔ)能變換器將從離網(wǎng)模式切換到并網(wǎng)模式。電網(wǎng)已恢復(fù)正常，并在t=0.1 s 時(shí)發(fā)出并網(wǎng)切換命令，電網(wǎng)電壓與負(fù)荷端電壓初始相角差為10°。切換波形如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)從離網(wǎng)狀態(tài)切換到并網(wǎng)狀態(tài)的波形Fig.9 Waves of energy storage system transferring from grid-disconnected state to grid-connected state

從圖9 可以看出，當(dāng)接收到并網(wǎng)指令后，由于逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓存在相位差，并沒有立即導(dǎo)通固態(tài)開關(guān)，而是調(diào)整逆變器輸出頻率，減小相位差，當(dāng)相位差接近0 時(shí)才切換。由此表明并網(wǎng)切換平滑無沖擊，對(duì)負(fù)荷幾乎無影響。

4 結(jié)語

為減小微網(wǎng)中儲(chǔ)能變換器并網(wǎng)/離網(wǎng)切換時(shí)對(duì)敏感負(fù)荷的影響，本文研究了不同情況下的切換控制策略。對(duì)于主動(dòng)離網(wǎng)切換，逆變器在并網(wǎng)固態(tài)開關(guān)斷開前逐漸承擔(dān)全部負(fù)荷功率，能夠有效減小過渡過程，減小對(duì)敏感負(fù)荷的影響；對(duì)于被動(dòng)離網(wǎng)切換，采用滯環(huán)電流控制方法能夠加速電網(wǎng)脫離，縮短切換過渡過程；對(duì)于存在初始相位差的并網(wǎng)切換，采取調(diào)整逆變器輸出頻率縮小相位差的方法能夠有效地減小并網(wǎng)沖擊。仿真表明上述3種切換過程實(shí)現(xiàn)了無縫無沖擊切換。

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