卞在平，王鑫，王小明

(1.中國電建集團海南電力設計研究院有限公司，?？?571100； 2. 國網安徽省電力公司電力科學研究院， 合肥 230000)

0 引言

部分地區(qū)由于受地域影響，當地配電系統(tǒng)無法直接與大電網相連，長期采用微電網方式進行供電。但隨著當地電網發(fā)展及負荷重要性不斷提高，電網建設已延伸至當地配網[1]，從而需要對該類地區(qū)進行改造，完成由原離網運行方式向并網運行方式的順利過渡，并能保證在大電網切斷時，當地電網仍能繼續(xù)孤島運行[2-3]。

目前很多文獻提出了微電網的控制策略和思路，文獻[4]提出了分層控制方式，減少電流總諧波畸變率的產生，降低微電網在并網瞬間受諧波電流的沖擊。文獻[5]提出了一種抑制光伏并網電壓突升方法。文獻[6]提出了一種微電網暫態(tài)電壓控制策略，分析了當微電網發(fā)生故障時，不同類型電動機對微電網暫態(tài)電壓產生的影響。以上成果對微電網并離網控制策略提供了豐富的理論支撐，但是較少文獻從微電網并入大電網的實際改造原理和控制方法論述配網側微電網改造設計方法。

儲能雙向換流器和并網切換開關為微電網并離網切換的執(zhí)行機構，微網中央控制器為并離網切換控制策的載體，微網中央控制器在儲能雙向換流器的配合下，按策略合理控制并網開關的動作，可以實現(xiàn)不同運行狀態(tài)的平滑過渡和轉換，對微電網并網或離網運行發(fā)揮關鍵作用。

1 最大功率點跟蹤

風機與光伏板在發(fā)電過程中，其輸出伏安特性隨風速和光照條件的變化而發(fā)生改變，同時輸出功率也會隨著微電網負載的變化而不斷改變，即其輸出功率為隨時間變化的非線性函數。為了達到分布式電源隨風光資源變化保持輸出功率最大狀態(tài)，與大電網或儲能系統(tǒng)所提供的電壓和頻率保持同步，負責電能轉換的逆變器利用最大功率點跟蹤(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，當光照強度增強或風速增大時，直流輸出會由特性曲線1變?yōu)樘匦郧€2，其最大功率點分別在A點和B點。如果負荷不變，當逆變器因外界條件改變而以特性曲線2進行輸出時，會繼續(xù)以A′的值輸出，將偏離最大功率點B，所以需要通過改變負荷曲線來使輸出穩(wěn)定在負荷曲線2的B點處。如果光照減弱或風速減少，功率輸出將由B點移至B′，同樣需要通過改變負荷曲線，將最大功率點移至A點處。

圖1 MPPT控制的基本原理

改變負荷曲線的方法通常采用串聯(lián)阻抗變換器的方法，利用調節(jié)阻抗變換器接入開關的占空比來實現(xiàn)負荷特性曲線的調整，其常用的方法有恒壓法、擾動觀察法、電導增量法等等，其特點各異，限于篇幅不在此累述[8]。

2 微電網控制策略

對于配有儲能系統(tǒng)的微電網，雙向儲能換流器(PCS)成為了微電網可以正常并離網切換的重要組成。本系統(tǒng)中利用PCS雙向換流對蓄電池進行放電和充電操作，當前有很多文獻對PCS的控制策略進行了理論研究，其可以實現(xiàn)并網點恒功率控制、無功功率調節(jié)、V/f控制、并網電壓異常響應、頻率異常響應等功能[9]。

2.1 微電網工作原理

微電網系統(tǒng)主要分為并網運行和離網運行兩種模式，當處于離網運行時，PCS對儲能蓄電池進行放電，其放電功率的大小取決于負荷側的實際需求，由于本系統(tǒng)中分布式發(fā)電容量較小，當脫離大電網獨立運行時，不會出現(xiàn)多余電能上送的情況。當處于并網運行時，PCS對儲能蓄電池可以進行放電、充電、保持3種工作方式。當蓄電池長時間處于飽和狀態(tài)下時，PCS需要對其進行定期維護，進行恒功率放電。當蓄電池電量較低時，PCS需要對其進行恒功率充電。不屬于以上兩種情況時，則PCS處于待機狀態(tài)。

PCS在并網狀態(tài)下對儲能蓄電池進行放電時的邏輯原理如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)雙向儲能換流器PCS的邏輯結構同光伏逆變器的邏輯結構類似。當儲能蓄電池在并網狀態(tài)下進行放電時，由PCS進行切換使其工作于定功率逆變狀態(tài)下，蓄電池電壓會不斷下降，在跟蹤相角的同時將三相輸出電流經過dq變換出id和iq，進行差值計算后同樣最終得到觸發(fā)逆變器進行逆變的觸發(fā)角，其與光伏逆變器的工作原理相類似，不再贅述。

圖2 PCS主電路拓撲及并網逆變運行時的控制原理

當PCS運行于并網整流時，也就是充電模式的時候，只需要將Iq的符號變換為負值即可。當PCS運行于離網逆變時，PCS輸出端的電壓經由dq變換分別得到id、iq、ed、eq，其分量與原給定值進行差值比較后經過比例積分運放，其輸出的α與β分量再經SVPWM模塊輸出脈沖，控制電力電子裝置產生380 V/50 Hz的三相交流電壓[10-13]。

2.2 微電網控制方法

在進行離網轉并網操作時，微網中央控制器首先會判斷電網運行狀態(tài)和高級應用壓板狀態(tài)，系統(tǒng)中首先以離轉并使能作為離網轉并網模式轉換觸發(fā)信號，切換模式如圖3所示。

圖3 分布式電源及儲能的控制方法

為了更平滑地使系統(tǒng)與大電網并網，微網中央控制器將參考當前分布式電源及儲能系統(tǒng)的出力情況，合理調整PCS的運行狀態(tài)，使系統(tǒng)處于下垂狀態(tài)，同期控制器與大電網進行同期，當系統(tǒng)完成與大電網電壓頻率的同步后，并滿足最低時間要求，并網斷路器迅速合閘，完成離網轉并網操作。并網轉離網切換邏輯如圖4所示。

圖4 并網轉離網切換邏輯

3 微網切換開關投資成本優(yōu)化

常規(guī)新建微電網項目，負責連接微電網母線與大電網的微網切換開關在項目投資中占很大一部分比例，對于小型微電網系統(tǒng)改造，其主要是在原有配電系統(tǒng)硬件結構上進行改造。

電力電子式的靜態(tài)微網切換開關具有成本高(見表1)、體積大的缺點，本文為了節(jié)約建設成本，經過反復調研，國內某開關廠生產的塑殼斷路器，其具有穩(wěn)定的合閘時間，經過試驗確定其并網同期的導前時間和導前角后，即可實現(xiàn)計劃性無縫離轉并操作。對于市電突發(fā)性失電情況，微網中央控制器經過一定的邏輯判斷，即可自行黑啟動進行供電工作。對于檢修計劃性停電，可以實現(xiàn)計劃性無縫離轉并操作。

表1 切換開關選型對比表

本系統(tǒng)采用帶有電動操作機構的塑殼斷路器，型號為CM5-250，額定電流250 A，其具有以下特點。

(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，需要額外對柜體改造。

(2)價格經濟。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)后期維護方便。更換成本低，制造技術成熟，便于維護；電力電子式靜態(tài)斷路器更換成本很高，技術更新?lián)Q代快，不便維護。

4 離網轉并網切換

圖5所示利用后臺進行離轉并操作，切換前微網母線電壓和市電電壓平滑運行，在200 ms處進行切換，切換瞬間，市電電壓略有下降，微網母線電壓在雙向儲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)，順利完成離網轉并網的切換控制。

圖5 離網轉并網切換監(jiān)測波形

5 結論

本文分析了微電網技術特點，研究了微電網的控制方法，提出由離網系統(tǒng)平滑過渡到并網系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，從改造成本和改造性能兩方面對切換開關改造的經濟性進行分析，采用快速塑殼斷路器作為切換開關的改造設計方法，該方法適用于對原有配電系統(tǒng)進行改造且微電網容量較小的微電網系統(tǒng)，結果表明在微網控制器的配合下，可以合理與大電網進行同期，實現(xiàn)計劃性無縫離轉并操作。