張程翔，汪科 ，陸瑩，賀軍

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014）

十三五期間，我國非化石能源消費(fèi)占比已達(dá)15%以上，新能源發(fā)展重心由集中式光伏電站向分布式光伏全面推進(jìn)[1-2]，但分布式光伏過快的裝機(jī)增量給電網(wǎng)帶來的隨機(jī)性與間歇性，使其消納成為難點(diǎn)問題。儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活，能有效應(yīng)對(duì)光伏的隨機(jī)出力[3-5]，并可對(duì)負(fù)荷曲線削峰填谷，搭配分布式光伏構(gòu)建成微電網(wǎng)系統(tǒng)，成為提高配網(wǎng)側(cè)分布式能源滲透率的有效運(yùn)行方式[6-8]。因此，在當(dāng)前分布式光伏急速增長的時(shí)期，研究含光儲(chǔ)的微電網(wǎng)系統(tǒng)具有重要意義。

微電網(wǎng)系統(tǒng)并/離網(wǎng)平滑切換是其運(yùn)行中的關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)外專家學(xué)者已就此做出諸多研究。文獻(xiàn)[9-10]基于相位預(yù)同步控制策略，將VF控制與PQ控制相互閉環(huán)跟蹤，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)離/并網(wǎng)轉(zhuǎn)換瞬間儲(chǔ)能變流器的平滑切換。文獻(xiàn)[11]提出一種可同時(shí)適用于直流與交流微電網(wǎng)的改進(jìn)型電壓外環(huán)調(diào)節(jié)方法，在并/離網(wǎng)切換前重置PI調(diào)節(jié)器輸出需求，較好地解決了切換瞬間交、直流母線電壓波動(dòng)的問題。文獻(xiàn)[12]將儲(chǔ)能變流器電流內(nèi)環(huán)輸出反饋給電壓環(huán)，并利用軟件鎖相方法使微電網(wǎng)模式切換前后電壓外環(huán)穩(wěn)態(tài)輸出保持不變，從而維持母線電壓恒定。文獻(xiàn)[13]對(duì)非計(jì)劃離網(wǎng)時(shí)的儲(chǔ)能電壓采用積分控制，可適用于主從控制與對(duì)等控制結(jié)合的光儲(chǔ)微電網(wǎng)并/離網(wǎng)平滑切換。文獻(xiàn)[14]用線性自抗擾控制器替代主控單元電壓外環(huán)控制器，對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，并主動(dòng)補(bǔ)償電流內(nèi)環(huán)參考值，達(dá)到快速消除微電網(wǎng)非計(jì)劃離網(wǎng)過程中擾動(dòng)的效果，但文章未對(duì)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)過程進(jìn)行研究。此外，上述研究均將主控單元變流器理想化，未考慮實(shí)際工程中各分系統(tǒng)內(nèi)部、分系統(tǒng)之間延時(shí)對(duì)微電網(wǎng)離/并網(wǎng)切換過程造成的影響。

以浙江某分布式能源示范工程為依托，對(duì)光儲(chǔ)微電網(wǎng)進(jìn)行并/離網(wǎng)切換試驗(yàn)。結(jié)果驗(yàn)證該光儲(chǔ)微電網(wǎng)在并/離網(wǎng)模式之間相互切換時(shí)電壓無明顯波動(dòng)且超調(diào)時(shí)間短。但觀察錄波裝置發(fā)現(xiàn)，即使并網(wǎng)后微電網(wǎng)內(nèi)部存在功率缺額，儲(chǔ)能主變流器仍自發(fā)地由放電狀態(tài)切換為充電狀態(tài)，隨后觸發(fā)限功率運(yùn)行，進(jìn)一步增大了聯(lián)絡(luò)線上的負(fù)荷壓力，折損設(shè)備使用壽命，而且存在安全隱患。通過建立儲(chǔ)能系統(tǒng)等效模型與理論分析，確定此異常運(yùn)行原因?yàn)榉窒到y(tǒng)內(nèi)部及分系統(tǒng)之間的各類工程延時(shí)。針對(duì)儲(chǔ)能運(yùn)行模式自發(fā)切換與功率波動(dòng)采取改進(jìn)對(duì)策，可有效提升此工程運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

此示范工程在原380 V配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)建，新增一條380 V交流母線，將原系統(tǒng)中部分辦公負(fù)荷、空調(diào)負(fù)荷、設(shè)備電源負(fù)荷改接至新母線，并增設(shè)晶硅光伏與集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)。通過分/合同期裝置的進(jìn)線開關(guān)實(shí)現(xiàn)與配網(wǎng)的并網(wǎng)或隔離，由此構(gòu)建含光儲(chǔ)的微電網(wǎng)系統(tǒng)，其拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 新增弁電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 The topology of new microgrid system

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)兩組電池堆并行運(yùn)行，分別經(jīng)兩臺(tái)功率變換系統(tǒng)（power conversion sys?tem，PCS）接入380 V微電網(wǎng)交流母線。每堆電池中三簇電池簇通過匯流柜并聯(lián)，每簇均由19個(gè)電池模塊依次首尾串聯(lián)構(gòu)成，儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖中，PCS包含AC/DC雙向變流器與控制單元。在儲(chǔ)能系統(tǒng)交流斷路器母線側(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)母線電壓與PCS輸出電流，并通過錄波裝置記錄微電網(wǎng)并/離網(wǎng)切換瞬間的波形圖。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure chart of energy storage system

儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)如下：額定功率250×2 kW；額定容量525.3×2 kW·h；直流電壓上限900 V，下限580 V；額定電流367×2 A；功率因數(shù)-0.99～0.99。

1.3 微電網(wǎng)控制策略

微電網(wǎng)采用主從控制策略：并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)與晶硅光伏均采用PQ控制；離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)一臺(tái)以VF控制運(yùn)行的主PCS為微電網(wǎng)提供電壓、頻率基準(zhǔn)，另一臺(tái)PCS與光伏逆變器繼續(xù)保持PQ控制運(yùn)行。

當(dāng)微電網(wǎng)需離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)采用分散控制。率先指定一臺(tái)主PCS切換至VF控制并待機(jī)，另一臺(tái)輔PCS繼續(xù)以PQ控制運(yùn)行，隨后分進(jìn)線開關(guān)；當(dāng)離網(wǎng)微電網(wǎng)向配電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)，集控站采用順控并網(wǎng)操作，流程如圖3所示。圖中ECS（electrical control system）為電氣控制系統(tǒng)。

圖3 離網(wǎng)弁電網(wǎng)順控并網(wǎng)流程圖Fig.3 The flow diagram of sequential control when off-grid microgrid connects to grid

2 微電網(wǎng)并/離網(wǎng)切換

微電網(wǎng)作為消納分布式新能源的重要載體，其并/離網(wǎng)切換是運(yùn)行中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)本工程微電網(wǎng)進(jìn)行并/離網(wǎng)切換試驗(yàn)，檢驗(yàn)切換過程是否平滑，且儲(chǔ)能系統(tǒng)是否具備支撐微電網(wǎng)短時(shí)離網(wǎng)運(yùn)行的能力。

微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)試驗(yàn)前設(shè)定儲(chǔ)能1#PCS為VF控制并待機(jī)，2#PCS為PQ控制，放電功率Ppcs2=50 kW，晶硅光伏采用最大功率點(diǎn)跟蹤法確定其出力Ppv。設(shè)置1#PCS在離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)后切換回PQ控制，放電功率為0 kW。試驗(yàn)中微電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷工況以及聯(lián)絡(luò)線上功率如下：光伏發(fā)電Ppv=11.6 kW，辦公負(fù)荷PLwork=14.7 kW，空調(diào)負(fù)荷PLvrv=107.6 kW，設(shè)備負(fù)荷PLdevice=12.1 kW，聯(lián)絡(luò)線功率Pline=72.7 kW。故微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)總負(fù)荷PL=PLwork+PLvrv+PLdevice=134.4 kW，總電源PG=Ppv+Ppcs2=61.6 kW。易得微電網(wǎng)仍需通過聯(lián)絡(luò)線從配網(wǎng)吸收功率Pline=72.7 kW。

2.1 微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)運(yùn)行

微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)瞬間，交流母線三相電壓有微弱波動(dòng)，幅值衰減9.34%，持續(xù)0.143 s后波形立即恢復(fù)正常，如圖4所示。此外，離網(wǎng)瞬間微電網(wǎng)失去了聯(lián)絡(luò)線功率，1#PCS還需承擔(dān)微電網(wǎng)內(nèi)部功率缺額，因此放電電流呈現(xiàn)暫態(tài)尖峰但迅速穩(wěn)定。以a相為例，波形如圖5所示。

圖4 并轉(zhuǎn)離瞬間弁電網(wǎng)交流母線電壓波廝Fig.4 AC bus voltage at the instant of on-grid microgrid to off-grid

圖5 并轉(zhuǎn)離瞬間1#PCS電流波廝圖Fig.5 1#PCS current at the instant of on-grid microgrid to off-grid

由圖4與圖5易得，微電網(wǎng)可由并網(wǎng)向離網(wǎng)平滑切換，且能穩(wěn)定離網(wǎng)帶載運(yùn)行。

2.2 微電網(wǎng)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)運(yùn)行

離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)瞬間交流母線電壓波形如圖6所示，保持2#PCS放電功率不變，離網(wǎng)微電網(wǎng)通過順控操作并網(wǎng)，電壓波形在并網(wǎng)前后無明顯波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無縫切換。

圖6 離轉(zhuǎn)并瞬間交流母線電壓波廝Fig.6 AC bus voltage at the instant of off-grid microgrid to on-grid（phase a）

但錄波裝置顯示，微電網(wǎng)進(jìn)線開關(guān)合閘后，儲(chǔ)能主PCS電流先降低，隨后顯著增長，最終穩(wěn)定在額定電流。圖7為離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)瞬間1#PCS電流波形，當(dāng)順控并網(wǎng)流程結(jié)束，且1#PCS從VF控制切換回PQ控制后，ia才回落至正常值，整個(gè)過程持續(xù)4.153 s。因此，微電網(wǎng)雖可以平滑并網(wǎng)，但1#PCS電流自發(fā)性驟升，導(dǎo)致儲(chǔ)能功率異常升高，最終觸發(fā)限功率運(yùn)行，屬于非正常運(yùn)行狀況。

圖7 離轉(zhuǎn)并瞬間1#PCS電流波廝Fig.7 1#PCS current at the instant of off-grid microgrid to on-grid

3 儲(chǔ)能變流器功率波動(dòng)研究

為探究儲(chǔ)能功率波動(dòng)的原因，進(jìn)一步分析微電網(wǎng)并網(wǎng)后母線電壓與1#PCS電流相位關(guān)系，以a相為例，電流衰減時(shí)和電流增長時(shí)交流母線側(cè)波形分別如圖8、圖9所示。

圖8 電流衰減時(shí)交流母線側(cè)a相波廝圖Fig.8 Phase a waveforms at AC bus-side when current attenuation

圖8中微電網(wǎng)并網(wǎng)前，因內(nèi)部功率需實(shí)時(shí)平衡，儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行在放電模式。此時(shí)母線電壓與1#PCS電流反向，相位差接近180°。并網(wǎng)后交流母線電壓無波動(dòng)，1#PCS電流逐漸減小，但與母線電壓相位差保持不變，說明此階段中儲(chǔ)能系統(tǒng)仍處在放電模式。當(dāng)電流穿越最低點(diǎn)開始升高時(shí)，圖9顯示1#PCS電流相位接近改變180°，開始略滯后于母線電壓。由此，1#PCS從放電模式轉(zhuǎn)換為充電模式，同時(shí)電流逐漸增加，導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線功率進(jìn)一步升高。

圖9 電流增長時(shí)交流母線側(cè)a相波廝圖Fig.9 Phase a waveforms at AC bus-side when current growth

儲(chǔ)能系統(tǒng)等效模型如圖10所示。

圖10 1#PCS與380 V交流母線等效電路模型Fig.10 The equivalent model of 1#PCS and 380 V AC bus

故在規(guī)定的電流正方向下，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過PCS向配電系統(tǒng)輸出的三相視在功率S?pcs為

其有功與無功功率P，Q分別為

微電網(wǎng)并網(wǎng)前，同期裝置設(shè)定的準(zhǔn)同期頻率為49.95 Hz，即1#PCS調(diào)整微電網(wǎng)交流母線電壓頻率：

式中：fm為微電網(wǎng)交流母線頻率；fpcs為1#PCS輸出電壓頻率；fg為配網(wǎng)頻率。

圖11 1#PCS充、放電時(shí)輸出電壓與交流母線電壓矢量圖Fig.11 The vector diagram of 1#PCS voltage and AC bus voltage when charging or discharging

4 寅策研究

經(jīng)研究分析，儲(chǔ)能運(yùn)行模式自發(fā)切換與功率波動(dòng)的根本原因在于微電網(wǎng)并網(wǎng)后儲(chǔ)能PCS無法從VF控制及時(shí)更新為PQ控制，由工程中各分系統(tǒng)內(nèi)部延時(shí)與分系統(tǒng)之間的通訊延時(shí)共同導(dǎo)致。試驗(yàn)中雖無保護(hù)動(dòng)作，但儲(chǔ)能系統(tǒng)大電流、限功率運(yùn)行將導(dǎo)致PCS與電池使用壽命下降，甚至存在隔離變壓器與聯(lián)絡(luò)線過熱、保護(hù)誤動(dòng)等安全隱患?？紤]到該工程日后電氣試驗(yàn)多、離/并網(wǎng)切換頻次高，為提升系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟(jì)性，故提出以下對(duì)策：

1）將進(jìn)線開關(guān)位置信號(hào)通過干接點(diǎn)與兩臺(tái)PCS硬連接，則合位信號(hào)無需經(jīng)ECS二次傳遞，直接觸發(fā)主PCS切換回PQ控制模式。通過提升分系統(tǒng)之間指令的傳輸速度，縮短儲(chǔ)能大電流或限功率運(yùn)行的時(shí)間。

2）優(yōu)化PCS軟件計(jì)算能力，精簡(jiǎn)PCS收到進(jìn)線開關(guān)合位信號(hào)以后的計(jì)算與處理時(shí)間，加速下發(fā)控制模式切換指令并提升切換速度。通過減少分系統(tǒng)內(nèi)部延時(shí)進(jìn)一步縮短儲(chǔ)能大電流或限功率運(yùn)行時(shí)間。

依據(jù)上述對(duì)策，改造工程分系統(tǒng)控制與信號(hào)回路，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)軟件進(jìn)行升級(jí)，在相同工況下復(fù)現(xiàn)離網(wǎng)微電網(wǎng)并網(wǎng)試驗(yàn)。采用所提對(duì)策改進(jìn)后與改進(jìn)前1#PCS電流對(duì)比如圖12所示。

圖12 改進(jìn)前后離轉(zhuǎn)并瞬間1#PCS電流（a相）Fig.12 1#PCS current at the instant of off-grid microgrid to on-grid before and after improvement（phase a）

圖12中，在微電網(wǎng)并網(wǎng)0.476 s后，儲(chǔ)能主PCS立即切換回PQ控制并且電流迅速衰減。相較圖7的運(yùn)行狀況，改進(jìn)后儲(chǔ)能系統(tǒng)控制模式切換速度與大電流運(yùn)行時(shí)間均獲得顯著改善，也避免了儲(chǔ)能系統(tǒng)限功率運(yùn)行。

5 結(jié)論

此分布式能源示范工程微電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)并/離網(wǎng)平滑切換，且在儲(chǔ)能額定容量內(nèi)，微電網(wǎng)能穩(wěn)定離網(wǎng)帶載運(yùn)行。但多次離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)試驗(yàn)均出現(xiàn)儲(chǔ)能運(yùn)行模式自發(fā)切換，同時(shí)伴隨大電流充電，最終觸發(fā)限功率運(yùn)行的現(xiàn)象。文章基于工程中各分系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制與儲(chǔ)能PCS工作原理的研究，在分析儲(chǔ)能系統(tǒng)異常運(yùn)行原因后，提出兩條用于縮短儲(chǔ)能大電流運(yùn)行時(shí)間從而避免限功率的對(duì)策，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)改造與升級(jí)后重新進(jìn)行并網(wǎng)試驗(yàn)。結(jié)果驗(yàn)證了所提對(duì)策的正確性與有效性，不僅有利于系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，還可為其他含儲(chǔ)能微電網(wǎng)實(shí)際工程的建設(shè)與調(diào)試提供借鑒與技術(shù)支持。

后續(xù)檢查錄波結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)母線電壓中存在高次諧波分量。故在今后工作中將調(diào)整儲(chǔ)能PCS的控制參數(shù)與濾波電路的硬件參數(shù)，從而改善離網(wǎng)電壓波形。