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主从控制的交直流稳压电源混合微电网如何在多模式运行和切换?

随着直流稳压电源用电设备的逐步增加,交直流稳压电源混合微电网成了新的发展趋势。

本文在分析交直流稳压电源混合微电网的典型结构和基本运行方式的基础上,基于某实际交直流稳压电源混合微电网的抽象模型提出了基于主从控制的包含交直流稳压电源联合并网、交流并网直流稳压电源离网、交直流稳压电源联合离网、交直流稳压电源独立离网等4种子模式的多模式运行方法,并研究了多模式间的切换控制策略。实验结果证明了所提方法的有效性。

由于化石能源的日益枯竭、环境保护压力的不断加大,可再生能源和分布式能源的发展受到空前重视。微电网作为分布式能源的一种接入形式,也得到了迅猛的发展。

随着社会发展的信息化与智能化,本质直流稳压电源用电设备日益增多,已经形成了交流设备和直流稳压电源设备大量共存的局面,在单纯的交流电网或者直流稳压电源电网中均需要多重交直流稳压电源变换来满足分布式电源和负荷的接入需求。

为了减少多重AC/DC或DC/AC变换环节带来的能量损耗、抑制谐波电流以及降低控制复杂度,建设分布式能源友好接入型电网,并提高系统的可靠性和经济性,交直流稳压电源混合供电系统应运而生[1-3]。

在众多交直流稳压电源混合供电系统形式中,交直流稳压电源混合微电网因具有可接入电源和负荷种类多样、用户需求多样化等特点,成为学术界的研究热点[4-11]。

1  交直流稳压电源微电网典型结构与基本运行模式

文献[1]给出了一种并网至交流公共电网的交直流稳压电源混合微电网的典型结构。混合微电网中的三相交流网络,可以是一个低压配电网,通过变压器连接公共电网。交流和直流稳压电源微电网通过一个四象限运行的三相交直流稳压电源换流器连接。

光伏和燃料电池等直流稳压电源电源以及电动汽车和发光二极管等直流稳压电源负荷分别通过DC/DC升压变压器和DC/DC降压变压器连接到直流稳压电源微电网;交流负荷通过快速控制的AC/DC换流器连接到直流稳压电源微电网;蓄电池和超级电容等储能装置通过双向DC/DC换流器连接到直流稳压电源微电网。

风机和小型柴发等交流发电机通过变压器连接到交流微电网;飞轮等交流储能装置通过AC/AC换流器和变压器连接到交流微电网;交流发动机和加热器等交流负荷直接连接至交流网络。

交直流稳压电源混合微电网作为一个整体,有两种基本的运行模式,分别为并网模式和离网模式[8]。

在并网模式下,公共电网作为平衡节点来平衡负荷需求。在这种情况下,混合微电网中的储能装置并不是必须的,而所有的可再生能源可以运行在最大功率跟踪模式,以提供最大的电能。

连接交流和直流稳压电源母线的主换流器的最主要功能是保持交直流稳压电源母线功率交换的平衡,以提供稳定的直流稳压电源母线电压和较少注入公共电网的谐波。

当直流稳压电源侧的负荷功率小于直流稳压电源电源的功率输出时,主换流器工作在逆变模式将功率从直流稳压电源侧传输到交流侧,否则主换流器工作在整流模式,将功率从交流侧传输到直流稳压电源侧。

当混合微电网的总负荷功率小于总电源输出电能时,微电网将把剩余电能注入公共电网,否则混合微电网将接受公共电网的电能。

在离网模式下,储能装置和柴油发电机能够作为能量缓冲以平衡系统的功率盈余或短缺,维持系统的稳定运行。可再生能源的并网换流器根据交流系统的频率和直流稳压电源系统的电压,决定是否运行在最大功率跟踪模式。

当直流稳压电源侧电压或交流侧频率过低时,可再生能源可运行于最大功率跟踪模式,储能装置可工作在放电状态,柴油发电机可增加产生功率输出。

主流器根据交直流稳压电源两侧负荷和能源的状态控制两侧的功率传输。同样,当直流稳压电源侧电压或交流侧频率过高时,这表示该侧的电能盈余,可减少柴油发电机功率输出、控制储能装置工作在充电模式,并根据交直流稳压电源的能源状态控制主换流器传输两侧功率。

如果所有的储能装置储能满充状态,柴油发电机就无功率输出,但交直流稳压电源两侧的电压或频率仍然很高,此时应控制一些可再生能源应该处于限制功率输出状态(包括停机状态)。

2  交直流稳压电源混合微电网运行控制系统

本文拟分析的交直流稳压电源混合微电网结构来源于某实际交直流稳压电源混合微电网示范工程,其运行控制系统分为两层[9],即协调控制层、优化与监控层,如图1所示。图中三种虚线分别表示不同的通信方式。

图1  交直流稳压电源混合微电网典型结构
主从控制的交直流稳压电源混合微电网如何在多模式运行和切换?

2.1  协调控制层

本文中拟分析的交直流稳压电源混合微电网协调控制层由交直流稳压电源混合微电网中央控制器(microgrid central controller, MGCC)和直流稳压电源控制器共同完成。

交直流稳压电源混合微电网中央控制器的主要控制目标是:交直流稳压电源混合微电网孤岛运行时,通过对微电网内各分布式电源和储能系统的运行模式及控制参数进行实时调节,保证系统稳定、可靠运行;并网运行时,根据公共电网的调度机构或者微电网能量管理系统的控制目标对各分布式电源和储能系统进行优化调度[9-10];在公共电网停运或恢复时,控制交直流稳压电源混合微电网在孤网和并网两种运行模式之间进行平滑切换。

直流稳压电源控制器的主要控制目标是保证直流稳压电源微电网在孤网时的稳定可靠运行、并网时的经济优化运行以及孤网和并网间的平滑切换控制。

2.2  优化与监控层

优化控制基于运行监控系统来完成。监控系统具有微电网实时运行信息监测与告警、历史信息存储与检索、系统运行控制与人机交互、高级能量管理及数据统计分析与报表等功能。

3  交直流稳压电源混合微电网运行模式分析

针对高渗透率分布式能源的高效消纳和灵活、可靠供电的需求,本文设计了基于主从控制的4种运行模式:交直流稳压电源联合并网模式、交流并网直流稳压电源离网模式、交直流稳压电源联合离网模式、交直流稳压电源独立离网   模式。

1)模式1:交直流稳压电源联合并网模式

交直流稳压电源联合并网模式下,PCC-1和PCC-2均闭合。柴油发电机关闭,主换流器AC/DC控制PCC-1处的功率,以实现与公共电网的友好互动;储能DC/DC控制380V直流稳压电源母线电压恒定;光伏工作在最大功率点跟踪(maximum power point tracking, MPPT)模式,以最大限度利用可再生能源,并可根据储能电池的荷电状态(state of charge, SOC)进行功率调整,保证电池储能系统有足够的能量备用以支撑微电网的独立运行。其余DC/DC变流器的控制目标均为控制低压侧的母线电压恒定。

2)模式2:交流并网直流稳压电源离网模式

交流并网直流稳压电源离网模式下,PCC-1闭合,PCC-2断开。柴油发电机关闭,储能控制DC 380V母线电压恒定。其余DC/DC的运行方式与模式1相同。当直流稳压电源微电网内的实时负荷超过储能系统和光伏系统的整体供给能力时,需要按优先级切除适量负荷,以保证能量的供需平衡和系统稳定。

3)模式3:交直流稳压电源联合离网模式

交直流稳压电源联合离网模式下,PCC-1断开,PCC-2闭合。柴油发电机关闭,储能系统作为整个交直流稳压电源混合微电网系统的主电源,控制DC 380V母线电压恒定,主换流器AC/DC控制AC 400V母线的电压和频率稳定。其余DC/DC的运行控制方式与模式1相同。当交直流稳压电源混合微电网内的总负荷超过储能系统和光伏系统的整体供给能力时,需要开起柴油发电机或按优先级切除适量负荷,以保证功率平衡和系统稳定。

4)模式4:交直流稳压电源独立离网模式

交直流稳压电源独立离网模式下,PCC-1和PCC-2均断开。开起柴油发电机,维持交流微电网的电压和频率稳定;储能控制直流稳压电源微电网母线电压恒定,其他控制方式与上文中直流稳压电源微电网独立运行时相同。

4  交直流稳压电源混合微电网多模式切换

交直流稳压电源混合微电网的4种运行模式的切换关系如图2所示。受篇幅限制,本文仅详细介绍具有代表性的模式1和模式3之间的相互切换过程,其他切换过程可从中得到启发。

图2  交直流稳压电源混合微电网运行模式切换关系图
主从控制的交直流稳压电源混合微电网如何在多模式运行和切换?

4.1  模式1转模式3

正常情况下交直流稳压电源混合微电网运行在交流直流稳压电源联合并网模式。如果公共电网由于计划或者非计划的原因造成失电,为了保证混合微电网内负荷的可靠供电,系统就需断开PCC-1并切换至模式3运行。从模式1至模式3的整个切换流程和相关状态如图3所示。

初始状态:交直流稳压电源联合并网,主换流器AC/DC处于PQ工作模式,以实现与公共电网互动,储能DC/DC控制直流稳压电源母线电压,PCC-1、PCC-2闭合。

图3  模式1转模式3的切换过程图
主从控制的交直流稳压电源混合微电网如何在多模式运行和切换?
切换过程:MGCC首先控制主换流器由PQ转为对交流母线电压和频率下垂模式,然后控制PCC-1断开,最后控制主换流器由对交流母线下垂转为控制交流母线电压和频率恒定的V/f工作模式。

最终状态:交直流稳压电源联合离网,主换流器AC/DC控制交流母线电压和频率恒定,储能DC/DC控制直流稳压电源母线电压恒定,PCC-1断开,PCC-2闭合。

4.2  模式3转模式1

当公共电网恢复供电时,需要将交直流稳压电源混合微电网由联合离网模式转为联合并网模式,以实现混合微电网内负荷的持续供电和与公共电网之间的良性互动。从模式3至模式1的整个切换流程和相关状态如图4所示。

初始状态:交直流稳压电源联合离网,主换流器AC/DC控制交流母线电压频率恒定,储能DC/DC控制直流稳压电源母线电压恒定,PCC-1断开,PCC-2闭合。

切换过程:MGCC首先控制主换流器AC/DC由控制交流母线电压和频率恒定转为对交流母线电压和频率下垂,然后调整下垂参数以实现PCC-1两侧电压幅值和相角差满足同期条件,当MGCC检测到满足同期条件时控制PCC-1闭合,最后控制主换流器AC/DC由对交流母线电压和频率下垂转为PQ工作,以实现与公共电网的友好互动。

最终状态:交直流稳压电源联合并网,主换流器AC/DC控制直流稳压电源母线电压,储能DC/DC处于PQ工作模式,PCC-1、PCC-2闭合。

5  实验分析

在实际工程中对上述策略进行了实验验证。受篇幅限制,本文中仅给出了模式1和模式3之间相互切换的部分波形结果如下。

5.1  模式1转模式3

实验中由模式1转换至模式3的实验波形如图5所示。
图5(a)显示了主换流器AC/DC由PQ转为对交流母线下垂过程中的实验波形。其中,Iac-dc曲线为主换流器输出的电流波形,Uac-bus为主换流器输出的交流侧电压波形,Ugrid为公共交流电网的电压波形。后文插图中波形曲线说明与此相同,不再一一赘述。由图中可见,切换过程中电压波形不受影响,电流波形也较为平稳。

图5(b)显示了PCC-1处断路器断开时的实验波形。由图中可见,PCC-1处断路器断开后,其电流迅速减小至0,主换流器的输出电压则几乎不受影响,保持稳定运行。

5.2  模式3转模式1

实验中由模式3转换至模式1的实验波形如图6所示。
由图6可见,在同期过程中,随着下垂参数的调节,通过比较公共电网电压与交流微电网电压过零点处的差异可以发现相位差逐渐减小,直至满足同期条件。在PCC-1处的联络开关闭合瞬间,并网处的电流波形有一些尖峰毛刺,这是由于非完全理想同期合闸造成的暂态现象;主换流器由下垂控制切换至PQ模式过程中,其输出电压波形几乎没有发生扰动。

结论
本文首先分析了交直流稳压电源混合微电网的典型结构和基本运行方式,并根据某实际交直流稳压电源混合微电网示范工程的抽象模型提出了4种运行模式和相互间的切换策略。

所提出的多模式协调控制与切换方法,以理论和实践上都较为成熟的主从控制、恒压恒频控制(V/f控制)、恒功率控制(PQ控制)为基础,引入下垂控制以减小切换暂态,并且避免了下垂控制属于有差调节的缺点,具有较强的实用性。

当前交直流稳压电源混合微电网技术发展方兴未艾,下一步的研究将解决交直流稳压电源间存在多条通路时的协调控制与模式的切换问题。
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