微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)即插即用技術(shù)研究

霍群海，唐西勝

（中國(guó)科學(xué)院 電工研究所，北京 100190）

0 引言

智能電網(wǎng)成為最近的研究熱點(diǎn)[1-2]，多種微源組成的微電網(wǎng)的應(yīng)用是重要的研究方向之一[3-6]。文獻(xiàn)[7-8]首次提到微源的即插即用概念（也稱(chēng)為平滑切換或無(wú)縫切換）。文獻(xiàn)[9]提出一種電壓／電流加權(quán)控制策略，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)逆變器的并網(wǎng)和離網(wǎng)無(wú)縫切換。文獻(xiàn)[10]提出了包含濾波電感電流環(huán)、濾波電容電壓環(huán)和并網(wǎng)電感功率外環(huán)組成的三環(huán)切換控制策略，重點(diǎn)分析了儲(chǔ)能在微電網(wǎng)運(yùn)行中的作用。文獻(xiàn)[11]提出基于LC濾波的電壓／電流環(huán)三區(qū)域平滑切換策略，減小微電網(wǎng)2種運(yùn)行模式切換過(guò)程中的暫態(tài)振蕩。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了基于MAS系統(tǒng)和電力電子控制技術(shù)的即插即用模型，并分析了微電網(wǎng)中元件協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于電感電流內(nèi)環(huán)和電容電壓外環(huán)的雙閉環(huán)反饋控制方法。文獻(xiàn)[14]提出進(jìn)行幅值相位跟蹤，然后合上并網(wǎng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行并網(wǎng)軟啟動(dòng)，脫網(wǎng)采用了零電流與零電壓的脫網(wǎng)方法，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)逆變器的并網(wǎng)和離網(wǎng)無(wú)縫切換。文獻(xiàn)[15]提出微電網(wǎng)根據(jù)大電網(wǎng)調(diào)節(jié)自身的電壓和頻率的控制策略。以上文獻(xiàn)主要是針對(duì)單臺(tái)微源的分析，對(duì)含多臺(tái)微源的微電網(wǎng)系統(tǒng)即插即用的研究較少；對(duì)微電網(wǎng)無(wú)縫切換仿真分析較多，大功率實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證較少；另外已有文獻(xiàn)對(duì)即插即用具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程分析較少。本文提出的即插即用方案，在實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)交換能量的同時(shí)，能保證微電網(wǎng)內(nèi)敏感負(fù)荷在切換瞬間仍有較高的電能質(zhì)量供給。

本文以實(shí)驗(yàn)室中搭建的微電網(wǎng)為分析對(duì)象，采用主控微源恒壓恒頻和從微源最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）運(yùn)行的組網(wǎng)策略，以微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)的即插即用。

1 微電網(wǎng)即插即用拓?fù)?/h2>

微電網(wǎng)即插即用技術(shù)的關(guān)鍵是微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)要實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)投切瞬間敏感負(fù)荷上的電壓／電流平穩(wěn)，無(wú)沖擊，無(wú)中斷，較短時(shí)間、較小幅值的電壓波動(dòng)。微電網(wǎng)系統(tǒng)即插即用技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法與微電網(wǎng)自身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)，微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括線路的連接方式、微源的容量和位置及其輸出濾波器結(jié)構(gòu)、敏感負(fù)荷和普通負(fù)荷的安裝位置等，在這些因素中對(duì)即插即用技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案起決定性影響的是微源輸出濾波器結(jié)構(gòu)。微源輸出濾波器結(jié)構(gòu)直接決定了微電網(wǎng)系統(tǒng)即插即用技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案，本文主要研究LCL和L濾波器結(jié)構(gòu)微源組成的微電網(wǎng)的即插即用技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

包含LCL和L濾波器結(jié)構(gòu)微源的微電網(wǎng)系統(tǒng)單線圖如圖1所示，微電網(wǎng)通過(guò)公共耦合點(diǎn)與公共電網(wǎng)連接，其中MS1為主控微源（把某臺(tái)容量較大的微源如逆變型蓄電池儲(chǔ)能微源、含儲(chǔ)能的光伏微源或微燃機(jī)等定義為主控微源），MS2為從微源（把微電網(wǎng)中一些容量較小的微源如光伏發(fā)電系統(tǒng)、含逆變的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等定義為從微源），CN為接觸器或斷路器，T為隔離變壓器，STS為靜態(tài)開(kāi)關(guān)，Bus為敏感負(fù)荷交流母線。根據(jù)系統(tǒng)的控制目標(biāo)，無(wú)論公共電網(wǎng)故障與否，也不管微電網(wǎng)是并網(wǎng)或獨(dú)立運(yùn)行模式，敏感負(fù)荷交流母線上的電壓始終保持連續(xù)，且電能質(zhì)量要保證敏感負(fù)荷的要求。這就要求在切換的瞬間交流母線上電壓幅值不能有大的波動(dòng)。

圖1 包含LCL和L濾波器微源的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of microgrid system with LCL and L filters

具有L濾波器結(jié)構(gòu)的從微源直接并入這條敏感負(fù)荷交流母線，始終以電流源模式并網(wǎng)運(yùn)行。由于僅有一個(gè)電感，控制策略采用單電流環(huán)控制即可。由于單電感濾波器結(jié)構(gòu)微源的加入，相應(yīng)地可在敏感負(fù)荷交流母線上接入更多的負(fù)荷。當(dāng)微電網(wǎng)需要獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，具有LCL-STS結(jié)構(gòu)的微源切斷與公共電網(wǎng)的連接，然后多個(gè)不同濾波器結(jié)構(gòu)的微源組成一個(gè)較大的孤島區(qū)域，微源之間可以進(jìn)行功率互補(bǔ)，確保了內(nèi)部負(fù)荷的不間斷供電。通過(guò)STS2可以把第2個(gè)微源根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行需求或敏感負(fù)荷功率容量需求隨時(shí)進(jìn)行投切。當(dāng)公共電網(wǎng)故障或微電網(wǎng)需要獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，通過(guò)STS1可以對(duì)微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)隨時(shí)進(jìn)行投切。當(dāng)本地微源除供普通負(fù)荷和敏感負(fù)荷后，仍可以產(chǎn)生多余的電力時(shí)，通過(guò)STS1饋電到公共電網(wǎng)。如果有多個(gè)從微源，其他從微源均以MPPT形式運(yùn)行，除供本地敏感負(fù)荷和普通負(fù)荷正常工作之外，同時(shí)向公共電網(wǎng)提供電力，輸出有功和無(wú)功功率。微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)之間的平滑投切即插即用技術(shù)是本文需要解決的主要問(wèn)題。

2 基于主控微源恒壓恒頻的組網(wǎng)控制策略

微電網(wǎng)平滑并網(wǎng)／離網(wǎng)實(shí)現(xiàn)即插即用的前提是微電網(wǎng)自身保證較高質(zhì)量的電壓和頻率供給，而其關(guān)鍵是對(duì)組網(wǎng)主控微源的控制。本文主要研究以可再生能源為主的微電網(wǎng)，微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)集中供電相互補(bǔ)充是綜合利用現(xiàn)有資源和設(shè)備、為用戶(hù)提供可靠和優(yōu)質(zhì)電能、解決目前微電網(wǎng)問(wèn)題的一種較理想方式。但由于微電網(wǎng)中微源的多樣性及其組合的靈活性，使得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和控制變得復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)有的組網(wǎng)控制技術(shù)，組網(wǎng)方式主要有柴油發(fā)電機(jī)組網(wǎng)、雙向變流器組網(wǎng)、SIPLNK 組網(wǎng)、不間斷電源（UPS）組網(wǎng)、自同步逆變器組網(wǎng)等方案[16-17]。逆變型微源（如光伏發(fā)電系統(tǒng)、含逆變的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等）大多可采用MPPT運(yùn)行。本文參考上述組網(wǎng)方案，借鑒光伏發(fā)電并入公共電網(wǎng)的控制思路，采用基于主控微源恒壓恒頻的組網(wǎng)控制策略。

圖2 基于主控微源恒壓恒頻的組網(wǎng)策略Fig.2 Control strategy based on CVCF networking of master microsource

基于主控微源恒壓恒頻的組網(wǎng)控制策略如圖2所示。從微源根據(jù)自身特性調(diào)節(jié)功率輸出，使其發(fā)揮最高工作效率。主控微源與儲(chǔ)能裝置一起跟蹤負(fù)荷變化，調(diào)整饋線功率流量，以確保當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，公共電網(wǎng)與微電網(wǎng)連接處的饋線功率依然為恒定值。主控微源和多臺(tái)從微源組網(wǎng)運(yùn)行，從微源連接到主控微源和負(fù)載之間，主控微源首先以電壓源模式帶本地負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行，建立起系統(tǒng)的電壓和頻率。從微源以最大功率運(yùn)行模式按并網(wǎng)的方式和主控微源組網(wǎng)運(yùn)行。從微源根據(jù)負(fù)載上電壓的幅值和相位進(jìn)行鎖相。當(dāng)從微源提供電流輸出時(shí)，主控微源相應(yīng)減小電流輸出，共同向負(fù)載供電。當(dāng)從微源輸出電流超過(guò)負(fù)載需求時(shí)，能量流向主控微源前端的儲(chǔ)能裝置，把能量存儲(chǔ)起來(lái)。

基于主控微源恒壓恒頻的組網(wǎng)方法汲取主從控制和下垂控制的優(yōu)點(diǎn)，控制方式類(lèi)似主從控制，實(shí)物連接類(lèi)似下垂控制。每個(gè)從微源以較高效率輸出，主控微源可提供穩(wěn)定的電壓幅值和頻率，微電網(wǎng)整體可以穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3 主控微源與公共電網(wǎng)并網(wǎng)過(guò)程分析

微電網(wǎng)的即插即用通過(guò)主控微源的三環(huán)控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。主控微源MS1并入公共電網(wǎng)，并網(wǎng)過(guò)程中必須滿(mǎn)足本地負(fù)載電壓和公共電網(wǎng)電壓同步這一必要前提，同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制策略的轉(zhuǎn)換和靜態(tài)開(kāi)關(guān)的閉合，這樣才能保證在靜態(tài)開(kāi)關(guān)閉合瞬間不會(huì)產(chǎn)生并網(wǎng)電流沖擊及本地敏感負(fù)荷電壓的平滑過(guò)渡。并網(wǎng)瞬間控制策略需要從獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的電壓源模式轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)時(shí)的三環(huán)電流源模式。

主控微源獨(dú)立運(yùn)行時(shí)采用濾波電容電壓外環(huán)加靠近IGBT濾波電感電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略。主控微源并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)三環(huán)控制策略如圖3所示，和獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的雙環(huán)控制系統(tǒng)保持了很好的連續(xù)性，易于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的即插即用。在圖3所示的主控微源控制策略中，igd、igq為并網(wǎng)電流給定，對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行直接實(shí)時(shí)控制，響應(yīng)速度快，同時(shí)不受系統(tǒng)參數(shù)變化和公共電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，而且三環(huán)控制策略可對(duì)主電路提供必要的過(guò)電流保護(hù)。

圖3 主控微源與公共電網(wǎng)并網(wǎng)控制策略Fig.3 Control strategy for connecting master microsource to utility grid

在微電網(wǎng)運(yùn)行中，當(dāng)發(fā)出與公共電網(wǎng)并網(wǎng)的指令后，主控微源對(duì)公共電網(wǎng)電壓進(jìn)行精確的檢測(cè)，然后根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果調(diào)整濾波電容電壓的狀態(tài)，使之逐漸與公共電網(wǎng)電壓同步，為并網(wǎng)創(chuàng)造先決條件。一般對(duì)微源并網(wǎng)的響應(yīng)時(shí)間不做嚴(yán)格限制，這是出于維持本地負(fù)載電壓波形平滑過(guò)渡考慮，即調(diào)整過(guò)程中不發(fā)生幅值和相位的跳變。

在與公共電網(wǎng)電壓同步的過(guò)程中，通過(guò)細(xì)微的相位超前或滯后來(lái)實(shí)現(xiàn)與公共電網(wǎng)電壓的同步，此時(shí)濾波電容電壓在dq坐標(biāo)系下的給定，U為采樣得到的公共電網(wǎng)電壓幅值，θm為給定的初始相位，通過(guò)θ的極細(xì)微改變實(shí)現(xiàn)相位的調(diào)整，從而達(dá)到與公共電網(wǎng)電壓的同步。該同步方法簡(jiǎn)單，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，非常適合三相系統(tǒng)。

4 微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)離網(wǎng)過(guò)程分析

微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)脫離過(guò)程通過(guò)主控微源離網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，離網(wǎng)控制的難點(diǎn)在于離網(wǎng)瞬間，要保證敏感負(fù)荷上電壓沒(méi)有大的波動(dòng)。這就要求敏感負(fù)荷上電壓和相位在離網(wǎng)前后保持一致。以下推導(dǎo)并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中敏感負(fù)荷上的電壓幅值和相角，以便在離網(wǎng)瞬間確定電壓環(huán)的參考給定值。

以單相微源并網(wǎng)逆變器為例，微源并網(wǎng)系統(tǒng)的等效電路和矢量圖如圖4所示。圖中U為經(jīng)過(guò)濾波后的濾波電容電壓，其波形近似正弦波；E為理想的公共電網(wǎng)電壓；UL為并網(wǎng)電感兩端電壓；Ig為并網(wǎng)電流。

根據(jù)圖4（b），通過(guò)調(diào)節(jié)濾波電容電壓U的幅值和超前于公共電網(wǎng)電壓E的相位角θ，即可改變并網(wǎng)耦合電感兩端的電壓UL，根據(jù)基爾霍夫電壓定律得：

其中，ω為公共電網(wǎng)電壓角頻率。

圖4 單相并網(wǎng)等效電路圖和矢量圖Fig.4 Single-phase equivalent circuit and vector diagram of grid-connection

根據(jù)式（1），可以計(jì)算出并網(wǎng)電流為：

假定公共電網(wǎng)電壓的相位角為0，幅值為E，則E=E∠0°，相應(yīng)的濾波電容電壓為U=U∠θ，當(dāng)公共電網(wǎng)電壓一定時(shí)，注入公共電網(wǎng)的功率由并網(wǎng)電流Ig決定，假定Ig=Ig∠α，電流落后α（α值為負(fù)數(shù)），根據(jù)式（2）可以求出相應(yīng)的濾波電容電壓為：

根據(jù)并網(wǎng)電流Ig，可以得出此時(shí)濾波電容電壓的相位和幅值，以三相的形式表示為：

對(duì)其進(jìn)行Park變換得：

式（6）為在向公共電網(wǎng)注入給定的并網(wǎng)電流Ig的前提下，dq坐標(biāo)系下的濾波電容電壓，即控制器需要調(diào)節(jié)得到的輸出電壓，因此，可把它作為離網(wǎng)瞬間負(fù)載電壓給定參考值，即：

將式（7）作為離網(wǎng)瞬間電壓環(huán)的給定信號(hào)，施加到dq坐標(biāo)系下雙環(huán)控制策略中，這樣就能保證在離網(wǎng)前后敏感負(fù)荷上電壓和幅值的一致性，保證敏感負(fù)荷上電壓不出現(xiàn)大的波動(dòng)。

5 微電網(wǎng)即插即用控制實(shí)現(xiàn)

微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)的即插即用通過(guò)主控微源實(shí)現(xiàn)。即插即用技術(shù)是并網(wǎng)和離網(wǎng)2種控制技術(shù)的統(tǒng)一和綜合，把這2種單獨(dú)的控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)兩者之間的平滑切換，才能保證本地敏感負(fù)荷上無(wú)大的電壓波動(dòng)。

微電網(wǎng)啟動(dòng)時(shí)，可由中央管理單元或本地發(fā)出啟動(dòng)指令，首先主控微源啟動(dòng)并建立穩(wěn)定的電壓和頻率，從微源與其組網(wǎng)運(yùn)行，微電網(wǎng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式。當(dāng)微電網(wǎng)接收到并入公共電網(wǎng)的指令時(shí)，主控微源迅速實(shí)現(xiàn)控制方式的轉(zhuǎn)變，在本地電壓與公共電網(wǎng)電壓同步后，閉合SCR，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)出獨(dú)立運(yùn)行指令或公共電網(wǎng)電壓故障時(shí)，微電網(wǎng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)并迅速切換為獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)。即插即用前后，能夠保證敏感負(fù)荷上沒(méi)有大的電壓波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡。上述微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)平穩(wěn)并網(wǎng)和獨(dú)立運(yùn)行的過(guò)渡過(guò)程即為微電網(wǎng)的即插即用技術(shù)，微電網(wǎng)可以隨時(shí)由一種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式進(jìn)入另一種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式。

6 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上述分析，以本實(shí)驗(yàn)室中主控微源和光伏模擬微源實(shí)際容量為例進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究。采用系統(tǒng)仿真軟件MATLAB搭建仿真模型。主控微源采用電壓／電流雙環(huán)控制，仿真時(shí)敏感負(fù)荷為3 Ω的電阻，輸出相電流73.3 A。主控微源采用三相四線制以電壓源啟動(dòng)，光伏模擬微源通過(guò)雙向SCR并入，由于隔離變壓器變比為168∶380，仿真中設(shè)置向負(fù)載側(cè)輸出電流25 A，光伏模擬微源自身輸出56.6 A。

4個(gè)切換過(guò)程為：

在煤礦井下施工中，工作面頂板、底板的不穩(wěn)定性或冒落危險(xiǎn)將影響機(jī)械化采煤技術(shù)的使用。并與煤礦井下的煤層頂、底板穩(wěn)定性與頂?shù)装鍘r石的結(jié)構(gòu)、裂隙發(fā)育程度、厚度強(qiáng)度等相關(guān)。若是所遇到的頂?shù)装鍘r石為泥巖或炭質(zhì)泥巖，當(dāng)K值<1，綜合采煤機(jī)能安全過(guò)斷層，但若是頂?shù)装鍘r石為堅(jiān)硬的砂巖或礫巖，當(dāng)K值>1時(shí)，綜合采煤機(jī)經(jīng)過(guò)斷層會(huì)十分困難。杜絕煤層頂?shù)装宓牟环€(wěn)定現(xiàn)象是煤礦機(jī)械化采煤的重要工作，同時(shí)也是制定管理措施并保證生產(chǎn)安全性的關(guān)鍵。

a.主控微源以電壓源運(yùn)行模式啟動(dòng)，在0.04 s光伏模擬微源以電流源運(yùn)行模式并入主控微源，組成微電網(wǎng)運(yùn)行；

b.0.08 s把2個(gè)微源組成的微電網(wǎng)并入公共電網(wǎng)運(yùn)行，并網(wǎng)電流逐漸增大至給定值；

c.0.15 s微電網(wǎng)脫離公共電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，此時(shí)對(duì)并網(wǎng)電流采用了強(qiáng)制關(guān)斷策略；

d.0.2 s光伏模擬微源脫離，主控微源獨(dú)立運(yùn)行。

圖5為敏感負(fù)荷上電壓波形，圖中1、2、3、4為4個(gè)切換點(diǎn)，最大電壓波動(dòng)半個(gè)周期，這是可以接受的。整體上電壓波形平穩(wěn)，切換瞬間電壓峰值最低值為287 V，最高值為337 V，持續(xù)時(shí)間不足1 ms，微源的投切和微電網(wǎng)的即插即用對(duì)敏感負(fù)荷影響較小，微電網(wǎng)的即插即用技術(shù)正確可行。

圖5 敏感負(fù)荷上電壓仿真波形Fig.5 Simulative voltage waveforms of sensitive load

圖6為主控微源輸出電流波形，在4個(gè)切換點(diǎn)，均沒(méi)有電流沖擊，主控微源輸出電流特性較好。啟動(dòng)至0.04 s主控微源獨(dú)立輸出電流73.3 A；0.04～0.08 s，光伏模擬微源并入，主控微源自動(dòng)減少自身輸出；0.08～0.15 s，微電網(wǎng)向公共電網(wǎng)輸出電流，光伏模擬微源輸出電流不變，因此主供電增大輸出電流至額定值；0.15～0.2 s微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，主控微源處于減少輸出狀態(tài)；0.2 s之后，光伏模擬微源切除，主控微源按照負(fù)載所需電流輸出。從波形可以看出，在光伏模擬微源投切過(guò)程和微電網(wǎng)即插即用過(guò)程中，主控微源均輸出較高質(zhì)量的電流波形。

圖6 敏感負(fù)荷上電流仿真波形Fig.6 Simulative current waveforms of sensitive load

圖7為光伏模擬微源輸出電流波形，從其波形可以看出，光伏模擬微源在0.04 s并入之前，沒(méi)有電流，當(dāng)打開(kāi)雙向SCR，輸出很快達(dá)到給定電流；在0.2 s時(shí)關(guān)斷，有兩相沒(méi)有立即關(guān)斷，是因?yàn)镾CR需要在過(guò)零點(diǎn)才能關(guān)斷。從仿真波形看，光伏模擬微源響應(yīng)快速，能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

圖7 光伏模擬微源輸出電流仿真波形Fig.7 Simulative output current waveforms of photovoltaic analog microsource

通過(guò)上述分析和仿真可以看出，本文提出的微電網(wǎng)即插即用技術(shù)有效可行，能夠?qū)崿F(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，微源的投切較容易實(shí)現(xiàn)，發(fā)生電流沖擊引起系統(tǒng)崩潰的可能性較小。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)室中主控微源與從微源硬件連接關(guān)系如圖1所示，主控微源容量為80kV·A，光伏模擬微源容量為30kV·A。主控微源以電壓源模式獨(dú)立運(yùn)行啟動(dòng)，隨后光伏模擬微源以電流源模式啟動(dòng)組網(wǎng)到主控微源。待2個(gè)微源穩(wěn)定運(yùn)行之后，執(zhí)行即插即用并網(wǎng)指令，微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，對(duì)主控微源執(zhí)行離網(wǎng)指令，最后光伏模擬微源脫離，主控微源停機(jī)。敏感負(fù)荷為40 kW的電阻負(fù)載。實(shí)驗(yàn)波形如圖8—10所示。

4個(gè)切換過(guò)程為：

a.主控微源啟動(dòng)運(yùn)行，光伏模擬微源與主控微源組成微電網(wǎng)運(yùn)行；

b.2個(gè)微源組成的微電網(wǎng)并入公共電網(wǎng)；

c.2個(gè)微源組成的微電網(wǎng)脫離公共電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行；

d.光伏模擬微源脫離主控微源，主控微源獨(dú)立運(yùn)行。

圖8 敏感負(fù)荷上電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental voltage waveforms of sensitive load

圖9 主控微源輸出電流波形Fig.9 Experimental output current waveforms of master microsource

圖10 光伏模擬微源輸出電流波形Fig.10 Experimental output current waveforms of photovoltaic analog microsource

圖8上圖為4個(gè)切換過(guò)程的整體輪廓，下圖為第2個(gè)切換過(guò)程中微電網(wǎng)并入公共電網(wǎng)瞬間敏感負(fù)荷上的電壓波形，電壓僅有少許幅值波動(dòng)，約1 ms后又達(dá)到穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好。圖9和圖8切換時(shí)刻完全對(duì)應(yīng)，利用四通道的示波器，其中2路測(cè)量電壓，1路測(cè)量電流，最后1路閑置。圖9上圖為主控微源輸出電流整體輪廓，首先主控微源穩(wěn)定運(yùn)行，光伏模擬微源并入后緩慢增加至額定輸出（切換過(guò)程a），此時(shí)主控微源減少輸出電流至一個(gè)定值，然后微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行30 s左右，最后微電網(wǎng)執(zhí)行與公共電網(wǎng)的即插即用指令（切換過(guò)程b）?？梢钥闯霾⒕W(wǎng)瞬間，主控微源在1／4基波周期內(nèi)輸出電流增大至額定值，隨后執(zhí)行離網(wǎng)指令（切換過(guò)程c），最后一個(gè)突起為光伏模擬微源脫離瞬間，此時(shí)主控微源又恢復(fù)為額定輸出（切換過(guò)程d）。圖9下圖為第2個(gè)切換過(guò)程中微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)并網(wǎng)瞬間主控微源輸出電流展開(kāi)波形。圖10中上半部分的直線為直流母線電壓，下半部分的正弦波為光伏摸擬微源輸出的其中兩相電流?？梢钥闯鰪奈⒃聪到y(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，電流波形質(zhì)量較好。

通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在微電網(wǎng)即插即用過(guò)程中，保證了敏感負(fù)荷上電壓的連續(xù)性、無(wú)中斷、無(wú)沖擊、波動(dòng)幅值小、持續(xù)時(shí)間短。實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)能量交換的同時(shí)，保證了微電網(wǎng)內(nèi)敏感負(fù)荷的電力供應(yīng)。還可以得出：微電網(wǎng)的即插即用可以通過(guò)對(duì)主控微源的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，提出的微電網(wǎng)即插即用技術(shù)方案正確可行。

8 結(jié)語(yǔ)

微電網(wǎng)中，當(dāng)可再生能源占主要部分時(shí)通常要充分發(fā)揮可再生能源的作用。本文提出一種適合微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)即插即用技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案。采用基于主控微源恒壓恒頻的組網(wǎng)控制策略，主控微源建立微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率，其他從微源以MPPT模式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的高效率和經(jīng)濟(jì)性。在微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)上提出微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)的即插即用技術(shù)。微電網(wǎng)通過(guò)公共耦合點(diǎn)與公共電網(wǎng)連接，然后通過(guò)對(duì)微電網(wǎng)中主控微源的并網(wǎng)過(guò)程和離網(wǎng)過(guò)程平滑切換控制，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)即插即用，同時(shí)也保證了微電網(wǎng)內(nèi)敏感負(fù)荷上電壓的穩(wěn)定。本文對(duì)微電網(wǎng)即插即用的各個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)具體的分析，并對(duì)即插即用過(guò)程進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果驗(yàn)證了微電網(wǎng)即插即用技術(shù)的可行性，而且即插即用實(shí)現(xiàn)過(guò)程對(duì)本地敏感負(fù)荷影響較小，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。