基于主從控制的交直流混合微電網多模式運行與切換策略

談竹奎 徐玉韜 班國邦 謝百明 吳家宏

（1. 貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴陽 550002；2. 北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085）

由于化石能源的日益枯竭、環(huán)境保護壓力的不斷加大，可再生能源和分布式能源的發(fā)展受到空前重視。微電網作為分布式能源的一種接入形式，也得到了迅猛的發(fā)展。隨著社會發(fā)展的信息化與智能化，本質直流用電設備日益增多，已經形成了交流設備和直流設備大量共存的局面，在單純的交流電網或者直流電網中均需要多重交直流變換來滿足分布式電源和負荷的接入需求。為了減少多重AC/DC或DC/AC變換環(huán)節(jié)帶來的能量損耗、抑制諧波電流以及降低控制復雜度，建設分布式能源友好接入型電網，并提高系統(tǒng)的可靠性和經濟性，交直流混合供電系統(tǒng)應運而生[1-3]。在眾多交直流混合供電系統(tǒng)形式中，交直流混合微電網因具有可接入電源和負荷種類多樣、用戶需求多樣化等特點，成為學術界的研究熱點[4-11]。

1 交直流微電網典型結構與基本運行模式

文獻[1]給出了一種并網至交流公共電網的交直流混合微電網的典型結構?；旌衔㈦娋W中的三相交流網絡，可以是一個低壓配電網，通過變壓器連接公共電網。交流和直流微電網通過一個四象限運行的三相交直流換流器連接。光伏和燃料電池等直流電源以及電動汽車和發(fā)光二極管等直流負荷分別通過DC/DC升壓變壓器和DC/DC降壓變壓器連接到直流微電網；交流負荷通過快速控制的AC/DC換流器連接到直流微電網；蓄電池和超級電容等儲能裝置通過雙向DC/DC換流器連接到直流微電網。風機和小型柴發(fā)等交流發(fā)電機通過變壓器連接到交流微電網；飛輪等交流儲能裝置通過AC/AC換流器和變壓器連接到交流微電網；交流發(fā)動機和加熱器等交流負荷直接連接至交流網絡。

交直流混合微電網作為一個整體，有兩種基本的運行模式，分別為并網模式和離網模式[8]。

在并網模式下，公共電網作為平衡節(jié)點來平衡負荷需求。在這種情況下，混合微電網中的儲能裝置并不是必須的，而所有的可再生能源可以運行在最大功率跟蹤模式，以提供最大的電能。連接交流和直流母線的主換流器的最主要功能是保持交直流母線功率交換的平衡，以提供穩(wěn)定的直流母線電壓和較少注入公共電網的諧波。當直流側的負荷功率小于直流電源的功率輸出時，主換流器工作在逆變模式將功率從直流側傳輸到交流側，否則主換流器工作在整流模式，將功率從交流側傳輸到直流側。當混合微電網的總負荷功率小于總電源輸出電能時，微電網將把剩余電能注入公共電網，否則混合微電網將接受公共電網的電能。

在離網模式下，儲能裝置和柴油發(fā)電機能夠作為能量緩沖以平衡系統(tǒng)的功率盈余或短缺，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行?？稍偕茉吹牟⒕W換流器根據交流系統(tǒng)的頻率和直流系統(tǒng)的電壓，決定是否運行在最大功率跟蹤模式。當直流側電壓或交流側頻率過低時，可再生能源可運行于最大功率跟蹤模式，儲能裝置可工作在放電狀態(tài)，柴油發(fā)電機可增加產生功率輸出。主流器根據交直流兩側負荷和能源的狀態(tài)控制兩側的功率傳輸。同樣，當直流側電壓或交流側頻率過高時，這表示該側的電能盈余，可減少柴油發(fā)電機功率輸出、控制儲能裝置工作在充電模式，并根據交直流的能源狀態(tài)控制主換流器傳輸兩側功率。如果所有的儲能裝置儲能滿充狀態(tài)，柴油發(fā)電機就無功率輸出，但交直流兩側的電壓或頻率仍然很高，此時應控制一些可再生能源應該處于限制功率輸出狀態(tài)（包括停機狀態(tài)）。

圖1 交直流混合微電網典型結構

2 交直流混合微電網運行控制系統(tǒng)

本文擬分析的交直流混合微電網結構來源于某實際交直流混合微電網示范工程，其運行控制系統(tǒng)分為兩層[9]，即協(xié)調控制層、優(yōu)化與監(jiān)控層，如圖1所示。圖中三種虛線分別表示不同的通信方式。

2.1 協(xié)調控制層

本文中擬分析的交直流混合微電網協(xié)調控制層由交直流混合微電網中央控制器（microgrid central controller, MGCC）和直流控制器共同完成。交直流混合微電網中央控制器的主要控制目標是：交直流混合微電網孤島運行時，通過對微電網內各分布式電源和儲能系統(tǒng)的運行模式及控制參數進行實時調節(jié)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行；并網運行時，根據公共電網的調度機構或者微電網能量管理系統(tǒng)的控制目標對各分布式電源和儲能系統(tǒng)進行優(yōu)化調度[9-10]；在公共電網停運或恢復時，控制交直流混合微電網在孤網和并網兩種運行模式之間進行平滑切換。直流控制器的主要控制目標是保證直流微電網在孤網時的穩(wěn)定可靠運行、并網時的經濟優(yōu)化運行以及孤網和并網間的平滑切換控制。

2.2 優(yōu)化與監(jiān)控層

優(yōu)化控制基于運行監(jiān)控系統(tǒng)來完成。監(jiān)控系統(tǒng)具有微電網實時運行信息監(jiān)測與告警、歷史信息存儲與檢索、系統(tǒng)運行控制與人機交互、高級能量管理及數據統(tǒng)計分析與報表等功能。

3 交直流混合微電網運行模式分析

針對高滲透率分布式能源的高效消納和靈活、可靠供電的需求，本文設計了基于主從控制的4種運行模式：交直流聯(lián)合并網模式、交流并網直流離網模式、交直流聯(lián)合離網模式、交直流獨立離網模式。

1）模式1：交直流聯(lián)合并網模式

交直流聯(lián)合并網模式下，PCC-1和PCC-2均閉合。柴油發(fā)電機關閉，主換流器AC/DC控制PCC-1處的功率，以實現(xiàn)與公共電網的友好互動；儲能DC/DC控制380V直流母線電壓恒定；光伏工作在最大功率點跟蹤（maximum power point tracking,MPPT）模式，以最大限度利用可再生能源，并可根據儲能電池的荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）進行功率調整，保證電池儲能系統(tǒng)有足夠的能量備用以支撐微電網的獨立運行。其余DC/DC變流器的控制目標均為控制低壓側的母線電壓恒定。

2）模式2：交流并網直流離網模式

交流并網直流離網模式下，PCC-1閉合，PCC-2斷開。柴油發(fā)電機關閉，儲能控制DC 380V母線電壓恒定。其余DC/DC的運行方式與模式1相同。當直流微電網內的實時負荷超過儲能系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)的整體供給能力時，需要按優(yōu)先級切除適量負荷，以保證能量的供需平衡和系統(tǒng)穩(wěn)定。

3）模式3：交直流聯(lián)合離網模式

交直流聯(lián)合離網模式下，PCC-1斷開，PCC-2閉合。柴油發(fā)電機關閉，儲能系統(tǒng)作為整個交直流混合微電網系統(tǒng)的主電源，控制DC 380V母線電壓恒定，主換流器AC/DC控制AC 400V母線的電壓和頻率穩(wěn)定。其余DC/DC的運行控制方式與模式1相同。當交直流混合微電網內的總負荷超過儲能系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)的整體供給能力時，需要開起柴油發(fā)電機或按優(yōu)先級切除適量負荷，以保證功率平衡和系統(tǒng)穩(wěn)定。

4）模式4：交直流獨立離網模式

交直流獨立離網模式下，PCC-1和PCC-2均斷開。開起柴油發(fā)電機，維持交流微電網的電壓和頻率穩(wěn)定；儲能控制直流微電網母線電壓恒定，其他控制方式與上文中直流微電網獨立運行時相同。

4 交直流混合微電網多模式切換

交直流混合微電網的4種運行模式的切換關系如圖2所示。受篇幅限制，本文僅詳細介紹具有代表性的模式1和模式3之間的相互切換過程，其他切換過程可從中得到啟發(fā)。

圖2 交直流混合微電網運行模式切換關系圖

4.1 模式1轉模式3

正常情況下交直流混合微電網運行在交流直流聯(lián)合并網模式。如果公共電網由于計劃或者非計劃的原因造成失電，為了保證混合微電網內負荷的可靠供電，系統(tǒng)就需斷開PCC-1并切換至模式3運行。從模式1至模式3的整個切換流程和相關狀態(tài)如圖3所示。

初始狀態(tài)：交直流聯(lián)合并網，主換流器AC/DC處于 PQ工作模式，以實現(xiàn)與公共電網互動，儲能DC/DC控制直流母線電壓，PCC-1、PCC-2閉合。

圖3 模式1轉模式3的切換過程圖

切換過程：MGCC首先控制主換流器由PQ轉為對交流母線電壓和頻率下垂模式，然后控制PCC-1斷開，最后控制主換流器由對交流母線下垂轉為控制交流母線電壓和頻率恒定的V/f工作模式。

最終狀態(tài)：交直流聯(lián)合離網，主換流器AC/DC控制交流母線電壓和頻率恒定，儲能DC/DC控制直流母線電壓恒定，PCC-1斷開，PCC-2閉合。

4.2 模式3轉模式1

當公共電網恢復供電時，需要將交直流混合微電網由聯(lián)合離網模式轉為聯(lián)合并網模式，以實現(xiàn)混合微電網內負荷的持續(xù)供電和與公共電網之間的良性互動。從模式3至模式1的整個切換流程和相關狀態(tài)如圖4所示。

圖4 模式3轉模式1的切換過程圖

初始狀態(tài)：交直流聯(lián)合離網，主換流器AC/DC控制交流母線電壓頻率恒定，儲能DC/DC控制直流母線電壓恒定，PCC-1斷開，PCC-2閉合。

切換過程：MGCC首先控制主換流器 AC/DC由控制交流母線電壓和頻率恒定轉為對交流母線電壓和頻率下垂，然后調整下垂參數以實現(xiàn)PCC-1兩側電壓幅值和相角差滿足同期條件，當MGCC檢測到滿足同期條件時控制PCC-1閉合，最后控制主換流器AC/DC由對交流母線電壓和頻率下垂轉為PQ工作，以實現(xiàn)與公共電網的友好互動。

最終狀態(tài)：交直流聯(lián)合并網，主換流器AC/DC控制直流母線電壓，儲能DC/DC處于PQ工作模式，PCC-1、PCC-2閉合。

5 實驗分析

在實際工程中對上述策略進行了實驗驗證。受篇幅限制，本文中僅給出了模式1和模式3之間相互切換的部分波形結果如下。

5.1 模式1轉模式3

實驗中由模式1轉換至模式3的實驗波形如圖5所示。

圖5 模式3轉模式1的切換過程圖

圖5 （a）顯示了主換流器AC/DC由PQ轉為對交流母線下垂過程中的實驗波形。其中，Iac-dc曲線為主換流器輸出的電流波形，Uac-bus為主換流器輸出的交流側電壓波形，Ugrid為公共交流電網的電壓波形。后文插圖中波形曲線說明與此相同，不再一一贅述。由圖中可見，切換過程中電壓波形不受影響，電流波形也較為平穩(wěn)。

圖5（b）顯示了PCC-1處斷路器斷開時的實驗波形。由圖中可見，PCC-1處斷路器斷開后，其電流迅速減小至 0，主換流器的輸出電壓則幾乎不受影響，保持穩(wěn)定運行。

5.2 模式3轉模式1

實驗中由模式3轉換至模式1的實驗波形如圖6所示。

圖6 模式3轉模式1的切換過程圖

由圖6可見，在同期過程中，隨著下垂參數的調節(jié)，通過比較公共電網電壓與交流微電網電壓過零點處的差異可以發(fā)現(xiàn)相位差逐漸減小，直至滿足同期條件。在PCC-1處的聯(lián)絡開關閉合瞬間，并網處的電流波形有一些尖峰毛刺，這是由于非完全理想同期合閘造成的暫態(tài)現(xiàn)象；主換流器由下垂控制切換至 PQ模式過程中，其輸出電壓波形幾乎沒有發(fā)生擾動。

6 結論

本文首先分析了交直流混合微電網的典型結構和基本運行方式，并根據某實際交直流混合微電網示范工程的抽象模型提出了4種運行模式和相互間的切換策略。所提出的多模式協(xié)調控制與切換方法，以理論和實踐上都較為成熟的主從控制、恒壓恒頻控制（V/f控制）、恒功率控制（PQ控制）為基礎，引入下垂控制以減小切換暫態(tài)，并且避免了下垂控制屬于有差調節(jié)的缺點，具有較強的實用性。當前交直流混合微電網技術發(fā)展方興未艾，下一步的研究將解決交直流間存在多條通路時的協(xié)調控制與模式的切換問題。