基于电力电子变压器的微网并网装置仿真研究

戴 鑫，肖宏飞

(杭州电子科技大学自动化研究所，浙江杭州310018)

0 引言

在传统化石能源日趋紧张以及节能减排的全球大背景下，微网备受人们的关注。微网不仅能够有效提高能源的综合利用效率，而且对主电网的也是一种有效的电力补充，提高了供电可靠性和稳定性［1－3］。直接将微网与系统主网相连的优点是投资低，结构简单，但供电可靠性低，灵活性差，并网时间长且冲击大［4］。文献［5－6］提出将背靠背的VSC应用于微网并网，虽然对功率和电能质量的控制较好，但当接入上一级配电网时需加入传统电力变压器，不仅增加了体积，而且传统变压器固有的不足仍然会带入到微网和主网中。文献［7－9］阐述了电力电子变压器在FREEDM微网中的应用，但是其针对的是DG与微网的并网，这与微网和大电网的并网有本质的区别。本文提出了一种基于电力电子变压器的微网并网装置及其控制策略。利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC建立微网并网仿真模型，以验证该装置及其控制策略的有效性。

1 基于电力电子变压器的微网结构

电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)，也称固态变压器，是结合电力电子变换技术和基于电磁感应原理的高频电能变换技术，将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的静止电气设备［10］。相比传统的电力变压器，PET不但具能量传递、变压、隔离等常规变压器应有的功能，而且兼具限制故障电流、平衡有功功率、改善电能质量以及为各种设备提供标准化接口等用途。可见，电力电子变压器非常合适于微网并网。

1.1 微网总体结构

本文将交流负荷接入380V交流母线，DG和直流负荷通过各自的换流器接入交流母线。交流微网通过PET接入配电网，PET作为并网装置取代普通电力变压器和断路器，进行电压变换和电路通断控制。同时在PET两侧安装隔离开关，以便在配网、微网发生故障或检修时隔离电路，微网结构示意图如图1所示。

1.2 三相PET结构的确定

目前，PET的实现方案可分为两种形式:(1)直接AC－AC变换，即在变换过程中不含直流环节;(2)AC－DC－AC变换，即在变换过程中存在直流环节，其可控性及灵活性要强于第一种，所以本研究拟采用AC－DC－AC型电力电子变压器，其结构如图2所示。

图1 基于PET的微网结构示意图

图2 AC－DC－AC型三相PET的结构

2 PET的控制策略

2.1 PET输入级与中间级控制策略

PET的输入级是一个电压型PWM整流器，不仅能使输入电流正弦化，同时还能控制输入功率因数。对于上述功能的实现，输入级整流器需采用电压外环和电流内环控制的双闭环控制策略，控制原理如图3所示。对于电压外环，检测得到的直流电压udc与电压参考值udcref比较后形成偏差，经过PI控制器调节后作为d轴电流;为实现输入功率因数为1，q轴电流的参考值设为0。对于电流内环，d轴和q轴分量由采样得到的三相输入电流经坐标变换形成，分别与参考值比较后得到的偏差，经控制器调节，形成调制波信号。

中间隔离级的作用是将直流逆变成高频交流后，通过高频变压器耦合到二次侧，再整流成直流，这里可以采用开环PWM控制。通过恒定占空比为50%的PWM脉冲同步触发高频变压器高压侧的单相逆变变换器和高频变压器低压侧的单相全桥整流器来实现。

图3 PET输入级控制原理图

2.2 PET输出级与DG的协调控制

从结构来看，PET输出级也是一个VSC装置，与DG的接口逆变器并无不同，但从PET的接入位置及功能来看，其控制策略的选择又受到较大限制。

2.1.1 基于微网电网跟随控制的输出级控制策略

微网电网跟随控制是指微网内的微电源并不参与调频调压控制，只是根据自身能力独立调节输出功率［11］。因此，PET输出级需要作为微网的主控制单元，为微网系统的电压稳定和频率稳定提供主要支持，即采用定电压定频率即V/f控制策略，供给微网稳定的交流电压和频率，如图4(a)所示。相应地，微网中的其他DG应作为从控制单元，对于输出功率易于调度的DG，如微型燃气轮机、燃料电池、蓄电池等，可采用PQ控制，使用预先设定功率参考值作为有功调度和无功补偿值，实际有功功率和无功功率跟踪其参考值的变化;对于输出功率不易调度的DG，如风力发电机、光伏电池等，用定直流电压控制，其目标是维持直流电压恒定以实现最大功率输出。

2.1.2 基于微网并网点恒定潮流控制的输出级控制策略

由于大量自然变动电源接入电网会对电网的稳定运行产生影响，通过对微网实现并网点恒定潮流控制，可大大降低自然变动电源对电网的影响［12］。微网并网点恒定潮流控制即控制大网与微网的潮流交换，同时微网内部的分布式电源及补偿装置根据不同的响应特性调整自身的出力，以平抑DG及负荷波动，从而实现微网内部的供需平衡。此时，PET输出级采用PQ控制，通过预先设定的功率参考值，令并网点潮流跟踪参考值的变化，实现并网点恒定潮流控制如图4(b)所示。由于PET隔离了大电网与微网，同时限制了它们之间的功率交换，所以此时大电网无法再为微网提供电压和功率支持，微网内需要确定一个基本稳定电源来稳定微网电压、平抑功率波动。这类微源一般采用功率易于调整的微型燃气轮机或者蓄电池，采用V/f控制策略。而对于如风力发电机、光伏电池等功率不易调节的微源，仍采用定直流电压控制，以实现最大功率输出。

图4 PET输出级控制原理图

3 仿真分析

利用PSCAD仿真软件建立的微网仿真模型如图5所示，验证PET在微网电网跟随控制和并网点恒定潮流控制下的有效性。微网额定电压为380 V，额定频率为50 Hz，仿真中配电网以理想电压源代替。微网中包括两个分布式微源DG1、DG2和一组蓄电池。两个DG各带一个近端负荷，远端负荷3位于380 V交流母线，初始运行时不投入。并网装置容量500 kVA，交流微网中线路参数为 R=0.642 Ω/km，X=0.102 Ω/km。

3.1 仿真1

当微网处于电网跟随控制模式时，PET输入级采用电压电流双闭环控制，中间级采用开环PWM控制，输出级采用V/f控制。DG1、DG2均采用PQ控制，初始输出功率分别为(100+j0)kVA、(185+j80)kVA，负荷1、2 分别为(90+j0)kVA、(205+j84)kVA。1.8 s时DG2有功功率参考值变为(235+j95)kVA，3 s时投入远端负荷3为(90+j25)kVA。仿真结果如图6所示。

图5 微网结构图

图6 微网电网跟随控制下的联网仿真结果

由图6(a)电压电流波形图可知，初始状态PET输入侧的交流电压和电流基本保持同相，可实现单位功率因数运行。图6(b)和(c)反映了微网系统频率为50 Hz，电压稳定在380 V，频率和电压偏差非常小。微网缺额的功率由配电网提供，并网装置输出有功25 kW，无功7 kVar，如图6(d)所示。从1.8 s开始，DG2的出力增加，导致微网功率富余，向配电网输送功率，PET输出功率为(－16－j7)kVA。3 s开始投入负荷3，微网发生功率缺额，配电网向微网输送功率，PET输出功率为(73+j19)kVA。在DG和负荷变化瞬间微网系统频率和电压均有小幅波动，随后又稳定至额定值。可见，联网运行时并网装置不仅能实现单位功率因数运行，还能够维持微网系统有功平衡补偿无功需求，实现功率的双向流动的控制。

3.2 仿真2

当微网需要并网点恒定潮流控制时，PET输出级采用PQ控制，DG1仍采用PQ控制，DG2采用定直流电压控制，蓄电池采用V/f控制。DG1出力及负荷初始状态与仿真1相同，DG2模拟风力发电，其出力随风力的改变而改变。本例中考虑并网点潮流设定值为50 kW，即配网向微网输入有功50 kW。2.5 s投入负荷3。仿真结果如图7所示。

图7中，PDG+Load表示DG出力与负荷消耗的功率代数和，PBAT表示蓄电池有功出力，Ppcc表示并网点功率。由图可知，无论是微源的波动还是负载的突变，并网装置都能够很好的稳定大电网与微网的功率交换，达到维持并网点潮流恒定的目的。蓄电池在整个过程中，能够跟踪微源的波动及负荷的变化 并进行实时补偿。可见，在并网装置的控制下，能够恒定微网与大电网的潮流交换，实现并网点潮流的恒定控制，这为电网的经济运行及智能电网的研究提供了新的思路。

图7 并网点恒定潮流控制的仿真结果

4 结束语

本文设计了一种基于PET的新型并网装置，提出了不同模式下并网装置相应的控制策略。研究表明，新型并网装置不仅能实现单位功率因数运行，还能够维持微网系统有功平衡，补偿无功需求，实现配电网与微网之间功率双向流动的控制。另外，在微网并网点恒定潮流控制模式下，还能恒定微网与大电网的潮流交换，实现并网点恒定潮流控制。

［1］鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述［J］.电力系统自动化，2007，31(19):100－107.

［2］李鹏，张玲，王伟，等.微网技术应用与分析［J］.电力系统自动化，2009，33(20):109－115.

［3］葛志超，方念，杨凡凡，等.微网技术综述［J］.电气开关，2013，(3):1 －4.

［4］李胜，张建华，李春叶，等.微网(Microgrid)的并网运行方式探讨［J］.太原理工大学学报，2009，40(2):184－187.

［5］WEI Y，ZHAO C Y，LU Y，etal.A scheme of connecting microgird to AC grid via flexible power electronics interface［C］.Hangzhou:International Conference on Power System Technology，2010:1 －6.

［6］Majumder R，Ghosh A，Ledwich G，etal.Power Management and Power Flow Control With Back-to-Back Converters in a Utility Connected Microgrid［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2010，25(2):821 －834.

［7］HUANG A Q，CROW M L，HEYDT G T，etal.The future renewable electric energy delivery and management(FREEDM)system:the energy internet［J］.Proceedings of the IEEE，2011，99(1):133 －148.

［8］刘金辉，张明锐，金鑫.应用于新型微网FREEDM的固态变压器研究［J］.电力系统及其自动化，2010，32(6):48－53.

［9］张明锐，王之馨，黎娜.下垂控制在基于固态变压器的高压微电网中的应用［J］.电力系统自动化，2012，36(14):186－192.

［10］毛承雄，王丹，范澍，等.电力电子变压器［M］.北京:中国电力出版社，2010:16－18.

［11］李刚，赵静，姚振纪.智能微电网的控制策略研究综述［J］.电工电气，2012(1):1－4.

［12］郑凌蔚，刘士荣，徐青鹤.基于非线性扩散粒子群算法的光伏微网并网点恒定潮流控制［J］.电网技术，2010，34(10):152－156.