基于储能变流器的微电网并/离网无缝切换的研究

李超+赵志刚

摘 要：智能微电网凭借着将分布式电源灵活可靠的接入大电网以及解决了传统电网的一些弊端的优势已经成为智能配电网发展的关键环节之一。智能微电网的的关键作用是具有并网与离网的无缝切换功能，保证大电网断电时，系统中的关键负荷不断电。以铅酸电池作为主控制单元，通过储能换流器PCS来实现微网系统的并网/孤岛运行模式的无缝切换。借助实验的结果以及电压的波形验证了无缝切换的正确性。

关键词：智能微电网；P-Q模式；V-F模式； 儲能换流器；无缝切换

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.149

0 引言

近年来，随着电力系统的电网规模不断扩大，分布式发电技术越来越多的受到国家和社会的重视。分布式电源通过微电网以可控单元形式接入大电网是分布式电源被有效利用的最佳方式[1]。智能微电网是指由分布式电源、储能装置、负荷、能量转换装置、监控和保护装置等组合成的一个小型发配电系统，它是一个能够实现自我保护、控制和管理的自治系统。智能微电网具有的一个特点是存在两种运行方式，一种是在交流大电网下的并网运行，另一种是在没有大电网或者大电网断电时独立运行。为了保证负荷在这两种运行状况下不受影响，更好的体现微电网的意义，智能微电网应做到并/离网转换的无缝切换。所谓的无缝切换，就是指在整个切换过程中的微电网的电压和频率在智能微电网运行标准规定的范围之内[2-3]，能够保证对重要负荷进行不间断的供电。本文通过储能变流器PCS 的两种不同的控制策略来实现对微电网的无缝切换，储能变流器在并网运行时是有功无功控制模式（P-Q模式），在独立运行时是电压频率控制模式（V-F模式），本文以沈阳工程学院智能微电网实验室的风光储一体的微电网实验室作为平台，通过储能变流器PCS采集并网点处的电压、频率的同期和开关的开断，从而实现并/离网的无缝切换。

1 并网运行的控制策略（P-Q运行模式）

并网运行策略即P-Q运行模式，在与电网并网模式下，储能换流器依靠电网所提供电压和频率的刚性支撑，这时电网中的负荷波动、电压和频率的扰动都由大电网承担；分布式电源不需考虑电压和频率调节，即PQ控制模式[4]。当储能换流器在并网的状态时，采用交流电网电压的有功无功解耦的控制策略，采取双闭环控制方式，外环采取功率控制，内环采用电流控制方式。

2 恒压/恒频控制（V-F控制）

独立运行策略即V-F控制，大电网发生故障的时，为了保证微网系统中的关键负荷不断电，智能微电网系统可根据需要进行独立运行。独立运行时，储能变流器相当于系统中的一个电源，为微网系统提供合适的电压和频率。将逆变后所生成的正弦电压频率通过锁相技术进行调节[5]。

3 无缝切换的实现

（1）并网切换到独立运行。当储能换流器在并网状态运行，此时PCS的控制策略为PQ控制。当交流电网处发生故障时，并网点PCC处的电压会迅速下降，微电网接口处保护装置会检测到扰动，使PCC处静态开关动作跳开。从而微电网和配电网形成两个单独的系统，此时PCS切换为VF控制。

（2）独立运行切换到并网运行。储能换流器平稳同期方法微电网同期并网是一个 V-F 运行策略换流器与多个P-Q 模式的分布式电源换流器协调同期过程，通过交流电网锁相环输出的信号来控制储能换流器PCS的调制频率，从而完成微电网频率的同期调节。交流电网电压相位与微网电压相位进行比较调节，获得储能换流器的调制相位角。把交流电网电压幅值与微电网的电压幅值进行比较调节，获得PCS的VF 运行策略下的电压外环参考值。

4 实验验证并/离网的无缝切换

在微电网系统PCS作为主控制的并网运行时，直接手动断开PCC开关QF2模拟电网故障，同时加入适当的电子负载来平衡系统的功率，由图可知，大电网断电之后，电压发生了微小的波动，大概两个周波左右恢复了正常波形，符合电压的正常波动要求，微网系统中的原有负载没有断电，验证了并网到孤岛的无缝切换理论正确。

交流电网的故障恢复后，由波形我们可以发现，大电网电压与PCS独立运行下的电压同时存在，并网点开关QF2没有立即闭合，只有在相位和幅值都对好之后PCS才能发出闭合并网点开关QF2的指令进行并网。由实验的波形看出经过几个周期的调整很快电网侧电压和换流器侧电压幅值和相角相同两路波形重合，完成无缝切换。因此，验证无缝切换的理论正确。

5 结束语

本文介绍了微网的P-Q和V-F两种控制策略，微电网的关键技术之一在于无缝切换的实现，以满足系统中关键负荷在电网发生故障时不断电的需要。文章研究了基于PCS的无缝切换策略，通过使换流器直接采取并网点PCC处开关的电压和频率的数值，从而控制整个微电网进行并网运行和孤岛运行的无缝切换。通过真实的实验平台进行实验，微电网并网转离网后电压波形发生微弱的波动，很快恢复正常，离网转并网时，储能换流器进行并网点的电压同期检测，符合要求后进行并网。通过实验验证了基于储能换流器微网系统无缝切换的正确性和可行性。

参考文献：

[1]吴在中，赵上林，胡敏强等.交流微网边方向变化量保护[J]. 中国电机工程学报，2012，32（25）：158-166.

[2]IEEE.1547.2-2008 IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems[S]. NewYork：IEEE，2008.

[3]UL.1741-2010Inverters，Converters，Controllers and Interconnection System Equipment for Use With Distributed EnergyResources[S].Chicago：UL，2010.

[4]景雷.微电网系统无缝切换策略研究与仿真[J].电气应用 2013（S1）：1672-9560.

[5]杨恢宏，余高旺，樊占峰等.微电网系统控制器的研发及实际应用[J].电力系统保护与控制，201139（19）：126-129.

作者简介：李超（1992-），男，辽宁人，硕士研究生，研究方向：智能微电网。endprint