微机实现微电网运行方式无缝切换研究

李培宜，欧阳逸风，李燕，孙攀

(南京国电南自自动化有限公司，南京 211100)

1 微电网运行概况

可再生能源的应用催生出微电网。微电网可变相抑制再生能源的间歇性，将清洁能源接入大电网，可提高清洁能源的利用率。 我国微电网目前处于起步阶段，工程多为示范性。本文针对微电网运行过程中运行方式的切换，提出一种微机实现无缝切换的方法，提高微电网运行时的电能质量。

典型微电网结构如图1所示，包含储能变流器(PCS)、电池、负荷、可再生能源(光伏、风电等)。

图1 微电网结构示意

微电网运行方式可分为并网运行方式、离网运行方式。并网运行指并网点开关闭合，微电网和大电网电气连接，微电网可和大电网交互电能。离网运行指并网点开关断开，微电网自给自足。

微电网中储能变流器的控制模式可分为PQ、V/f、下垂。工作在下垂模式下的储能变流器，在并/离网切换过程中，无需切换控制模式。在切换过程中，只需保证功率平衡，切换就可顺利完成，本文不作讨论。

并网运行方式下，储能变流器控制模式为PQ，大电网为主电源，作为电压、频率的支撑。离网运行方式下，储能变流器控制模式为V/f，储能变流器为主电源。

微电网并网运行切换为离网运行时，需断开并网点开关，切换储能变流器控制模式为V/f。离网运行切换为并网运行时，需闭合并网点开关，切换储能变流器控制模式为PQ[1]。

本文通过微机装置的控制，实现并网点开关断开(闭合)、储能变流器控制模式切换的时序配合，达到微电网运行方式无缝切换。

图1中微机装置1采集并网点电压、电流、并网点开关位置等实时信息，微机装置2～4采集微电网内电源、负荷的电压、电流、开关位置等信息，并实时上送至微机装置1。其中微机装置2与PCS通讯，可实现对PCS输出功率的控制。

2 并网运行方式切换为离网运行方式

并网运行方式切换到离网运行方式，可分为计划性(人为)、非计划性(大电网故障等因素)。

并网运行方式下，储能控制模式为PQ。计划性离网遵循如下步骤。

(1)微机装置1根据联络线上实时功率和储能PCS输出实时功率，下发命令调节储能PCS的输出功率，使联络线上的交换功率为0。

(2)微机装置1分开并网点开关，同时切换PCS的控制模式为V/f。

上述过程中，为实现无缝切换，并网点开关断开瞬间，需储能控制模式切换为V/f同时完成。如采用通信切换PCS控制模式，由于通信延时的不确定性，无法保证时序。PCS控制模式切换为V/f通过微机装置1开出硬节点实现。断开并网点开关、切换储能控制模式时序如图2所示，微机装置1下发分闸命令后，间隔△t时间，下发切换PCS控制模式为V/f命令。

微电网并网运行方式下，发生非计划性离网的原因主要归为3类[1]：外部电网故障；外部电网失电；外部电网电能质量不满足标准。

图2 计划性离网时序

图3 计划性并网时序

微机装置1通过电压、电流等判据识别上述情形，跳开并网点开关，切换为离网运行方式。发生非计划性离网前，联络线上的功率不为0，离网运行方式下，功率不平衡，可能会存在稳定问题。故非计划性离网前，联络线向外部电网输送功率，跳开并网点开关的同时可切除相应的可再生能源。非计划性离网前，联络线从外部电网吸收功率，可根据负荷重要性切除相应的负荷。

微机装置1下发分并网点开关、切换控制模式为V/f命令的时序同计划性离网。

3 离网运行方式切换为并网运行方式

当外部电网正常时，微电网需由离网运行方式切换为并网运行方式，遵循以下步骤。

(1)调节微电网离网主电源，使微电网母线频率为50 Hz，电压同大电网电压。

(2)微机装置1同期合并网点开关。

合并网点开关、切换储能控制模式时序如图3所示，微机装置1下发合闸命令后，间隔△t时间，下发切换PCS控制模式为PQ命令。

4 实验室验证

实验室并网点开关采用静态开关，10 ms可实现三相的分断，2.5 ms可实现三相闭合。 蓄电池为铅碳电池，能量为30 kW·h。运行方式切换过程中，记录并网点电压、电流波形。观看是否达到无缝切换的目的。

根据时序配合关系，实验室验证微电网运行方式切换过程中，并网点开关断开(闭合)分别超前、同时、滞后PCS控制模式切换完成，观察微电网运行方式切换是否成功。

4.1 计划性离网

(1)并网点开关断开和储能控制模式切换同时完成。电压波形如图4所示，微电网由并网运行切换至离网运行成功，微电网稳定运行。观察切换过程中的三相电压波形，可发现切换过程中电压发生畸变，过渡过程约为20 ms。

图4 计划性离网电压波形(并网点断开和控制模式切换同时)

(2)并网点开关断开滞后储能控制模式切换15 ms。电压波形如图5所示，微电网由并网运行切换至离网运行失败。微电网切换为离网运行后，PCS故障退出运行。分析切换过程中存在大电网和PCS同时为主电源的时刻，PCS保护动作，PCS退出运行。

(3)并网点开关断开超前储能控制模式切换100 ms。电压波形如图6所示，微电网由并网运行切换至离网运行失败。微电网切换为离网运行后，PCS故障退出运行。观察电压，发现开关断开后，三相电压频率不稳，PCS保护动作，PCS退出运行。

4.2 非计划性离网

实验室模拟外部失电，进行非计划性离网。

(1)并网点开关断开和储能控制模式切换同时(2)并网点开关断开滞后储能控制模式切换完成15 ms。电压波形如图8所示， 微电网由并网运行切换至离网运行成功，微电网稳定运行。在同样时序下，计划性离网运行方式切换失败。分析后，发现由于外部失电，不存在大电网和PCS同时为主电源的时刻。

图5 计划性离网电压波形(并网点断开滞后控制模式切换)

图6 计划性离网电压波形(并网点断开超前控制模式切换)

完成。电压波形如图7所示，微电网由并网运行切换至离网运行成功，微电网稳定运行。观察切换过程中的三相电压波形，可发现切换过程中电压发生畸变，过渡过程约为20 ms。

图7 非计划性离网电压波形(并网点断开和控制模式切换同时)

图8 非计划性离网电压波形(并网点断开滞后控制模式切换)

(3)并网点开关断开超前储能控制模式切换完成100 ms。电压波形如图9所示， 微电网由并网运行切换至离网运行失败。微电网切换为离网运行后，PCS故障退出运行。观察波形，并网点开关断开后，电压频率不稳，PCS保护动作，PCS退出运行。

图9 非计划性离网电压波形(并网点断开超前控制模式切换)

4.3 计划性并网

(1)并网点开关闭合和储能控制模式切换同时完成。电压波形如图10所示，微电网由离网运行切换至并网运行成功，微电网稳定运行。切换过程中的电压波形连续正常。

(2)并网点开关闭合滞后储能控制模式切换15 ms。电压波形如图11所示，微电网由离网运行切换至并网运行成功，微电网稳定运行。切换过程中的电压波形有短暂的畸变。

(3)并网点开关闭合超前储能控制模式切换100 ms。微电网由离网运行切换至并网运行失败。在并网运行方式下，PCS故障退出。记录的微电网母线电压波形正常，分析发现，存在大电网和PCS同时为电源的时刻，PCS保护动作，PCS退出运行。

图10 计划性并网电压波形(并网点闭合和控制模式切换同时)

图11 计划性并网电压波形(并网点闭合滞后控制模式切换)

5 结束语

经实验室验证，通过时序配合达到并网点开关断开(闭合)、储能变流器控制模式切换同时刻完成，可实现微电网运行方式的无缝切换。并网点开关断开(闭合)超前、滞后储能变流器控制模式切换，都可能造成储能变流器故障退出运行，导致微电网运行方式切换失败。

微机综合保护测控装置已在我国电力系统中大规模应用。微电网的保护、测控功能的实现目前示范性工程也大都如此。利用微机实现微电网运行方式的无缝切换，在未增加成本的基础上，可以达到毫秒级的时序控制，有利于提高微电网电能质量和稳定运行水平。