中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：文章針對(duì)微電網(wǎng)分層控制中出現(xiàn)的問(wèn)題，如微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)失敗及存在離網(wǎng)“縫隙”，在離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)過(guò)程中存在合閘沖擊等問(wèn)題。提出移頻控制無(wú)通信線互聯(lián)的微電網(wǎng)控制技術(shù)，并搭建了20kW，400V微電網(wǎng)物理模型系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證了采用該方法可以實(shí)現(xiàn)不依賴通信，無(wú)MGCC，由儲(chǔ)能裝置與DG自主并聯(lián)，無(wú)通信線互聯(lián)的微電網(wǎng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)無(wú)縫切換，離網(wǎng)運(yùn)行能量平衡，離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的無(wú)沖擊并網(wǎng)。
0?引言
分布式發(fā)電(distributed generation，DG)接在用戶側(cè)附近，采取就近發(fā)電、就近并網(wǎng)。DG接入配電網(wǎng)，當(dāng)電網(wǎng)擾動(dòng)或故障造成電壓頻率異常時(shí)，要求DG退出運(yùn)行，避免DG接入對(duì)配電網(wǎng)安全運(yùn)行造成影響。為解決DG接入配電網(wǎng)的矛盾，充分發(fā)揮DG優(yōu)勢(shì)，Lasseter B提出了微電網(wǎng)(micro-grid，MG)的概念，MG是指由DG(含光伏、風(fēng)機(jī)等DG)、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷和控制裝置等組成的具有自我控制、管理和保護(hù)的自治系統(tǒng)，既可以與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤島離網(wǎng)運(yùn)行，MG技術(shù)是有效利用DG發(fā)電的技術(shù)途徑。
微電網(wǎng)控制方式主要有主從控制、對(duì)等控制、綜合分層控制3種控制方式。
1)主從控制。在微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要主電源(儲(chǔ)能裝置)由P/Q控制模式轉(zhuǎn)換為V/f控制模式，在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)又需要主電源(儲(chǔ)能裝置)由V/f轉(zhuǎn)換為P/Q控制模式，采用主從控制的微電網(wǎng)在孤島發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“有縫”切換，盡管使用快速電力電子開關(guān)可以縮小“縫隙”，但不能完全做到“無(wú)縫”切換，同時(shí)儲(chǔ)能裝置電池不能長(zhǎng)期支撐離網(wǎng)運(yùn)行中系統(tǒng)大的負(fù)荷，在負(fù)荷較輕時(shí)，也不能長(zhǎng)期處于充電狀態(tài)，需要依賴通信的綜合分層控制實(shí)現(xiàn)能量平衡。
2)對(duì)等控制。各個(gè)DG根據(jù)接入點(diǎn)的電壓和頻率，采用Droop控制并參與微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的電壓和頻率調(diào)節(jié)，采用Droop控制可以不依賴通信，但微電網(wǎng)在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)如何保持電壓和頻率的穩(wěn)定性是需要繼續(xù)解決的問(wèn)題。
3)綜合分層控制。把微電網(wǎng)分成能量管理層、協(xié)調(diào)控制層、就地控制層的三層控制結(jié)構(gòu)，依賴協(xié)調(diào)控制層的微電網(wǎng)控制中心(micro-grid control center，MGCC)集中管理各個(gè)DG、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)離網(wǎng)能量平衡，是目前微電網(wǎng)普遍采用并具備商業(yè)應(yīng)用的一種成熟技術(shù)模式，但分層控制依賴通信，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且技術(shù)指標(biāo)不高，存在“有縫”切換、非計(jì)劃孤島過(guò)電壓、并網(wǎng)合閘沖擊等問(wèn)題。本文結(jié)合采用綜合分層控制方式微電網(wǎng)工程，分析其存在的問(wèn)題;提出移頻控制無(wú)通信線互聯(lián)的微電網(wǎng)控制技術(shù)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)不依賴通信、不增加控制設(shè)備、僅由儲(chǔ)能裝置與DG實(shí)現(xiàn)自主并聯(lián)，是一種最簡(jiǎn)單物理結(jié)構(gòu)的即插即用微電網(wǎng)方案。
1?微電網(wǎng)分層控制的主要問(wèn)題
微電網(wǎng)分層控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，把微電網(wǎng)分成能量管理層、協(xié)調(diào)控制層、就地控制層的3層控制結(jié)構(gòu)。能量管理層實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)中多個(gè)微電網(wǎng)能量管理;協(xié)調(diào)控制層由MGCC集中管理各個(gè)DG、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷，響應(yīng)能量管理層的調(diào)度管理并協(xié)調(diào)就地控制層設(shè)備，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行及離網(wǎng)運(yùn)行控制;就地控制層由分布式電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷控制器以及智能終端等設(shè)備構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、就地保護(hù)控制、分布式發(fā)電調(diào)節(jié)、儲(chǔ)能充放電控制和負(fù)荷控制，對(duì)于小型簡(jiǎn)單微電網(wǎng)，可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，將能量管理層與協(xié)調(diào)控制層合并，采用2層控制體系結(jié)構(gòu)。
1.1?并網(wǎng)運(yùn)行
微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)通過(guò)公共連接點(diǎn)(point of common coupling，PCC)與配電網(wǎng)相連接，MGCC對(duì)主儲(chǔ)能電池進(jìn)行管理，讓儲(chǔ)能電池維持在荷電狀態(tài)(state of ge，SOC)上限，盡可能多儲(chǔ)存電能，這樣可以使微電網(wǎng)在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)盡可能長(zhǎng)時(shí)間的工作。
1.2?并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)
在外部電源失去時(shí)，需要從并網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)入離網(wǎng)狀態(tài)，也就是非計(jì)劃孤島;或者在計(jì)劃調(diào)度需要時(shí)，微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入離網(wǎng)狀態(tài)，也就是計(jì)劃孤島。
1.2.1?計(jì)劃孤島PCC交換功率調(diào)節(jié)
在計(jì)劃性孤島時(shí)，MGCC根據(jù)計(jì)劃調(diào)度指令要求，首先調(diào)節(jié)儲(chǔ)能出力，使PCC交換功率為零，儲(chǔ)能、各DG出力與負(fù)荷達(dá)到平衡;MGCC發(fā)出指令跳PCC開關(guān)，儲(chǔ)能由P/Q工作模式轉(zhuǎn)換為V/f工作模式，微電網(wǎng)進(jìn)入離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。MGCC調(diào)節(jié)儲(chǔ)能出力使PCC交換功率為零的原因是防止交換功率過(guò)大;在MG發(fā)電過(guò)多、向配電網(wǎng)輸送有功過(guò)大時(shí)切換，會(huì)引起微電網(wǎng)在離網(wǎng)瞬時(shí)過(guò)電壓，主儲(chǔ)能電源因?yàn)檫^(guò)電壓保護(hù)停機(jī)。
1.2.2?非計(jì)劃孤島過(guò)電壓
在非計(jì)劃性孤島時(shí)，如果MG發(fā)電過(guò)多、向配電網(wǎng)輸送有功過(guò)大，由于微電網(wǎng)能量突然不平衡，就會(huì)造成微電網(wǎng)還來(lái)不及切換，孤島保護(hù)過(guò)電壓發(fā)生，從而造成主儲(chǔ)能因孤島過(guò)電壓停機(jī)，從而使微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)失敗。
1.2.3?非計(jì)劃孤島切換“縫隙”
在非計(jì)劃性孤島時(shí)，如果PCC交換功率不大，孤島發(fā)生時(shí)，孤島過(guò)電壓不足以引起主儲(chǔ)能停機(jī)。此時(shí)檢測(cè)出孤島后，跳PCC開關(guān)，進(jìn)入離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，微電網(wǎng)瞬間失電，主儲(chǔ)能經(jīng)過(guò)并轉(zhuǎn)離過(guò)程，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，主儲(chǔ)能電壓頻率恢復(fù)正常，從瞬間失電到主儲(chǔ)能電壓頻率恢復(fù)正常的時(shí)間，就是非計(jì)劃孤島“縫隙”，盡管可以采取一定措施，包括采用快速動(dòng)作的電子開關(guān)縮小“縫隙”，但不能徹底消除“縫隙”，這也是目前運(yùn)行的微電網(wǎng)普遍存在的“有縫”切換問(wèn)題。
1.3?離網(wǎng)運(yùn)行
1.3.1?電池充放電管理
離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要MGCC對(duì)主儲(chǔ)能電池進(jìn)行主動(dòng)管理，盡量多的利用分布式發(fā)電，這樣可以保障微電網(wǎng)盡可能長(zhǎng)時(shí)間離網(wǎng)運(yùn)行。在負(fù)荷較小時(shí)，由MGCC管理主儲(chǔ)能，把DG發(fā)出的多余電能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)主儲(chǔ)能充電到儲(chǔ)能的上限時(shí)，MGCC限制主儲(chǔ)能充電，不然會(huì)引起主儲(chǔ)能過(guò)充電保護(hù)停機(jī)，將整個(gè)微電網(wǎng)“黑掉”;在負(fù)荷較重時(shí)，當(dāng)主儲(chǔ)能放電到儲(chǔ)能的下限時(shí)，MGCC限制主儲(chǔ)能放電，采取切除負(fù)荷的方式，維持微電網(wǎng)運(yùn)行;不然會(huì)引起主儲(chǔ)能過(guò)放電保護(hù)停機(jī)，將整個(gè)微電網(wǎng)“黑掉”。
1.3.2?分布式發(fā)電控制
微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，MGCC對(duì)分布式發(fā)電及負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)采集到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流、電壓、功率、開關(guān)量等信息，控制各DG及儲(chǔ)能的出力，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的離網(wǎng)能量平衡。MGCC通信出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，無(wú)法進(jìn)行分布式發(fā)電控制，微電網(wǎng)不能正常運(yùn)行。
1.4?離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)
微電網(wǎng)在離網(wǎng)運(yùn)行期間，配電網(wǎng)電源恢復(fù)正常，或計(jì)劃性孤島恢復(fù)，需要微電網(wǎng)從離網(wǎng)恢復(fù)到并網(wǎng)運(yùn)行。由于微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的電壓與配電網(wǎng)電壓存在角差及頻差，并網(wǎng)恢復(fù)時(shí)采取同期角度小于定值時(shí)并網(wǎng)恢復(fù)，盡量減少并網(wǎng)恢復(fù)瞬間的合閘沖擊。如果同期時(shí)合閘沖擊過(guò)大，合閘沖擊電流會(huì)造成主儲(chǔ)能過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作而停機(jī)，整個(gè)微電網(wǎng)會(huì)被“黑掉”，微電網(wǎng)從離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)應(yīng)盡量做到?jīng)_擊小，實(shí)現(xiàn)“平滑”切換。
通過(guò)以上分析：微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行、并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)、離網(wǎng)運(yùn)行、離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的控制都離不開MGCC，而MGCC又依賴通信;即便這樣，還不能解決過(guò)電壓、切換“縫隙”、合閘沖擊等問(wèn)題。
2 移頻控制技術(shù)
移頻鍵控(frequency-shift-keying，F(xiàn)SK)技術(shù)是用數(shù)字信號(hào)去調(diào)制載波的頻率，在電力系統(tǒng)保護(hù)通信領(lǐng)域是一項(xiàng)應(yīng)用成熟的技術(shù)，如：高壓線路保護(hù)用FSK式收發(fā)信機(jī)，額定頻率范圍50–400kHz，在4kHz額定帶寬，正常運(yùn)行發(fā)送的是監(jiān)頻信號(hào)，信號(hào)頻率fG，用于信道的監(jiān)視;故障時(shí)發(fā)送命令信號(hào)，發(fā)送信號(hào)頻率fT，用于傳送規(guī)定的操作命令。高壓線路保護(hù)用載波機(jī)，采用FSK技術(shù)，在一個(gè)通道中切換5個(gè)頻率，正常傳送監(jiān)頻fG，故障時(shí)傳送跳頻fA、fB、fC、f3。跳頻fA、fB、fC分別為A、B、C相的跳頻，f3為三相跳閘的跳頻，如圖2所示。
微電網(wǎng)中可以借用FSK技術(shù)思想，在微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，借用電壓源的工頻信號(hào)，采用移頻控制技術(shù)，利用頻率信號(hào)作為通信手段，實(shí)現(xiàn)無(wú)通信線互聯(lián)微電網(wǎng)控制，由儲(chǔ)能裝置與各個(gè)DG實(shí)現(xiàn)自主并聯(lián)，不需要MGCC，是一種最簡(jiǎn)單物理結(jié)構(gòu)的即插即用微電網(wǎng)控制。
2.1?頻率分區(qū)
頻率分區(qū)如圖3所示，參考0.5–100 MW發(fā)電機(jī)組的頻率偏差故障穿越要求：在47.5–51Hz內(nèi)，49–50.3Hz為發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行頻率;50.3–51Hz為發(fā)電機(jī)組頻率過(guò)高時(shí)，頻率偏差故障穿越允許運(yùn)行30min;47.5–49Hz為發(fā)電機(jī)組頻率過(guò)低時(shí)，頻率偏差故障穿越允許運(yùn)行30min。在微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，主儲(chǔ)能采用虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，具有電壓源外特性，借用電壓源的工頻信號(hào)，把頻率運(yùn)行下限47.5Hz調(diào)整為47.7Hz，主儲(chǔ)能在最大功率充電/放電時(shí)，基于SOC的下垂控制方式如圖4所示，頻率工作在47.7–51Hz內(nèi)，即使功率波動(dòng)再大，只要不超出儲(chǔ)能最大充放電功率，系統(tǒng)頻率不會(huì)超出允許范圍，解決了對(duì)等控制電壓頻率的穩(wěn)定性，具有魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。具體方法是根據(jù)SOC狀態(tài)，劃分成3個(gè)區(qū)域，50.3–51Hz為SOC過(guò)高充電下垂運(yùn)行區(qū)域，亦為高頻故障穿越區(qū)域;47.7–49Hz為SOC過(guò)低放電下垂運(yùn)行區(qū)域，亦為低頻故障穿越區(qū)域;49–50.3Hz為SOC正常下垂運(yùn)行區(qū)域及SOC過(guò)高放電/SOC過(guò)低充電下垂運(yùn)行區(qū)域。SOC正常傳送監(jiān)頻fG，SOC過(guò)高充電傳送高控頻fH(控制分布式發(fā)電)，SOC過(guò)低放電傳送低控頻fL(低周減載切除負(fù)荷)。
微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，主儲(chǔ)能運(yùn)行下垂折線為圖4中折線1，正常運(yùn)行頻率fG為49–50.3Hz，主儲(chǔ)能根據(jù)SOC狀態(tài)對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行維護(hù)，使SOC工作在設(shè)定的正常范圍內(nèi)。
離網(wǎng)運(yùn)行，若SOC正常，主儲(chǔ)能運(yùn)行下垂折線為圖4中折線1，下垂運(yùn)行頻率范圍fG為49–50.3Hz，主儲(chǔ)能根據(jù)SOC狀態(tài)對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行維護(hù)，使SOC工作在設(shè)定的正常范圍內(nèi)，發(fā)送的是允許充放電監(jiān)頻fG信號(hào);若SOC過(guò)高，主儲(chǔ)能下垂折線為圖4中折線2，下垂運(yùn)行頻率為49.6–51Hz，其中fH為50.3–51Hz，充電時(shí)主儲(chǔ)能下垂運(yùn)行在該區(qū)域，發(fā)出的是禁止充電信號(hào)，以該頻率信號(hào)調(diào)節(jié)DG發(fā)電單元的發(fā)電，詳見2.3中DG的f-P折線控制，放電時(shí)主儲(chǔ)能下垂運(yùn)行區(qū)域50.3–49.6Hz，不再調(diào)節(jié)DG發(fā)電單元的發(fā)電，隨著電池放電，SOC恢復(fù)正常;若SOC過(guò)低，主儲(chǔ)能下垂折線為圖4中折線3，下垂運(yùn)行頻率為47.7–50.3Hz，其中fL為47.7–49Hz，放電時(shí)主儲(chǔ)能下垂運(yùn)行在該區(qū)域，這時(shí)SOC過(guò)低又不允許放電，以該頻率信號(hào)作為低周減載信號(hào)，負(fù)荷通過(guò)低周減載，讓主儲(chǔ)能工作在49Hz以上，對(duì)電池充電。在頻率允許范圍內(nèi)發(fā)送不同頻率信號(hào)，以該頻率信號(hào)調(diào)節(jié)DG發(fā)電單元的發(fā)電控制及負(fù)荷控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)通信線互聯(lián)微電網(wǎng)離網(wǎng)控制。
2.2?主儲(chǔ)能下垂控制折線
根據(jù)主儲(chǔ)能電池SOC狀態(tài)，采用不同的下垂折線，分為SOC正常，SOC過(guò)高，SOC過(guò)低3種情況：
1)SOC正常。
如圖4下垂折線1所示。
2)SOC過(guò)高。
如圖4下垂折線2所示。
3)SOC過(guò)低。
如圖4下垂折線3所示。
2.3?DG的f-P折線控制
微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行，需要實(shí)時(shí)保持微電網(wǎng)的離網(wǎng)能量平衡，但DG的特性是最大能力的多發(fā)電，DG采用最大功率(MPPT)跟蹤技術(shù)，最大能力地把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，在電池充滿電的情況下，即SOC過(guò)高情況下，多余的電能不能儲(chǔ)存，負(fù)荷又消耗不掉，這時(shí)會(huì)造成電能過(guò)多，失去能量平衡，引起過(guò)電壓，從而造成微電網(wǎng)離網(wǎng)時(shí)失去能量平衡而崩潰，這就需要限制調(diào)節(jié)DG出力，以便保持離網(wǎng)能量平衡。
按照GB/T15945–1995《電力系統(tǒng)頻率允許偏差》電能質(zhì)量要求，正常電網(wǎng)頻率允許偏差±0.2Hz，設(shè)置DG限額開始頻率fs1=50.2Hz，限額終止頻率fs2=50.3Hz，為fH下限值，fH上限fmax=51Hz，微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)DG出力按照?qǐng)D5所示的f-P折線控制運(yùn)行，DG控制方式采用常用的P/Q控制。
1)最大頻率跟蹤運(yùn)行：f≤fs1，DG發(fā)出的電能不會(huì)過(guò)多，不會(huì)引起過(guò)電壓，DG運(yùn)行保持MPPT運(yùn)行。
2)保持當(dāng)前的功率運(yùn)行：
fs1
3)限制功率運(yùn)行：fs2
4)停止功率輸出：f>51Hz，DG發(fā)出的電能已經(jīng)超出負(fù)荷的消耗，SOC過(guò)高，并且超出主儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)能力上限，若不停止DG功率輸出，將引起過(guò)電壓，引起系統(tǒng)崩潰，在這一階段，DG停止功率輸出，也就是常規(guī)的DG孤島保護(hù)。
2.4?主儲(chǔ)能V/f控制
微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，存在離網(wǎng)能量平衡問(wèn)題，主儲(chǔ)能在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)采用移頻控制技術(shù)，根據(jù)電池SOC狀態(tài)，發(fā)出不同的下垂頻率，DG根據(jù)不同頻率，控制調(diào)節(jié)出力，保持離網(wǎng)能量平衡。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能變流器工作在P/Q模式，電網(wǎng)頻率是由大電網(wǎng)決定。儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)采用P/Q模式，離網(wǎng)采用V/f模式，存在并網(wǎng)到離網(wǎng)，離網(wǎng)到并網(wǎng)的模式切換，模式切換又帶來(lái)“縫隙”問(wèn)題。采用目前研究逐步成熟的虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)(virtual synonous generator，VSG)，變流器與同步發(fā)電機(jī)的等效關(guān)系如圖6所示。
虛擬同步發(fā)電機(jī)具有電壓源外特性，既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以離網(wǎng)運(yùn)行，因此在計(jì)劃孤島或非計(jì)劃孤島時(shí)，仍保持并網(wǎng)時(shí)的初始狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)的無(wú)縫切換。鑒于傳統(tǒng)電網(wǎng)中的同步發(fā)電機(jī)具有優(yōu)良的慣性和阻尼特性，使儲(chǔ)能變流器在功率和頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程中具有阻尼電網(wǎng)震蕩的能力，使微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行的整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加大作用更加明顯，能大大提高微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
針對(duì)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)模式切換帶來(lái)的合閘沖擊問(wèn)題，文獻(xiàn)[11]借鑒傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列裝置工作原理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PCC并網(wǎng)開關(guān)兩側(cè)電壓差，當(dāng)電壓差有效值小于閥值(文中給出10%)并網(wǎng)，具有與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的同期并列裝置一致的特性。文獻(xiàn)[14]提出的同步電壓源(synonous voltage source，SVS)的微電網(wǎng)分層控制，參照電力系統(tǒng)一次調(diào)頻有差控制原理，同步電壓源控制通過(guò)對(duì)逆變器輸出功率和輸出電壓幅值/相角之間的下垂控制，使各逆變器共同承擔(dān)系統(tǒng)的負(fù)荷功率波動(dòng)，參與系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓，在離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)時(shí)，啟動(dòng)預(yù)同步控制，通過(guò)多次平移下垂曲線，使PCC并網(wǎng)開關(guān)兩側(cè)電壓同步。文獻(xiàn)[15-16]提出了采用一種基于幅值和相位逐步逼近的預(yù)同步并網(wǎng)技術(shù)，如圖7所示，從離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)指令接收時(shí)刻起，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PCC并網(wǎng)開關(guān)電網(wǎng)側(cè)的電壓相位信息，按照設(shè)定的相位調(diào)節(jié)步長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能變流器的電壓相位值，直至兩側(cè)電壓相位同步并保持同步，發(fā)PCC合閘命令，進(jìn)行并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)無(wú)沖擊合閘。
2.5?電池充放電管理
并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)配電網(wǎng)調(diào)度端對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，控制儲(chǔ)能的充放電，保持合理的SOC狀態(tài)。離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，盡量少的依賴儲(chǔ)能維持負(fù)荷供電，盡量多的以DG給負(fù)荷供電，同時(shí)DG多余的電能充分利用，儲(chǔ)存在電池中，這樣可以讓離網(wǎng)運(yùn)行保持時(shí)間最長(zhǎng)。為此，儲(chǔ)能SOC上限門檻設(shè)置80%–90%，下限門檻20%–30%。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能維持在上限80%–90%，這樣離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能能保持長(zhǎng)時(shí)間的電量供給。
離網(wǎng)運(yùn)行，在SOC高于上限門檻時(shí)，儲(chǔ)能工作在圖4的折線2，充電時(shí)為fH區(qū)域，發(fā)送的是禁止充電信號(hào);SOC在正常范圍內(nèi)，儲(chǔ)能工作在圖4的折線1，發(fā)送的是允許充放電信號(hào);儲(chǔ)能可能隨負(fù)載消耗SOC降低，在SOC小于下限門檻時(shí)，儲(chǔ)能工作在圖4的折線3，放電時(shí)為fL區(qū)域，發(fā)送的是禁止放電信號(hào)。SOC與電池充放電的關(guān)系如圖8所示，表示SOC與電池充放電關(guān)系。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3.1?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹
為驗(yàn)證本文提出采用移頻控制技術(shù)，利用頻率信號(hào)作為通信手段，實(shí)現(xiàn)無(wú)通信線互聯(lián)微電網(wǎng)控制，搭建了如圖9所示的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由20kW儲(chǔ)能，20kW負(fù)荷，20kW光伏發(fā)電構(gòu)成，儲(chǔ)能電池采用鋰離子電池，儲(chǔ)能變流器采用虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，具有電壓源外特性，下垂折線采用本文提出的移頻控制技術(shù)，并網(wǎng)采用預(yù)同步并網(wǎng)技術(shù)，光伏逆變器采用f-P折線控制技術(shù)，負(fù)荷1功率12kW，負(fù)荷2功率8kW，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接入電壓400V，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)沒(méi)有MGCC，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要有并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)實(shí)驗(yàn)、離網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷突減實(shí)驗(yàn)、離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)等，驗(yàn)證不同工況下無(wú)通信互聯(lián)微電網(wǎng)控制。
3.2?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1：并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)
微電網(wǎng)在并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)時(shí)，驗(yàn)證解決目前運(yùn)行的微電網(wǎng)可能出現(xiàn)的離網(wǎng)瞬間過(guò)電壓及“有縫”切換問(wèn)題。并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)實(shí)驗(yàn)如圖10所示，實(shí)驗(yàn)按照交換功率最大，由微電網(wǎng)向配電網(wǎng)送電，光伏發(fā)電20kW，負(fù)荷為0，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)光伏發(fā)電20kW全部通過(guò)PCC輸送配電網(wǎng)，儲(chǔ)能出力為0，此時(shí)發(fā)生非計(jì)劃孤島，光伏發(fā)電20kW轉(zhuǎn)為儲(chǔ)能全部吸收。圖中線?為微電網(wǎng)母線線電壓(390V)，并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)時(shí)沒(méi)有縫隙，沒(méi)有發(fā)生過(guò)電壓，實(shí)現(xiàn)了非計(jì)劃孤島的無(wú)縫切換，線?為儲(chǔ)能變流器相電流，孤島發(fā)生后儲(chǔ)能出力為0到充電電流29.8A。
3.3?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2：離網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷突變實(shí)驗(yàn)
微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，驗(yàn)證不依賴通信，依靠主儲(chǔ)能與DG配合實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)及能量平衡。離網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷突變實(shí)驗(yàn)如圖11所示，正常運(yùn)行負(fù)荷20kW，光伏發(fā)電出力10kW，儲(chǔ)能放電出力10kW，儲(chǔ)能放電出力加光伏出力，正好滿足負(fù)荷消耗需要，90ms負(fù)荷突減12kW，270ms后又突減8kW的情況，第一次負(fù)荷突減12kW，負(fù)荷僅剩8kW，此時(shí)光伏發(fā)電10kW，超出負(fù)荷消耗，多余的2kW儲(chǔ)能充電，儲(chǔ)能由放電狀態(tài)到充電狀態(tài)，第二次負(fù)荷再突減8kW，負(fù)荷為0，此時(shí)光伏發(fā)電10kW，負(fù)荷消耗為0，光伏發(fā)電10kW光伏發(fā)電全部由儲(chǔ)能吸收。圖中線?為微電網(wǎng)母線線電壓390V，保持不變;線?是儲(chǔ)能交流側(cè)電流，電流相位在負(fù)載突變前后相差180°，電流從放電到充電(0–90ms：14.9A，90–270ms：3.1A，270ms以后：-15.2A);線?是儲(chǔ)能變流器直流側(cè)電壓(700V)，線?是儲(chǔ)能變流器直流側(cè)電流(0–90ms：14.1A，90–270ms：2.9A，270ms以后：14.5A)。
3.4?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3：離網(wǎng)到并網(wǎng)無(wú)沖擊合閘
非計(jì)劃孤島后的離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)如圖12所示，微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行，帶20kW負(fù)荷，全部由儲(chǔ)能供電，檢測(cè)出配電網(wǎng)側(cè)有電壓，合PCC開關(guān)，儲(chǔ)能出力減小到0，負(fù)荷由配電網(wǎng)供電，離網(wǎng)到并網(wǎng)期間儲(chǔ)能無(wú)沖擊，實(shí)現(xiàn)平滑切換。圖中線?是微電網(wǎng)母線線電壓，保持390V不變;線?是儲(chǔ)能交流側(cè)電流，電流從29.6A放電到0。
4 結(jié)語(yǔ)
本文提出采用移頻控制技術(shù)，利用頻率信號(hào)作為通信手段，實(shí)現(xiàn)無(wú)通信互聯(lián)線微電網(wǎng)控制，僅由儲(chǔ)能裝置與各個(gè)DG實(shí)現(xiàn)自主并聯(lián)，不需要MGCC，實(shí)現(xiàn)一種最簡(jiǎn)物理結(jié)構(gòu)的即插即用微電網(wǎng)控制。搭建微電網(wǎng)物理模型，在物理模型中，主儲(chǔ)能為虛擬同步發(fā)電機(jī)特性的電壓源，采用移頻控制技術(shù)，預(yù)同步并網(wǎng)技術(shù)，DG采用f-P折線控制，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用移頻控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不依賴通信、無(wú)MGCC、由儲(chǔ)能裝置與各個(gè)DG自主并聯(lián)構(gòu)成微電網(wǎng)系統(tǒng)，微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，離網(wǎng)運(yùn)行主儲(chǔ)能與DG通過(guò)頻率信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)，離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)平滑切換，具有應(yīng)用推廣價(jià)值。
