交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計和模式切換控制策略

0

引言目前，交流微電網(wǎng)仍然是微電網(wǎng)的主要形式，盡管交流微電網(wǎng)的研究已經(jīng)取得了很多成果，但是還需要進一步解決分布式電源（distributedgeneration，DG）并聯(lián)接入時帶來的諧振、諧波等方面的影響。相比于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)無需考慮各DG之間的同步問題，在環(huán)流抑制上更具優(yōu)勢，且直流微電網(wǎng)只有與主網(wǎng)連接處需要使用逆變器，系統(tǒng)成本和損耗大大降低。當下，智能電網(wǎng)的概念深入人心，其建設(shè)理念是以一種環(huán)境友好的、可持續(xù)的方式為數(shù)字社會提供可靠的、高質(zhì)量的電能。智能電網(wǎng)最主要的特點就是可以連接各種不同的交流和直流發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及各種不同的交直流負荷，以達到最優(yōu)的運行效率。在此背景下，單純的交流微電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)就表現(xiàn)出了局限性。為了降低單純的交流/直流微電網(wǎng)在應(yīng)用中因多重AC/DC或DC/AC變換帶來的功率損耗、諧波電流及控制難度，提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，也為了各式各樣的可再生能源和儲能設(shè)備更好地接入微電網(wǎng)，研究交直流混合微電網(wǎng)具有重要意義。1

寧波交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計1.1交流微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計寧波交直流混合微電網(wǎng)位于華安電力辦公大樓，有光伏發(fā)電20kWp。現(xiàn)有的交流負荷為三相負荷（空調(diào)）160kW、單相負荷（照明）70kW；直流負荷根據(jù)調(diào)研情況基本為小功率電器?；诖巳萘?，按照表1，交流子微電網(wǎng)的電壓等級選擇AC400V，不僅有成熟的示范工程經(jīng)驗可借鑒，也方便并網(wǎng)。交流微電網(wǎng)部分通過并網(wǎng)開關(guān)與大樓AC400V公用電網(wǎng)聯(lián)接，接地方式采用TN-C-S。表1分布式電源并網(wǎng)的電壓等級分布式電源總?cè)萘糠秶?MW并網(wǎng)電壓等級/kV≤0.20.40.2～8108～3035≥301101.2直流微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計直流負荷的電壓等級較多，分布較廣；冗余式母線結(jié)構(gòu)的可靠性高，但造價也很高，且項目中沒有對電能質(zhì)量要求很高的用電設(shè)備，故不選擇此母線結(jié)構(gòu)方式。在有多種電壓等級的用電設(shè)備的情況下，將直流微電網(wǎng)母線結(jié)構(gòu)設(shè)計為雙層式母線結(jié)構(gòu)。高壓直流母線選擇DC400V，一方面跟國際接軌，借鑒相關(guān)成熟經(jīng)驗，另一方面隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，DC400V易于接納更大功率的直流電器，且易于跟直流配電網(wǎng)并網(wǎng)運行。其他小型家電負荷及通信設(shè)備與48V直流母線連接。直流微電網(wǎng)部分通過分層母線結(jié)構(gòu)的設(shè)計，完成對不同電壓等級的直流負荷的直接供電，實現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)中對直流負荷直接供電的目標。直流微電網(wǎng)采用TN-C-S接地形式，與交流微電網(wǎng)通過一臺AC/DC變流器連接。1.3交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計通過以上分析，設(shè)計交直流混合微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)見圖1。其中，交流母線設(shè)計為400V單母線，將華安電力辦公大樓已有的光伏電源接入，并與電網(wǎng)相連接，直接向辦公大樓交流負荷供電；對于分層母線結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng)部分，母線電壓設(shè)為高壓400V及低壓48V，該示范工程的高壓220/110V直流負荷通過DC/DC變流器與高壓直流母線相連接，同時接入10kWp光伏電源，通過變流器接入400V直流母線，為直流側(cè)負荷提供能量。為了便于整個網(wǎng)絡(luò)的正常運行與調(diào)控，在直流微電網(wǎng)部分接入一定容量的儲能電池，儲能電池由48節(jié)12V100Ah的鉛酸電池串聯(lián)組成，可以實現(xiàn)電能的自由調(diào)控以及直流微電網(wǎng)的孤島運行，由一臺20kW的DC/DC變流器接入DC400V母線。對于低壓直流負荷，包括48V通信負荷及小于48V的其他直流負荷，直接或通過變流器接入低壓直流母線，實現(xiàn)對展廳內(nèi)的各類負荷供電。在交直流混合微電網(wǎng)中，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)按各自的原則組成微電網(wǎng)，由四象限運行AC/DC變流器聯(lián)接，變流器額定功率30kVA，支持PQ、VF、下垂3種運行

模式。圖1交直流混合微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖2

交直流混合微電網(wǎng)運行方式與模式切換2.1交直流混合微電網(wǎng)運行方式寧波交直流混合微電網(wǎng)工程依靠2個PCC處開關(guān)的分合狀態(tài)和2臺變流器工作模式組合，支持4種運行方式，見圖2。

圖2交直流混合微電網(wǎng)運行方式1）交、直流微電網(wǎng)并網(wǎng)運行。PCC-1和PCC-2處的開關(guān)均閉合；DC/DC變流器維持DC400V母線電壓恒定；光伏工作在MPPT模式，以最大限度利用可再生能源；AC/DC工作在PQ模式，通過調(diào)整其功率來調(diào)理儲能電池的SOC，保證有足夠的備用以支撐獨立運行。連接DC400V母線與DC48V母線之間的DC/DC模塊維持48V母線電壓恒定。其他連接負荷的DC/DC模塊的控制目標均為維持負荷側(cè)直流電壓恒定。2）交流微電網(wǎng)并網(wǎng)運行，直流微電網(wǎng)離網(wǎng)運行。PCC-1處開關(guān)閉合，PCC-2處開關(guān)斷開；AC/DC變流器停機，DC/DC變流器維持DC400V直流母線電壓恒定；其他DC/DC模塊的運行方式與交、直流微電網(wǎng)并網(wǎng)運行方式下相同；光伏輸出功率根據(jù)儲能電池的SOC進行調(diào)整。3）交、直流微電網(wǎng)并列離網(wǎng)運行。PCC-1處開關(guān)斷開，PCC-2處開關(guān)閉合；DC/DC變流器控制DC400V母線電壓恒定，AC/DC控制AC400V母線電壓和頻率穩(wěn)定；其他DC/DC模塊的運行方式與交、直流微電網(wǎng)并網(wǎng)運行方式下相同。當交直流混合微電網(wǎng)內(nèi)的總負荷超過儲能和光伏的整體調(diào)節(jié)能力時，需要切除部分負荷，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。4）交流微電網(wǎng)停運，直流微電網(wǎng)離網(wǎng)運行。PCC-1和PCC-2處的開關(guān)均斷開；交流微電網(wǎng)停止運行，直流微電網(wǎng)部分運行，與第2）種運行方式相同。2.2交直流混合微電網(wǎng)模式切換微電網(wǎng)的模式切換包含微電網(wǎng)運行狀態(tài)切換和主電源控制模式切換。在滿足設(shè)備可操作性和電網(wǎng)穩(wěn)定需求的前提下，采用自動策略集順序控制，其中包括無縫切換技術(shù)、微電網(wǎng)與電網(wǎng)同步技術(shù)等。圖2所示共4種運行方式、8種切換策略集（對應(yīng)圖中數(shù)字①～⑧）。運行人員根據(jù)需要選擇切換策略集，監(jiān)控系統(tǒng)開始自動執(zhí)行：在監(jiān)控后臺完成狀態(tài)判別、策略號生成等控制策略后，下發(fā)給微電網(wǎng)中央控制器（MGCC）執(zhí)行，通過控制2個并網(wǎng)點開關(guān)分合、2臺變流器工作模式及輸出功率等完成模式切換過程。8種切換策略集中，⑤、⑥

2種切換策略集只是對PCC-1并網(wǎng)開關(guān)的分合操作；③、④、⑦、⑧

4種切換策略集包括對并網(wǎng)開關(guān)的分合操作和AC/DC變流器的啟停操作，這6種切換策略較為簡單，本文不做贅述，主要介紹①、②

2種切換策略。1）交流離網(wǎng)、直流離網(wǎng)轉(zhuǎn)交流并網(wǎng)、直流并網(wǎng)。交直流混合微電網(wǎng)交流離網(wǎng)、直流離網(wǎng)時，PCC-1處開關(guān)斷開，PCC-2處開關(guān)閉合，AC/DC變流器控制交流側(cè)電壓、頻率，工作在VF模式，DC/DC變流器控制DC400V母線電壓穩(wěn)定。運行人員下達模式切換指令后，MGCC首先將AC/DC變流器由VF模式轉(zhuǎn)為下垂模式，調(diào)整變流器的輸出電壓幅值和頻率，當MGCC檢測到交流母線電壓與電網(wǎng)電壓符合并網(wǎng)條件時，發(fā)出指令合上PCC-1處開關(guān)，然后將AC/DC變流器轉(zhuǎn)為PQ模式，變流器將按照運行人員預先下達的功率指令運行，至此整個模式切換過程完成，切換流程見圖3。圖3模式切換1流程2）交流并網(wǎng)、直流并網(wǎng)轉(zhuǎn)交流離網(wǎng)、直流離網(wǎng)。這種模式切換的初始狀態(tài)是PCC-1處開關(guān)和PCC-2處開關(guān)均閉合，AC/DC變流器工作在PQ模式，DC/DC變流器控制DC400V直流母線電壓穩(wěn)定。運行人員下達模式切換指令后，MGCC首先將AC/DC變流器的輸出功率逐漸減小為0，以減少模式切換對整個微電網(wǎng)造成的沖擊；然后下達AC/DC變流器由PQ模式轉(zhuǎn)為下垂模式的控制指令，變流器模式切換成功后，立即分斷PCC-1開關(guān)，最后將變流器的運行模式切換為VF模式，整個切換流程

見圖4。圖4

模式切換2流程3

模式切換實例寧波交直流混合微電網(wǎng)模式切換實例中，交流微電網(wǎng)負荷約1kW，直流微電網(wǎng)負荷約1kW，光伏輸出功率約1.5kW。圖5按順序?qū)?yīng)上節(jié)中8種模式切換過程，其中通道1為直流母線電壓，通道2～4為交流母線電壓，通道5～7為PCC-1并網(wǎng)點處電流。8種模式切換過程中，交、直流母線電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)未出現(xiàn)振蕩或故障停電；且交流離網(wǎng)、直流離網(wǎng)與交流并網(wǎng)、直流并網(wǎng)的相互切換過程實現(xiàn)了無縫切換，僅在與公用電網(wǎng)并網(wǎng)時并網(wǎng)點PCC-1處有10A左右的電流，見圖5（a）。

圖5

模式切換波形4

結(jié)語本文研究了寧波交直流混合微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計方案，重點討論了交直流混合微電網(wǎng)電壓等級的選擇、母線結(jié)構(gòu)的確定、接地方式的選取及網(wǎng)絡(luò)拓撲的確定，形成了符合示范工程實際情況的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案。在此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了4