張文靜，陳 卓，劉柏霖，朱家文，黃麗蘇

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

為了改善當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)，清潔能源的開(kāi)發(fā)與利用受到越來(lái)越多的重視[1-3]。分布式電源因能有效利用各種清潔能源(例如光能、水能、風(fēng)能等)而廣受關(guān)注[4-6]。但采用可再生能源發(fā)電存在諸多問(wèn)題，例如由于其功率的輸出具有間歇性和隨機(jī)性，直接將其接入會(huì)造成大電網(wǎng)的功率波動(dòng)，因此近年來(lái)對(duì)于微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的研究一直是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前，傳統(tǒng)的微電網(wǎng)并網(wǎng)接口主要采用斷路器和靜態(tài)開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于將兩個(gè)電網(wǎng)直接相連，沒(méi)有采取任何電氣隔離，在切換的時(shí)候沖擊電流較大，若承受能力較弱一邊的電網(wǎng)發(fā)生故障，則另一邊的電網(wǎng)也會(huì)受到影響。

背靠背變流器在電力工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，有較高的研究?jī)r(jià)值和實(shí)用價(jià)值。本文對(duì)背靠背變流器經(jīng)功能進(jìn)行改善后，將其應(yīng)用于微電網(wǎng)的柔性并網(wǎng)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。本文提出了一種直流側(cè)帶混合儲(chǔ)能裝置的背靠背變流器代替靜態(tài)開(kāi)關(guān)[7]作為改進(jìn)后的并網(wǎng)接口，該方案有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)微網(wǎng)和配網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)電氣隔離的同時(shí)也能進(jìn)行正常的功率交換；(2)由于直流側(cè)帶有混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，微網(wǎng)側(cè)變流器無(wú)論是并網(wǎng)運(yùn)行還是孤島運(yùn)行都可以采用V/f控制；(3)背靠背變流器中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可對(duì)其進(jìn)行基于DG模塊功率變化的電壓隨動(dòng)控制，能平抑分布式電源的功率波動(dòng)[8-10]，進(jìn)一步維持配網(wǎng)側(cè)的功率穩(wěn)定。

1 主電路結(jié)構(gòu)與控制策略

為使配電網(wǎng)和微電網(wǎng)間形成電氣隔離，避免兩者相互影響，本文首先將背靠背變流器作為連接兩者的接口雛形。然后，為了平抑微網(wǎng)內(nèi)部功率波動(dòng)以及簡(jiǎn)化微網(wǎng)內(nèi)微源控制方式，在向并網(wǎng)接口直流側(cè)融入混合儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)平抑微網(wǎng)功率波動(dòng)的同時(shí)，支撐離網(wǎng)下微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的缺電量。此外，在配網(wǎng)側(cè)加入LCL濾波器進(jìn)行濾波，并在微網(wǎng)側(cè)加入LC濾波器濾波，用來(lái)減少變流器中的開(kāi)關(guān)紋波。本文采用比例諧振控制器(Proportional Resonant Controller，PR)來(lái)跟蹤正弦的參考量，在減少坐標(biāo)變換的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的無(wú)靜差控制。背靠背變流器作為微網(wǎng)并網(wǎng)接口的主電路拓?fù)鋱D如圖1所示。從圖中可看出，柔性并網(wǎng)接口可對(duì)配網(wǎng)側(cè)和微網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行單獨(dú)控制，還可對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行控制，起到維持系統(tǒng)穩(wěn)定的作用。

圖1 背靠背變流器的電源電路

1.1 基于PR控制器的直流母線電壓控制

配網(wǎng)側(cè)變流器采取的是直流電壓外環(huán)、交流電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，并使用LCL濾波器進(jìn)行濾波[11]，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。電流內(nèi)環(huán)采用PR控制(比例諧振控制)，在減少坐標(biāo)變換的前提下，實(shí)現(xiàn)了交流信號(hào)的無(wú)靜差控制。此外，系統(tǒng)中還加入了配網(wǎng)側(cè)電壓的前饋補(bǔ)償，使其不受配電網(wǎng)電壓內(nèi)諧波影響，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性。

圖2 帶配網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償?shù)碾娏鲀?nèi)環(huán)控制框圖

1.2 微網(wǎng)側(cè)變流器的恒壓恒頻控制

微網(wǎng)側(cè)變流器采用V/f控制[12](電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán))。由于變流器直流側(cè)接有混合儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，配電網(wǎng)通過(guò)變流器向微網(wǎng)側(cè)提供恒定的電壓。在孤島運(yùn)行時(shí)，變流器也能由儲(chǔ)能環(huán)節(jié)向微網(wǎng)側(cè)提供穩(wěn)定的電壓幅值與頻率，因此微網(wǎng)側(cè)各分布式發(fā)電模塊只需采用PQ控制，不需要切換控制模式，簡(jiǎn)化了運(yùn)行狀態(tài)切換的步驟。

圖3 V/f控制圖

1.3 DG模塊的恒功率控制

分布式發(fā)電模塊(DG模塊)模擬光伏系統(tǒng)發(fā)電，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行PQ控制可使光伏電池吸收或放出所設(shè)定的功率，或是根據(jù)微電網(wǎng)功率管理的短時(shí)要求，吸收或放出可調(diào)節(jié)的功率。

圖4 PQ控制器結(jié)構(gòu)

2 平抑微網(wǎng)功率波動(dòng)

傳統(tǒng)的并網(wǎng)接口通常采用靜態(tài)開(kāi)關(guān)或斷路器與變壓器直接連接。在微網(wǎng)并網(wǎng)/離網(wǎng)模式切換時(shí)，若直接將兩個(gè)電網(wǎng)相連，會(huì)導(dǎo)致沖擊電流過(guò)大，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于沒(méi)有進(jìn)行電氣隔離，若微電網(wǎng)內(nèi)部出現(xiàn)了故障問(wèn)題，則與之直接相連的大電網(wǎng)也將受到波動(dòng)。

為解決微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)微網(wǎng)內(nèi)部功率波動(dòng)對(duì)配電網(wǎng)的影響，需要盡可能地維持配電網(wǎng)功率的穩(wěn)定，那么就需要在控制直流電壓穩(wěn)定的前提下，適當(dāng)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能單元的充放電來(lái)平抑微網(wǎng)側(cè)的功率波動(dòng)[13-16]。本文提出了一種直流側(cè)帶有可控儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的變流器作為新型柔性并網(wǎng)接口，針對(duì)微網(wǎng)側(cè)對(duì)配網(wǎng)側(cè)的消極影響進(jìn)行改進(jìn)，且使配網(wǎng)能以單位功率因數(shù)運(yùn)行。

2.1 柔性并網(wǎng)接口中蓄電池的選取

儲(chǔ)能環(huán)節(jié)對(duì)于本文所提出的柔性并網(wǎng)接口至關(guān)重要[17]。儲(chǔ)能環(huán)節(jié)在離網(wǎng)時(shí)需要向微網(wǎng)母線提供穩(wěn)定的電壓幅值和頻率，以維持微網(wǎng)側(cè)負(fù)荷的正常運(yùn)行，這就要求儲(chǔ)能環(huán)節(jié)具有足夠的容量。儲(chǔ)能單元還需平抑微網(wǎng)側(cè)頻繁波動(dòng)，從而改善配網(wǎng)電能質(zhì)量，達(dá)到微電網(wǎng)柔性并網(wǎng)的目的，因此對(duì)于儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的選取要求還需考慮其響應(yīng)速度，只有達(dá)到足夠的響應(yīng)速度才能起到平抑微網(wǎng)功率頻繁波動(dòng)的作用。

綜上所述，本文選用全釩液流電池作為并網(wǎng)接口直流側(cè)的蓄電池[18-19]。液流電池的能量和功率容量較高，電能密度良好，可靠性好，使用壽命長(zhǎng)，可以支撐離網(wǎng)模式下微電網(wǎng)其他單元的功率，且能平抑其波動(dòng)。液流電池響應(yīng)速度快，其一般功率范圍在100 kW～100 MW；液流電池的儲(chǔ)能規(guī)模較大，一般放電時(shí)長(zhǎng)在1～10 h，因此液流電池非常適用于在工業(yè)中充當(dāng)備用電源或者對(duì)可再生能源發(fā)電進(jìn)行削峰填谷。

蓄電池在運(yùn)行時(shí)的輸出功率不僅會(huì)受到外界電量需求的控制，還受到內(nèi)部剩余電量和自身最大輸出功率的限制，因此需要進(jìn)行充放電的約束。此外，由于蓄電池必須承擔(dān)削峰填谷的作用，因此對(duì)于容量的設(shè)計(jì)，需使其滿足全天每個(gè)階段缺電量的吸收和補(bǔ)償。

首先，設(shè)計(jì)階段需求容量，需計(jì)算出一段負(fù)荷的缺電功率

(1)

式中，PL為預(yù)測(cè)的負(fù)荷功率；PPV是預(yù)測(cè)的光伏發(fā)電功率；Pgrid為預(yù)測(cè)的電網(wǎng)功率。

其次，設(shè)計(jì)全天所需容量，需先計(jì)算出全天的缺電量

(2)

(3)

(4)

N=max{N1，N2}

(5)

式中，Δt為一段時(shí)間的時(shí)長(zhǎng)；ηc、ηd分別為充電效率和放電效率；Cmax和Cmin分別為蓄電池充放電的上限和下限。式(3)為滿足階段缺電量的容量設(shè)計(jì)；式(4)為滿足全天缺電量的容量設(shè)計(jì)，其最大值為儲(chǔ)能容量。

2.2 平抑微網(wǎng)功率波動(dòng)的原理

2.2.1 功率分配改進(jìn)控制

為了使混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑微電網(wǎng)內(nèi)功率的波動(dòng)，保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)儲(chǔ)能設(shè)備壽命，首先將儲(chǔ)能環(huán)節(jié)所需承擔(dān)的功率進(jìn)行功率分配管理。傳統(tǒng)的控制方法多是采用二階低通濾波法，但該方法只考慮了波動(dòng)頻率，然后對(duì)其功率進(jìn)行分配。然而，實(shí)際情況下，電池和超級(jí)電容的狀態(tài)同樣會(huì)對(duì)它們的充放電產(chǎn)生限制，因此需對(duì)傳統(tǒng)的二階低通濾波器法進(jìn)行改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上加入電池和超級(jí)電容剩余容量的限制，便可更加完善地實(shí)現(xiàn)功率分配。

系統(tǒng)中各個(gè)位置的功率關(guān)系式為

Pmg=PPV-Pload=Pgrid-PH

(6)

PH=Pbat+Psc

(7)

式中，Pmg為微電網(wǎng)輸出功率；PPV為光伏電池發(fā)電功率；Pload為微電網(wǎng)中負(fù)荷的功率；Pgrid為配電網(wǎng)功率；PH為混合儲(chǔ)能承擔(dān)的總功率；Pbat為蓄電池輸出功率；Psc為超級(jí)電容輸出功率。

(8)

為了使并網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)柔性并網(wǎng)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)需要將微網(wǎng)內(nèi)的功率波動(dòng)進(jìn)行有效平抑。根據(jù)蓄電池和超級(jí)電容各自的優(yōu)缺點(diǎn)，將微電網(wǎng)內(nèi)功率的低頻波動(dòng)交給蓄電池平抑，并將微電網(wǎng)內(nèi)較高頻率的功率波動(dòng)交給超級(jí)電容平抑。為實(shí)現(xiàn)此目的，將光伏發(fā)電功率PPV接入一個(gè)時(shí)間常數(shù)Tsc較小的低通濾波器，將得到的功率與原功率做差，得到的高頻波動(dòng)量即為超級(jí)電容所需平抑的功率。將濾波器濾出的功率再接一個(gè)時(shí)間常數(shù)Tbat較高的低通濾波器，得到的平均功率與第1次濾波后的功率做差，將所得的頻率較小的波動(dòng)量交由蓄電池進(jìn)行平抑。該過(guò)程的計(jì)算式為

(9)

為了使蓄電池和超級(jí)電容能在最佳工作狀態(tài)進(jìn)行工作，需加入對(duì)蓄電池和超級(jí)電容剩余容量比的限制，也就是對(duì)蓄電池和超級(jí)電容的荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)進(jìn)行控制，方法如圖5所示。

圖5 功率分配框圖

首先，將蓄電池和超級(jí)電容的SOC閾值都設(shè)置為50%；然后，將測(cè)得的蓄電池與超級(jí)電容的SOC的實(shí)際值與閾值做差，再分別經(jīng)過(guò)K1和K2的增益放大后與濾波前的功率作做差，便可得到蓄電池和超級(jí)電容分別所需承擔(dān)的功率波動(dòng)量；最后，通過(guò)對(duì)DC/DC變換器的控制達(dá)到平抑效果。該過(guò)程的相關(guān)計(jì)算式為

(10)

加上SOC控制后，當(dāng)測(cè)得的SOC值小于0.5時(shí)，儲(chǔ)能元件所需輸出功率的給定值會(huì)隨之減小，即儲(chǔ)能元件更傾向于充電或是放出的功率更小的電。當(dāng)SOC值大于0.5時(shí)，儲(chǔ)能元件所需輸出功率的給定值會(huì)隨之增大，即儲(chǔ)能元件更傾向于放電或是充入功率更小的電量。

此改進(jìn)的優(yōu)勢(shì)包括以下幾點(diǎn)：(1)該方法控制簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)速度快；(2)該方法依舊能實(shí)現(xiàn)高頻波動(dòng)功率和低頻波動(dòng)功率的分配；(3)該方法可同時(shí)對(duì)蓄電池SOC和超級(jí)電容SOC進(jìn)行控制。

2.2.2 混合儲(chǔ)能中DC/DC變流器控制策略

章節(jié)2.2.1介紹了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率分配管理控制方式，本節(jié)根據(jù)經(jīng)過(guò)能量管理后得到的給定功率，分別對(duì)兩個(gè)儲(chǔ)能器件所連的DC/DC變流器(DC/DC converter直流-直流變流器)進(jìn)行控制，以達(dá)到平抑微網(wǎng)內(nèi)功率波動(dòng)的目的，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的柔性并網(wǎng)。

由于控制DC/DC變流器的目的是實(shí)現(xiàn)蓄電池和超級(jí)電容的充放電可控，因此DC/DC變流器需雙向工作，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中，Ubat為蓄電池兩端的電壓，Ibat為蓄電池的電流，Udc為并網(wǎng)接口直流側(cè)電壓，Cdc為并網(wǎng)接口直流側(cè)電容。

圖6 DC/DC變流器結(jié)構(gòu)圖

圖6中DC/DC變流器的工作原理為：當(dāng)儲(chǔ)能元件需要對(duì)外電路放電時(shí)，控制T1使其導(dǎo)通，與此同時(shí)控制T2始終處于斷開(kāi)狀態(tài)，電流會(huì)通過(guò)D2續(xù)流，電路便可等效為一個(gè)升壓斬波電路(Boost變換器)；反之，當(dāng)儲(chǔ)能元件需要充電時(shí)，控制T2使其導(dǎo)通，與此同時(shí)控制T1始終處于斷開(kāi)狀態(tài)，電流會(huì)通過(guò)D1續(xù)流，電路便可等效為一個(gè)降壓斬波電路(Buck變換器)。

根據(jù)章節(jié)2.2.1的功率分配狀況，需要對(duì)蓄電池和超級(jí)電容兩種儲(chǔ)能元件分開(kāi)控制。如圖7所示，功率波動(dòng)量與電壓作比得到電流的給定量iref，再對(duì)其進(jìn)行PI控制，使蓄電池和超級(jí)電容能夠達(dá)到平抑微網(wǎng)內(nèi)低頻和高頻功率波動(dòng)的目的，優(yōu)化柔性并網(wǎng)接口的功能和壽命，使其能達(dá)到柔性并網(wǎng)的要求。

圖7 平抑微網(wǎng)功率波動(dòng)的DC/DC變流器控制圖

2.3 混合儲(chǔ)能在微網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)的作用

柔性并網(wǎng)接口的控制除了抑制微網(wǎng)負(fù)荷以及發(fā)電的功率波動(dòng)外，另一優(yōu)勢(shì)在于可以使微電網(wǎng)在進(jìn)行運(yùn)行模式的切換時(shí)，既能保證系統(tǒng)平滑，還能簡(jiǎn)化微網(wǎng)內(nèi)部的控制，最大程度實(shí)現(xiàn)柔性并網(wǎng)。

傳統(tǒng)微電網(wǎng)的內(nèi)部一般采用主從控制，即微網(wǎng)內(nèi)部不同的微源需采取不同控制方式，且必須選取一至多個(gè)微源作為主控單元。當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障需要切換控制模式時(shí)，微網(wǎng)內(nèi)的主控單元需要切換控制模式(從PQ控制切換到V/f控制)，向其內(nèi)部的負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓幅值和頻率。這種控制方式存在以下缺點(diǎn)：(1)要求每個(gè)與大電網(wǎng)相連的微網(wǎng)內(nèi)部需要足夠大容量的微源來(lái)支撐離網(wǎng)時(shí)負(fù)荷的缺電量；(2)每次因大電網(wǎng)切換運(yùn)行方式時(shí)，都需要與之相連全部微網(wǎng)的內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)行模式切換，增加了控制的復(fù)雜度。

本文所提出的柔性并網(wǎng)接口的接入簡(jiǎn)化了微網(wǎng)內(nèi)部的控制方式。首先，由于柔性并網(wǎng)接口中接入了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，因此只需合理選取混合儲(chǔ)能單元的容量，便可將其看作通過(guò)此接口與大電網(wǎng)連接的若干微網(wǎng)的主控模塊。通過(guò)此接口與大電網(wǎng)連接的若干微網(wǎng)內(nèi)部無(wú)需選取容量足夠大的儲(chǔ)能，且不必在微網(wǎng)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變時(shí)進(jìn)行控制模式的切換，保持PQ控制即可。此外，柔性并網(wǎng)接口的接入在簡(jiǎn)化微網(wǎng)內(nèi)部控制方式的同時(shí)，也簡(jiǎn)化了并網(wǎng)接口自身的控制：背靠背變流器微網(wǎng)側(cè)無(wú)論并網(wǎng)或離網(wǎng)始終采用V/f控制。并網(wǎng)時(shí)，由配電網(wǎng)支撐微網(wǎng)母線電壓幅值與頻率；離網(wǎng)時(shí)，柔性并網(wǎng)接口中的混合儲(chǔ)能單元支撐微網(wǎng)的電壓幅值與頻率，因此微網(wǎng)側(cè)變流器始終維持V/f控制即可。柔性并網(wǎng)接口內(nèi)部在運(yùn)行模式發(fā)生變化時(shí)，唯一需要改變的是混合儲(chǔ)能的控制。并網(wǎng)時(shí)，在對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配的控制基礎(chǔ)上加上簡(jiǎn)單的直流電壓控制，便實(shí)現(xiàn)了控制方式的轉(zhuǎn)變。如圖8所示，加入直流電壓控制，改變功率分配方式，即可實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑切換，且微網(wǎng)母線電壓不會(huì)受到影響。

圖8 離網(wǎng)時(shí)柔性并網(wǎng)接口控制圖

3 仿真結(jié)果

將本文提出的平抑微網(wǎng)功率波動(dòng)的柔性并網(wǎng)變流器接口在MATLAB/Simulink上進(jìn)行建模和仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證接口與其控制策略的性能。

3.1 PPV輸出功率為10 kW

首先模擬微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷變化時(shí)的情況，比較所設(shè)計(jì)的柔性并網(wǎng)接口與傳統(tǒng)接口之間的差別。

通過(guò)PQ控制使光伏發(fā)電功率輸出保持在10 kW，在t=0時(shí)，接入負(fù)荷1(20 kW)；在t=0.5 s時(shí)，接入負(fù)荷2(5 kW)；在t=1.0 s時(shí)，切出負(fù)荷2(5 kW)。光伏發(fā)電輸出功率波形如圖9所示。

圖9 分布式發(fā)電模塊輸出功率PPV

圖10為并網(wǎng)接口直流側(cè)電壓的波形圖，其中U1為未經(jīng)改進(jìn)的傳統(tǒng)并網(wǎng)接口直流側(cè)的電壓。由圖可明顯觀察到在t=0.5 s時(shí)投入負(fù)荷后，直流側(cè)電壓隨之驟減5 V左右；在t=1.0 s切出5 kW負(fù)荷時(shí)，直流側(cè)電壓驟增約5 V。U2為改進(jìn)后并網(wǎng)接口直流側(cè)電壓，由圖可知改進(jìn)后的并網(wǎng)接口在微網(wǎng)投入和切出負(fù)荷時(shí)，由于有混合儲(chǔ)能元件充電和放電，直流側(cè)電壓未發(fā)生明顯波動(dòng)，說(shuō)明改進(jìn)后的柔性并網(wǎng)接口能有效穩(wěn)定直流側(cè)電壓。

圖10 改進(jìn)前直流側(cè)電壓U1和改進(jìn)后直流側(cè)電壓U2

圖11為接口改進(jìn)前微電網(wǎng)的功率變化波形和配電網(wǎng)的功率變化波形，可看出當(dāng)0.5 s負(fù)荷投入和1.0 s負(fù)荷切出時(shí)，微網(wǎng)內(nèi)功率隨負(fù)荷變化而驟減和驟增，配網(wǎng)側(cè)功率隨著微網(wǎng)功率的驟減而驟增，隨其驟增而驟減。圖12為接口改進(jìn)后，微電網(wǎng)的功率變化波形和配電網(wǎng)的功率變化波形。由于存在混合儲(chǔ)能的作用，改進(jìn)后的并網(wǎng)接口效果改善較為明顯，配網(wǎng)功率不再隨微網(wǎng)功率的驟增、驟減而發(fā)生突然的改變，其改變趨勢(shì)更為平緩，這也維持了配網(wǎng)側(cè)功率的穩(wěn)定，提升了大電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

圖11 改進(jìn)前微網(wǎng)側(cè)功率P1和配網(wǎng)側(cè)功率P2

圖12 改進(jìn)后微網(wǎng)側(cè)功率P1和配網(wǎng)側(cè)功率P2

圖13為柔性并網(wǎng)接口中的混合儲(chǔ)能SOC變化與混合儲(chǔ)能總輸出功率的變化情況。從圖中可看出，當(dāng)t=0.5 s負(fù)荷投入時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)立即有一個(gè)放電動(dòng)作，向外電路發(fā)出功率，SOC下降；當(dāng)t=1.0 s負(fù)荷切出時(shí)，儲(chǔ)能環(huán)節(jié)有一個(gè)充電動(dòng)作，吸收功率，SOC上升。改進(jìn)后的并網(wǎng)接口能夠在微電網(wǎng)內(nèi)的功率突然變化時(shí)，通過(guò)控制蓄電池的快速充放電來(lái)補(bǔ)償 “出其不意”的功率變化，所以改進(jìn)后的接口能有效地在微網(wǎng)中負(fù)荷或分布式電源突然發(fā)生變化時(shí)起到維穩(wěn)的作用。

圖13 蓄電池SOC和蓄電池輸出功率P

3.2 PPV輸出功率在10 kW附近波動(dòng)

為了更加清晰地觀測(cè)改進(jìn)后的柔性并網(wǎng)接口對(duì)微網(wǎng)功率的平抑作用，使光伏發(fā)電功率在10 kW附近波動(dòng)，波動(dòng)幅度約為5 kW，如圖14所示。

圖14 PPV輸出10 kW附近波動(dòng)的功率

當(dāng)微網(wǎng)內(nèi)僅有光伏發(fā)電模塊輸出波動(dòng)功率，不連接其他負(fù)荷，且沒(méi)有負(fù)荷的突增突減時(shí)，比較改進(jìn)前后兩種接口作用效果，并網(wǎng)接口直流側(cè)電壓變化情況如圖15所示。由圖可知，改進(jìn)前的接口直流側(cè)電壓振動(dòng)幅度較大(約為3 V)；而當(dāng)改進(jìn)后的柔性并網(wǎng)接口作用時(shí)，接口直流側(cè)電壓幾乎沒(méi)有震蕩，說(shuō)明加入混合儲(chǔ)能后的柔性并網(wǎng)接口維持直流電壓穩(wěn)定的效果顯著，基本上消除了直流電壓的波動(dòng)情況，證明了新型接口維持直流電壓穩(wěn)定的能力。

圖15 改進(jìn)前直流側(cè)電壓Udc1和改進(jìn)后直流側(cè)電壓Udc2

在接口改進(jìn)前，如圖16所示，當(dāng)微網(wǎng)輸出10 kW左右的波動(dòng)功率時(shí)，配電網(wǎng)功率也隨之波動(dòng)，波動(dòng)幅度與微網(wǎng)功率相同，方向相反。

圖16 微網(wǎng)側(cè)功率P1和配網(wǎng)側(cè)功率P2

圖17為加入平抑微網(wǎng)功率波動(dòng)的控制后，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池SOC1和超級(jí)電容SOC2的變化情況。從圖中可看出，當(dāng)微電網(wǎng)側(cè)輸出波動(dòng)功率時(shí)，在柔性并網(wǎng)接口直流側(cè)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，蓄電池和超級(jí)電容同時(shí)工作，都為平抑微網(wǎng)內(nèi)功率波動(dòng)出力。這不僅保護(hù)了單個(gè)儲(chǔ)能元件，延長(zhǎng)其壽命，還提高了微網(wǎng)內(nèi)功率波動(dòng)的平抑效果。

圖17 蓄電池SOC1和超級(jí)電容SOC2

如圖18所示，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑微網(wǎng)內(nèi)功率波動(dòng)的能力較好，

圖18 微網(wǎng)側(cè)功率P1、配網(wǎng)側(cè)功率P2、混合儲(chǔ)能充放電功率P3

混合儲(chǔ)能的輸出功率剛好平抑掉微電網(wǎng)內(nèi)功率的波動(dòng)量，因此配電網(wǎng)功率幾乎不受微電網(wǎng)功率波動(dòng)影響，其功率波形穩(wěn)定在10 kW。與圖16的改進(jìn)前的效果進(jìn)行對(duì)比可知，加入混合儲(chǔ)能系統(tǒng)后，并網(wǎng)接口對(duì)微網(wǎng)功率波動(dòng)的平抑效果更好，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)的柔性并網(wǎng)。

3.3 并網(wǎng)/離網(wǎng)切換控制仿真

從t=0 s開(kāi)始，電網(wǎng)在并網(wǎng)狀態(tài)工作，在t=0.5 s時(shí)切換到離網(wǎng)狀態(tài)，并保持到仿真結(jié)束。此外，微電網(wǎng)內(nèi)部同樣通過(guò)PQ控制使光伏發(fā)電功率輸出恒定在10 kW，并在t=0時(shí)接入負(fù)荷1(20 kW)，在t=0.5 s時(shí)接入負(fù)荷2(5 kW)，在t=1.0 s時(shí)切出負(fù)荷2(5 kW)。

由于并網(wǎng)時(shí)有大電網(wǎng)保障微電網(wǎng)功率，而離網(wǎng)時(shí)有并網(wǎng)接口直流側(cè)的混合儲(chǔ)能環(huán)節(jié)保障微電網(wǎng)功率，因此并網(wǎng)接口中微網(wǎng)側(cè)的變流器無(wú)論并網(wǎng)離網(wǎng)，只需采用V/f控制就能保證微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷正常運(yùn)行。如圖19所示，當(dāng)t=0.5 s時(shí)，并網(wǎng)模式切換成離網(wǎng)，并未對(duì)微網(wǎng)側(cè)電壓造成影響，微網(wǎng)電壓的幅值和頻率沒(méi)有改變，可支撐其內(nèi)部負(fù)荷的正常運(yùn)行。

圖19 微電網(wǎng)側(cè)a相電壓與電流

帶有混合儲(chǔ)能裝置的微網(wǎng)并網(wǎng)接口接入系統(tǒng)，當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行模式從并網(wǎng)切換到離網(wǎng)的過(guò)程中的微網(wǎng)輸出功率P4、配網(wǎng)輸出功率P5以及混合儲(chǔ)能總輸出功率P6的波形如圖20所示。

圖20 并網(wǎng)/離網(wǎng)切換時(shí)微網(wǎng)側(cè)功率P4、配網(wǎng)側(cè)功率P5及混合儲(chǔ)能充放電功率P6

圖中可看出，當(dāng)處于0～0.5 s時(shí)，微電網(wǎng)所缺的電量全部由配電網(wǎng)提供，微網(wǎng)輸出功率為-10 kW，配網(wǎng)輸出功率為10 kW，剛好補(bǔ)償微網(wǎng)，儲(chǔ)能環(huán)節(jié)沒(méi)有動(dòng)作。在0.5 s后，并網(wǎng)模式切換為離網(wǎng)模式，因此配網(wǎng)輸出功率為0，且微網(wǎng)負(fù)荷突增5 kW，微網(wǎng)輸出功率為-15 kW，此時(shí)混合儲(chǔ)能設(shè)備快速作用，向微網(wǎng)側(cè)持續(xù)輸出15 kW的功率以支撐負(fù)荷的正常運(yùn)作。當(dāng)t=1.0 s時(shí)，微網(wǎng)內(nèi)5 kW的負(fù)荷2再次切出，微網(wǎng)輸出功率又驟增到-10 kW，混合儲(chǔ)能持續(xù)作用，向微網(wǎng)輸出10 kW功率，繼續(xù)支撐負(fù)荷正常運(yùn)行。

帶有混合儲(chǔ)能裝置的微網(wǎng)并網(wǎng)接口接入系統(tǒng)，當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行模式從并網(wǎng)切換到離網(wǎng)的過(guò)程中，并網(wǎng)接口中的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)蓄電池的SOC3與超級(jí)電容SOC4變化情況如圖21所示。

圖21 并網(wǎng)/離網(wǎng)切換時(shí)蓄電池SOC3和超級(jí)電容SOC4

從圖中可看出，當(dāng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)需要向微電網(wǎng)持續(xù)輸出功率時(shí)，容量高的儲(chǔ)能元件蓄電池承擔(dān)起了持續(xù)輸出功率的任務(wù)。當(dāng)t=0.5 s以及t=1.0 s時(shí)，微網(wǎng)輸出功率突然變化，超級(jí)電容由于密度高反應(yīng)靈敏也迅速補(bǔ)償了功率?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)中，兩個(gè)元件根據(jù)自身優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)取長(zhǎng)補(bǔ)短，不僅延長(zhǎng)了元件自身壽命，還使微電網(wǎng)并/離切換的過(guò)程更加簡(jiǎn)單，切換過(guò)程也更加平滑。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出將一種改進(jìn)的背靠背變流器作為柔性并網(wǎng)接口，將混合儲(chǔ)能技術(shù)運(yùn)用在微網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)中，建立了整個(gè)微網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)該接口并網(wǎng)時(shí)的控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，最后通過(guò)MATLAB/Simulink驗(yàn)證了系統(tǒng)模型和控制策略的有效性和可行性。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的柔性并網(wǎng)接口能夠解決由微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源發(fā)電功率波動(dòng)和負(fù)荷變化引起的微網(wǎng)功率波動(dòng)所導(dǎo)致的大電網(wǎng)系統(tǒng)不穩(wěn)定問(wèn)題，優(yōu)化了微網(wǎng)并/離網(wǎng)時(shí)內(nèi)部的控制方式，使配電網(wǎng)和微電網(wǎng)之間柔性互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)的柔性并網(wǎng)。本文的研究?jī)?nèi)容為微網(wǎng)中更多新能源的接入提供了條件，也為以后并網(wǎng)技術(shù)的深入研究提供了參考。