基于多层控制的微电网运行模式无缝切换策略

．aepsＧinfo．com基于多层控制的微电网运行模式无缝切换策略张雪松,赵　波,李　鹏,周　丹,薛美东(国网浙江省电力公司电力科学研究院,浙江省杭州市３１００１４)摘要:以浙江省温州市鹿西岛并网型微电网工程为实例,首先介绍了基于IEC６１８５０标准的微电网三层控制体系.然后,重点分析了并网高压快速开关及储能变流器的运行控制特性,并对储能变流器由功率控制转换到电压幅值—频率控制时的控制逻辑进行了改进,使其更适应系统运行模式切换的要求.通过微电网中央控制器和模式控制器的配合,尽量减小模式切换过程中由于功率不匹配带来的暂态冲击,成功实现了运行模式的无缝切换.最后,通过实际工程的现场测试,确定了策略中涉及的关键时间定值,最终实现了系统运行模式的无缝切换.关键词:微电网(微网);多层控制;高压快速开关;运行模式;无缝切换收稿日期:２０１４Ｇ０８Ｇ０６;修回日期:２０１５Ｇ０１Ｇ２４.国家高技术研究发展计划(８６３计划)资助项目(２０１１AA０５A１０７).０　引言微电网是由分布式电源、储能、能量转换装置、负荷及控制保护系统等基本单元构成的小型供电系统,既可以与配电网并联运行,实现联络线交换功率可控,也可以在孤网形式下向重要负荷供电.因此,微电网可以显著降低间歇性分布式电源给配电网带来的不利影响,最大限度地利用分布式电源出力,提高供电可靠性和电能质量.以微电网形式将分布式电源接入配电网,已经得到国内外学者的广泛关注[１Ｇ４].微电网系统协调控制是微电网研究的核心内容[５Ｇ１１],其主要控制目标为:①在并网运行时,实现并网点潮流可控和分布式电源利用最大化;②在孤网运行时,实现系统的稳定运行;③在外电网故障或计划孤岛时,实现并网与离网运行模式的快速平滑切换.其中,微电网运行模式的平滑切换是协调控制系统功能实现的重点和难点.文献[１２]提出了一种基于控制器状态跟随的微电网平滑切换控制方法,通过三区域平滑切换控制策略,有效地减小运行模式切换过程中的暂态振荡.文献[１３]通过主从控制策略实现含多储能装置并联的微电网运行模式的无缝切换.文献[１４]中微电源并网时采用有功功率—无功功率(PQ)控制,孤岛时采用下垂控制,并在基本下垂控制器中增加下垂额定点调节环,通过该环路的投切实现并网与孤岛控制模式的平滑转换.文献[１５]针对微电网非计划孤岛切换过程中的功率不平衡问题,将超级电容器和蓄电池组成的复合储能装置作为孤岛运行时的主电源,实现运行模式的平滑切换.文献[１６]采用新型的主从和对等控制相结合的综合控制策略,对微电网的并网/孤岛运行模式的过渡进行控制.然而,上述研究侧重于分析储能变流器自身的模式切换特性,但是在微电网系统控制层面的运行模式切换策略的相关研究工作较少.本文依托浙江省温州市鹿西岛并网型微电网示范工程,首次采用基于永磁斥力快速分断机构[１７]的快速开关作为１０kV并网点开关,结合基于IEC６１８５０标准[１８]的微电网控制系统和改进的储能系统控制策略,重点研究微电网运行模式无缝切换策略与实现,并成功实施于示范工程中,通过实际运行测试对本文提出的策略进行了验证.１　微电网结构与关键设备１．１　微电网结构与控制鹿西岛兆瓦级并网型微电网采用双微电网结构,其中,单个微电网的系统结构如图１所示.系统主母线电压等级为１０kV,系统频率为５０Hz,各微源采用交流方式并网,其中３×５００kW储能系统、３００kW光伏系统通过AC/DC能量转换装置(包含升压变压器)并网,７８０kW风电机组通过异步发电机并网,微电网通过并网点的永磁高压快速开关并入配电网,功率参考方向以流入母线为正.微电网在并网运行模式下,所有微源运行于PQ控制模式;在孤网运行模式下,其中一个储能系统采用电压幅９７１第３９卷　第９期　２０１５年５月１０日Vol．３９No．９May１０,２０１５DOI:１０．７５００/AEPS２０１４０８０６００３值—频率(VF)控制模式,为系统提供电压与频率参考,其他微源运行模式不变.500kW6500kW6500kW6300kW780kWM*3B81B824%*4EMSMSCMGCC10kV3DCPCS1PCS2PCS3ACMMSGOOSE+MMS35kV/10kVF*4DCACDCACDCACMCLCSC图１　微电网系统结构示意图Fig．１　Structurediagramofmicrogridsystem该微电网系统控制采用基于IEC６１８５０标准的三层控制体系,各控制层的主要功能及特点如下.１)就地控制层主要完成微电网组成单元的就地控制.通过微源控制器(MC)、负荷控制器(LC)实现对分布式电源、储能系统及负荷的一体化监视与控制;并网开关控制器(SC)实现快速开关的测控,并与运行模式控制器(MSC)完成微电网运行模式切换过程中的快速时序控制.２)协调控制层主要完成微电网运行模式切换和稳定控制.微电网系统控制器(MGCC)与MSC共同完成微电网运行模式切换功能;MGCC通过对各微源的控制模式及控制参数进行设置与调节,实现并网时的功率与电能质量控制及离网时的系统稳定运行.３)系统监控与优化控制层主要完成微电网的信息集成与经济优化运行.微电网能量管理系统(EMS)集成于统一的数据采集与监控(SCADA)平台中,实现实时信息监测、历史信息存储、系统控制、经济优化运行及报表统计等功能.４)控制系统采用IEC６１８５０标准有效减少控制层间协议转换量,系统通信效率高,增加了系统运行策略的实时性和稳定性.其中,MC,LC,SC与MSC间通过通用面向对象变电站事件(GOOSE)快速报文进行信息通信,与MGCC间通过制造报文规范(MMS)报文进行通信.１．２　１０kV高压快速开关鹿西岛并网型微电网并网点选用的１０kV高压快速开关为永磁真空断路器,其操作机构原理[１７]见附录A图A１.为满足微电网运行模式切换的要求,开关操作机构在原来永磁结构的基础上,增加大电流快速分闸斥力机构,使开关分闸整组时间小于２０ms,且动作时间游离度很小,有效减少了电压暂态过程,有利于系统运行模式的无缝切换.１．３　储能系统根据系统功能及负荷需求,微电网中配置３套５００kW铅酸电池储能系统,作为微电网运行的核心部件.系统并网运行时,３台储能变流器(PCS)都采用PQ控制,参与功率调节.孤网运行时,一台PCS作为主机,采用VF控制模式,提供系统的电压频率支撑;另外２台PCS为从机,仍以PQ方式运行,参与系统功率平衡.PQ和VF控制框图见附录A图A２[１５Ｇ１６,１９Ｇ２０].PCS通过外部控制命令选择运行模式.此外,为满足主PCS在微电网并网运行到孤网运行模式无缝切换的要求,在VF控制中加入初相角逻辑,即在PCS由PQ运行转为VF运行的初始时刻,以当前时刻锁相环测量值作为初始电压相角,使切换过程中电压波形连续,有效减少了暂态过程,有利于系统运行模式的平滑过渡.２　运行模式切换策略微电网运行模式切换过程中,应尽量减小系统冲击,缩短暂态过程,保证系统运行的稳定性.本文针对鹿西岛并网型微电网的结构特点和容量配置,充分考虑并网点快速开关的动作特性,开展运行模式切换策略设计与实施.２．１　并网转孤网控制策略微电网由并网转为孤网运行模式通常由两种事件触发:①运行调度根据系统运行情况(包括外部电网检修停电、内部新能源及储能充足等)主动触发,对切换时间要求不高,但要求成功率高;②由于外部电网非计划性停电或发生故障,微电网通过孤岛检测或故障检测机制被动触发,分别称为主动离网和被动离网.主动离网由MGCC和MSC共同完成,被动离网由于时限问题仅由MSC完成.１)MGCC控制策略.MGCC并网转孤网控制框图如图２所示,当MGCC收到EMS发出的主动离网命令后,首先进行运行模式识别与校验,如图３所示,通过微电网内主PCS的运行状态、并网开关状态及系统状态等信息的综合分析,确定微电网系统处于并网运行状态,并存在一台可以承担模式切换任务的PCS;随后通过调节从PCS的功率、调节新能源出力、投切次要负荷等方式,使并网点功率与主PCS功率方向相同,且代数和的绝对值小于预设定值SSET１;当条件满足后,向MSC发送离网模式切换命令.０８１２０１５,３９(９)􀅰分布式能源与智能配电系统􀅰．aepsＧinfo．com *4 4D='U MSCE 4%(PCS( +4SSET1UEB *L+.4 UYYYNNNPCS(A74%(A7B图２　MGCC并网转孤网控制框图Fig．２　ControlflowchartofMGCCswitchingfromgridＧconnectedtostandＧalonemode4% F*410kVE3*M(PCS4D=&&+55E(+5/5E(*410kV3*M(PCS.4D=图３　运行模式识别框图Fig．３　Flowchartofmoderecognition２)MSC控制策略.MSC为嵌入式实时系统,实现模式切换的精确时序控制,MSC并网转孤网控制框图如图４所示.当收到主动或被动离网命令后,首先进行模式识别,确认微电网处于并网状态.然后根据事件发生前记忆的系统功率平衡情况,通过检测并网点视在交换功率进行系统功率自平衡校验.如果负荷过剩,通过优先停充电状态PCS、投分布式电源及切负荷的方式进行调节;如果发电过剩,通过优先停放电状态PCS、切分布式电源等方式进行调节.为保证切换过程的快速性,只进行一次功率平衡调节,使并网点功率计算值加上主PCS功率代数和的绝对值小于预设定值SSET２,向主PCS发送模式切换指令,向并网点控制器延时T１发送开关分闸指令,完成并网到离网切换.当外部电网非计划性停电或发生故障时,微电网通过孤岛检测或故障检测机制,启动被动离网策略,断开并网点快速开关,转换主PCS运行模式,使微电网进入孤网运行状态,保证内部重要负荷的可靠供电.  =.4 U*4 4D='U .4UYYYYNNNNB*47=36*#*DB8DB8=4PCSPQDVF T1PCSE=4%K36B84%(PCS( +4SSET2UE图４　MSC并网转孤网控制框图Fig．４　ControlflowchartofMSCswitchingfromgridＧconnectedtostandＧalonemode由于被动离网由突发事件引起,通过MGCC对交换功率进行调节不能满足切换时间要求,因此仅由MSC根据事件发生前记忆的系统功率平衡情况进行一次功率调节,包括快速切发电设备、切负荷等控制手段.３)并网到孤网无缝切换的时序控制.PCS与并网点快速开关的精确时序控制是实现无缝切换的关键,无缝切换时序控制图如图５所示.MSC通过设定PCS模式转换命令与并网点跳闸命令间的时间差T１,使得并网点开关动作时刻t３与PCS切换为VF的时刻t４同步,以减小暂态过程.时间差T１值的确定需要现场实际测试获得.MCEPCSD MCE4%CK 4%CPCSVFD=tT1t1t2t3t4ttt图５　无缝切换时序控制图Fig．５　Sequencecontroldiagramofseamlessswitching２．２　孤网转并网控制策略处于孤网运行的微电网,当系统内分布式电源１８１张雪松,等　基于多层控制的微电网运行模式无缝切换策略出力不足或大电网恢复供电后,将启动孤网转并网控制策略.并网过程由MGCC,SC及PCS共同完成,控制框图如图６所示. E  4 UYYYN*4 4D=U@PCS(M44PCS A744%  K  UPCSE= A7NNBBT24% KPCS*VFP