關于逆變器在智能電網(wǎng)接口中的應用詳細講解教程

目前的許多研究致力于為電力系統(tǒng)最優(yōu)化、負載分配、參數(shù)配置和電能儲存管理制定策略。由于最近對于“智能電網(wǎng)”和“虛擬電廠”的展望，研究的關注點的選擇通常依據(jù)經(jīng)濟功效，受到市場的推動。但是，我們不能忘記，任何高級的電力系統(tǒng)運行技術必須以物理上穩(wěn)定和可靠運行的電力系統(tǒng)為基礎。為了滿足這種新型電力系統(tǒng)的要求，對電網(wǎng)的物理層面的控制必須重新調整加以改進。與此同時，分布式電源技術和高滲透性的可再生電源技術的持續(xù)發(fā)展趨勢也要求電網(wǎng)控制結構體系進行調整。現(xiàn)代電力電子技術，通過提供一個高效的自動控制平臺可以為DERs和RESs構建一個強大的電網(wǎng)連接，如圖1所示。等價于常規(guī)電源，電網(wǎng)連接逆變器可以表現(xiàn)為基本的電網(wǎng)連接功能。只有當DERs和RESs可以從常規(guī)的大型集中式電源那里接管過物理調控任務時，它們才能在電力系統(tǒng)中獲得與常規(guī)電源平等的地位。只有當DERs和RESs在電力接入電網(wǎng)的過程中不止享受權利，同時也能承擔義務的時候，它們才能得到真正的自由。為了使逆變器能夠參與到活躍的電網(wǎng)控制中，充分的控制策略是必需的。然而，時至今日，控制理念的發(fā)展還是遠遠落后于需要。

圖1 逆變器作為ECSs和電網(wǎng)間的柔性多功能基本連接

1逆變器接入電網(wǎng)的要求

今天，DERs和RESs所使用的逆變器仍然主要采用了被動控制技術。這意味著對電網(wǎng)接入功率的控制與通過一次能源產生電能的能量轉換系統(tǒng)密切相關。對電網(wǎng)側來說，它們相當于負的負載。它們將從ECS處獲得的全部功率注入電網(wǎng)。在這種方式下，電網(wǎng)側的電網(wǎng)控制整合，甚至于主動參與控制和穩(wěn)定電網(wǎng)狀態(tài)變量都是不可能的。

最近的電力系統(tǒng)章程修訂也僅僅對異常的電網(wǎng)變化做出了預防性的反應。對高壓和中壓電網(wǎng)，UCTE操作手冊、國家電網(wǎng)編碼和國家電網(wǎng)連接章程等，定義了電網(wǎng)電源連接行為。對低壓網(wǎng)絡，規(guī)程細節(jié)至今還未定義和出版。對于高壓和中壓網(wǎng)絡，穩(wěn)態(tài)要求定義了發(fā)電單元必須減少它們的有功出力以應對頻率過高，或者按照電網(wǎng)調度要求呈階梯狀出力。據(jù)此，超過需求的有功功率會被拒絕上網(wǎng)。在正常運行條件下，發(fā)電單元還必須提供無功功率。動態(tài)行為的定義要求發(fā)電單元必須在電網(wǎng)故障的情況下保持與電網(wǎng)的連接并能夠提供短路電流。

為了增加DERs和RESs在電網(wǎng)中的比例，規(guī)章制度還應該進行更深入的變革。分布式發(fā)電單元必須與集中式電源承擔同樣的基礎調控任務。只有這樣電網(wǎng)才能被激勵者運行在分布形式下。未來的電力系統(tǒng)不僅僅要求DERs和RESs承擔假定的預防性的措施和開環(huán)控制。這些電源必須執(zhí)行物理上的實際的電力系統(tǒng)調控。只有這樣，未來集中式電源才能被DERs和RESs取代或者補充。

2常規(guī)電力系統(tǒng)控制方法在逆變器系統(tǒng)中的采用

新的DERs和RESs必須參與到現(xiàn)有的系統(tǒng)中并適應現(xiàn)有的結構和控制策略。因此逆變器必須適應現(xiàn)有的電網(wǎng)控制并且遵從基本原則，尤其是在相互連接的運行中。基本的逆變器控制必須以傳統(tǒng)發(fā)電控制方式為基礎，并被分類如圖2所示。

圖2 逆變器連接到電網(wǎng)側的饋電方式

當接入電網(wǎng)的構件是DERs或RESs時，常規(guī)的基礎控制方式可以被逆變器采用和執(zhí)行。向電網(wǎng)傳輸?shù)墓β士梢员籈CS或電網(wǎng)驅動。

在ECS驅動饋電時，ECS決定了向電網(wǎng)傳輸?shù)墓β?。如今，單臺RESs逆變器典型地就在這種饋電方式下運行，并向電網(wǎng)注入全部可提供的功率。在電網(wǎng)驅動饋電時，不再是ECS，而是電網(wǎng)決定功率的傳輸。典型的，大多數(shù)常規(guī)大型電廠運行在這種方式下，同樣，這種方式潛在的適合DERs和RESs系統(tǒng)，或者至少適合混合式電力系統(tǒng)。在ECS驅動饋電的情況下，逆變器控制方式被稱作電網(wǎng)平行方式。第二種情況可以被兩種不同的逆變器控制方式實現(xiàn)，分別是電網(wǎng)形成方式和電網(wǎng)支持方式。電網(wǎng)形成方式中逆變器的作用是建立和維持電網(wǎng)狀態(tài)變量。電網(wǎng)支持方式中逆變器被用于平衡功率。它可以傳輸預先設定數(shù)量的功率，這個數(shù)量可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需要或者高級控制運行得到的參考值進行調整。應用這個控制方式的逆變器例子如圖3至圖5的左側所示。此外，這些基本有功功率調控器潛在的對二次電網(wǎng)控制的相互聯(lián)系可以被類似的闡釋。

圖3 主動控制并與電網(wǎng)連接的逆變器的電網(wǎng)形成（GF）控制方式

圖4 主動控制并與電網(wǎng)連接的逆變器的電網(wǎng)支持（GS）控制方式

圖5 被動控制逆變器的電網(wǎng)平行（GP）控制方式

所有被介紹的控制方式都可以適應對稱和不對稱負載條件和逆變器硬件。對于這些基礎的控制方式，正如前邊介紹的，只有電網(wǎng)形成方式和電網(wǎng)支持方式才適用于被積極地應用到物理層面的控制整個電力系統(tǒng)。分布式發(fā)電單元在電網(wǎng)平行方式中不能被從電網(wǎng)側控制。然而，除了充分的基礎控制方式，發(fā)電單元控制一定要能夠與定義的超常規(guī)二次電網(wǎng)調控器進行交互作用。這個要求同樣能夠被所描述的基礎控制方式所實現(xiàn)。由于這些控制結構是基于常規(guī)電力系統(tǒng)控制策略的，它們提供了與常規(guī)電力系統(tǒng)控制同樣的二次調控接口（如圖5所示）。因此，具備這些功能的DERs和RESs就可以像常規(guī)單元一樣連接到電網(wǎng)控制中。電網(wǎng)中的二次有功調控器被要求將電網(wǎng)頻率調節(jié)到正常值。它為電網(wǎng)形成和電網(wǎng)支持的控制結構提供了在關注點的有功功率偏移值。

3仿真研究

仿真是驗證提出的控制策略的第一步，控制策略采用常規(guī)的電力系統(tǒng)控制策略。測試條件是：兩個相互連接的電網(wǎng)，每個電網(wǎng)各包含一個電網(wǎng)形成方式的逆變器和一個電網(wǎng)支持方式的逆變器，如圖6所示。電網(wǎng)的額定頻率和額定電壓分別是frated=50Hz，VLL=400Vrms。

電網(wǎng)形成和電網(wǎng)支持方式的逆變器額定視在功率分別是Sr=125kVA，Sr=80kVA。兩種逆變器的有功功率和無功功率設定值都分別是6kW和3.3kvar。仿真使用的電纜型號是NAYY4×50SE，Rl=0.772Ω/km，Xl=0.083Ω/km。為了比較不同的逆變器負載分配，所有控制器的下垂因數(shù)初始值設置相同。二次控制器被用來控制功率交換和能量平衡，同時維持正常頻率。

如圖6所示，有功和無功負載的初始條件兩個電網(wǎng)設置相同，分別是16kW和7.3kvar。這使得全系統(tǒng)的功率額定值分別為32kW和14.6kvar。15s后，在電網(wǎng)1上加一個階躍負載。有功功率增加到20.2kW，無功功率增加到7.37kvar。仿真結果有功功率、無功功率、頻率、三相電壓、三相電流如圖7至圖10所示。

圖6 兩個微型電網(wǎng)，每一個包含一個電網(wǎng)形成方式逆變器和一個電網(wǎng)支持方式逆變器

圖7描述了逆變器的有功功率。最初，每個電網(wǎng)形成方式的逆變器都提供10kW功率，電網(wǎng)支持方式的逆變器都提供6kW功率。于是，兩個電網(wǎng)形成方式的逆變器和兩個電網(wǎng)支持方式的逆變器平均分攤負載功率。15s時，4.2kW的負載階躍功率被加到第一個電網(wǎng)上。隨著負載改變，所有的逆變器都馬上做出了反應，功率的產生和消耗被重新分配。

圖7 （a）逆變器有功功率 （b）逆變器無功功率

一段時間后，二次控制器控制逆變器動作，第一個電網(wǎng)上的階躍負載只由第一個電網(wǎng)上的逆變器補償。交換功率受到控制重新回到之前的設定值。不同逆變器的無功功率如圖7b所示。開始時，所有逆變器提供的無功功率都近似為14.6kvar。15s的時候，第一個電網(wǎng)的無功功率增加了70var。正如前面提到的，本次仿真并沒有對無功功率進行二次控制。電網(wǎng)形成方式的逆變器補償增加的階躍負載，電網(wǎng)支持方式的逆變器提供相同數(shù)量的無功功率。

電力系統(tǒng)的頻率如圖8所示。由于一次和二次控制都影響電網(wǎng)頻率，但是影響是在不同的時間尺度，快速控制器的反應如放大窗口所示。

圖8 電力系統(tǒng)頻率

圖9 （a） t=15s時加入階躍負載的GF1三相電壓 （b） t=15s時加入階躍負載的GF1三相電流

由于15s加入了階躍負載，頻率的降落由下垂控制功能決定。當一次控制迅速穩(wěn)定頻率后，二次控制相對緩慢的將頻率調回50Hz。

第一個電網(wǎng)形成方式的逆變器在連接點處的電壓和電流如圖9所示。逆變器電壓幾乎不受干擾，與此同時，只有電流去適應相關負載情況。

圖10以第一個電網(wǎng)負載的三相電壓和三相電流為例來說明負載電壓電流質量和控制性能。15s時，負載階躍加入電網(wǎng)。負載電壓幾乎保持不變，與此同時電流隨著階躍負載增加。

圖10 （a） t=15s時加入階躍負載的負載三相電壓

（b） t=15s時加入階躍負載的負載三相電流

4試驗實現(xiàn)

驗證前面介紹的標準化逆變器控制方式的第二部，是在充分的硬件平臺進行測試。三種方式的控制結構在對稱和不對稱條件下都得到了實現(xiàn)。圖11展示了孤島或相互連接運行狀態(tài)下的逆變器模塊的執(zhí)行情況。圖12展示了類似的不對稱電網(wǎng)形成方式的測試情況。受到本文的局限性，進一步的測試結果將在后續(xù)的論文中發(fā)表。

圖11 逆變器模塊平臺和實驗測試設備

圖12 不對稱電網(wǎng)形成方式執(zhí)行情況：不對稱阻感負載階躍下測得的相電壓和相電流

目前電力系統(tǒng)仍然基于常規(guī)電廠高壓運行的集中控制方式。隨著被動控制的DERs和RESs的不斷接入，可控電能的比率會逐漸減少。電力系統(tǒng)控制的激勵變量的受限會危害系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。為了在未來實現(xiàn)電力系統(tǒng)的可靠控制，DERs和RESs必須被授權可以積極參與電網(wǎng)狀態(tài)變量頻率和電壓的調控。

新的DERs和RESs在詳細的基本運行原則的指導方針下正在逐步加入到現(xiàn)已存在的系統(tǒng)中。為了參與到這個控制系統(tǒng)中，現(xiàn)有的常規(guī)控制策略必須作出調整。作為電網(wǎng)連接的逆變器的控制策略必須基于標準的常規(guī)電廠饋電方式。根據(jù)推薦的策略，DERs和RESs可以活躍的參與到電力系統(tǒng)的物理控制中。仿真研究表明，當相互連接的微電網(wǎng)中，只有基于推薦控制方式的逆變器時，電網(wǎng)仍然可以運行。這種控制策略已經(jīng)在實驗室的逆變器裝置上被成功的驗證。推薦的控制策略標準的應用只是為DERS和RESs建立與常規(guī)電力設備平等條件和能源供應在物理層面和技術層面自由化的第一步。