并离网无缝切换储能系统的控制.pdf

42上海电气技术2023,16(2)并离网无缝切换储能系统的控制张霞上海电气集团股份有限公司中央研究院摘要：研究并离网无缝切换储能系统的控制方法，以提高储能系统的电网适应性，使储能系统接入电网更加安全、可靠。引入虚拟同步发电机控制技术和静态开关装置，建立并离网无缝切换储能系统。通过对虚拟同步发电机控制技术进行分析，使储能系统能够模拟同步发电机的外特性，实现惯性模拟和调频调压功能。进行并离网无缝切换储能系统试验，结果表明，通过虚拟同步发电机控制技术及静态开关装置，储能系统并离网切换时不需要变换控制策略，可以实现无缝切换，具有友好的并网能力。关键词：并网；离网；切换；储能系统；控制中图分类号：TK02文献标志码：AAbstract:The control method for energy storage system with seamless switching between on-gridand off-grid,in order to improve the adaptability of energy storage system to the grid and make itsafer and more reliable to connect energy storage system to the grid.Virtual synchronous generatorcontrol technology and static switching device were introduced to establish energy storage system withseamless switching between on-grid and off-grid.By analyzing the control technology of virtualsynchronous generator,the energy storage system can simulate the external characteristics of virtualsynchronous generator,achieve inertial simulation and frequency regulation and voltage regulationfunctions.Through conducting experiment for energy storage system with seamless switching betweenon-grid and off-grid,the result shows that the energy storage system does not need to change controlstrategy during switching between on-grid and off-grid through virtual synchronous generator andstatic switching device,and can achieved seamless switching with friendly grid connection capability.Keywords:Grid Connection;Off Grid;Switching;Energy Storage System;Control完上海2200070文章编号：16 7 4-540 X(2023)02-042-06优良特性，该储能系统将静态开关置于并网变流器1研究背景和电网之间，当电网发生故障或储能系统需要独立储能系统在电网运行过程中可以实现对电能的运行时，静态开关自动断开并网变流器和主电网，当存储、释放及削峰填谷等作用。由于电力电子装置电网供电恢复正常或根据情况需要储能并网时，也响应速度快、惯性小，常规储能并网变流器响应速度能自动实现将该储能系统重新接人电网。静态开关快，很难参与电网调节，无法为电网提供必要的电压装置的分合闸过程快速，结合虚拟同步机控制技术，和频率支撑，电网稳定性问题日益受到重视。虚拟可以很好地实现该储能系统的并离网无缝切换功同步发电机控制技术，通过储能环节结合并网变流能。器模拟同步发电机转子惯性，使基于并网变流器的2并离网无缝切换储能系统储能系统从外特性上模拟出同步发电机的频率及电压控制特性。静态开关具有分断速度快、无电弧等收稿时间：2 0 2 3-0 1作者简介：张霞（198 6 一），女，硕士，工程师，主要从事电力传动、微电网技术研究工作并离网无缝切换储能系统由并离网无缝切换控2023,16(2)制器、储能电池、并网变流器、静态开关等组成，拓扑上海电气技术结构如图1所示。43AI并离网无缝切换控制器ioc二DODICANDIDOCAN并网变流器控制器S7S1本a电C池由图1可见，储能电池通过并网变流器、滤波电路、静态开关与电网连接。该系统采用三相四桥臂型的并网变流器，较传统变流器增加一条桥臂，即增加了一个控制自由度。该变流器采用虚拟同步发电机控制，其中第四桥臂完成中性电流跟随。并离网无缝切换控制器与并网变流器采用控制器局域网总线（CAN)通信方式，静态开关由电力电子开关组成，开关速度快，其快速分闸时间不超过5ms，有助于实现并网变流器与电网之间无缝切换。3虚拟同步发电机控制虚拟同步发电机控制技术通过控制并网逆变器使其具有同步发电机特性，如惯性、调频特性、调压特性。该技术主要包括惯性环节、无功调节、有功调节、电流控制环路等，其控制框图如图2 所示。有功调节实现储能变流器的调频功能，当有功负荷发生变化时，储能变流器实现对频率变化的抑制。惯性环节实现储能变流器的惯性阻尼调节功能，当系统发生扰动时，通过惯性环节实现阻尼特性，使频率变化放缓。无功调节实现储能变流器的调压功能，当无功负荷发生变化时，储能变流器实现对电压幅值DODIUoUoUocDI静态开关控制器S2S3VnbS8S4并网变流器驱动电路正弦脉宽调制图1并离网无缝切换储能系统拓扑结构变化的抑制。4无缝切换控制方法在并离网无缝切换储能系统接人静态开关，并网模式、离网模式下均采用虚拟同步控制策略，实现无缝切换。4.1并网转离网控制并网变流器采用虚拟同步发电机控制技术，具有同步发电机外特性，在计划或非计划并网转离网时，电网切除后仍能保持电压输出，提供电压支撑。并网转离网控制流程如图3所示。由图3可见，当系统稳定运行在并网模式时，由并离网无缝切换控制器根据实际的并离网切换计划或者实时检测到的电网信息，判断是否发生大电网故障，确定是否离网运行。一旦决定由并网模式切换至离网模式，立即命令静态开关分闸，静态开关接收到命令后进行分闸操作。当并离网无缝切换控制器接收到静态开关的状态反馈后，下发并离网切换命令至并网变流器，并网变流器无需更换控制策略，提供电压源支撑，完成离网运行，并反馈状态。并离网无缝切换过程结束。DOiLaLIiLbL1CieS5S6L1mL2iobmL1L2YYYC1C2C3LiLnL3iua电流闭环控制静态开关ion交流负载u虚拟同步发电机算法模块QuolPe功率计算44上海电气技术2023,16(2)Direra电流环无功调节KUQrer+AU有功调节fo-kf+EoAEKuPrer/o+ToLSE区三相角度正弦值计算D惯性调节1/S0TD十JosT比例积ub脉宽分控制调制PeOref图2 虚拟同步发电机控制框图并离网无缝切换控制器并网运行N接收到并离网切换命令Y下发并离网无缝切换命令至智能微网快速开关N分闸完成Y下发并离网无缝切换命令至并网变流器N模式切换完成YY离网运行图3并网转离网控制流程4.2离网转并网控制当并网变流器运行在离网模式需要并网运行时，需根据接收到的大电网电压信息进行控制，逐步实现该并网变流器交流侧电压与电网电压的同步，即幅值、相位保持一致，否则很大程度会造成电流冲击，影响设备正常运行。离网转并网控制流程如图4所示。由图4可见，当系统运行在离网模式时，由并离网无缝切换控制器根据实时情况判断是否并网，一开关合闸状态接收到并离网无缝切换命令进行分闸操作，并返回状态分闸状态进行模式切换，并返回状态离网运行并网变流器并网运行接收到并离网无缝切换命令并离网无缝切换控制器离网运行N大电网故障恢复TY下发大电网电压实时信息至并网变流器文YN预同步完成下发并离网无缝切换命令至智能微网快速开关N合闸完成Y下发并离网无缝切换命令至并网变流器N模式切换完成Y并网运行图4离网转并网控制流程且决定离网模式切换并网模式，则立即通过控制器局域网总线通信方式下发大电网电压幅值、频率、相开关分闸状态接收到并离网无缝切换命令进行合闸操作，并返回状态合闸运行进行模式切换，并返回状态并网运行并网变流器离网运行接收到大电网电压信息，并进行同步跟踪接收到并离网无缝切换命令2023,16(2)位等实时信息至并网变流器，并网变流器根据接收到的大电网电压信息进行跟踪控制，逐步实现该并网变流器交流侧电压与大电网电压的同步。并离网无缝切换控制器将实时检测到的并网变流器输出侧电压和大电网电压直接进行差值比较，一旦二者差值小于预先设定阈值，即表示并网变流器输出电压与大电网电压实现同步。并离网无缝切换控制器立即将并离网切换命令发送至静态开关，完成合闸操作，并网变流器不需要更换控制策略，完成并离网模式切换。5试验系统参数为验证并离网无缝切换储能系统控制方法的有效性，搭建该系统试验平台，采用电网模拟器模拟电网，系统参数见表1。表1系统参数项目三相负载参考电压有效值/V电网额定电压有效值/V三相电网电压频率/Hz直流母线参考电压/V采样频率/kHz交流电感/mH电容/uF上海电气技术TekH100V100V100V100V取值图5并网电压频率变化电流电压波形22010kW观察系统运行情况。之后接入10 kW负载，220令负载突降至6 kW，观察系统运行情况，测得离网运行负载突变的电流电压波形如图6 所示。50Tek预货7001025045.020.0m(a)频率减少10%210.0:A(b)频率增加10%M1.003100次/51M点20.00ms100%次/秒M点52月226V201813:40:49226.V13:50:4352月2 0 1810.0A100V虚拟同步发电机控制功能试验366.1并网运行电网电压频率突变按表1参数进行试验，电网侧采用电网模拟装置模拟电网测试并网变流器同步发电机控制性能，接入6 kW三相负载，并网运行，分别测试电网侧电压频率突然减少10%和电压频率突然增加10%时系统运行情况，并网变流器测得电流电压波形如图5所示。试验结果表明，并网运行过程中，当电网频率发生变化时，并网变流器表现出了良好的电网适应性，未发生电流冲击，继续保持并网带载运行。6.2离网运行负载突变接人6 kW三相负载离网运行，令负载突增至2.20.0ms(a)6kW突增至10 kWTek预览M1.003210.0.A100V(b)10kW突降至6 kW图6 离网运行负载突变电流电压波形试验结果表明，离网运行过程中，当负载功率发生变化时，通过虚拟同步发电控制技术，并网变流器具100#次/秒1M点Z20.0ms100次/秒1M点5.2月2 0 18226V15:03:1952月2 0 18226V15:04:0946有电压支撑作用，能很好地支撑负载电压稳定运行。由上述试验可见，带有虚拟同步发电控制技术的并离网无缝切换储能系统具有惯性特性，能够实现调频、调压功能。7关并离网无缝切换功能试验7.1并网转离网运行在系统接人6 kW负载并网运行，运行过程中，由并网模式切换至离网模式，静态开关分闸，系统离网运行，将A相电流电压信号及静态开关状态反馈信号接入示波器，观察其波形如图7 所示。Tek上海电气技术100V10.0A2100VTek预2023,16(2)2.10.0mm250k次/秒1M点(a)预同步2.2月2 0 18198V09:58:23100V10