微电网中电力电子变压器与储能的协调控制策略

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摘要

国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）、湖南工业大学电气与信息工程学院的研究人员涂春鸣、黄红、兰征、孟阳、肖凡，在2019年第12期《电工技术学报》上撰文指出，微电网可以有效提升电网对分布式能源的消纳能力，以电力电子变压器（PET）为能量管理核心的新型结构是微电网新的发展方向。

提出一种PET与储能协调运行的微电网控制策略，储能的接口变换器采用恒压恒频控制维持微电网电压和频率的稳定，PET连接微电网的低压交流接口融合虚拟同步发电机控制，根据储能荷电状态实时调节机械参考功率。

储能迅速响应微电网内功率波动，PET则通过双向功率调节来维持储能容量稳定，同时保证微电网与电网功率的“柔性”交换。由于储能和PET同时被控制为电压源型接口，其中一个出现故障时微电网仍然可以平稳运行。

微电网运行在此控制策略下，可以保证间歇性分布式能源的最大效率利用，同时提高微电网运行的稳定性、可靠性和并网友好性。仿真和硬件在环半实物实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

微电网是发挥分布式能源（Distributed Energy Resource, DER）效能的有效方式之一。随着微电网技术的不断深入和发展，以电力电子变压器（Power Electronic Transformer, PET）为核心的微电网结构被相继提出，并受到广泛关注。

这类微电网中，通常将DER、蓄电池等储能装置以及本地负荷通过电力电子变压器提供的低压交流接口接入主电网，由PET对分布式电能就地消纳后盈缺的功率进行传输与管理，完成功率流的主动调控、电能质量调节等功能。

基于电力电子变换的PET可将主电网和微电网隔离开，彻底改善微电网的电能质量，实现微电网电压频率的局域自治，并对上一级电网予以支撑。由于DER出力具有随机性和波动性，为了提高微电网的运行性能，通常将储能作为平抑功率波动的能量缓冲装置，与风光等DER联合供电，而如何对PET、分布式能源及相关储能装置进行协调控制成为亟待解决的问题。

一方面，希望PET作为微电网与主电网能量的交互接口，能够平滑其传输的功率，提升主电网对间歇性分布式电能的消纳能力；另一方面，在利用储能单元的快速充放电能力抑制由于净负荷扰动导致的微电网频率波动的同时，需要进行合理调度，保证储能荷电状态（State of Charge, SOC）处于正常工作区域；再者，当PET或储能装置故障检修时，其协调控制还应尽可能为本地重要负荷提供连续、平稳、可靠的电力供应。

由于PET直流环节的隔离作用，微电网相当于一个独立运行的弱电网系统，目前研究中，独立微电网的系统控制策略大致可分为主从控制和对等控制。主从控制下，通常将PET输出电压控制为恒压恒频源，储能控制为功率可控的从电流源。

该控制策略下微电网频率恒定，稳定性高，但由于没有频率变量作为PET与储能有功输出的判断指标，只能通过上层能量管理系统实施功率分配，控制复杂且过渡依赖通信。并且当PET故障时，储能转换为主电压源，需要切换控制策略，不利于微电网的平稳运行。

对等控制主要通过下垂或虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）技术实现。文献[16]提出将PET和储能的接口变换器采用下垂控制，自动根据下垂系数参与功率分配。该方案避免了单一主电压源故障时的切换问题，然而文中并没有对储能SOC相关控制进行分析，且微电网频率始终随DER出力的波动而变化。此外，为增强系统的惯性阻尼，降低风光波动出力对主电网的冲击，文献[17]将VSG技术融合于PET接口的控制中，但文中并未涉及与储能的协调运行。

综合上述分析，本文提出一种微电网中PET与储能的协调控制策略。利用响应迅速的储能，采用恒压恒频控制使微电网电压频率稳定，PET作为能量枢纽，其低压交流接口融合VSG控制平滑传输功率，并基于弱通信进行储能SOC的调节。

通过所提控制策略一方面可以解决微电网频率波动问题，同时避免储能的过充或过放；另一方面，当PET或储能故障时，不需要切换控制策略，保证了微电网的平稳运行。最后，通过仿真和硬件在环半实物实验结果验证了该控制策略的运行效果。

图1  微电网系统结构和PET拓扑结构

图11  RT-LAB硬件在环实验装置

结论

本文针对基于电力电子变压器的微电网结构，提出一种PET与BESS的协调控制策略。阐述和分析了该微电网系统结构下PET与BESS协调运行的原理，据此给出了PET和BESS的具体协调控制方法。进行了仿真和硬件在环半实物实验验证，得到以下结论：

• 1）BESS采用恒压恒频控制将频率稳定在额定值，并能迅速响应功率波动，保证微电网有功平衡。

• 2）PET维持了储能容量的稳定，并通过调节SOCref实现对BESS输出功率的控制，虚拟同步电机控制使PET接口具备同步电机的虚拟惯性，保证了微电网与电网功率的“柔性”交换。

• 3）当PET或BESS发生故障时，微电网能平稳切换至故障运行，提高了系统运行的可靠性。

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