微电网中电力电子变压器与储能的协调控制策略研究

微电网作为发挥分布式能源（DER）效能的重要方式之一，具有非常广泛的应用。随着微电网技术的不断发展，建立在电子电力变压器基础之上的微电网结构获得了普遍的关注。在电力电子变压器的控制过程中，其通过将DER 和蓄电池等相应的储能装置与本地负荷有效的接入到主电网中，在PET 的控制作用下就能将分布式电能进行就地消纳，进而对功率流和电能质量进行主动的调控，为电网的正常运行提供可靠保障。

建立在电力电子交换基础上的PET 在实际控制过程中，能够将主电网和微电网进行有效的隔离，进而避免两者在运行过程中相互影响，有助于提高微电网中的电能质量，实现微电网电压频率有效的控制，并且还能为上一级电网提供有效的支撑。同时，由于DER 在运行过程中其出力存在随机性和波动性的特点，为确保微电网的运行性能始终处于良好的状态，可将储能作为平抑功率波动的能量缓冲装置，与风光等DER 进行联合供电。

1 微电网系统结构及协调运行原理分析

1.1 微电网系统结构

建立在电力电子变压器基础上的微电网系统，主要是分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网的提出主要是为实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。通过对微电网进行进一步的延伸，能够为多种能源形式的负荷提供高可靠的供给，这是一种主动式的配电网形式，有助于促进传统电网向智能电网的进一步发展。

其中PET 主要是由输入级、隔离级以及输出级等三个级别按照一定的结构形式组成的，其中输入级主要是由H 桥型AC-DC 变流器通过级联而构成的，其能够适应不同接入电压的主电网连接要求；隔离级主要是由双向全桥DC-DC 变流器以并联方式构成；其在工作过程中主要用于实现功率双向流动和电压变化等功能；输出级采用电压源型的逆变结构，具有良好适应性，能够为微电网提供低压交流接口。

在PET 的控制过程中，输入级的重要作用就是对高压侧的电容电压进行有效控制，将其限制在安全范围内，一旦其超过允许的范围后就能及时采取有效调整措施，确保电容电压能够满足安全运行需求；隔离级的主要作用是对低压侧的电容电压进行科学合理控制，为输入级与输出级之间能量的有效交换提供可靠保障，并通过输出级对微电网实现有针对性的协调控制。

1.2 协调运行原理分析

在PET 与BESS 实际的控制运行过程中，主要通过将BESS 作为平衡节点为电压频率控制提供有效支撑，并还能对DER 和负荷的不平衡功率进行科学合理的响应。PET 能够作为PQ 的节点，并根据储能荷点状态（SOC）的实际情况对输出进行科学合理的调节，进而确保BESS 的容量能够始终处于一个相位稳定的状态。在进行协调控制的过程中，BESS 通过快速的充放电能够为有功功率的有效控制提供可靠保障，进而确保微电网的频率能够始终处于额定值。DER 进行就地消纳后会形成一定大小的不平衡功率，为将其所造成的不利影响限制在较小范围内，其主要是由主电网通过PET 进行承担控制，但在控制过程中PET 自身接口具有一定程度的虚拟惯性，这就有助于对传输功率进行一定的平滑处理，降低微电网内部由间歇性波动功率所带来的不利影响[1]。

2 PET 与BESS 协调控制策略

协调控制的核心就是确保微电网运行过程中的频率稳定性，同时还要兼顾储能容量调节和功率的有效交互，并且当PET 和BESS 出现不同程度的故障后，微电网仍旧能够切换至故障运行状态。

2.1 BESS 控制

蓄电池储能系统BESS 主要是由蓄电池、接口变换器以及LC 滤波器等3部分构成，其中的输出接口与微电网交流母线间进行有效的连接。BESS 的控制重点就是确保微电网的电压频率能够始终处于一个相对稳定的状态，并还能够结合DER 或负荷的波动功率进行快速的输出，其中的接口变换器主要采用了基于电压电流双闭环的恒压恒频控制。在具体结构中，iLabc表示滤波电感电流，uoabc表示接口变换器的输出电压，Eref、fref分别表示给定的电压幅值和频率参考值。通过对线路中的参考频率进行相应的积分处理后，就能进一步得到经过坐标变换之后的相位θref，输出电压经过abc/dq 的变换处理后就能得到uod和uoq方向上的分量。通过BESS 接口变换器产生恒定的微电网频率，由电压电流双闭环提高控制精度，进一步加强了微电网频率的抗扰动能力。

2.2 PET 控制

PET 控制的输入级和隔离级在运行过程中，分别采用了传统外环电压、内环电流的双环控制和移相角控制的联合控制方式，在实际的控制过程中，需要结合控制需求进行有针对性的切换控制。其中的输入级外环电压在控制过程中，主要是根据高压侧电容电压的实测值对全部电容的电压之和进行有效的控制，而内环电流则是实现输入级交流侧并网电流的直接控制。隔离级则是通过控制调节PI 值对低压侧电容的电压进行科学合理的控制，确保其始终处于一个相对恒定的范围，进而为功率双向的稳定流动提供可靠保障。PET 输出级采用的VSG控制结构，虚拟同步发电机（VSG）控制能够模拟虚拟惯性平滑波动功率的整个传输过程，并还能在BESS 发生故障后为微电网电压频率保持稳定提供支持。

2.3 PET与BESS 协调控制

在VSG 控制基础上，通过结合机械功率的变化设计进而对PET 和BESS 的协调运行进行科学合理的设计。在BESS 的实际运行过程中，其中的开关与a 点之间进行有效的连接，由于微电网中的频率被BESS 所钳位，这就会导致VSG 中的有功功率-频率调节特性失效，进而会对微电网的稳定运行造成不利影响。PET 在对储能容量进行调节过程中，其主要是结合机械参考功率Pref（Pref=Po+△P，其中Po为基点运行功率指令，△P 为确保储能容量稳定输出所需要的调节功率）的输出功率进行控制的。

3 仿真与实验

仿真分析。本文所构建模型的能源主要是由风力发电机和光伏按照一定的结构形式组成的，其中的储能结构采用比较常见的铅酸蓄电池。PET 输入级的级联数设置为3，所采用的主电网电压值选定为10kV，而低压侧的电容电压结合实际的运行情况设置为800V。

工况1：风光出力随机波动。根据某次模拟的风光实际出力情况，在风力发电机实际工作过程中，其出力波动范围在47.5～83kW 之间，而光伏则在18～33kW 的范围内，其总的负荷需求为100kW。当风光出力发生一定程度的波动后，BESS 能够感应到风光与负荷所产生的不平衡功率，并采取相应的调整措施，进而确保微电网内源荷始终处于供需平衡的状态。PET 则表现出明显的虚拟惯性，根据SOC 对输出功率进行缓慢的调节[2]，用以满足BESS 正常运行的需求，确保SOC 的稳定运行。SOC 在参考值附近出现波动，一方面是由于虚拟同步电机自身所具有的控制惯性导致PET 的输出变慢；另一方面是由于风光出力发生一定程度的波动后，当微电网中的功率保持相对稳定的状态而没有发生较大的波动，SOC 就能较好的贴合参考值，表现出良好的性质。

工况2：负荷突变。为尽可能避免运行效果造成的干扰，风光需严格按照平均出力进行恒定输出。当微电网的负荷发生突然减小之后，BESS 则会吸收负荷突然减小而形成的剩余功率，同时蓄电池还会吸收电能而导致SOC 升高，超过参考值。随后PET 就会缓慢减小其有功输出，相应的BESS 所吸收到的电能也会呈现减小的趋势直至降低为零，然后就开始进行放电，SOC 就会相应的降低，回落至初始水平。通过PET 的调节，进而确保SOC 能够尽可能的贴近参考值[3]，微电网中的剩余功率则由PET 吸收并传输到主电网中。当负荷发生突变时，微电网的频率只是产生了较小的波动，并能较快的恢复至所设定的额定值，进而满足微电网稳定运行的需求。在负荷发生突变的过程中，BESS 所输出的功率就会快速的提升，有助于最大限度的抑制负荷突变而带来的频率波动；PET 所输出的波形整体上能够保持平滑的趋势，有效缓解了微电网内功率大幅波动对主电网的影响。

工况3：BESS 故障，PET 独立运行。根据微电网运行的仿真结果能够得到，当BESS 发生故障时，其能够自动的退出运行状态并对开关进行有效的操作，进而切换到独立的运行模式。除了BESS 的输出功率逐渐降低到零，PET 还会对风光进行相应的响应、进行波动出力，并结合VSG 所具有的下垂特征对微电网的运行频率进行科学合理的调节，以此确保系统的稳定运行。通过观察发生故障时微电网交流母线电压波形的变化情况，能够得到整个切换过程中的电压比较稳定，波形呈现平滑的变化趋势，幅值也在较小的范围内发生波动，进而就能在BESS 发生故障时，确保微电网始终处于平稳运行的状态。

工况4：PET 故障，BESS 独立运行。当PET发生故障后，BESS 就能根据微电网运行的整体情况，采取相应措施维持正常的运行。随着PET 所输出的有功功率变为零，将由BESS 继续承担风光的波动出力，但由于风光的出力有限，导致其无法满足负荷的总需求，BESS 所释放出的电能超过其所吸收的电能量，这就会引起SOC 呈现逐渐下降的趋势。微电网正常运行时的频率稳定在50Hz，当进行切换时就会发生短暂的小幅抖动，而对交流母线的电压进行切换时则比较平滑，幅值相对稳定，整个故障切换过程平稳进行。由此可以看出，当BESS发生故障后微电网的运行性能能够保持稳定状态，但由于其储能容量非常有限，无法满足微电网的运行需求，在必要时可采取负荷切出等措施辅助微电网运行[4]。

工况5：BESS 充放电控制。微电网在运行时往往会受到各种不利因素的影响，这就导致其内功率难免发生较大幅度的波动，而BESS 则能够分摊一部分传输功率，进而确保PET 的运行功率始终处于规定允许的范围内而避免超额运行，其中BESS 吸收或释放的电能量可进行有效的控制，以此满足不同的运行需求。在实际的运行过程中，调节BESS释放10kW 的功率，PET 所传输的有功功率也会相应的减少10kW。

4 实验分析

为对理论分析的合理性进行进一步验证构建了RT-LAB 硬件结构。在该模型的构建过程中，BESS 和PET 相应的模块是由实时仿真器构建而成，能够满足不同工况条件下的模拟需求，采样周期设置为6.4kHz。BESS 和PET 所采用的控制器与信号采集模块间需设置专门的转换模块，进而能够将两种不同的信号进行有效的连接。此外，由于在模拟实验过程中难免会受到各种不利因素的影响，这就要求实验参数与仿真参数尽可能保持一致，进而能够将不利因素所造成的不利影响限制在较小的范围内[5]，确保误差在合理的范围内。

通过模拟实验能够得到，实验结果与仿真结果保持一致，当其中的风光出力发生不同程度的波动后，BESS 能够针对出现的波动功率进行迅速的响应，PET 也能够相应的体现出虚拟惯性特性缓慢进行储能容量的调节。由BESS 的充放电功率和对应时间能够得到，其储能释放和吸收的功率相当，而SOC 则始终能够维持在参考值附近，进而确保微电网的正常运行。同时，由于微电网的频率相对稳定，其所产生的波动值也非常小，交流母线的电压和电流曲线变化也非常平缓，电压的幅值也保持稳定，整个微电网的整体运行性能良好[6]。

与仿真分析结果相同，当PET 发生故障而无法正常运行后，BESS 能针对微电网的运行情况，响应其中风光与负荷的不平衡功率，进而能够确保微电网的频率保持相对稳定的状态。当微电网发生故障需进行切换时，其电压几乎没有发生畸变且幅值保持稳定，而频率也只是在规定允许的范围内发生较小幅度的抖动，进而能够确保PET 发生故障后的平稳切换。此外，BESS 发生故障时同样能够得到相同的结论，在实际的应用过程中要予以充分的关注。

5 结语

微电网在分布式能源效能充分发挥的过程中具有非常重要的作用，这就需要在实际的运行过程中予以充分的关注。为确保微电网与主电网间的稳定连接，就要结合微电网的控制要求，采取有针对性的电力电子变压器与储能协调控制策略，进而有助于提高微电网运行过程中的稳定性，进而提高微电网中的电能质量，实现微电网电压频率有效的控制。