逆变器在智能电网接口中的应用
中心议题：解决方案：
- 采用常规电力系统控制方法
- 通过仿真研究和试验实现
目前的许多研究致力于为电力系统最优化、负载分配、参数配置和电能储存管理制定策略。由于最近对于“智能电网”和“虚拟电厂”的展望，研究的关注点的选择通常依据经济功效，受到市场的推动。但是，我们不能忘记，任何高级的电力系统运行技术必须以物理上稳定和可靠运行的电力系统为基础。为了满足这种新型电力系统的要求，对电网的物理层面的控制必须重新调整加以改进。与此同时，分布式电源技术和高渗透性的可再生电源技术的持续发展趋势也要求电网控制结构体系进行调整。现代电力电子技术，通过提供一个高效的自动控制平台可以为DERs和RESs构建一个强大的电网连接，如图1所示。等价于常规电源，电网连接逆变器可以表现为基本的电网连接功能。只有当DERs和RESs可以从常规的大型集中式电源那里接管过物理调控任务时，它们才能在电力系统中获得与常规电源平等的地位。只有当DERs和RESs在电力接入电网的过程中不止享受权利，同时也能承担义务的时候，它们才能得到真正的自由。为了使逆变器能够参与到活跃的电网控制中，充分的控制策略是必需的。然而，时至今日，控制理念的发展还是远远落后于需要。
图1 逆变器作为ECSs和电网间的柔性多功能基本连接
1.逆变器接入电网的要求
今天，DERs和RESs所使用的逆变器仍然主要采用了被动控制技术。这意味着对电网接入功率的控制与通过一次能源产生电能的能量转换系统密切相关。对电网侧来说，它们相当于负的负载。它们将从ECS处获得的全部功率注入电网。在这种方式下，电网侧的电网控制整合，甚至于主动参与控制和稳定电网状态变量都是不可能的。
最近的电力系统章程修订也仅仅对异常的电网变化做出了预防性的反应。对高压和中压电网，UCTE操作手册、国家电网编码和国家电网连接章程等，定义了电网电源连接行为。对低压网络，规程细节至今还未定义和出版。对于高压和中压网络，稳态要求定义了发电单元必须减少它们的有功出力以应对频率过高，或者按照电网调度要求呈阶梯状出力。据此，超过需求的有功功率会被拒绝上网。在正常运行条件下，发电单元还必须提供无功功率。动态行为的定义要求发电单元必须在电网故障的情况下保持与电网的连接并能够提供短路电流。
为了增加DERs和RESs在电网中的比例，规章制度还应该进行更深入的变革。分布式发电单元必须与集中式电源承担同样的基础调控任务。只有这样电网才能被激励者运行在分布形式下。未来的电力系统不仅仅要求DERs和RESs承担假定的预防性的措施和开环控制。这些电源必须执行物理上的实际的电力系统调控。只有这样，未来集中式电源才能被DERs和RESs取代或者补充。
2.常规电力系统控制方法在逆变器系统中的采用
新的DERs和RESs必须参与到现有的系统中并适应现有的结构和控制策略。因此逆变器必须适应现有的电网控制并且遵从基本原则，尤其是在相互连接的运行中。基本的逆变器控制必须以传统发电控制方式为基础，并被分类如图2所示。
图2 逆变器连接到电网侧的馈电方式
当接入电网的构件是DERs或RESs时，常规的基础控制方式可以被逆变器采用和执行。向电网传输的功率可以被ECS或电网驱动。
在ECS驱动馈电时，ECS决定了向电网传输的功率。如今，单台RESs逆变器典型地就在这种馈电方式下运行，并向电网注入全部可提供的功率。在电网驱动馈电时，不再是ECS，而是电网决定功率的传输。典型的，大多数常规大型电厂运行在这种方式下，同样，这种方式潜在的适合DERs和RESs系统，或者至少适合混合式电力系统。在ECS驱动馈电的情况下，逆变器控制方式被称作电网平行方式。第二种情况可以被两种不同的逆变器控制方式实现，分别是电网形成方式和电网支持方式。电网形成方式中逆变器的作用是建立和维持电网状态变量。电网支持方式中逆变器被用于平衡功率。它可以传输预先设定数量的功率，这个数量可以根据电力系统的需要或者高级控制运行得到的参考值进行调整。应用这个控制方式的逆变器例子如图3至图5的左侧所示。此外，这些基本有功功率调控器潜在的对二次电网控制的相互联系可以被类似的阐释。
图3 主动控制并与电网连接的逆变器的电网形成(GF)控制方式
图4 主动控制并与电网连接的逆变器的电网支持(GS)控制方式
图5 被动控制逆变器的电网平行(GP)控制方式
所有被介绍的控制方式都可以适应对称和不对称负载条件和逆变器硬件。对于这些基础的控制方式，正如前边介绍的，只有电网形成方式和电网支持方式才适用于被积极地应用到物理层面的控制整个电力系统。分布式发电单元在电网平行方式中不能被从电网侧控制。然而，除了充分的基础控制方式，发电单元控制一定要能够与定义的超常规二次电网调控器进行交互作用。这个要求同样能够被所描述的基础控制方式所实现。由于这些控制结构是基于常规电力系统控制策略的，它们提供了与常规电力系统控制同样的二次调控接口(如图5所示)。因此，具备这些功能的DERs和RESs就可以像常规单元一样连接到电网控制中。电网中的二次有功调控器被要求将电网频率调节到正常值。它为电网形成和电网支持的控制结构提供了在关注点的有功功率偏移值。
3.仿真研究
仿真是验证提出的控制策略的第一步，控制策略采用常规的电力系统控制策略。测试条件是：两个相互连接的电网，每个电网各包含一个电网形成方式的逆变器和一个电网支持方式的逆变器，如图6所示。电网的额定频率和额定电压分别是frated=50Hz，VLL=400Vrms。
电网形成和电网支持方式的逆变器额定视在功率分别是Sr=125kVA，Sr=80kVA。两种逆变器的有功功率和无功功率设定值都分别是6kW和3.3kvar。仿真使用的电缆型号是NAYY4×50SE，Rl=0.772Ω/km，Xl=0.083Ω/km。为了比较不同的逆变器负载分配，所有控制器的下垂因数初始值设置相同。二次控制器被用来控制功率交换和能量平衡，同时维持正常频率。
如图6所示，有功和无功负载的初始条件两个电网设置相同，分别是16kW和7.3kvar。这使得全系统的功率额定值分别为32kW和14.6kvar。15s后，在电网1上加一个阶跃负载。有功功率增加20.2kW，无功功率增加到7.37kvar。仿真结果有功功率、无功功率、频率、三相电压、三相电流如图7至图10所示。
图6 两个微型电网，每一个包含一个电网形成方式逆变器和一个电网支持方式逆变器
图7描述了逆变器的有功功率。最初，每个电网形成方式的逆变器都提供10kW功率，电网支持方式的逆变器都提供6kW功率。于是，两个电网形成方式的逆变器和两个电网支持方式的逆变器平均分摊负载功率。15s时，4.2kW的负载阶跃功率被加到第一个电网上。随着负载改变，所有的逆变器都马上做出了反应，功率的产生和消耗被重新分配。
图7 (a)逆变器有功功率 (b)逆变器无功功率
一段时间后，二次控制器控制逆变器动作，第一个电网上的阶跃负载只由第一个电网上的逆变器补偿。交换功率受到控制重新回到之前的设定值。不同逆变器的无功功率如图7b所示。开始时，所有逆变器提供的无功功率都近似为14.6kvar。15s的时候，第一个电网的无功功率增加了70var。正如前面提到的，本次仿真并没有对无功功率进行二次控制。电网形成方式的逆变器补偿增加的阶跃负载，电网支持方式的逆变器提供相同数量的无功功率。
电力系统的频率如图8所示。由于一次和二次控制都影响电网频率，但是影响是在不同的时间尺度，快速控制器的反应如放大窗口所示。
图8 电力系统频率
图9 (a) t=15s时加入阶跃负载的GF1三相电压 (b) t=15s时加入阶跃负载的GF1三相电流
由于15s加入了阶跃负载，频率的降落由下垂控制功能决定。当一次控制迅速稳定频率后，二次控制相对缓慢的将频率调回50Hz。
第一个电网形成方式的逆变器在连接点处的电压和电流如图9所示。逆变器电压几乎不受干扰，与此同时，只有电流去适应相关负载情况。
图10以第一个电网负载的三相电压和三相电流为例来说明负载电压电流质量和控制性能。15s时，负载阶跃加入电网。负载电压几乎保持不变，与此同时电流随着阶跃负载增加。
图10 (a) t=15s时加入阶跃负载的负载三相电压 (b) t=15s时加入阶跃负载的负载三相电流
4.试验实现
验证前面介绍的标准化逆变器控制方式的第二部，是在充分的硬件平台进行测试。三种方式的控制结构在对称和不对称条件下都得到了实现。图11展示了孤岛或相互连接运行状态下的逆变器模块的执行情况。图12展示了类似的不对称电网形成方式的测试情况。受到本文的局限性，进一步的测试结果将在后续的论文中发表。
图11 逆变器模块平台和实验测试设备
图12 不对称电网形成方式执行情况：不对称阻感负载阶跃下测得的相电压和相电流
目前电力系统仍然基于常规电厂高压运行的集中控制方式。随着被动控制的DERs和RESs的不断接入，可控电能的比率会逐渐减少。电力系统控制的激励变量的受限会危害系统的运行稳定性。为了在未来实现电力系统的可靠控制，DERs和RESs必须被授权可以积极参与电网状态变量频率和电压的调控。
新的DERs和RESs在详细的基本运行原则的指导方针下正在逐步加入到现已存在的系统中。为了参与到这个控制系统中，现有的常规控制策略必须作出调整。作为电网连接的逆变器的控制策略必须基于标准的常规电厂馈电方式。根据推荐的策略，DERs和RESs可以活跃的参与到电力系统的物理控制中。仿真研究表明，当相互连接的微电网中，只有基于推荐控制方式的逆变器时，电网仍然可以运行。这种控制策略已经在实验室的逆变器装置上被成功的验证。推荐的控制策略标准的应用只是为DERS和RESs建立与常规电力设备平等条件和能源供应在物理层面和技术层面自由化的第一步。
