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具有发电和储存功能的商业和工业上的微电网建设的运行模式
Fran Gonzalez-Espin1, Virgilio Valdivia1, Diarmaid Hogan2, Daniel Diaz1, Raymond F. Foley1
1、爱尔兰联合技术研究中心，彭罗斯商务中心，爱尔兰科克市，
2、电子研究实验室，工程学院，科克大学，科克城，爱尔兰
电子邮件：gonzalez-espin.fran.dr@ieee.org
摘要
本文介绍了一个商业和工业的几种操作模式（Camp;I）建立微电网允许并网和孤岛模式之间的无缝过渡。本文所描述的微电网是由柴油发电机，锂离子电池系统和电气负载。锂离子电池系统与电网用电力电子变换器，而柴油发电机的同步机直接连接到电网的建设。视柴油机发电机在运行或运行时，其运行方式，电池系统将保持在并网模式或将其控制策略适应电网形成或下垂运行。
关键词——分布式能源资源、智能电网、微电网、Nanogrids、无缝过渡
一、简介
对更高质量要求的不断提高，更加安全和脱碳的电力供应对分布式发电的概念在小型发电机组，包括可再生能源，可以安装在传统能源消费领域铺平了道路。这是商业和工业（Camp;I ）的建筑，在现场的生成和存储的结合以及先进的负载管理形成一个商业与工业建立微电网允许所谓的“玩家”参与新兴能源市场。
提高供电可靠性和质量的特点之一是在电网应急运行的情况下，为局部微电网提供高供电质量的局部负荷能力。在某些情况下，应急操作可能导致一个孤岛状态；在其他情况下，局部荷载可以从商业与工业微网故意断开电网的效益，并利用本地产生的形式从完全孤立的局部网不安的主网格和高级电源能力。
本文提出的微电网结构，包括发电和储存的能源资源。主要发电设备为后备柴油发电机组，而储能装置为锂离子电池双向功率电子变换器。两个设备都能在PQ工作模式（即通过建筑能源管理系统需要提供有功功率和无功功率）或电压模式（即设备将表现为一个电压源，能够形成一个孤岛三阶段网格）。
此外，商业与工业建立微电网可以管理并网和孤岛模式之间的过渡以及负载的功率共享在孤岛模式取决于一个预定义的几种控制策略自动化策略规划在建筑能源管理系统（BEMS）。
本文的目的是提出一个自动化策略允许并网和孤岛模式之间的无缝过渡。此外，所需的无扰控制算法实现在存储装置，使网格的形成和控制策略重构（即PQ模式电压模式）当商业与工业建设与主电网断开。
论文组织如下：第二节介绍了测试所提出的测试床的自动化和控制策略；第三节介绍了几种微电网运行模式；第四节介绍了电池系统实现无扰动控制允许无缝PQ模式和电压模式之间的转换；第五节提供实验结果；最后，结论是在第六节。
二、微电网试验台
本文所用的试验台的简化原理图如图1所示。微网是由一个双总线三相交流电源分配。每个电源部分设备可以连接在总线A或总线B，这增加了测试床的灵活性。电源部分由一个33kVA三相柴油发电机，5kWh的锂离子电池连接到功率变换器包括一个15kW的DCDC阶段和15 kVA三相直流交流转换器，50kVA无源负载模拟器，10k电阻负载，电源线仿真器和无源故障模拟器。15千瓦的三相背的电力电子变换器作为一种电子负载模拟器提供轻易模仿商业与工业建筑各种荷载的能力（如电梯或采暖通风空调（HVAC）系统）。
自动化和通信部分由三菱可编程逻辑控制器（PLC）的可靠的安全管理（如继电联锁），一个国家仪器CompactRIO（NI-cRIO）高速数据采集和先进的微电网的自动化，以及所需的通信网关整合不同的设备使用的几种工业协议（如Modbusand CAN）。
图1 微网试验台
值得指出的是，电力电子变换器的电池系统和负载模拟器的控制是由回路中的三相3PExpress硬件执行（HIL）和快速原型开发工具平台（RPT）能力。此外，NI-cRIO是采用实时操作系统（RTOS）关联交易平台和一个确定的采集和控制FPGA，利用LabView部署自动化和控制策略。
三、微电网运行模式
为了提供微网无缝过渡和网格形成的能力，提出了图2所示的自动化策略，在4个状态（即S1，S2，S3，S4）的定义。
S1：当主电网在电网运营商的标准定义的正常边界操作，微电网在并网模式仍然是S1。在这种模式下，柴油发电机和存储设备来作为动力来源（即设备将跟踪活动和/或无功功率设定点从BEMS）。它是假定电池在充电、放电或空闲模式下，当发电机组可能或可能无法运行。这种假设是基于：1、电池系统的连接通常是避免电池自放电；2、发电机组通常开始只是在能源价格高，或在需求响应（DR）事件的急救情况。
S2：如果有意或无意的孤岛条件触发，机组没有运行，达到S2。在这种状态下，一个命令发送到发电机组的启动。机组在启动过程中（可能需要不到1分钟就依靠备用发电机功率范围几分钟），电池的逆变器的控制方式从PQ模式改变为电压模式，在孤岛模式的三阶段是由电池逆变生成网格。
S3：一旦机组运行并连接到孤岛微网，无缝过渡自动化策略在BEMS检查机组电压模式或下垂的经营模式。如果机组在下垂的经营模式，电池逆变器的控制策略变化的电压模式的PQ下垂模式。这种操作方式使用内部下垂曲线编程电池逆变器无控制电压的输出需要控制有功功率和无功功率，从而避免了大部分由传统的下垂模式引起的不稳定问题。
S4：如果机组在电压模式操作，或者是在孤岛条件或一旦启动过程完成后，电池逆变器进入PQ控制模式。
并网发电机
PQ 模式
否
孤岛 效应
是
发电机组 运行
是
否
启动发电机组电池模式
否
发电机组 运行
发电机组电压模式
电池PQ模式
是
发电机组模式
独立模式
下垂模式
发电机组电压下垂模式
电池PQ下垂模式
图2 微电网运行模式
图3 电池系统示意图
四、电池控制算法与平稳过渡
锂离子电池是通过一三通道直流-直流转换器和一三相逆变器连接到电网，如图3所示。而三通道直流-直流转换器将电池电压所需要的直流电压，输入电压，控制电池电流、，三相逆变器控制：1、输出电流，，在PQ和PQ下垂模式；或者2、和LCL电容电压，，在电压模式。
图4（a）显示了调节控制原理图，而图4（b）显示调节的控制原理图。为了使变频器能够运行在上一节中介绍的几种模式的操作，多路复用控制结构描绘在图5中已使用。, , 和 已根据结构图6 允许的3种工作模式之间的平稳过渡实施，其中过渡之间的I，II和III取决于S2和S3状态。
同步参考框架（SRF）已被用于控制转换器。在这方面，随着谐振控制器srf-pi已经实施，允许一个良好的跟踪基波的奇次谐波，而拒绝在电网防止污染产生电流参考 。电容器的电压传递函数（VC）控制器，逆变器电流（II）控制器和活性（P）和反应（Q）在PQ模式功率显示在（1）、（2）、（3）和（4）分别在该转换器和控制器的参数见表2和表3。
表1：工作模式
S2S3 工作模式 功能描述
00 Ⅰ 电池PQ模式
01 Ⅱ 电池PQ下垂模式
10 Ⅲ 电池电压模式
图4直流/交流转换器SRF（a）电压控制 (b)电流控制
表二:变频器的参数
参数 数值
表三：电压、电流和下垂控制器的参数
参数 数值
图5 直流/交流转换器SRF（a）电压控制 (b)电流控制
图6 PI控制器的无扰动切换功能
五、实验结果
在这一部分中，实验结果显示S1和S2和S1和S4之间的转变。实验结果已利用快速原型工具的实时采集功能收集，并利用MATLAB的绘图功能绘制。
图7(a)显示操作S1和S2的模式之间的平稳过渡,在电池控制器转换从PQ模式电压模式，形成电网，发电机组需要连接时，上升和同步。图7(b)显示电池逆变工作电压模式（即S2状态），在电压总谐波失真（THDV）为2%，功率因数（PF）是近1。电流总谐波失真（THDI）是0.8%。
另一方面，机组可在断开的操作。在这种情况下，由系统定义的控制策略将从S1至S4，在电压模式和PQ模式电池发电机组配置。在S4机组形式的网格。图8（a）描绘了微电网的电压状态S1～S4的过渡期间，在一个更高的过电压，观察相比，从S1到S2的过渡。这种效果是由于较高的控制带宽和较小的惯性的电池系统。此外，图8(b)显示更详细的电压转换。
六、结论
一个自动化策略之间的无缝过渡的并网和孤岛模式在商业与工业建筑中提出。自动化策略定义了几种状态和状态转换，根据微电网的运行状况，并可以在BEMS采用工业通信实现（例如可以和Modbus）发送命令给微电网能源，自动化战略的目的是提供不间断电源的微电网的并网和负载孤岛模式的过程中，在保证电压保持在所要求的保护范围。
为了使电池逆变器能够从并网PQ模式到孤岛模式下的电压模式重新配置控制策略，因此提出了无扰切换控制算法。
以验证所提出的自动化和控制策略的实验结果已经得出，显示出他们的几个操作状态之间的过渡表现不如预期，而孤岛微电网的电能质量（THDV，THDI和PF）仍然在规定的边界。
图7 实验结果：(a) S1和S2 之间的无缝电压转换 (b) 电池逆变器S2操作（电压型）
图8 S1和S4和之间无缝过渡的实验结果 (a)微电网电压 (b) 微电网电压细节
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