探索电源转换系统并网到离网过渡的动态

电源转换系统 (PCS) 简介及其重要性

电力转换系统 (PCS) 是现代能源系统不可或缺的组成部分，担负着将电能从一种形式转换为另一种形式的关键功能。这些系统对于整合可再生能源、管理能源存储以及确保一致的能源质量和供应至关重要。 PCS 设计为在并网和离网模式下运行，从而确保即使在电网干扰或故障期间也能维持能源输送。

PCS在并网和离网模式之间无缝切换的能力不仅是一种便利，也是电力系统恢复能力的关键要求，特别是在面对日益频繁的极端天气事件和网络攻击的情况下。对 PCS 功能进行的实验为这些转变的动态提供了宝贵的见解，并突出了该领域的技术进步。

并离网切换控制

并网与离网模式的转换可分为主动离网切换和被动离网切换两种。

主动离网切换

主动离网切换的特点是从并网状态到离网状态的无缝过渡。当电网突然出现故障时，这个过程至关重要。在这种情况下，PCS内的储能系统必须快速检测到故障并切换到离网运行模式。过渡时间必须很短，以尽量减少供电中断。

为了有效地管理这种转变，采用了频率和幅度检测方法的组合。这些方法可以对电网故障进行全面判断和快速检测，实现平滑、无冲击的切换过程。图1展示了从并网到离网的有源模式转换的波形图，显示了切换过程中的相电压和相电流等关键参数。

无源离网开关

相比之下，被动离网切换是另一种从并网模式过渡到离网模式的方法，涉及被动控制策略。此处，PCS 监控电网连接点的电压 (Vm)。如果该点的电压在预定数量的连续采样点内下降或上升超过设定阈值，则表明主电网断开或故障。 PCS随后自动转入离网控制模式并触发主网开关断开，实现被动离网运行。图 2 描绘了该过程的波形，展示了过渡期间的电压行为。

同步并网切换控制

从离网状态重新连接到电网需要仔细同步，以确保 PCS 输出在幅度、频率和相位方面与电网电压匹配。这对于防止浪涌电流过大至关重要，浪涌电流可能会对转换器的安全构成风险。为此主要使用两种方法：

被动同步涉及使用保护装置来关闭并网。在过渡期间，储能转换器从电压/频率（V/f）控制模式变为恒定功率控制模式。同步保护装置促进了这一过程，保护装置实时判断，确保满足条件时立即关闭。图3给出了离网到并网的切换波形图。

自动同步控制允许PCS自主确定同步点，而不需要依赖单独的同步保护装置。它跟踪电网侧电压，并在收到同步命令后开始相位跟踪。一旦跟踪完成，发出并网合闸命令，相应线路开关合闸，实现自动同步。图 4 概述了这个自动同步控制过程。

管理离网非线性负载和谐波抑制

离网运行时，PCS 可能会遇到非线性负载，从而导致严重的电压畸变。这种失真是不受欢迎的，因为它会影响供电质量并损坏敏感设备。为了缓解这个问题，即使在非线性负载条件下，也采用谐波抑制方法来确保干净且稳定的输出电压波形。图 5 和图 7 分别显示了谐波抑制技术的波形改进以及开关电抗器离网和负载时的负载波形。

离网黑启动控制

在系统完全关闭或“停电”的情况下，PCS 必须具有执行黑启动的能力。这个过程涉及在没有外部电源的情况下逐步为电力系统的各个部分重新供电。图 10 说明了黑启动期间采用的负载切除策略，突出显示了不同负载的 DC 输出电压波形和 PCS 输出电压。

多机并行测试

PCS的可靠性和有效性也在多机并行配置中得到了测试。图 11 和图 12 显示了在不同负载条件下并行运行的多个 PCS 单元的性能。这些数字展示了 PCS 单元在引入冲击负载（例如电机启动）时的功率平衡和稳定运行，以及当一台被切断然后重新引入时单元之间的功率均衡。

在这些测试中，PCS单元必须协同工作以维持系统稳定性，实时调整其输出以应对动态负载变化。不同站点（A、B 和 C）的电压和电流波形揭示了并联运行的复杂性以及防止过载和确保稳定供电所需的复杂控制机制。

结论

电力转换系统从并网模式到离网模式的转变是能源领域研究和开发的一个关键领域。无论电网稳定性如何，在这些状态之间无缝切换的能力都可确保电力传输保持可靠和高效。对PCS的主动和无源离网切换、同步控制、谐波抑制、离网黑启动、多机并联运行等功能进行的实验，展示了现代PCS的先进能力。这些系统为未来弹性和灵活的电网提供了坚实的基础，适应可再生能源的日益一体化和能源消费者不断变化的需求。