离网切换负载和黑启动控制的复杂性

PCS重要函数实验介绍

电力转换系统 (PCS) 在新能源行业中发挥着至关重要的作用，尤其是在可再生能源整合日益普遍的场景中。它们在管理并网和离网运行之间的转换方面起着关键作用，确保即使在电网干扰期间也能保持稳定可靠的能源供应。本文将深入探讨并网和离网切换控制的细微差别、非线性负载的处理、谐波消除和黑启动控制。

并网和离网切换控制

主动离网切换

主动离网切换是现代 PCS 的一个关键功能，可实现从并网模式到离网模式的无缝过渡。如果发生电网故障，PCS 内的储能系统必须快速识别故障并切换到离网运行。切换时间是一个至关重要的因素，因为它应该足够短，以最大限度地减少电力系统内电源和负载的中断。

为了实现平稳无冲击的切换，采用了频率检测和幅度检测相结合的方法。这些方法可以全面、快速地检测电网故障。切换过程通常用切换前后相电压和电流的波形来表示，如图 1 所示。

被动离网切换

相反，被动离网切换需要一种无需主动干预即可实现无缝过渡的控制策略。PCS 在并网状态下不断监测电网连接点电压 (Vm)。如果该点的电压在连续 N 个采样点下降或上升超过预定阈值，则推断主网络已与微电网断开连接或发生故障。检测到后，PCS 自动切换到离网控制模式并启动分闸触点以隔离主网络开关，从而实现被动离网切换。该过程的波形如图 2 所示。

同步并网开关控制

被动同步

电网并网切换的被动同步采用保护装置来管理连接。储能转换器必须从离网运行过渡到电网并网运行，从电压/频率控制模式切换到恒定功率率控制模式。在重新连接之前，转换器必须通过锁相环跟踪控制使其输出电压在幅度、频率和相位方面与电网电压同步。如果未实现同步，重新连接时较大的电压差可能导致过大的浪涌电流，危及转换器的安全。此切换过程如图 3 所示。

自动同步

自动同步并网控制无需单独设置同步保护装置，由PCS自主确定同步点，当监控系统发出同步指令后，PCS启动电网相位跟踪，在相位对齐后发出并网合闸指令，闭合相应电路开关，完成与电网的自动同步，如图4所示。

离网非线性负载及谐波消除处理

当PCS在离网条件下承载较大非线性负载并作为微电网主电源时，简单的V/f控制会导致输出电压严重失真，如图5所示。如果不控制整流电器，PCS的输出电压和电流波形可能会严重失真，需要采用谐波抑制方法来保持电能质量，如图6所示。

离网切换负载

切换负载（例如电抗器）在离网运行时可能会带来挑战。图 7 显示了离网条件下切换电抗器的负载波形，强调了需要仔细管理此类负载以确保稳定运行。

离网黑启动控制

黑启动控制是一种允许电力系统从完全或部分关闭状态恢复的过程，无需依赖外部电力传输网络。在离网情况下，PCS 在黑启动操作中起着关键作用。图 10 说明了负载削减过程，其中断开了 7.5kW 电机和 20kW 电阻器以促进电力系统的恢复。

多机并行测试

测试多个 PCS 单元的并联运行对于评估它们对负载变化的集体响应以及有效共享负载的能力至关重要。图 11 演示了两个 50kWPCS 单元和一个 100kWPCS 单元与 36kW 可调 RLC 负载并联运行的场景。监控功率分配和运行条件，以确保单元断开和重新连接时性能稳定。

图 11 显示了当一个 PCS 被切断然后重新集成到并联运行中时 A、B 和 C 站的电流和电压波形，突出显示了系统的自适应负载平衡能力。

图12为三台PCS机组并联运行，带阻性负载，引入电机负载的情况，冲击电流很小，电压波动较小，说明PCS机组在面对冲击负载时能够达到功率平衡，平稳运行。

结论

在并网和离网运行之间无缝切换的能力是现代电力系统（尤其是包含可再生能源的电力系统）可靠性和效率的基础。PCS 技术已经发展到能够处理这些转换，同时对电源和负载的影响最小。黑启动功能和非线性负载管理也是离网运行稳定性不可或缺的一部分。通过精心设计和测试（例如多机并行测试），PCS 可以为新能源行业提供强大的解决方案，确保电力保持稳定可靠，无论不断变化的能源格局带来何种挑战。