解决离网电力转换系统中的非线性负载和谐波抑制问题

介绍

不断发展的能源行业越来越多地采用离网电力转换系统（PCS）来确保可靠和可持续的能源供应，特别是在偏远地区或电网稳定性受到关注的地区。电力转换系统在管理并网和离网状态之间的转换、维持电能质量以及确保连接负载的无缝运行方面发挥着至关重要的作用。在本文中，我们深入研究了 PCS 的关键功能、并网和离网模式之间切换控制的复杂性，以及用于处理非线性负载和谐波抑制的策略。

并离网切换控制

开关控制是 PCS 功能的核心，它可以分为两种主要模式：主动模式和被动模式。

主动离网开关

主动离网切换是一项关键功能，可实现从并网运行无缝过渡到离网运行。当发生电网故障时，PCS内的储能系统能够快速检测并切换到离网模式。必须最大限度地缩短过渡时间，以减少电源中断和对连接负载的影响。主动离网切换采用频率和幅值检测相结合的方法，及时判断和检测电网故障。这确保了平稳且无影响的切换过程，如图 1 所示，该图展示了主动模式切换的波形。

无源离网开关

相比之下，被动离网切换涉及等待预定义条件来触发转换的控制策略。 PCS监测并网点的电压（Vm），如果连续N个采样点的电压下降或上升超过某个阈值，则认为表明电网断开或故障。然后PCS自动转换到离网控制模式，并发送信号断开主电网开关，完成被动离网过程。图2显示了这种无源开关模式的波形图。

同步并网切换控制

当从离网状态重新连接到公用电网时，同步至关重要，以避免破坏性浪涌并确保安全。并网切换控制采用无源和自动同步两种形式。

被动同步

被动同步涉及使用能够实现并网的保护装置。储能转换器从电压/频率（V/f）控制模式转变为恒定功率控制模式。在并网之前，锁相环跟踪控制用于使转换器的输出电压在幅度、频率和相位上与电网电压一致。同步保护装置通过向 PCS 提供必要的电压和频率数据来协助并网。满足关闭条件后，PCS完成同步后进入待机状态，如图3所示。

自动同步

自动同步不依赖单独的同步保护装置。相反，PCS 自主确定同步点。 PCS收到同步命令后，开始对电网侧进行相位跟踪，并发出并网合闸命令，完成自动同步，控制流程如图4所示。

离网非线性负载及谐波消除

当 PCS 系统遇到微电网中常见的非线性负载时，就会出现重大挑战。非线性负载会导致电压波形严重失真，如图 5 所示。然后采用谐波抑制方法来减轻这些失真并保持电能质量。图 5 比较了带谐波抑制和不带谐波抑制的离网非线性负载 PCS 的输出电压波形。

离网开关负载

PCS 在不同负载下的性能至关重要。图 7 显示了系统离网且带负载时开关电抗器的负载波形，凸显了有效管理此类负载转换的重要性。

离网黑启动控制

执行黑启动（在完全断电后重新启动 PCS）的能力对于保持弹性至关重要。图 10 显示了成功黑启动所需的减载策略，显示了组合电机和电阻负载的直流输出电压波形以及 PCS 输出电压。

多机并联运行

并行运行多个 PCS 单元的能力对于可扩展性和冗余至关重要。图 11 详细介绍了与 36kW 可调 RLC 负载并联运行的三个 PCS 单元（两个 50kW 和一个 100kW）的波形。显示了各单元的功率分配，该图演示了当一个单元断开然后重新连接时，PCS 如何调整功率分配。这确保了整个微电网的稳定运行。

图 12 进一步说明了并行 PCS 操作的鲁棒性，这次带有电阻负载和电机负载的启动。图中显示的最小冲击电流和低电压波动强调了 PCS 平稳处理动态负载的能力。

结论

离网电力转换系统是现代微电网和远程能源解决方案的关键。并离网模式的无缝切换、非线性负载的有效处理以及谐波的缓解对于维持电能质量和确保可靠性至关重要。通过创新的控制策略和先进的同步技术，PCS 技术不断发展，为当今世界复杂的能源需求提供强大的解决方案。这里介绍的实验和波形分析凸显了当前 PCS 技术的复杂性和能力，可以直面这些挑战，为更具弹性和可持续的能源未来铺平道路。