基于主從結構的微電網系統平滑切換控制策略

李壯，許欣，齊永志，于爽

(1. 東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2. 黑龍江省第一水文地質工程地質勘測院，黑龍江 齊齊哈爾 161000；3. 吉林省電力公司磐石供電分公司，吉林 吉林 132300)

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基于主從結構的微電網系統平滑切換控制策略

李壯1，許欣1，齊永志2，于爽3

(1. 東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2. 黑龍江省第一水文地質工程地質勘測院，黑龍江 齊齊哈爾 161000；3. 吉林省電力公司磐石供電分公司，吉林 吉林 132300)

摘要：針對微電網系統模式切換不夠快速、平滑等問題，若采用適當的控制措施便可實現并網模式和孤島模式，以及兩種模式的平滑切換。為此，建立主從結構的風光儲微電網系統，分析主控逆變器結構及控制方法，總結出綜合控制策略；再根據微電網切換過程中存在的問題改進了控制策略，并在MATLAB/Simulink上建立微電網動態模型，對原始綜合控制策略和改進后的控制策略分別進行仿真分析。通過仿真結果對比可知，改進后的控制策略有效抑制了微電網母線電壓的暫態震蕩，保證了系統切換過程中電壓幅值、相位和電流的平滑性。仿真結果驗證了設計的控制策略的有效性和可行性。

關鍵詞：微電網技術；分布式發電；并網模式；孤島模式；平滑切換

隨著電力需求的不斷增長，環境污染和能源危機的極大威脅，還有大電網陸續暴露出的一些弊端，世界各國紛紛開始關注分布式發電(distributed generation，DG)這一清潔、環保、簡便、高效的新型供電方式[1-2]。而微電網[3-4]提供了一種充分利用分布式發電的機制，是未來電網實現高效環保和優質供電的重要途徑[5]。微電網將額定功率為幾十千瓦的微電源DG(包括風力發電機，光伏電池，燃料電池等可再生能源)、負荷、儲能裝置及控制裝置等相結合，形成單一、可控的單元，可以單獨向用戶輸送電能和熱能。

微電網系統主要有兩種控制策略：對等控制[6]和主從控制[7-9]。對等控制又稱下垂控制，是指各微源地位相等，不同微源之間沒有直接聯系，各自參與功率分配。由于對等控制無法控制頻率、電壓的穩定性，易造成系統不穩定，因此，當前的小型微電網大多采用主從控制。主從控制是指將一容量較大的微源作為主控DG(如儲能變流器、柴油發電機、蓄電池等)，并網運行時與其他DG共同參與功率分配，孤島運行時，作為頻率和電壓參考基準，確保微電網繼續穩定運行。

微電網系統具有并網和孤島兩種運行模式。正常情況下，微電網與大電網并網運行，當檢測到大電網故障或微電網電能質量不滿足要求時，微電網斷開與大電網的連接，進入孤島運行模式，持續為負荷供電。實現微電網系統并網與孤島運行模式平滑、可靠的切換不僅是微電網系統研究的重要內容，也是重要負荷的可持續供電的重要保障[4-5]。文獻[10]基于儲能技術實現了微電網兩種模式硬過渡，切換過程不平滑，算法有待改進。文獻[11]采用主從與對等相結合的綜合控制策略，實現了由并網向孤島模式的平滑切換，但沒有研究由孤島模式再并網的過程。文獻[12]提出了一種改進型電壓環調節器，實現了非計劃性孤島情況下的微電網無縫切換。文獻[13]要求電網發生故障后5 s才可以無縫切換，難度較大。由上述的研究近況可知，微電網系統模式切換仍不夠快速、平滑，需進一步改進控制策略。

為了實現微電網系統運行模式的平滑切換，鎖相技術也起到了關鍵性的作用，正確、快速地鎖相可以確保微電網系統的相位在切換過程中的平滑、穩定。文獻[14]介紹了一種有關微電網系統平滑切換的雙二次廣義分環節的鎖相環，但算法復雜，實現難度較大。文獻[15]研究了廣義積分算法，利用多次廣義積分實現與電網電壓的同步。文獻[16]采用基于Park變換的鎖相環，通過調節鎖相環的帶寬來抑制諧波，但仍存在不可消除的2次諧波。由上述可知，應用于微電網系統平滑切換的鎖相技術還有創新的必要，需尋找一種快速、準確且可應用于微電網系統任何運行狀態的鎖相技術，實現鎖相位的平滑切換。

本文主要研究基于主從結構的微電網系統平滑切換的控制策略。首先介紹了微電網的主從結構以及微電網主控逆變器的控制策略，總結出微電網系統模式切換的綜合控制策略；針對微電網系統平滑切換過程中存在的問題對控制策略進行改進，避免切換過程中發生較大的暫態震蕩和超調，改善了電能質量，保證切換平滑性；在傳統并網鎖相技術基礎上，采用新型軟件鎖相算法，確保系統在不同的運行模式下正確、快速鎖相以及切換過程中鎖相位的平滑過渡；最后，利用MATLAB/Simulink仿真軟件進行分析。

1微電網主從結構及控制方法

1.1系統結構

微電網主從結構如圖1所示，包含一個主控DG和其他從屬DG。并網運行時，微電網與大電網相連，所有DG聯合向負荷供電。孤島運行時，微電網通過公共連接點(point of common coupling，PCC)與大電網斷開，主控DG提供微電網電壓以及頻率參考，并跟隨負荷變化。

圖1　微電網主從結構

由圖1可以看出，主控逆變器是整個微電網系統中的重要單元，也是本文研究的重點。

1.2微電網主控逆變器的控制方法

逆變器多數采用雙環控制結構，其中外環控制器動態響應速度慢，主要用于體現不同的控制目的，接著產生內環參考信號。內環控制器動態響應速度快，主要用于精密調節，以提高逆變器輸出的電能質量。一般情況下，當并網要求不是非常高的時候，也可以采用單環控制結構，但并網的電能質量和控制速度并不理想，因此本文采用雙環控制結構的主控逆變器[17]。

1.2.1外環控制器

根據微電網的不同運行狀態，微電網的主控逆變器外環采用不同的控制策略，控制原理如圖2所示。假設微電源初始運行于A點，其輸出的有功和無功功率分別為P0、Q0，逆變器交流側頻率和電壓分別為f0、u0。

圖2　外環控制原理

恒功率控制(P-Q控制)是指在并網運行的條件下，大電網負責微電網內的電壓和頻率支持，各DG只需控制功率的輸出以保證微電網內的內部功率平衡。在d-q坐標系下，DG注入交流網絡的功率表達式為：

(1)

式中：pout、qout分別為計算所得到的逆變器輸出瞬時功率；ud、id，uq、iq分別為三相逆變器輸出電壓、輸出電流經過Park變換后的d、q軸分量。

在Park變換過程中，將d軸與電壓矢量選為同一方向，使得q軸電壓分量為零。上述的功率表達式得到了化簡，從而，根據功率參考值Pref、Qref可得到d、q軸電流參考值：

(2)

恒壓恒頻控制(U-f控制)是指在孤島運行的條件下，微電網與大電網斷開連接，由主控DG來維持母線電壓和頻率穩定。首先，將系統頻率fs和參考頻率fref比較，通過比例-積分(proportion integration，PI)調節輸出有功參考值Pref。同理將電網電壓Us與參考電壓Uref相比較，通過PI調節輸出無功參考值Qref。將功率參考值同上述P-Q控制，生成電流參考值Idref、Iqref。

1.2.2內環控制器

內環控制器主要是對注入的電流進行精密的調節，提高電能質量。內環控制器通常采用d-q旋轉坐標系，通過電壓前饋補償和交叉耦合補償對電流進行解耦，控制原理如圖3所示，其中三相電流經過Park變換后的d軸、q軸分量id、iq，與外環控制器輸出的電流參考值Idref、iqref相比較，對得到的誤差進行PI控制，通過電壓前饋補償和交叉耦合補償，輸出控制信號Pmd、Pmq。

KPId、KPIq為PI控制參數；ω為電網頻率；L為濾波電感；S為時域。圖3　內環控制原理

2微電網并網/孤島運行模式

微電網系統具有兩種運行模式：并網運行，即與大電網聯結運行，向大電網提供多余的電能或由大電網補充自身的發電量不足；孤島模式，即當檢測到大電網故障或微電網電能質量不滿足要求時，微電網與大電網斷開，DG獨立向負荷供電。

微電網系統由并網向孤島運行模式轉化時，需要考慮以下幾個問題：

a) 當電網發生故障時，主控逆變器應及時感應故障并建立電壓和頻率基準，減小母線電壓和頻率的閃變；

b) 主控逆變器外環由P-Q瞬時切換至U-f控制，應避免由于狀態不匹配產生的電流沖擊；

c) 微電網在切換的過程中，應避免由于模式改變而產生的相位突變，需保證相位的連續性。

而微電網系統由孤島模式再并網需要滿足3個條件：公共連接點PCC處電壓差盡可能??；微電網的孤島運行頻率應稍小于電網頻率；大電網的電壓相位應超前于微電網的孤島運行電壓相位。

由上述的分析可知，如何保證切換過程中電能質量的穩定問題，是核關心環節。

3微電網平滑切換控制策略

3.1綜合控制策略

3.2模式切換的改進

逆變器P-Q控制切換到U-f控制的過程中，由于兩種控制器輸出狀態不匹配，易造成較大的暫態振蕩，產生輸出跳變，因此本文采用基于控制器狀態跟隨的平滑切換方法[18]，如圖4所示。合理控制邏輯開關K1—K4：并網時，閉合K1、K4，打開K2、K3，將P-Q控制器的輸出以負反饋的形式輸入到U-f控制器內，使得切換前的U-f控制器輸入狀態與P-Q控制器的輸出狀態時刻一致；孤島時，打開K1、K4，閉合K2、K3，由U-f控制器繼續控制DG運行。

圖4　改進模式切換原理

3.3微電網軟件鎖相技術

微電網軟件鎖相技術，是微電網系統的相位在并網和孤島運行模式之間實現平滑過渡的關鍵技術，尤其當微電網系統從孤島向并網模式轉換時，因存在相位或者幅值差，而導致并網瞬間產生較大的沖擊。傳統鎖相算法只適用于微電網的并網模式，因此本文在傳統鎖相算法的基礎上，提出一種新型軟件鎖相算法，使得微電網系統在不同運行模式下均可正確、快速鎖相，且保證微電網系統模式切換過程中鎖相位過渡的平滑性。

新型軟件鎖相算法結構如圖5所示，由電網相位瞬時計算模塊、相位預同步計算模塊和相位參考計算模塊3部分構成。

圖5　新型軟件鎖相算法結構

a) 電網瞬時相位計算模塊。當微電網并網運行時，對電網相位進行實時檢測，從而提供瞬時相位參考值。電網任意時刻的三相電壓uu、uv、uw，經過Park變換得到q軸方向電壓分量uq，其與電網相位θ之間的關系可表達為

式中：U為電壓幅值，θg為鎖相得到的相位。通過PI控制，使uq等于零，從而使θg跟蹤θ。

b) 相位預同步計算模塊。當微電網孤島運行時，由于沒有實時跟蹤電網相位，因此再并網時PCC兩端存在相位差，需對兩端的相位進行預同步。首先，將電網電壓相位θg與微電網饋線電壓相位θinv的差值進行PI調節控制，可得頻率補償量Δf，將其與額定頻率fref之差作為主控逆變器的頻率參考，使主控逆變器調節電壓實現與電網相位同步。

c) 相位參考計算模塊。當微電網在并網或孤島或二者過渡的運行狀態時，該模塊能夠保證連續的相位參考。微電網在并網運行時，控制開關Ctrl指向3端口，使輸出相位θref等于電網相位θg。當系統由并網過渡到孤島模式時，開關指向2端口，相位以θg為基礎，繼續以2πf0+ωinv運行。而當系統從孤島轉回并網模式，開關選擇1端口，由于相位已完成預同步，因此無論開關如何選擇，切換過程均保持平滑、連續。

4微電網模型仿真分析

4.1電氣參數

為驗證上述控制策略的可行性，本文采用風光儲發電系統模型，如圖6所示。微電網系統中，風機采用恒速恒頻風電機組模型[19]。光伏陣列采用工程簡化模型[20]，經逆變器接入電網。儲能裝置采用通用的蓄電池模型[21]。微電網仿真詳細參數選取如下：電網電壓為380 V；直流側電壓為800 V；電網頻率為50 Hz。

圖6　微電網系統模型

4.2仿真分析

為了驗證本文給出的主從結構微電網系統控制策略的有效性和可行性，在MATLAB/Simulink環境下搭建微電網控制模型進行仿真分析。圖7給出了微電網軟件鎖相技術的仿真結果。系統初始運行于孤島模式，0.1 s時給出并網信號，由于孤島再并網PCC兩端存在電壓相位差，因而先執行相位預同步計算，當相位差Δθ逐漸接近于零時，預同步結束(Ctrl指向2)，PCC閉合，進入并網模式。由圖7可知，從0.1 s開始系統相位差逐步減小，在0.23 s完成相位預同步，穩定過渡至并網運行模式，期間相位并未發生任何跳變，因此本文新型軟件鎖相技術可行。

圖7　軟件鎖相仿真結果

微電網系統初始處于并網狀態，并網點電壓為380 V，并網點電流為50 A，頻率為50 Hz，儲能逆變器輸出電壓為311 V，輸出電流為115 A。0.15 s時微電網系統由并網運行模式切換至孤島運行模式。在相同的條件下，采用原始綜合控制策略和改進后控制策略對微電網系統模式切換過程進行仿真分析，得到的仿真結果對比如圖8—11所示。

圖8、圖9分別為控制策略改進前、改進后并網點三相電壓、三相電流、頻率曲線。0.15 s時系統切換至孤島運行模式，采用原始綜合控制策略，在模式切換過程中并網點電壓由380 V突增至420 V，發生了跳變，系統頻率發生0.02 Hz的大幅波動，系統切換過程不穩定。而采用本文改進的控制策略，在模式切換過程中并網點電壓基本保持380 V不變，系統頻率穩定在50 Hz左右，沒有發生較大暫態震蕩，切換過程平滑、可靠。

圖8　改進前并網點電壓、電流、頻率曲線

圖9　改進后并網點電壓、電流、頻率曲線

圖10、圖11分別為控制策略改進前、改進后逆變器輸出的三相電壓、三相電流曲線。0.15 s時系統開始切換至孤島運行模式，采用原始綜合控制策略，在模式切換過程中儲能逆變器輸出電壓由311 V跳升至380 V，輸出電流由115 A升至200 A，發生了輸出跳變，系統極其不穩定。而采用本文改進的控制策略，在模式切換過程中逆變器輸出電壓基本保持311 V穩定不變，輸出電流由115 A變成150 A，沒有發生輸出跳變，實現了平滑切換。

圖10　改進前逆變器輸出電壓、電流曲線

圖11　改進后逆變器輸出電壓、電流曲線

根據仿真結果對比可知，本文給出的控制策略可以確保系統模式切換過程中電壓、電流、相位穩定，平滑、可靠地實現主從結構的微電網系統模式切換，解決切換過程中暫態震蕩和超調等威脅系統安全問題，具有良好的實用性。

5結束語

本文首先介紹微電網主從結構，分析了微電網主控逆變器的控制策略。其次，針對主從結構微電網系統平滑切換過程中存在的問題進行了改進，避免切換過程中發生較大的暫態震蕩和超調，改善電能質量，保證切換平滑性。采用了新型鎖相算法，使得系統在不同運行模式下準確、快速鎖相且實現模式切換過程中鎖相位平滑過渡。最后，利用MATLAB/Simulink建立動態模型進行分析，驗證了該控制策略的可行性和有效性。

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李壯(1991)，女，吉林吉林人。在讀碩士研究生，研究方向為電力系統穩定與控制。

許欣(1989)，男，吉林四平人。在讀碩士研究生，研究方向為電力系統分析。

齊永志(1962)，男，黑龍江齊齊哈爾人。工程師，研究方向為水利水電地質勘測。

(編輯王朋)

Control Strategy for Smooth Switching of Micro-grid System Based on Master-slave Structure

LI Zhuang1, XU Xin1, QI Yongzhi2, YU Shuang3

(1. College of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, Jilin 132012, China; 2. Hydrogeology and Engineering Geology Exploration Institute of Heilongjiang Province, Qiqihar, Heilongjiang 161000, China; 3. Panshi Power Supply Company, Jilin Electric Power Corporation, Jilin, Jilin 132300, China)

Abstract：In allusion to problems of micro-grid system mode being not fast and smooth in switching, it is suggested to adopt proper control measures to realize grid-connection mode and island mode, as well as smooth switching of these two modes. Therefore, hypotactic micro-grid system with wind power, photovoltaic power and stored energy is established, structure and control method of the main control inverter is analyzed and comprehensive control strategies are summarized. In allusion to existing problems in micro-grid switching, control strategies are improved and dynamic model of micro-grid is established on MATLAB/Simulink platform to conduct simulation analysis on original comprehensive control strategies and improved control strategies. Simulation results indicate that improved control strategies could effectively constrain transient shock of bus voltage of the micro-grid and ensure smoothness of voltage amplitude, phase and current in process of system switching. Results also verify effectiveness and feasibility of designed control strategies.

Key words：micro-grid technology; distributed generation; grid-connection mode; island mode; smooth switching

作者簡介：

中圖分類號：TM721

文獻標志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)02-0030-06

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.006

收稿日期：2015-09-09修回日期：2015-10-20