基于PCS 變主從協同控制的微電網平滑離網技術*

劉永輝 張國澎 孫新迪 張思宇

(河南理工大學電氣工程與自動化學院 焦作 454003)

1 引言

隨著經濟發展和科技進步，用戶對微電網的電能質量有了更高的要求。為保證由儲能系統(Energy storage system，ESS)和光伏發電系統組成的微電網系統的電能質量，要求微電網系統在并網和離網模式下，電壓和頻率均能維持在額定值，同時實現并離網的平滑切換[1-3]。并網時，微電網通過公共連接點(Point of common coupling，PCC)與大電網連接，由大電網維持系統電壓和頻率的穩定以及功率的平衡；發生非計劃性孤島或計劃性孤島時，微電網系統失去大電網的支持，存在電壓和頻率不穩定以及功率不平衡造成的ESS 過充和過放等問題，影響微電網系統的電能質量，甚至會導致系統崩潰[4]。因此，實現微電網的平滑離網以及ESS 的過充與過放保護具有重要意義[5]。

文獻[6]提出了一種將電壓控制與電流控制相結合的逆變器控制策略，系統并網運行時逆變器為電壓控制方式，離網時切換為電流控制方式，可實現微電網并離網的平滑切換，但需要在兩種控制器間進行切換，系統電壓會產生畸變。文獻[7]提出了一種改善模式切換時系統波動的復合控制結構，將微電網并網時PQ 控制的電流環和孤島時下垂控制的電流環相結合，使系統離網前兩種控制方式下電流環給定值保持一致，減小電壓和頻率波動，但電容電壓參考值的選取依賴于孤島檢測，而孤島檢測期間系統的穩定性和電能質量無法得到保障。文獻[8]提出了一種間接電流控制策略，并網時，將逆變器作為電流源，當脫離大電網后自動切換為電壓控制，無需孤島檢測即可實現平滑切換，但此方法運用于小功率系統和提供遠程供電時電能質量較差，對逆變器的可靠性要求較高。文獻[9]提出一種無需孤島檢測環節就可實現并離網平滑切換的控制策略，采用了一種統一并網電流控制結構，解決了微電網系統對遠程通信線路的依賴問題，保證了負載的供電質量，但沒有考慮ESS 的過充和過放問題。文獻[10]提出一種微電網ESS 過充過放保護方案，當ESS 的SOC超過限制值，將儲能變流器(Power conversion system，PCS)由電壓控制模式切換至功率控制模式，調整PCS的輸出功率，實現ESS的過充和過放保護，但沒有考慮負載的需求功率情況，具有一定的局限性。

針對微電網離網時主控部分的PCS在傳統下垂控制方式下會存在系統振蕩、ESS 過充和過放的問題，提出一種基于PCS 變主從協同控制策略的微電網系統的ESS 過充和過放保護方案，在微電網離網時，采用PCS 變主從協同控制策略，由中央控制器(Mlicrogrid central controller，MGCC)根據系統功率分布和ESS 的SOC 情況，靈活調整PCS 的控制方式、光伏逆變器的指令值以及負載切投狀況，并對傳統下垂控制進行二次調壓調頻，實現ESS 的過充、過放保護和微電網的平滑離網。

2 微電網離網的初始狀態

微電網通常包含發電、配電、儲電、用電四類設備。為簡化分析，忽略微電網中的配電部分，考慮包含兩套ESS、兩套光伏發電系統和負載的小型新能源微電網，如圖1 所示。其中，Spcc為PCC 處的并離網開關，ESS 包括儲能電池和PCS；光伏發電系統包括光伏逆變器和光伏電池板，PPV1、QPV1和PPV2、QPV2分別為兩套光伏發電系統提供的有功功率和無功功率。負載包含一種主要負載和一種次要負載，Pload1、Qload1和Pload2、Qload2分別為主要負載和次要負載所需要的有功功率和無功功率。

Spcc開關閉合時，微電網運行于并網模式，電壓和頻率由大電網提供；Spcc斷開后微電網進入離網模式，微電網需要能建立自身的電壓和頻率，穩定運行[11-12]。

微電網離網運行時，光伏發電系統持續為微電網系統提供功率，考慮ESS 的SOC 影響，ESS 具有如下的初始運行狀態。

(1) 微電網離網時刻系統滿足Pload=PPV、Qload=QPV，存在以下狀態。

① ESS1、ESS2 均無充放電現象。

(2) 微電網離網時刻系統滿足Pload>PPV、Qload>QPV，存在以下狀態。

② SOC1<20%、SOC2<20%，ESS1、ESS2 均停止放電。

③ SOC1<20%，SOC2>20%，ESS1 停止放電，ESS2 為系統提供恒定功率[11]。

④ SOC1>20%，SOC2>20%，ESS1、ESS2 均為微電網系統提供功率。

(3) 微電網離網時刻系統滿足Pload

⑤ SOC1>90%、SOC2>90%，ESS1、ESS2 均停止充電。

⑥ SOC1>90%，SOC2<90%，ESS1 停止充電，ESS2 繼續充電。

⑦ SOC1<90%、SOC2<90%，ESS1、ESS2 均進行充電。

綜上所述，微電網離網時，ESS 的初始運行狀態受ESS 的SOC 狀態和微電網系統功率分布情況影響。

3 PCS 的控制方式

微電網離網運行時，選擇具有高可控性的ESS作為主控部分，維持微電網系統電壓和頻率的穩定；選擇低可控性的光伏發電系統作為從控部分，為微電網系統提供恒定功率。微電網系統的功率平衡由系統內部單元實現。在忽略功率損耗的情況下，從控部分和主控部分的輸出總功率與負載的需求功率保持一致，通過調整從控部分的輸出功率和負載的需求功率可實現對主控部分輸出功率的控制。ESS的狀態與PCS 的控制方式有關，第2 節中ESS 的7種初始狀態對應如下PCS 控制方式。

(1) PCS1、PCS2 保持下垂控制方式不變。

(2) 為避免ESS 的過度放電，切除次要負載，保證負載的需求功率不超過光伏單元的輸出功率，兩個PCS 繼續作為主控單元運行于二次調壓調頻下垂模式。

(3) PCS1 為下垂控制方式，ESS1 停止放電，PCS2 由下垂控制切換為PQ 控制方式，ESS2 繼續為系統提供功率。當SOC2<20%，PCS2 由PQ 控制方式切換至下垂控制方式，ESS1、ESS2 均停止放電，若PCS2 運行于PQ 控制方式下，系統提供的總功率依舊小于負載所需功率，則切除其他次要負載，滿足負載需求不超過系統總輸出功率。

(4) PCS1、PCS2 為下垂控制方式保持不變，均繼續放電。當出現SOC1<20%(或SOC2<20%)時，兩個PSC 控制方式與(3)相同。

(5) 為避免儲能單元的過度充電，調整光伏逆變器PQ 控制中P 和Q 的指令值，使光伏發電系統輸出功率等于負載需求功率，PCS1、PCS2 均為下垂控制方式，ESS1、ESS2 均停止充電。

(6) PCS2 由下垂控制方式變成PQ 控制方式，ESS2 繼續充電，PCS1 為下垂控制方式，ESS1 停止充電。當SOC2 等于90%，將光伏逆變器PQ 控制中P 和Q 的指令值調整至負載需求的功率值，PCS2切換至下垂控制方式，ESS1、ESS2 均停止充電。

(7) PCS1、PCS2 為下垂控制方式保持不變，ESS1、ESS2 均繼續充電，當SOC1=90%時，PCS2由下垂控制方式切換為PQ 控制方式，ESS2 充電，PCS1 為下垂控制，ESS1 停止充電；當SOC2=90%時，調整光伏逆變器PQ 控制的功率指令值，并將PCS2 由PQ 控制方式切換為下垂控制方式，ESS1、ESS2 均停止充電。

綜上所述在各種情況下，PCS 的控制方式如表1 所示。

4 PCS 變主從協同控制

4.1 變主從協同控制

將主從控制、對等控制、分層控制相結合，發揮各自的優勢，實現PCS 的變主從協同控制，最終實現微電網的平滑離網。PCS 變主從協同控制結構和基于PCS 的變主從協同控制的微電網平滑離網流程分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 變主從協同控制結構圖

圖3 微電網平滑離網流程圖

微電網系統中含有各種類型的電源，在不同運行模式下，其特性以及控制地位也不相同，選取ESS作為主控部分，光伏發電系統作為從控部分。采用對等控制的兩個主控單元在系統狀態變化時，可迅速調整系統的功率分配情況，且當一個主控單元發生故障時，可將其切除，不影響系統的正常運行，提高系統穩定性。MGCC 優化系統功率分配可以避免儲能單元的過充和過放。

PCS 在下垂控制方式和PQ 控制方式間切換時，下垂控制和PQ 控制的電流環一致，切換時共用電流內環，只需要切換外環，采用傳統的切換方法，在切換時刻，PQ 控制方式下的功率環輸出狀態與下垂控制方式下的電壓環輸出狀態不同，即電流環的指令值發生突變，PCS 的輸出電流和功率會產生一個大的振蕩，影響系統的穩定運行。在下垂控制切換至PQ 控制時，采用緩啟的思想，將PQ 控制的初始指令值與下垂控制的輸出功率保持一致，以合適的斜率到達預期指令值；在PQ 控制切換至下垂控制時，采用狀態跟蹤法，保證電流環指令值不發生突變，減小PCS 控制方式切換時，系統電流和功率的振蕩，控制原理如圖4 所示。

圖4 變主從協同控制原理圖

MGCC 獲取微電網系統各個部分的狀態信息，并做出合適的調整，根據負載需求功率、光伏發電系統和ESS 的輸出功率以及ESS 的SOC 狀態調整PCS 的控制方式，實現系統的平滑離網。PCS 的控制方式由圖4 中開關K1、K2、K3、K4 的狀態決定。PCS 為PQ 控制方式時，狀態開關K1、K2、K3 和K4 分別與點b、c、e和h接觸，此時，下垂控制方式下的電壓環輸出量idref1和iqref1將跟隨PQ 控制方式下的功率環輸出量idref2和iqref2，實現兩種控制方式切換時，電流環的指令值相同，減少系統電流和功率的振蕩；PCS 由PQ 控制方式切換為下垂控制方式時，調整狀態開關K1、K2、K3 和K4 的狀態，使其分別與點a、d、f和g接觸，實現PCS 控制方式的平滑切換。圖4 中idref1、iqref1、idref2、iqref2可根據式(1)、(2)求解得到。

式中，udref、uqref為下垂控制方式下電壓環的指令值。

式中，Pref、Qref為PQ 控制方式下有功功率和無功功率的指令值。

4.2 主控單元控制方式

傳統下垂控制存在靜態誤差，負載突變會引起電壓和頻率的振蕩，甚至造成系統崩潰，對傳統下垂控制進行二次調壓調頻，可實現無差調節進而提高系統穩定性[13-15]。二次調壓調頻下垂控制由功率環和采用PI 控制的電壓電流雙閉環三部分構成。其控制結構和控制原理分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 二次調壓調頻下垂控制結構圖

圖6 二次調壓調頻下垂控制原理圖

圖5 中Uabc和iabc分別為PCS 輸出的電壓和電流有效值，經坐標變換后，由式(3)得到有功功率和無功功率平均值；根據二次調壓調頻的下垂特性得到輸出電壓幅值指令值Uref和頻率指令值fref，Uref、fref的表達式為式(4)；對Uref、fref進行電壓合成，然后進行坐標變換得到d軸和q軸的電壓分量，并將其作為電壓外環的參考電壓送入電壓電流雙閉環控制環節得到調制信號，最后將調制信號進行空間矢量調制得到開關信號傳輸至逆變器。

式中，s為拉普拉斯算子；cω為低通濾波器的截止頻率；ud、uq和id、iq為坐標變換后d軸和q軸的電壓和電流分量。

式中，Un、fn分別為系統的額定電壓和額定頻率；Pn、Qn為系統的額定有功功率和額定無功功率；P、Q為低通濾波器輸出的有功和無功功率；m、n分別為PCS 的有功-頻率下垂系數和無功-電壓下垂系數[16-18]。

4.3 從控單元控制方式

微電網在并網模式和離網模式下，系統電壓和頻率的穩定分別由大電網和主控部分維持，而從控部分則為系統提供穩定的功率，從控部分的逆變器運行于PQ 控制方式，PQ 控制結構圖如圖7 所示。

圖7 PQ 控制原理圖

PQ 控制由功率環和電流環組成，功率外環為電流內環產生電流指令值，電流內環輸出電壓的控制信號Vd和Vq，經過反dq坐標變換得到調制信號后，將調制信號進行空間矢量調制得到逆變器的驅動信號[19-20]。電流環指令值為

式中，idref、iqref為功率環輸出的電流參考值；L為濾波電感。

5 仿真驗證

為了驗證PCS 變主從協同控制的有效性，基于圖1 所示的微電網系統結構， 在Matlab/Simulink 中搭建了微電網系統的總仿真模型，其中PCS 變主從協同控制的仿真模型如圖8和圖9 所示，圖8、圖9 是根據圖4、圖6 和圖7所示原理圖進行搭建的，為了簡化分析，將儲能和光伏電源用直流源替代，濾波電路的設計以及參數的選擇也保持一致，微電網仿真模型的具體參數如表2 所示。

表2 系統仿真參數

圖8 下垂控制和PQ 控制的外環仿真模塊圖

圖9 PCS 控制方式切換的仿真模塊圖

圖9 中的K1、K2、K3 和K4 與圖4 中的K1、K2、K3 和K4 對應，根據案例1 和案例2 的工況要求，合理設置控制開關狀態的脈沖模塊的參數，當PCS 為下垂控制方式時，使系統中與四個開關上部連接的電路導通，當PCS 為PQ 控制方式時，使系統中與四個開關下部連接的電路導通。在微電網離網時刻，一共有七種工況，因在工況④的條件下，PCS 控制方式和負載切投情況的調整包含了工況①～③條件下的調整情況；在工況⑦的條件下，PCS控制方式和PQ 控制指令值的調整包含了工況⑤～⑥的調整情況，故設計了案例1 和案例2 分別對工況⑦和工況④進行驗證。

5.1 案例1

并網運行時，系統滿足Pload

由圖10、11 可知，系統在0.5 s、2 s、6 s、8 s、10 s 時，頻率分別波動了0.001 Hz、0.000 5 Hz、0.001 Hz、0.000 5 Hz 和0.000 5 Hz 左右，電壓分別波動了0.5 V、1 V、2 V、3 V 和5 V 左右。在所提控制策略下，此系統在離網時刻、PCS 控制方式切換時刻、負載突變時刻以及PCS 切投時刻，電壓和頻率均可穩定在額定值附近，保證了系統電壓和頻率的穩定性。

圖10 微電網系統頻率波形

圖11 微電網系統單相電壓波形

由圖12、13 可知，0.5 s 時光伏發電系統和ESS總輸出功率等于負載需求功率，系統離網運行，ESS1、ESS2 均以恒功率充電；4 s 左右PCS2 的功率到達PQ 控制的指令值，PCS1 的功率達到0，此時ESS1 停止充電，ESS2 以恒功率充電；6 s 時，光伏發電系統的輸出功率等于負載需求功率，PCS1、PCS2 的輸出功率均為0，ESS1、ESS2 均停止充電；8 s 時，PCS1、PCS2 的輸出功率相同，ESS1、ESS2和光伏發電系統一同為負載提供功率；10 s 時，PCS2輸出功率為0，ESS2 脫離系統，由ESS1 和光伏發電系統為負載提供功率。結果表明此系統在應對系統突然離網、PCS 控制方式切換、負載突變和PCS切投等情況仍可維持正常運行。

圖12 微電網系統各單元有功功率

圖13 微電網系統各單元無功功率

5.2 案例2

并網運行時，系統滿足Pload>PPV、Qload>QPV的條件，設置兩個光伏發電單元的指令值均為PPV=15 kW、QPV=15 kVar，選取兩個恒功率負載，負載1：P1=30 kW，Q1=30 kVar；負載2：P2=5 kW，Q2=5 kVar，0 s 時微電網系統并網啟動，負載1、負載2 均投入運行，在0.5 s 時斷開Spcc，系統進入離網模式，SOC1>20%、SOC2>20%，PCS1、PCS2 為下垂控制方式；2 s 時，SOC1=20%、SOC2>20%，將PCS2切換為 PQ 控制方式，PQ 控制初始指令值為P0=2.5 kW、Q0=2.5 kVar，以2 500 的斜率增加至期望指令值5 kW、5 kVar；6 s 時，SOC1=20%、SOC2=20%，切除負載2，將PCS2 切換為下垂控制方式；12 s 系統運行結束。

由圖14、15 可知，系統在0.5 s、2 s、6 s 時，頻率分別波動了0.001 Hz、0.000 5 Hz 和0.000 5 Hz左右，電壓分別波動了2 V、1 V 和2 V 左右。在所提控制策略下，此系統在離網時刻和PCS 控制方式切換時刻的電壓和頻率均可穩定在額定值附近，保證了系統電壓和頻率的穩定性。

圖14 微電網系統頻率波形

圖15 微電網系統單相電壓波形

由圖16、17 可知，0.5 s 時光伏發電系統和ESS總輸出功率等于負載需求功率，系統離網運行，ESS1、ESS2 均以恒定功率為負載提供功率；在5 s左右PCS2的有功和無功功率均到達PQ控制的指令值，PCS1 的功率達到0，此時ESS1 停止放電，ESS2以恒定功率為負載提供功率；6 s 時，在切除次要負載后，光伏發電系統的輸出功率等于負載需求功率，PCS1、PCS2 的輸出功率均逐漸向0 靠近，在10 s時PCS1、PCS2 的輸出功率均為0，此時ESS1、ESS2均停止為負載提供功率。仿真結果表明此微電網系統在應對系統突然離網和PCS 控制方式切換的情況時，仍然可以確保系統正常運行。

圖16 微電網系統各單元有功功率

圖17 微電網系統各單元無功功率

6 結論

在對傳統下垂控制進行二次調壓調頻的基礎上，提出了一種基于PCS 變主從協同控制的微電網平滑離網方案，通過仿真驗證所提方案的正確性和可行性，得出以下結論。

(1) PCS 為改進型下垂控制方式時，當微電網運行模式切換和負載突變時，系統電壓和頻率可維持在額定值，實現無差調節。

(2) 在微電網離網時刻，光伏發電系統輸出功率小于系統負荷時，考慮ESS 的SOC 可通過切除負荷、改變PCS 控制方式等方法實現ESS 的過充過放保護和平滑離網。

(3) 在微電網離網時刻，光伏發電系統輸出功率大于系統負荷時，可通過調整光伏發電系統輸出功率、改變PCS 控制方式等方法實現ESS 的過充過放保護和平滑離網。