基于储能的微网并网/离网无缝切换技术

唐西胜 邓 卫 齐智平

（中国科学院电工研究所 北京 100190）

1 引言

微网作为分布式发电的高级结构形式，可以将多种分布式电源、负荷、储能有效地组织起来，既可以与外部大电网并网运行，也可以离网运行，其供电安全性和可靠性较高[1-4]。随着风电、太阳能光伏等可再生能源分布式发电的快速发展，包含风电和光伏的可再生能源微网具有良好的应用前景[5-8]。

与传统电网不同，微网的系统惯性小，风电与光伏受自然条件的影响，输出功率具有间歇性和随机性的特点，随着这类分布式电源接入比例的不断增加，给系统的运行稳定性及供电可靠性带来一定的负面影响[9]。微网在离网运行时，一般由输出功率稳定且容量较大的电源担负组网电源，建立并维持系统的电压与频率。微型燃气轮机、柴油发电机组、储能等均可作为组网电源。与前两者相比，储能在担任组网电源时，控制上更为灵活、便捷，在微网中配置一定容量的储能，通过灵活快速调整有功/无功功率的吞吐，可以在一定程度上抑制间歇式电源的波动性和难以预测性，实现微网离网或并网运行的稳定与可靠[10-12]。

微网与大电网之间的无缝切换，可以保证微网内重要负荷的供电可靠性，对大电网的安全稳定运行也具有重要的作用，已经作为微网的重要技术特征引起了广泛的重视。目前无缝切换大多集中于单台逆变器带本地负载，与大电网之间的无缝切换[13-14]。由美国电力可靠性委员会（CERTS）资助建设、美国电力公司运行的微网实验测试平台，分布式电源由3台热电联供微燃机承担，每台微燃机的直流母线上并联一定容量的蓄电池，通过调整逆变器输出电压的幅值与相位，并控制静态开关，实现与大电网的无缝切换[14]。对于含多种微源的微网与大电网间的无缝切换，目前还缺乏系统的研究与实验验证。

由于储能在控制上可以在电压控制模式和电流控制模式间灵活快速转换，相应地，完成微网组网电源和并网电源的角色转换，对于实现微网离网/并网两种模式的无缝过渡，确保微网中敏感负荷的供电可靠性具有重要作用。本文针对含间歇式电源和储能的典型微网结构，分析微网在离网运行模式、并网运行模式以及模式无缝切换过程中的运行特性，对储能在上述运行过程中的控制策略进行分析与设计，并通过仿真和实验进行验证。

2 系统结构

图1描述了本文研究的典型微网结构，其中微源由储能、光伏以及异步风力发电机（Asynchronous Wind Turbine，AWT）组成，负荷1为重要负荷，负荷2和负荷3为一般负荷。微网通过固态开关SST连接配电网。

光伏单元由光伏电池、三相并网逆变器，以及LC滤波电路组成。AWT由风机、传动装置、笼形异步发电机以及无功补偿电容器组成。

储能单元主要包括储能电池组和功率控制器（Voltage Source Converter, VSC），其主电路如图2所示（图中，L为滤波电感器，C为滤波电容器，Z为本地负载，Ls为并网电感，Udc为直流母线电压，Va，b，c为储能控制器输出三相电压，a,b,ci′ 为滤波电感三相电流，ila、ilb、ilc为负载三相电流，va、vb、vc为滤波电容三相电压，ia，b，c为并网电感三相电流，ea、eb、ec为储能接入点三相电压）。

图1 含间歇式电源和储能的典型微网结构Fig.1 Structure of micro-grid based on intermittent generation and energy storage

图2 储能控制器主电路结构图Fig.2 Power circuit of energy storage VSC

假定 ea=Esin（ωt），ia=Isin（ωt+θ），va=Usin（ωt+α），在已知ea，ia的情况下，根据基尔霍夫电压定律，结合储能主电路结构，可得

d-q坐标系下满足

式中，vd,q、ild,lq、 d,qi′、id,q、Vd,q、ed,q分别为 va、vb、vc、ila、ilb、ilc、ai′，ib、ic、ia、ib、ic、Va、Vb、Vc、ea、eb、ec的d-q轴分量。

Vd,q的状态空间平均表达式满足

式中，[DdDq]T为PWM占空比[DaDbDc]T的d-q轴分量。整理可得储能时域形式的状态空间平均模型，如图3所示。

图3 储能控制器状态空间平均模型结构Fig.3 Structure of state space averaging model of energy storage VSC

3 基于储能的微网运行模式控制

微网的运行方式包括离网模式、并网模式以及离网/并网模式之间的切换过程。由于采用了储能单元作为微网的组网电源，因而，储能控制的控制策略对于微网运行方式的控制非常重要。

3.1 离网模式

储能采用 V/f控制方法，建立并维持系统的电压与频率，储能的输出电压及相位取自系统的预设值，经滤波电容电压环、滤波电感电流环双环控制后产生储能控制器的PWM信号。

3.2 并网模式

在并网运行模式下，配电网提供微网的电压及频率支撑，储能控制器采用P/Q控制，以使储能单元处于适宜的荷电状态和良好的功率调节能力，或根据系统的需要向配电网吸收或输出一定的有功/无功功率，实现微网与配电网公共连接点PCC功率潮流的相对稳定。在离网运行模式的滤波电容电压环、滤波电感电流环的基础上，增加功率外环，由给定的Pc、Qc指令依次控制两个内环。

3.3 离网/并网模式无缝切换

微网离网运行时，当接收到并网调度指令，微网将切换至并网运行模式，快速准确的电网状态检测以及电压同步控制可以减少并网冲击，实现模式的平稳切换。

微网并网运行时，当计划检修或配电网出现故障时，微网将切换至离网运行模式，储能的快速控制可以缩短系统电压及频率的过渡时间，实现模式的灵活切换。

微网运行模式切换时，储能控制策略相应改变，其建立的 V/f与 PQ控制环节如图 4所示。当采用PQ控制时，储能控制器采用三环控制方式，利用功率控制环（并网电感电流）产生滤波电容电压环的d-q轴分量参考值 vdref、vqref，并引入电压前馈提高控制系统的抗扰动能力。当采用V/f控制时，vdref、vqref值由储能控制器直接给定。vdref、vqref经滤波电容电压环、滤波电感电流环产生储能控制器的PWM信号。

图4 储能控制器运行模式控制图Fig.4 Schematic diagram of control loops of energy storage VSC

在微网从并网运行切换至离网运行模式过程中，储能控制器及时从三环控制方式切换至双环工作方式。由于滤波电容电压环和滤波电感电流环在两种工作模式中保持不变，因而能够确保系统在模式转换过程中的平滑和快速。

4 仿真分析

本文搭建了如图1所示的微网仿真模型，其中，储能控制器容量为60 kVA/100 kW·h；光伏并网发电单元采用三相三线输出方式，容量为15 kW；风电单元为异步发电机发电，容量为16 kW，为补偿其消耗的无功功率，在风电单元的并网侧配置无功补偿装置，使其输出功率因数达到0.98以上；线路参数 R+jX=0.64+j0.1(Ω/km)；负荷 1、负荷 2、负荷 3分别为40 kW、10 kW、10 kW/5 kvar；系统频率为50 Hz，线电压为380 V。

4.1 算例Ⅰ

t=0时，储能单元起动，建立微网的电压与频率，给负荷 1（40kW）供电；t=0.15s时，投入普通负荷；t=0.3s时，光伏单元接入，输出功率为11.7kW；t=0.5s时，AWT接入，输出功率为 6.5kW；t=0.8s时，切除并网电感；t=1s时，AWT的无功补偿电容器投入；t=1.1s时，风速增大，AWT输出功率为15.8kW；t=1.4s时，光照强度减弱，光伏输出功率为4.67kW。仿真结果如图5所示。

图5 算例Ⅰ微网离网运行Fig.5 Case Ⅰ micro-grid islanded operation mode

图5表明，储能控制器能够快速启动，建立微网的电压与频率，并确保离网模式下负荷投入、光伏/AWT接入及功率波动等运行过程中微网的电压和系统频率在允许范围以内。由于储能控制器的快速响应能力，储能可以快速消除各种典型扰动下，确保微网的稳定运行。

4.2 算例Ⅱ

t=1.5s时，静态开关 CBgrid闭合，微网从离网模式切换至并网模式，储能控制相应由V/f控制切换至P/Q控制，设定储能并网后初始状态为吸收功率11.8kW/9.3kvar；t =1.55s时，储能输出功率11.8kW；t=1.6s时，储能输出功率9.3kvar。仿真结果如图6和图7所示。

微网并网后电压与频率将被配电网锁定，储能控制器调整并网前微网电压的幅值及相位，实现微网与配电网在电压幅值和相位上的同步。由图6可知，模式切换过程中，系统电压和频率保持平稳，能够满足系统稳定运行的要求。

并网后储能可以从配电网吸收功率，也可以在负荷扰动、光伏/AWT功率波动等情况下输出功率以维持PCC处功率潮流的稳定，使微网成为电网的一个可控单元。由图7可知，储能V/f控制切换至PQ控制过渡时间短，微网并网后储能的功率输出（Pout、Qout）能够快速准确地跟踪功率指令（Pref、Qref）的变化，实现了储能的四象限灵活运行。

图6 算例Ⅱ微网由离网切换至并网模式Fig.6 CaseⅡmicro-grid transferred to grid-connected mode

图7 算例Ⅱ微网并网运行时储能输出功率变化Fig.7 CaseⅡPower output of energy storage in micro-grid under grid-connected mode

综合算例Ⅱ的仿真结果可知，储能控制器可以实现微网从离网模式到并网模式的无缝切换；并网运行时，储能控制可以快速跟踪给定功率，维持特定条件下PCC功率潮流的稳定。

4.3 算例Ⅲ

t=1.725s时，配电网计划检修，微网切换至离网模式，储能控制从 PQ控制方式切换至 V/f控制方式。仿真结果如图8所示。

微网从并网模式切换至离网模式时，储能 PQ控制生成的vdref、vqref将分别过渡至V/f控制下的预设值，PCC电压出现短时波动，然后快速恢复至稳定状态。模式切换过程中，频率变化始终控制在允许的范围以内。

离网模式下配电网不再向微网输送功率，储能输出电流由并网运行时的给定值过渡至新的稳态值，该稳态值取决于微网的负荷大小以及发电单元功率输出等因素。

图8 算例Ⅲ 微网由并网切换至离网模式（t=1.725s）Fig.8 Case Ⅲ micro-grid transferred to islanded mode at t=1.725s

综合算例三的仿真结果可知，储能控制器可以实现微网从并网模式到离网模式的无缝切换，确保系统稳定运行以及重要负荷的供电质量。

5 实验研究

本文搭建了包括储能、光伏、风电和典型负荷的微网实验平台，采用铅酸蓄电池储能，储能控制器功率为30 kVA；光伏单元容量为15 kW；AWT容量为16 kW；负荷1、负荷2、负荷3分别为40 kW、10 kW、10 kW/5 kvar。微网的典型运行过程包括：

（1）储能作为微网的组网电源，采用V/f控制方式，建立微网的电压及频率，负荷投入。

（2）光伏单元接入运行，输出功率在5～8 kW之间随机波动。

（3）AWT接入运行，输出功率在5～9 kW之间随机波动。

（4）微网切换至并网模式，储能采用PQ控制，给定输出功率25 kW。

（5）并网运行一定时间后微网切换至离网模式，储能采用 V/f控制方式，重新成为微网的组网电源。

图9、图10所示为实验结果（每张图中共有8个通道，其中上面4个通道为主通道，下面4个通道记录主通道光标区域的放大波形）。

微网由离网模式向并网模式切换时，储能控制器由V/f控制方式切换至PQ控制方式。由图9可知，储能控制器响应较快，PCC处的电压实现了与配电网电压幅值及相位的准确同步，未出现大的冲击，成功实现了微网由离网向并网运行模式的切换。

图9 微网离网/并网无缝切换过程Fig.9 Micro-grid transferred to grid-connected mode

图10 微网并网/离网无缝切换过程Fig.10 Micro-grid transferred to islanded mode

微网由并网模式向离网模式切换时，储能控制器由PQ控制方式切换至V/f控制方式。由图10可知，PCC处电压经储能V/f控制能够快速调节至稳态，转换过程平滑。

6 结论

储能在可再生能源微网中具有重要的作用，可以作为组网电源，实现微网的组网和稳定控制，也是微网实现与外部大电网无缝切换的重要环节。本文针对典型可再生能源微网，深入分析了储能在微网离网运行、并网运行，以及两种模式无缝切换过程中的作用。提出了包含滤波电感电流环、滤波电容电压环和并网电感功率外环组成的三环控制策略，并给出了三环控制在微网运行模式切换过程中转换过程。

本文搭建了包括模拟风力发电、模拟光伏发电、蓄电池储能的微网仿真和实验平台。仿真和实验结果表明，储能控制器能够可靠实现微网的离网和并网运行控制，有效消减光伏、风电等可再生能源发电输出功率间歇性和随机性等不足，确保微网的稳定运行和供电可靠性。

[1]Katiraei F, Iravani M R, Lehn P W. Microgrid autonomous operation during and subsequent to islanding process[J]. IEEE Transaction on Power Delivery, 2005, 20(1): 248-257.

[2]Lasseter R H. Certs microgrid[C]. Proceedings of IEEE International Conference on System of Systems Engineering, 2007: 1-5.

[3]Yunwei L, Vilathgamuwa D M, Poh C L. Design,analysis and real-time testing of a controller for multibus microgrid system[J]. IEEE Transaction on Power Electronics, 2004, 19(5): 1195-1204.

[4]Caisheng W, Nehrir M H. Power management of a stand-alone wind/photovoltaic/fuel cell energy system[J]. IEEE Transaction on Energy Conversion,2008, 23(3): 957-967.

[5]Seulkik, Jinhong J, Changhee C, et al. Dynamic modeling and control of a grid-connected hybrid generation system with versatile power transfer[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2008, 55(4): 1677-1688.

[6]Yaowming C, Yuanchuan L, Shihchieh H, et al.Multi-input inverter for grid-connected hybrid PV/wind power system[J]. IEEE Transaction on Power Electronics, 2007, 22(3): 1070-1077.

[7]Salman S K, Teo A L J. Windmill modeling consideration and factors influencing the stability of a grid-connected wind power-based embedded generator[J].IEEE Transaction on Power Systems, 2003, 18(2)：793-802.

[8]Dongjing L, Li W. Small-signal stability analysis of an autonomous hybrid renewable energy power generation/energy storage system part I： time-domain simulations[J]. IEEE Transaction on Energy Conversion,2008, 23(1): 311-320.

[9]邓自刚, 王家素, 王素玉, 等. 高温超导飞轮储能技术发展现状[J]. 电工技术学报, 2008, 23(12):1-10.Deng Zigang, Wang Jiasu, Wang Suyu, et al. Status of high Tc superconducting flywheel energy storage system [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(12): 1-10.

[10]Barton J P, Infield D G. Energy storage and its use with intermittent renewable energy[J]. IEEE Transaction on Energy Conversion, 2004, 19(2): 441-448.

[11]Huang Shengli, Kong Li, Xu Haiping. Control algorithm research on seamless transfer for distributed resource with a LCL filter[C]. Proceedings of IEEE Deregulation and Restructuring and Power Technologies Conference,Nanjing, China, 2008: 2810-2814.

[12]Majumder R, Ghosh A, Ledwich G, et al. Control of parallel converters for load sharing with seamless transfer between grid connected and islanded modes[C]. Proceedings of IEEE Power and Energy Society General Meeting-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, Pittsburgh,2008 : 1-7.

[13]王赞, 肖岚, 姚志垒, 等. 并网独立双模式控制高性能逆变器设计与实现[J]. 中国电机工程学报,2007, 27(1): 54-59.Wang Zan, Xiao Lan, Yao Zhilei, et al. Design and implementation of a high performance utility-interactive inverter[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2007, 27(1): 54-59.

[14]裴玮, 李澍森, 李惠宇, 等. 微网运行控制的关键技术及其测试平台[J].电力系统自动化, 2010, 34(1):94-98, 111.Pei Wei, Li Shusen, Li Huiyu, et al. Key technology and testbed for microgrid operation control[J].Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(1):94-98, 111.