基于控制器状态跟随的微电网平滑切换控制方法

符 杨，黄丽莎，赵晶晶，吕 雪

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

随着化石燃料供应的日益紧张和用电需求的不断增大，基于可再生能源的分布式发电技术开始受到人们的广泛关注.分布式发电将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑，是未来电力系统的发展趋势之一.［1-3］为充分发挥分布式发电技术的优势，可将多个分布式电源(DG)、储能装置和可控负荷按照一定的拓扑结构组成微电网.并网运行模式是微电网与主电网连接运行的状态，孤岛运行模式是微电网与主电网断开孤立运行的状态，两种模式都是微电网的正常运行状态.采用合理的微电网控制策略是保证微电网稳态运行的关键.［4］而微电网并网运行模式与孤岛运行模式的平滑切换是微电网控制策略研究的重点和难点.因此，实现微电网的平滑切换对提高微电网的稳定性及其供电可靠性具有重要意义.

目前，国内外许多专家学者针对微电网的平滑切换控制策略进行了研究.文献［5］设计了一种由超级电容器和蓄电池组成的复合储能装置，当微电网孤岛运行时，以该复合储能装置为主电源，通过合理的充放电控制实现微电网运行模式的平滑切换.文献［6］通过切换双向逆变器的控制策略，将储能装置控制方式由PQ控制切换为V/f控制，以达到稳定孤岛状态下微电网电压和频率的目的，实现并网模式和孤岛模式的平滑切换.这是目前普遍采用的微电网平滑切换策略，但这种方法忽略了两种切换的不同步性，容易造成切换过程中出现并网电流冲击大、负载电压波动等问题.为抑制电压电流的冲击，文献［7］提出了一种电压电流加权控制策略，在不增加系统复杂度的情况下，确保切换过程中暂态变量的可控性，使切换过程更加平滑，但文中未考虑并网转孤岛时功率缺额的情况.

微电网运行模式切换的过程中，尤其是切换瞬间，由于控制器切换与运行模式切换的不同步，加之可能存在微电源容量与微电网内负荷不匹配的情况，容易引起切换瞬间电压和电流的大幅波动，会对微电网的稳定运行造成不利影响，可能导致频率失稳、电压崩溃等严重后果.为减小切换过程电压和频率的暂态波动，本文采用基于控制器状态跟随的平滑切换控制方法，将其应用到微电网并网转孤岛运行的过程中，并在DIgSILENT PowerFactory软件平台搭建微电网模型，通过仿真验证了该方法的有效性.

1 微电网并网与孤岛运行控制策略

1.1 微电网综合控制策略

本文采用的微电网结构如图1所示.光伏单元和蓄电池单元两个分布式电源分别通过各自的逆变器和变压器接入10kV配电网，并为微电网内的负载供电.其中负荷C和负荷D分别接在0.4kV低压侧，由光伏和蓄电池直接供电.

在并网运行时，微电网的光伏逆变器和蓄电池逆变器均采用PQ控制，DG运行在额定功率输出状态.此时，微电网的电压和频率由公共配电网支撑.当进入孤岛运行状态时，微电网与配电网断开，蓄电池逆变器的控制方式由PQ控制切换为V/f控制，光伏逆变器的控制方式不变.此时，微电网内的负载仅由DG供电，蓄电池作为主电源为微电网提供电压和频率支持.

图1 微电网结构示意

1.2 分布式电源控制方式

本文所采用的PQ和V/f控制，其框图分别如图2和图3所示.PQ控制采用双环的控制方式.其中外环为功率环，保证逆变器的输出跟踪基准功率;内环则采用电流PI控制，最终输出控制逆变器脉宽调制信号.PLL锁相环的作用则是保证逆变器的输出与电网保持同步.V/f控制采用功率、电压外环和电流内环的多闭环反馈控制结构，功率外环得到d轴电流参考值idref，电压外环得到q轴电流参考值iqref，且功率外环中的有功功率基准值要随着频率的变化而变化.［8］

图2 PQ控制示意

图3 V/f控制示意

2 基于控制器状态跟随的平滑切换控制方法

当微电网由并网模式转为孤岛模式运行，蓄电池逆变器控制方式的切换如图4所示.

图4 蓄电池逆变器控制方式的切换

并网运行时，K1闭合，K2断开，蓄电池逆变器采用PQ控制方式.当检测到微电网与配电网断开时，K1断开，K2闭合，运行方式切换为V/f控制，产生不同的电流参考值idref和iqref，通过电流内环控制环节，进而改变逆变器的控制方式.但这种普通的控制器切换方式在切换时刻会产生较大的暂态波动，究其原因是由切换过程中两种控制器的输出状态不匹配造成的.并网运行时，PQ控制器输出控制信号，输入电流内环控制器，此时V/f控制器的输出信号为零.切换至孤岛模式时，PQ控制器退出，V/f控制器的输出信号瞬间被切入，电流内环控制器的输入信号瞬间由某一数值跳变为零.因此，微电网的电压和频率在切换时刻会产生较大的暂态波动.

为避免两个控制器切换过程中输出状态的跳变，本文采用基于控制器状态跟随的平滑切换控制方法，［9］其原理如图5所示.

并网运行时，K1和K4闭合，K2和K3打开，蓄电池逆变器釆用PQ控制，将V/f控制器状态与PQ控制器的输出设计为一个负反馈作为V/f控制器的输入，经PI控制器无差调节使V/f控制器跟随PQ控制器的输出状态，以保证两个控制器的输出状态时刻一致.运行模式切换时，K1和K4打开，K2和K3闭合，PQ控制器退出运行，蓄电池储能采用V/f控制，避免了控制器切换瞬间电流内环控制器输入信号的跳变，实现了运行模式的平滑切换.

图5 基于控制器状态跟随的平滑切换控制方法

3 仿真分析

3.1 仿真参数设置

根据图1所示的微电网结构，本文利用DIgSILENT PowerFactory软件搭建微电网仿真平台，仿真主要参数设置如下:光伏单元参考功率Pref=2 MW，Qref=0.5 MW;蓄电池参考功率Pref=2 MW，Qref=0.5 MW.

假设蓄电池最大输出功率满足微电网孤岛运行时电源和负荷功率平衡的要求.恒功率负荷PA=1.5 MW，QA=0.2 MW，PB=1 MW，QB=0.1 MW，PC=1 MW，QC=0.1 MW，PD=1 MW，QD=0.1 MW.忽略变压器和线路损耗.采用基于控制器状态跟随的方法改进V/f控制器结构，比较分析改进前后的控制方法对微电网运行模式切换的影响.

3.2 微电网稳态过程

在仿真时间为1 s时将微电网与配电网断开，由并网模式转孤岛模式运行.仿真时间为3 s.运行模式切换前后微电网内的潮流分布情况如表1所示.由表1可以看出，在并网模式下运行时，微电网的DG和配电网同时为负荷供电，其中DG按额定功率发电.仅靠DG输出的有功功率无法满足负荷需求，故负荷缺额部分由配电网承担，配电网向微电网输送0.5 MW 有功功率.DG多发的0.5 MW无功功率通过联络线输送至配电网.此时配电网起到保持微电网内功率平衡、维持微电网内电压和频率稳定的作用.切换至孤岛运行模式后，微电网与配电网断开，配电网与微电网之间不再发生功率交换.蓄电池逆变器的控制方式由PQ控制改为V/f控制，以维持微电网电压和频率稳定为目标调整有功及无功出力.蓄电池发出的有功功率由2 MW 增加至2.5 MW，无功功率由0.5 MW减少至零.微电网内部依然保持功率平衡.

表1 微电网运行模式切换前后潮流分布情况 MW

改进后的微电网运行模式切换前后微电网内的潮流分布情况与改进前的结果相同，表明基于控制器状态跟随的平滑切换控制方法对微电网的稳态过程无影响.

3.2 微电网暂态过程

改进前后光伏和蓄电池的输出功率变化曲线如图6和图7所示.为更清楚地对比频率曲线的变化情况，将图6和图7中的横坐标范围缩短，放大曲线便于观察.

图6 改进前后光伏输出功率变化曲线

图7 改进前后蓄电池输出功率变化曲线

由图6和图7可以看出，控制方法改进前，光伏和蓄电池的输出功率变化范围较大，尤其是切换瞬间波动幅度非常大.采用基于控制器状态跟随的平滑切换控制方法后，各DG的输出功率变化明显减小，但进入孤岛稳态后的功率大小不变.由此表明改进的控制方法减小了切换过程功率变化过大对设备的影响，同时也减小了功率波动对微电网的冲击.由于DG功率波动与微电网电压、频率的波动存在着紧密的关系，因此控制方法的改进提高了微电网电压和频率的稳定性.

改进前后微电网电压和频率的变化曲线如图8所示.

图8 改进前后微网电压和频率变化曲线

由图8可以看出，控制方法改进前，微电网的电压和频率均出现了较大幅度的波动，电压最大波动范围超过15%，频率波动范围达到4%.经过短暂的波动后，蓄电池逆变器通过V/f控制，调节有功和无功出力，以保持微电网内的功率平衡.进入孤岛稳态运行后，微电网电压和频率均恢复到正常值.因此，尽管存在一定的功率缺额，但微电网仍具备稳定电压和频率的能力.然而切换瞬间电压和频率的波动幅度较大，容易对微电网内的设备安全造成威胁，影响微电网的稳定运行.改进控制方法后，采用基于控制器状态跟随的平滑切换控制方法可以有效抑制切换过程中电压和频率的波动，电压和频率的最低点均有所抬升.电压波动的最大幅度由15%减小至约2%，频率波动的最大幅度由4%减小至1%以内，大大减小了暂态过程对微电网的冲击.另外，改进后频率波动的持续时间较改进前有所减少，表明微电网的暂态稳定性得到了提高.

4 结论

(1)蓄电池采用V/f控制能够维持孤岛运行状态下微电网电压和频率的稳定，但传统的控制器切换方式对切换过程的暂态稳定性影响较大;

(2)基于控制器状态跟随的微电网平滑切换控制方法对切换瞬间各DG的有功功率、无功功率波动具有平抑作用，可以平滑DG的输出功率进而提高微电网电压和频率的稳定性;

(3)该方法有效减小了微电网运行模式切换瞬间电压和频率的波动幅度，并缩短了频率波动的持续时间，减小对微电网的冲击，提高了微电网的暂态稳定性;

(4)基于控制器状态跟随的微电网平滑切换控制方法仅对微电网运行模式切换的暂态过程有影响，对稳态过程无影响.

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