基于换流器归一化模型的微电网无缝切换控制策略

李光辉，何国庆，郝木凯，孙艳霞

(中国电力科学研究院，北京市100192)

0 引 言

微电网是由分布式电源、储能单元、负荷以及控制保护装置组成的集合，是一个能够自我控制、保护和管理的自治系统［1］。微电网通过联网和孤岛2 种运行模式，为负荷提供高可靠性和高质量的电能，因此得到越来越多的重视和研究［2-6］。无缝切换是微电网运行特性的重要指标之一［7-12］，国内外实现微电网联网与孤岛双模式切换的技术分以下3 种:(1)以柴油发电机或燃气轮机等常规电源作为组网单元，该模式对化石燃料资源的依赖程度大，容易造成环境污染，且孤岛运行时风电和光伏等间歇性新能源所占的比例不能太大;(2)以单相小功率储能单元作为组网单元，通过3个单相换流器协调配合实现微电网的双模式切换，该模式中3个换流器的联网/孤岛双模式切换过程中的同步配合成为系统切换的一个制约因素;(3)依靠运行模式控制器和储能组网单元实现，该模式中通信技术存在一定的时间延时，模式切换过程中往往需要微电网短时启停。

本文研究的微电网以储能单元作为系统的组网单元，采用主从控制模式实现微电网联网/孤岛之间切换控制。研究储能双模式换流器组网单元的P/Q与V/f 模式归一化控制模型，同时利用储能双模式换流器就地控制微电网与大电网的联络开关实现微电网的联网/孤岛双模式无缝切换。

1 微电网联网/孤岛切换控制原理

本文研究的微电网由光伏并网发电单元、风力并网发电单元、储能单元以及系统负荷组成，结构如图1 所示，该系统由联网运行和孤岛运行2 种模式，由储能单电源作为组网单元实现主从控制，在系统孤岛运行模式时建立系统的电压和频率参考值。

图1 微电网结构Fig.1 Microgrid structure

在大电网正常情况下，微电网与大电网联网运行，光伏发电单元、风力发电单元、储能单元均并网运行于P/Q 模式，能量管理系统控制目标为实现PCC点的功率、功率变化率以及功率因数满足规定的要求。当储能换流器检测到大电网故障或电能质量不满足要求时，储能换流器从P/Q 模式切换到V/f 模式，同时控制PCC 点开关断开，实现微电网由联网模式切换到孤岛模式运行。当储能换流器检测到大电网状态恢复正常后，微电网同期控制实现微电网与大电网同期调节［1］，在满足同期条件时，储能换流器由V/f 模式切换到P/Q 模式，同时控制PCC 点开关闭合，实现微电网由孤岛模式切换到联网模式，控制流程如图2 所示。

2 储能换流器P/Q 控制模型

微电网运行于联网模式时，微电网要求储能组网单元运行于P/Q 模式，即储能单元按照能量管理系统下达的有功功率P 和无功功率Q 给定值运行，而储能换流器输出电压幅值和频率由大电网决定，储能换流器P/Q 控制模型如图3 所示。

图2 联网/孤岛切换控制流程Fig.2 Switching control process between grid-connected and island mode

图3 P/Q 控制模型Fig.3 P/Q control model

储能换流器P/Q 控制模型框图如图4 所示，其中，功率变换环节G5(s)= k1，电流PI 调节环节G1(s)= (kps + ki)/s，逆变环节G2(s)= kpwm/(Ts+1)，滤波环节G3(s)= s/(Ls2+ C)，反馈环节G4(s)= k2，前馈环节Gn(s)= － (Ts+1)/kpwm。

图4 P/Q 控制模型框图Fig.4 Block diagram of P/Q control model

由图4 可知电流内环开环传递函数如式(1)所示:

根据各环节传递函数，可得式(2):

电流内环的闭环传递函数如式(3)所示:

整理得:

3 储能换流器V/f 控制模型

微电网运行于孤岛模式时，微电网要求储能组网单元运行于V/f 模式，即储能单元按照能量管理系统下达的电压幅值V 和电压频率f 给定值运行，而储能换流器输出有功功率和无功功率由孤岛系统负荷决定，储能换流器V/f 控制模型如图5 所示。

图5 V/f 控制模型Fig.5 V/f control model

储能换流器V/f 控制模型框图如图6 所示，其中，坐标变换环节G9(s)= k1;电压外环PI 调节环节G8(s)= (kups + kui)/s;电压反馈环节G7(s)= k2。

图6 V/f 控制模型框图Fig.6 Block diagram of V/f control model

由图6 可知V/f 控制模式开环传递函数如式(5)所示:

整理得:

V/f 控制模型闭环传递函数如式(7)所示:

整理得:

4 储能换流器归一化控制模型

由储能换流器V/f 控制模型与P/Q 控制模型对应的内环控制框图完全相同，均采用电流内环控制。而储能换流器V/f 控制模型与P/Q 控制模型外环分别采取了电压控制环和功率控制环，换流器模式切换通过外环切换实现。本文建立的储能双模式换流器归一化控制模型如图7 所示。由图7 可知，储能换流器双模式切换体现为电流内环给定值的切换来实现的，因此通过该控制结构实现逆变器在模式切换过程中系统的连续性，避免模式切换对逆变器造成的功率冲击。

根据不同的电网状态，采用不同的外环控制，而内环始终为共同的电流内环。通过电流内环结构，避免模式切换过程中调制信号的突变，实现双模式的平滑切换，储能双模式换流器归一化控制模型原理框图如图8 所示。

图7 归一化控制模型Fig.7 Normallzed control model

图8 储能归一化控制模型框图Fig.8 Block diagram of normallzed control model

图9为控制模型的波特图，图10 为控制模型的根轨迹分布图，由图9～10 可见控制模型具有较强的抗扰动型，满足微电网组网单元的特性要求。

图9 归一化控制波特图Fig.9 Bode diagram of normallzed control model

5 仿真分析与实验验证

5.1 仿真分析

图10 归一化控制零极点分布图Fig.10 Zero and pole distribution of normallzed control model

本文首先在RT_Lab 实时仿真平台上搭建了微电网仿真模型，该模型中各单元容量如表1 所示。系统电压基准 UB=380 V，容量基准值SB=50 kVA。在t=25 s 时，大电网故障，微电网由联网状态切换到孤岛状态，仿真结果如图11 所示。在t =28s 时，大电网恢复正常;28 ～30 s 微电网进行同期调节过程;在t=30 s 时，闭合PCC 点并网开关，完成微电网孤岛转联网切换，仿真结果如图12 所示。

表1 仿真模型各单元额定参数Tab.1 Each unit rated parameters of simulation model

由图11(a)可知，微电网由联网模式切换到并网模式过程中，交流母线电压经过短暂的暂态调节后恢复正常，而且切换过程中系统电压质量满足国标要求。由图11(b)可知，微电网由联网模式切换到孤岛模式后，储能换流器由P/Q 模式切换到V/f 模式，且通过归一化控制模型，储能换流器未产生大幅度电流冲击。由图11(c)可知，微电网由联网切换到孤岛模式后，PCC 点开关断开，电流为零。由图11(d)可知，光伏发电系统在微电网孤岛模式时谐波电流要低于微电网联网模式，说明微电网交流母线电压的背景谐波在微电网孤岛模式时较低。由图11(e)可知，微电网由联网模式切换到孤岛模式过程中，对光伏发电系统并网功率产生微弱的功率冲击，可控制在系统允许范围内。

图11 联网切换到孤岛仿真波形Fig.11 Simulation waveform of switching grid-connected mode to island mode

图12 孤岛切换到联网仿真波形Fig.12 Simulation waveform of switching island mode to grid-connected mode

由图12(a)可知，微电网由孤岛模式切换到并网模式过程中，需要经过微电网与大电网的同期调节过程实现，当两交流电压满足同期条件后，完成微电网联网运行。由图12(b)可知，微电网的同期过程中，PCC 点开关两侧的电压相角逐渐减小。由图12(c)可知，电网由孤岛模式切换到联网模式后，储能换流器由V/f 模式切换到P/Q 模式，且通过归一化控制模型，储能换流器未产生大幅度电流冲击。由图12(d)可知，微电网由孤岛切换到联网模式后，PCC 点开关闭合，微电网与大电网实现功率交换。由图12(e)可知，微电网由孤岛模式切换到联网模式后，光伏并网电流的谐波有所增大，进一步证明了微电网孤岛模式电压的电能质量较高。由图12(f)可知，微电网在同期并网过程中，光伏发电系统的并网功率一直运行在控制范围内，受冲击影响较小。

5.2 实验验证

为进一步验证储能双模式换流器归一化控制模型的有效性，在国家能源大型风电并网系统研发(实验)中心搭建了微电网实验平台［1］，开展微电网的联网/孤岛无缝切换实验，其波形如图13 所示。

图13 联网/孤岛双模式切换实验波形Fig.13 Experimental waveform of switching between grid-connected and island mode

由图13 可知，基于储能双模式换流器的归一化控制模型，微电网能够灵活实现联网/孤岛双模式间的无缝切换，与文中仿真结论相符，有效验证了本文提出控制策略的有效性和正确性。

6 结 论

本文基于储能双模式换流器归一化控制模型，提出了以储能为组网单元的微电网联网/孤岛双模式无缝切换控制策略，利用RT_Lab 实时仿真平台完成微电网建模仿真，仿真结果验证控制策略正确性，最后依托微电网实现平台，对控制策略开展实证性测试研究，实验结果验证了控制策略的有效性。

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