基于主从控制微网的平滑切换控制方法研究

吴玫蓉，陶　顺，肖湘宁

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京　102206)

Study on Control Method of Smooth Switchover for Microgrid Based on Master-slave ControlWU Meirong, TAO Shun, XIAO Xiangning

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources

(North China Electrical Power University),Beijing 102206, China)



基于主从控制微网的平滑切换控制方法研究

吴玫蓉，陶顺，肖湘宁

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京102206)

Study on Control Method of Smooth Switchover for Microgrid Based on Master-slave ControlWU Meirong, TAO Shun, XIAO Xiangning

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources

(North China Electrical Power University),Beijing 102206, China)

0引言

为了解决高渗透率的分布式电源接入配电网所带来的新问题，微网作为一种能够有效地整合多种类型分布式电源的方法得到了广泛的应用与研究[1]。微网具有并网和孤岛两种典型运行方式：在并网运行时，微网相当于配电网的可调度负荷；当配电网出现故障或计划孤岛时，微网与配电网断开并过渡到孤岛运行，此时微网作为可定制电源保证系统内的供电可靠性[2]。但由于从并网切换到孤岛运行过程中的暂态振荡会影响系统内负荷的供电，甚至造成切换失败。因此如何实现微网从并网到孤岛运行的平滑切换，是微网控制所研究的关键问题之一。

主从控制是目前微网示范工程中普遍采用的协调控制策略，故本文以采用主从控制的微网为基础研究平滑切换的控制方法。采用主从控制策略的微网，当并网运行时，主控单元和从控单元均采用恒功率(PQ)控制；当微网与大电网断开并过渡到孤岛运行时，主控单元切换为恒压恒频(v/f)控制，为系统提供电压和频率的支撑，其余从控单元仍采用PQ控制[3]。由于电池储能系统(Battery energy storage system, BESS) 具有快速功率吞吐和四象限运行能力的优点[4]，因此为了减短平滑切换中的暂态振荡时间，一般选取它作为主控单元。针对主从控制微网的平滑切换控制所存在的问题，文献[5]总结了引起微网从并网切换到孤岛运行过程中暂态振荡的影响因素以及提出相应的平滑切换控制策略，但忽略了软件锁相环和可再生微源的间歇性在切换过程中造成的暂态波动以及相应的抑制方法；文献[6]中提出的平滑切换控制策略包括电压、电流以及d轴定位角的补偿，但以v/f控制器的电压外环在并网运行时输出为零作为前提对后文进行分析是不合理的，虽然此时v/f控制不作用于主控单元，但其电压外环在并网运行时仍然有输出；文献[7]采用电压电流加权控制算法，抑制微网运行模式切换过程中的电压电流冲击以实现无缝切换;文献[8]采用基于状态跟随的外环控制器切换方法和软件锁相环切换控制策略以实现平滑切换，但文献[6-8]均忽略了当主控单元的容量不能满足微网内功率变化的时候，若仅仅使用文献中提出的切换控制策略已经无法完成从并网运行到孤岛运行的平滑过渡。

本文以采用主从控制的微网作为研究对象，在设计主控BESS控制器结构的基础上，分析了微网从并网切换到孤岛运行过程中由PQ控制和v/f控制的外环状态不匹配以及d轴定位角度跳变这两个引起振荡的影响因素，并且提出了主控单元的平滑切换控制策略。此外，采用分区域控制策略能够减弱由于负荷和从控单元之间的功率差额超过主控单元容量所引起的振荡。所提出的平滑切换控制方法不仅实现了并网运行切换到孤岛运行的平滑过渡，而且能够减弱由于主控单元容量不足所引起的暂态振荡。最后通过在PSCAD/EMTDC环境下的仿真算例验证了所提出的平滑切换控制方法的正确性和可行性。

1主控电池储能单元的控制器设计

1.1主控电池储能单元的结构

图1　主控电池储能单元的结构图

主控BESS的结构如图1所示，它包括电池系统、储能变流器(Power conversion system, PCS)、LC滤波器以及相关的控制系统，其中储能PCS的控制系统包括外环控制器和内环控制器。外环控制器是根据微网的不同运行方式以实现不同的控制目标，得到电流控制器的参考值。内环控制器以瞬时电感电流反馈控制作为内环，不仅使滤波电感电流成为可控的电流源，而且对环内的扰动有一定的抑制作用[9]。

1.2外环控制器的设计

当微网并网运行时，采用PQ控制的主控BESS输出给定的功率，不受微网内部功率变化的影响。根据瞬时功率理论，主控BESS的输出功率如式(1)所示[10]。

(1)

式中：ud和uq为图1中LC滤波器输出三相电压经过dq变换的值；id和iq分别为逆变器输出三相电流经过dq变换的值。由于基于电网电压定向时满足uq=0，故可利用给定的有功功率和无功功率参考值(Pref和Qref)通过式(2)计算出电流控制器的有功电流参考值(idref_PQ)和无功电流参考值(iqref_PQ)。

(2)

图2　外环控制器的控制结构框图

当微网孤岛运行时，采用v/f控制的储能PCS可以等效为电压源，其输出功率随着微网内能量供需平衡的需求而变化，以为系统提供电压和频率的支撑。v/f控制由电压外环和电流内环组成，电压外环用以给定电流控制器的有功电流参考值(idref_v/f)和无功电流参考值(iqref_v/f)，采用PI控制器的电压外环的表达式如式(3)所示。

(3)

式中:udref和uqref为电压外环的d轴和q轴参考值，一般取udref为系统电压幅值，uqref为0；kpv和kiv为PI控制器的比例系数和积分系数。综合式(2)和(3)，外环控制器的控制结构框图如图2所示，根据微网的不同运行方式由微网中央控制器(microgrid management controller, MGCC)[11]切换外环控制器以实现不同的运行控制目标，idref和iqref分别为外环控制器输出的有功电流参考值和无功电流参考值。

1.3内环控制器的设计

内环控制器的控制结构框图如图3所示，它以电感电流瞬时反馈控制作为内环，不仅通过引入电流状态反馈(-ωLid和ωLiq)实现了d轴和q轴控制系统的独立控制，而且通过引入电网电压前馈补偿以抑制电网电压对控制系统的干扰，以此提高控制系统的稳定性和抗扰性。

图3　内环控制器的结构

2主控单元的平滑切换控制策略

2.1外环控制器的切换控制策略

在检测到大电网发生故障或计划孤岛时，微网通过公共连接点(Point of common coupling, PCC)与大电网断开，同时主控单元的外环控制器从PQ控制切换到v/f控制，为孤岛运行时的系统提供电压和频率的支撑。在切换过程中由于v/f控制的电压外环和PQ控制外环的状态不匹配，并且电压外环PI控制器的积分环节会使得外环控制器的输出值突然变化，因此引起了暂态振荡。

针对上述问题，在并网切换到孤岛运行的过程中宜采用式(4)确定内环控制器的有功电流和无功电流参考值，即设切换瞬间采用PQ控制的主控单元所确定的内环控制器的有功电流参考值和无功电流参考值分别为idref_connected和iqref_connected，将其分别赋予v/f控制电压外环的输出idref_v/f和iqref_v/f，以此保证外环控制器在切换过程中PQ控制和v/f控制外环的输出状态相同。在切换到孤岛稳定运行时，idref_v/f和iqref_v/f的值会通过v/f控制的电压外环逐渐调整。

(4)

2.2软件锁相环的切换控制策略

综上可知，主控BESS采用dq坐标系下的控制策略，因此需要确定d轴的定位角度。如图4所示，当微网并网运行时本文采用文献[12]中的并网锁相环，用以实时跟踪电网电压的相角作为d轴的定位角度，其中f为大电网的频率，θg为大电网的电压相角。

图4　并网锁相环结构

当微网孤岛运行时采用具有恒定角频率(ω0)的振荡器为d轴定位，其中ω0=2πfref，fref=50Hz，并且在孤岛运行之前其输出θ0为0。因此微网从并网切换到孤岛运行时振荡器的输出θ0需从初始值(0)跳变到θg，从而会引起切换瞬间的振荡。

为了消除d轴定位角度的跳变所引起的振荡，本文提出将切换瞬间的并网锁相环输出θg通过采样保持器赋予孤岛运行时微网所采用的振荡器的方法，如图5所示。其中θinv为微网系统dq变换所采用的d轴定位角度。

图5　软件锁相环的切换控制策略

3分区域控制策略

当微网孤岛运行时，由主控BESS向系统注入或吸收功率，用于平抑负荷功率与从控单元的输出功率之间的功率差额，以维持系统的能量平衡。但由于主控BESS容量的限制，它不能一直满足负荷功率与从控单元的输出功率之间的功率差额增长。若二者之间的功率差额与主控单元的容量相差较大，仅仅采用前文所述的主控单元平滑切换控制策略仍不能保证平滑切换，甚至会造成切换失败。

针对上述问题，首先应计算出微网孤岛运行时，负荷功率与从控单元输出功率之间的差额。影响从控单元的输出功率因素根据从控单元的种类不同而不同，例如：当可再生微源作为从控单元时，从控单元的输出功率受外界因素(如光照、风速等)、自身容量以及微网调度要求的限制；当可控微源或储能装置作为从控单元时，其仅受自身容量和微网调度要求的限制，即从控单元在自身容量范围内根据MGCC的调度指令输出给定的功率。此外负荷功率的变化亦具有随机性，故在并网运行时，MGCC应通过合适的方法预测在孤岛运行期间的从控单元输出功率以及负荷功率，并且通过式(5)计算出负荷功率与从控单元的输出功率之间的有功功率和无功功率差额(Pe和Qe)，如式(5)所示：

(5)

式中：∑PL、∑QL为通过预测所得的有功功率负荷和无功功率负荷总量；∑PDGs、∑QDGs为通过预测所得的所有从控单元输出的有功功率和无功功率之和。

然后根据孤岛运行稳定后系统电压和频率的范围，将微网中负荷与从控单元之间功率差额水平分为3个区域：A、B、C。如图6所示。区域A：切换后系统电压和频率稳定在额定电压和额定频率(U=1(标幺值)，f=50Hz)，其边界负荷和从控单元之间的有功功率差额(PA)和无功功率差额(QA)小于或等于主控单元的额定容量；区域B：切换后系统电压偏差和频率偏差均在允许范围内(0.9

区域A：采用主控单元的平滑切换控制策略，使微网从并网切换到孤岛运行时平滑地过渡。

区域B：采用主控单元的平滑切换控制策略切换到孤岛运行后，切换部分普通负荷或减小部分从控单元的输出功率使得其进入区域A，以为主控单元留有足够的备用容量，避免孤岛运行时负荷变化或可再生微源输出功率变化所带来的扰动。

区域C：采用主控单元的平滑切换控制策略切换到孤岛运行后，由于负荷与从控单元之间的功率差额超过主控单元的过载能力，若直接从区域C进入到区域A会给系统造成冲击，因此首先切除部分普通负荷或减小部分从控单元的输出功率使得其从区域C进入到区域B，待稳定后再切除部分普通负荷或减小另外一部分从控单元的输出功率使得其从区域B进入到区域A。

当二者之间的功率差额处于C区域时，采用上述分区域切换控制策略的前提条件是允许主控单元在二者之间功率差额超过主控单元的过载能力时运行一段时间(至少超过所需要切掉负荷的时间或者采用PQ控制的从控单元实行减小输出功率指令的时间)[13]。

图6　微网负荷水平分区域示意图

4仿真验证

为了验证上述平滑控制切换策略的正确性，在PSCAD/EMTDC中搭建微网平台如图7所示，DG1为光伏微源作为从控单元，BESS为电池储能系统作为主控单元，负荷均为等效负荷，其中load1=0.6MW+j0.2Mvar为重要负荷，load2=0.4MW +j0.15Mvar为可分组投切的普通负荷。DG1和BESS通过PCC点和主变压器连接到10.5kV的配电网，线路1和2为380V线路，R=0.641Ω/km，X=0.101Ω/km；线路3为10.5kV线路，R=0.347Ω/km，X=0.234 5Ω/km，系统参数如表1所示。

图7　微网结构图

在上述微网平台的基础上，设置仿真时间为2s，并网运行时设置的DG1和BESS均采用PQ控制；t=0.6s时微网从并网切换到孤岛运行,主控BESS切换为v/f控制，从控DG1仍采用PQ控制。

表1　系统参数

4.1主控单元的平滑切换控制策略验证

在上述仿真条件下，为了验证主控单元的平滑切换控制策略(包括外环控制器和软件锁相环切换控制策略)的有效性，微网仅带有load1运行，设置并网运行时，DG1和BESS的有功功率参考值和无功功率参考值分别为：0.25MW,0Mvar；0MW,0Mvar。在t=0.6s从并网切换到孤岛运行的过程中分别进行以下3种情况的仿真：

Case(a)：未采用主控单元的平滑切换控制策略；

Case(b)：仅采用软件锁相环切换控制策略；

Case(c)：采用主控单元的平滑切换控制策略，即同时采用外环控制器和软件锁相环切换控制策略。

综合图8～图11可知，Case(a)中微网从并网切换到孤岛运行的过程中，不采用主控单元的平滑切换控制策略会导致系统电压畸变严重，频率偏差远大于所允许的范围，为系统带来较大的暂态冲击，在此切换过程中BESS的输出功率会产生较大的波动，DG1的输出功率亦产生较小的波动。与Case(a)相比，采用Case(b)和Case(c)中的切换控制策略均可以保证在切换过程中系统的电压偏差和频率偏差在允许的范围内。在Case(c)中采用主控单元的平滑切换控制策略，比仅采用软件锁相环切换控制策略的Case(b)在切换过程中的电压波动更小，而且在0.6～0.63s之间的频率波动更小，有效地减弱了切换过程中的暂态冲击。此外与case(b)相比，Case(c)中的主控单元和DG1的输出功率波动更小，几乎可以忽略。据此证明了主控单元的平滑切换控制策略的有效性。

图8　微网系统的三相电压

图9　微网系统的频率

图10　微源输出的有功功率

图11　微源输出的无功功率

4.2分区域控制策略的验证

根据第3小节中的分析，结合仿真算例中的系统参数所确定的3区域界限如表2所示，其中Pzn和Qzn分别为主控BESS的额定容量，U和f分别为孤岛稳定后的系统电压和频率。

为了验证分区域控制策略的有效性，在上述仿真条件下微网带有load1和load2运行，在并网运行时设置DG1和BESS的有功功率参考值和无功功率参考值分别为：0.3MW，0Mvar；0MW，0Mvar。

表2　负荷与从控单元功率差额的分区域表

由于篇幅有限，本文仅对负荷与从控单元之间的功率差额位于区域C时对分区域切换控制策略进行验证，分为以下两种情况进行仿真:

Case(d):t=0.8s时，切除load2，使得其从区域C直接到区域A。

Case(e):t=0.8s时，切除0.16MW+j0.06Mvar的负荷，使得其从区域C进入到区域B；t=1s，切除0.24MW+j0.09Mvar的负荷,使得其从区域B进入到区域A。

如图12和13所示，Case(d)在t=0.8s时一次性切除负荷会导致孤岛运行时系统的电压和频率暂态冲击很大，超过孤岛运行时系统允许的电压偏差和频率偏差范围。而在Case(e)中分两次切除load2，在t=0.8s切除40%的load2，在t=1.1s时切除60%的load2，相比于Case(d)，明显减小了切负荷时带给系统的电压和频率的暂态冲击，证明了分区域控制策略的有效性。

图12　两种情况下的微网的频率

图13　两种情况下的微网的电压

5结束语

本文以采用主从控制的微网为研究对象，针对并网切换到孤岛运行时的暂态问题，在设计主控BESS控制器结构的基础上，提出了一种包括主控单元的平滑切换控制策略以及分区域切换控制策略的新平滑切换控制方法。仿真结果表明，该控制方法不仅能够保证微网从并网到孤岛运行的无缝切换，而且解决了由于主控单元容量不足所带来的暂态冲击,为微网的平滑切换控制策略研究提供了新思路。

参考文献

[1]鲁宗相，王彩霞，闵勇等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31(19)：100-107.

[2]Dimeas A L,Hatziagyriou N D, Lasseter R L. Microgrids[C].IEEE power engineering society winter meeting,2002, Clomus American.

[3]王成山，杨占刚，王守相等.微网实验系统结构特征及控制模式分析[J].电力系统自动化，2010，34(1)：99-105.

[4]姚勇，朱桂萍，刘秀成.电池储能系统在改善微电网电能质量中的应用[J].电工技术学报，2012,27(1):85-89.

[5]郑竞宏，王燕廷，李兴旺等.微电网平滑切换控制及策略[J].电力系统自动化，2011，35(18):17-24.

[6]Wang Chengshan，Li Xialin,Guo Li, et al. A seamless operation mode transition control strategy for a microgrid based on master-slave control [C].Proceedings of the 31st Chinese control conference,2012，Hefei，China.

[7]王晓寰，张纯江.分布式发电系统无缝切换控制策略[J].电工技术学报，2012，27(2)：217-222.

[8]Chen Xin,Wang Yanhong, Wang Yunchen. A novel seamless transferring control method for microgrid based on master-slave configuration [C].IEEE Asia Downunder,2013,Melbourne, Australia.

[9]牟晓春，毕大强，任先文.低压微网综合控制策略设计[J].电力系统自动化，2010，34(19)：91-96.

[10]杨文杰.光伏发电并网与微网运行控制仿真研究 [D].成都：西南交通大学，2010.

[11]Jong Yul kim，Jin Hong Jeon,Seul ki Kim,et al. Cooperative control strategy of energy storage system and microsources for stabilizing the microgrid during islanded operation[J]. IEEE Transaction on Power Electronics,2010,25(12):3037-3048.

[12]Chen Xin,Wang Yanhong, Wang Yunchen. A novel seamless transferring control method for microgrid based on master-slave configuration real-time microgrid power management and control with distributed agents[J].IEEE Transaction on Smart Grid,2013,4(1):617-627.

[13]Pecas Lopes J A,Moreira C. Defining control strategies for microgrids islanded operation[J].IEEE Transactions on Power System,2006,2(2):916-924.

吴玫蓉(1990—)，女，硕士研究生，研究方向为微网的协调控制，E-mail:wumeirong19900503@163.com；

陶顺(1972—)，女，副教授，研究方向为智能配电网和电能质量等, E-mail: taoshun@ncepu.edu.cn；

肖湘宁(1953—)，男，教授，博士生导师，研究方向为电力系统电能质量、现代电力电子技术与应用等，E-mail: xxn@ncepu.edu.cn。

(责任编辑：林海文)

摘要：针对微网从并网运行切换到孤岛运行时的暂态振荡问题，提出一种基于主从控制微网的新平滑切换控制方法。首先设计主控电池储能单元的外环控制器和电流控制器；然后基于引起切换过程中暂态振荡的影响因素，提出了主控单元的平滑切换控制策略；最后采用分区域控制策略以减弱由于负荷和从控单元之间的功率差超过主控单元的容量所引起的振荡。仿真分析表明所提出的平滑切换控制方法不仅能使得微网从并网切换到孤岛运行时平滑地过渡，而且能够避免由于主控单元容量不足而引起的暂态冲击。

关键词：微网；主从控制；平滑切换控制方法

Abstract：As to the problem of transient oscillation of microgrid during process switching from grid-connected operation to islanded operation, a novel control method of smooth switchover for microgrid based on master-slave control is proposed in this paper. The outer-loop controller and current controller of battery energy storage system are designed as a master unit firstly. Secondly, control strategy of smooth switchover for master unit is put forward based on factors influencing transient oscillation during switchover process. In the end, control strategy of region partition is applied to reduce oscillation caused by the power difference of master unit between slave unit(s) and load margin. Simulation results show that proposed control method of smooth switchover can not only transition from grid-connected operation to islanded operation smoothly, but also avoid transient impact due to the capacity deficiency of master unit.

Keywords：microgird; master-slave control; control method of smooth switchover

作者简介：

收稿日期：2014-05-15

基金项目：国家自然科学基金(51207051)

文章编号：1007-2322(2015)01-0001-07

文献标志码：A

中图分类号：TM619