基于主从结构的微电网系统平滑切换控制策略

李壮，许欣，齐永志，于爽

(1. 东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2. 黑龙江省第一水文地质工程地质勘测院，黑龙江 齐齐哈尔 161000；3. 吉林省电力公司磐石供电分公司，吉林 吉林 132300)



基于主从结构的微电网系统平滑切换控制策略

李壮1，许欣1，齐永志2，于爽3

(1. 东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2. 黑龙江省第一水文地质工程地质勘测院，黑龙江 齐齐哈尔 161000；3. 吉林省电力公司磐石供电分公司，吉林 吉林 132300)

摘要：针对微电网系统模式切换不够快速、平滑等问题，若采用适当的控制措施便可实现并网模式和孤岛模式，以及两种模式的平滑切换。为此，建立主从结构的风光储微电网系统，分析主控逆变器结构及控制方法，总结出综合控制策略；再根据微电网切换过程中存在的问题改进了控制策略，并在MATLAB/Simulink上建立微电网动态模型，对原始综合控制策略和改进后的控制策略分别进行仿真分析。通过仿真结果对比可知，改进后的控制策略有效抑制了微电网母线电压的暂态震荡，保证了系统切换过程中电压幅值、相位和电流的平滑性。仿真结果验证了设计的控制策略的有效性和可行性。

关键词：微电网技术；分布式发电；并网模式；孤岛模式；平滑切换

随着电力需求的不断增长，环境污染和能源危机的极大威胁，还有大电网陆续暴露出的一些弊端，世界各国纷纷开始关注分布式发电(distributed generation，DG)这一清洁、环保、简便、高效的新型供电方式[1-2]。而微电网[3-4]提供了一种充分利用分布式发电的机制，是未来电网实现高效环保和优质供电的重要途径[5]。微电网将额定功率为几十千瓦的微电源DG(包括风力发电机，光伏电池，燃料电池等可再生能源)、负荷、储能装置及控制装置等相结合，形成单一、可控的单元，可以单独向用户输送电能和热能。

微电网系统主要有两种控制策略：对等控制[6]和主从控制[7-9]。对等控制又称下垂控制，是指各微源地位相等，不同微源之间没有直接联系，各自参与功率分配。由于对等控制无法控制频率、电压的稳定性，易造成系统不稳定，因此，当前的小型微电网大多采用主从控制。主从控制是指将一容量较大的微源作为主控DG(如储能变流器、柴油发电机、蓄电池等)，并网运行时与其他DG共同参与功率分配，孤岛运行时，作为频率和电压参考基准，确保微电网继续稳定运行。

微电网系统具有并网和孤岛两种运行模式。正常情况下，微电网与大电网并网运行，当检测到大电网故障或微电网电能质量不满足要求时，微电网断开与大电网的连接，进入孤岛运行模式，持续为负荷供电。实现微电网系统并网与孤岛运行模式平滑、可靠的切换不仅是微电网系统研究的重要内容，也是重要负荷的可持续供电的重要保障[4-5]。文献[10]基于储能技术实现了微电网两种模式硬过渡，切换过程不平滑，算法有待改进。文献[11]采用主从与对等相结合的综合控制策略，实现了由并网向孤岛模式的平滑切换，但没有研究由孤岛模式再并网的过程。文献[12]提出了一种改进型电压环调节器，实现了非计划性孤岛情况下的微电网无缝切换。文献[13]要求电网发生故障后5 s才可以无缝切换，难度较大。由上述的研究近况可知，微电网系统模式切换仍不够快速、平滑，需进一步改进控制策略。

为了实现微电网系统运行模式的平滑切换，锁相技术也起到了关键性的作用，正确、快速地锁相可以确保微电网系统的相位在切换过程中的平滑、稳定。文献[14]介绍了一种有关微电网系统平滑切换的双二次广义分环节的锁相环，但算法复杂，实现难度较大。文献[15]研究了广义积分算法，利用多次广义积分实现与电网电压的同步。文献[16]采用基于Park变换的锁相环，通过调节锁相环的带宽来抑制谐波，但仍存在不可消除的2次谐波。由上述可知，应用于微电网系统平滑切换的锁相技术还有创新的必要，需寻找一种快速、准确且可应用于微电网系统任何运行状态的锁相技术，实现锁相位的平滑切换。

本文主要研究基于主从结构的微电网系统平滑切换的控制策略。首先介绍了微电网的主从结构以及微电网主控逆变器的控制策略，总结出微电网系统模式切换的综合控制策略；针对微电网系统平滑切换过程中存在的问题对控制策略进行改进，避免切换过程中发生较大的暂态震荡和超调，改善了电能质量，保证切换平滑性；在传统并网锁相技术基础上，采用新型软件锁相算法，确保系统在不同的运行模式下正确、快速锁相以及切换过程中锁相位的平滑过渡；最后，利用MATLAB/Simulink仿真软件进行分析。

1微电网主从结构及控制方法

1.1系统结构

微电网主从结构如图1所示，包含一个主控DG和其他从属DG。并网运行时，微电网与大电网相连，所有DG联合向负荷供电。孤岛运行时，微电网通过公共连接点(point of common coupling，PCC)与大电网断开，主控DG提供微电网电压以及频率参考，并跟随负荷变化。

图1　微电网主从结构

由图1可以看出，主控逆变器是整个微电网系统中的重要单元，也是本文研究的重点。

1.2微电网主控逆变器的控制方法

逆变器多数采用双环控制结构，其中外环控制器动态响应速度慢，主要用于体现不同的控制目的，接着产生内环参考信号。内环控制器动态响应速度快，主要用于精密调节，以提高逆变器输出的电能质量。一般情况下，当并网要求不是非常高的时候，也可以采用单环控制结构，但并网的电能质量和控制速度并不理想，因此本文采用双环控制结构的主控逆变器[17]。

1.2.1外环控制器

根据微电网的不同运行状态，微电网的主控逆变器外环采用不同的控制策略，控制原理如图2所示。假设微电源初始运行于A点，其输出的有功和无功功率分别为P0、Q0，逆变器交流侧频率和电压分别为f0、u0。

图2　外环控制原理

恒功率控制(P-Q控制)是指在并网运行的条件下，大电网负责微电网内的电压和频率支持，各DG只需控制功率的输出以保证微电网内的内部功率平衡。在d-q坐标系下，DG注入交流网络的功率表达式为：

(1)

式中：pout、qout分别为计算所得到的逆变器输出瞬时功率；ud、id，uq、iq分别为三相逆变器输出电压、输出电流经过Park变换后的d、q轴分量。

在Park变换过程中，将d轴与电压矢量选为同一方向，使得q轴电压分量为零。上述的功率表达式得到了化简，从而，根据功率参考值Pref、Qref可得到d、q轴电流参考值：

(2)

恒压恒频控制(U-f控制)是指在孤岛运行的条件下，微电网与大电网断开连接，由主控DG来维持母线电压和频率稳定。首先，将系统频率fs和参考频率fref比较，通过比例-积分(proportion integration，PI)调节输出有功参考值Pref。同理将电网电压Us与参考电压Uref相比较，通过PI调节输出无功参考值Qref。将功率参考值同上述P-Q控制，生成电流参考值Idref、Iqref。

1.2.2内环控制器

内环控制器主要是对注入的电流进行精密的调节，提高电能质量。内环控制器通常采用d-q旋转坐标系，通过电压前馈补偿和交叉耦合补偿对电流进行解耦，控制原理如图3所示，其中三相电流经过Park变换后的d轴、q轴分量id、iq，与外环控制器输出的电流参考值Idref、iqref相比较，对得到的误差进行PI控制，通过电压前馈补偿和交叉耦合补偿，输出控制信号Pmd、Pmq。

KPId、KPIq为PI控制参数；ω为电网频率；L为滤波电感；S为时域。图3　内环控制原理

2微电网并网/孤岛运行模式

微电网系统具有两种运行模式：并网运行，即与大电网联结运行，向大电网提供多余的电能或由大电网补充自身的发电量不足；孤岛模式，即当检测到大电网故障或微电网电能质量不满足要求时，微电网与大电网断开，DG独立向负荷供电。

微电网系统由并网向孤岛运行模式转化时，需要考虑以下几个问题：

a) 当电网发生故障时，主控逆变器应及时感应故障并建立电压和频率基准，减小母线电压和频率的闪变；

b) 主控逆变器外环由P-Q瞬时切换至U-f控制，应避免由于状态不匹配产生的电流冲击；

c) 微电网在切换的过程中，应避免由于模式改变而产生的相位突变，需保证相位的连续性。

而微电网系统由孤岛模式再并网需要满足3个条件：公共连接点PCC处电压差尽可能小；微电网的孤岛运行频率应稍小于电网频率；大电网的电压相位应超前于微电网的孤岛运行电压相位。

由上述的分析可知，如何保证切换过程中电能质量的稳定问题，是核关心环节。

3微电网平滑切换控制策略

3.1综合控制策略

3.2模式切换的改进

逆变器P-Q控制切换到U-f控制的过程中，由于两种控制器输出状态不匹配，易造成较大的暂态振荡，产生输出跳变，因此本文采用基于控制器状态跟随的平滑切换方法[18]，如图4所示。合理控制逻辑开关K1—K4：并网时，闭合K1、K4，打开K2、K3，将P-Q控制器的输出以负反馈的形式输入到U-f控制器内，使得切换前的U-f控制器输入状态与P-Q控制器的输出状态时刻一致；孤岛时，打开K1、K4，闭合K2、K3，由U-f控制器继续控制DG运行。

图4　改进模式切换原理

3.3微电网软件锁相技术

微电网软件锁相技术，是微电网系统的相位在并网和孤岛运行模式之间实现平滑过渡的关键技术，尤其当微电网系统从孤岛向并网模式转换时，因存在相位或者幅值差，而导致并网瞬间产生较大的冲击。传统锁相算法只适用于微电网的并网模式，因此本文在传统锁相算法的基础上，提出一种新型软件锁相算法，使得微电网系统在不同运行模式下均可正确、快速锁相，且保证微电网系统模式切换过程中锁相位过渡的平滑性。

新型软件锁相算法结构如图5所示，由电网相位瞬时计算模块、相位预同步计算模块和相位参考计算模块3部分构成。

图5　新型软件锁相算法结构

a) 电网瞬时相位计算模块。当微电网并网运行时，对电网相位进行实时检测，从而提供瞬时相位参考值。电网任意时刻的三相电压uu、uv、uw，经过Park变换得到q轴方向电压分量uq，其与电网相位θ之间的关系可表达为

式中：U为电压幅值，θg为锁相得到的相位。通过PI控制，使uq等于零，从而使θg跟踪θ。

b) 相位预同步计算模块。当微电网孤岛运行时，由于没有实时跟踪电网相位，因此再并网时PCC两端存在相位差，需对两端的相位进行预同步。首先，将电网电压相位θg与微电网馈线电压相位θinv的差值进行PI调节控制，可得频率补偿量Δf，将其与额定频率fref之差作为主控逆变器的频率参考，使主控逆变器调节电压实现与电网相位同步。

c) 相位参考计算模块。当微电网在并网或孤岛或二者过渡的运行状态时，该模块能够保证连续的相位参考。微电网在并网运行时，控制开关Ctrl指向3端口，使输出相位θref等于电网相位θg。当系统由并网过渡到孤岛模式时，开关指向2端口，相位以θg为基础，继续以2πf0+ωinv运行。而当系统从孤岛转回并网模式，开关选择1端口，由于相位已完成预同步，因此无论开关如何选择，切换过程均保持平滑、连续。

4微电网模型仿真分析

4.1电气参数

为验证上述控制策略的可行性，本文采用风光储发电系统模型，如图6所示。微电网系统中，风机采用恒速恒频风电机组模型[19]。光伏阵列采用工程简化模型[20]，经逆变器接入电网。储能装置采用通用的蓄电池模型[21]。微电网仿真详细参数选取如下：电网电压为380 V；直流侧电压为800 V；电网频率为50 Hz。

图6　微电网系统模型

4.2仿真分析

为了验证本文给出的主从结构微电网系统控制策略的有效性和可行性，在MATLAB/Simulink环境下搭建微电网控制模型进行仿真分析。图7给出了微电网软件锁相技术的仿真结果。系统初始运行于孤岛模式，0.1 s时给出并网信号，由于孤岛再并网PCC两端存在电压相位差，因而先执行相位预同步计算，当相位差Δθ逐渐接近于零时，预同步结束(Ctrl指向2)，PCC闭合，进入并网模式。由图7可知，从0.1 s开始系统相位差逐步减小，在0.23 s完成相位预同步，稳定过渡至并网运行模式，期间相位并未发生任何跳变，因此本文新型软件锁相技术可行。

图7　软件锁相仿真结果

微电网系统初始处于并网状态，并网点电压为380 V，并网点电流为50 A，频率为50 Hz，储能逆变器输出电压为311 V，输出电流为115 A。0.15 s时微电网系统由并网运行模式切换至孤岛运行模式。在相同的条件下，采用原始综合控制策略和改进后控制策略对微电网系统模式切换过程进行仿真分析，得到的仿真结果对比如图8—11所示。

图8、图9分别为控制策略改进前、改进后并网点三相电压、三相电流、频率曲线。0.15 s时系统切换至孤岛运行模式，采用原始综合控制策略，在模式切换过程中并网点电压由380 V突增至420 V，发生了跳变，系统频率发生0.02 Hz的大幅波动，系统切换过程不稳定。而采用本文改进的控制策略，在模式切换过程中并网点电压基本保持380 V不变，系统频率稳定在50 Hz左右，没有发生较大暂态震荡，切换过程平滑、可靠。

图8　改进前并网点电压、电流、频率曲线

图9　改进后并网点电压、电流、频率曲线

图10、图11分别为控制策略改进前、改进后逆变器输出的三相电压、三相电流曲线。0.15 s时系统开始切换至孤岛运行模式，采用原始综合控制策略，在模式切换过程中储能逆变器输出电压由311 V跳升至380 V，输出电流由115 A升至200 A，发生了输出跳变，系统极其不稳定。而采用本文改进的控制策略，在模式切换过程中逆变器输出电压基本保持311 V稳定不变，输出电流由115 A变成150 A，没有发生输出跳变，实现了平滑切换。

图10　改进前逆变器输出电压、电流曲线

图11　改进后逆变器输出电压、电流曲线

根据仿真结果对比可知，本文给出的控制策略可以确保系统模式切换过程中电压、电流、相位稳定，平滑、可靠地实现主从结构的微电网系统模式切换，解决切换过程中暂态震荡和超调等威胁系统安全问题，具有良好的实用性。

5结束语

本文首先介绍微电网主从结构，分析了微电网主控逆变器的控制策略。其次，针对主从结构微电网系统平滑切换过程中存在的问题进行了改进，避免切换过程中发生较大的暂态震荡和超调，改善电能质量，保证切换平滑性。采用了新型锁相算法，使得系统在不同运行模式下准确、快速锁相且实现模式切换过程中锁相位平滑过渡。最后，利用MATLAB/Simulink建立动态模型进行分析，验证了该控制策略的可行性和有效性。

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李壮(1991)，女，吉林吉林人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统稳定与控制。

许欣(1989)，男，吉林四平人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统分析。

齐永志(1962)，男，黑龙江齐齐哈尔人。工程师，研究方向为水利水电地质勘测。

(编辑王朋)

Control Strategy for Smooth Switching of Micro-grid System Based on Master-slave Structure

LI Zhuang1, XU Xin1, QI Yongzhi2, YU Shuang3

(1. College of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, Jilin 132012, China; 2. Hydrogeology and Engineering Geology Exploration Institute of Heilongjiang Province, Qiqihar, Heilongjiang 161000, China; 3. Panshi Power Supply Company, Jilin Electric Power Corporation, Jilin, Jilin 132300, China)

Abstract：In allusion to problems of micro-grid system mode being not fast and smooth in switching, it is suggested to adopt proper control measures to realize grid-connection mode and island mode, as well as smooth switching of these two modes. Therefore, hypotactic micro-grid system with wind power, photovoltaic power and stored energy is established, structure and control method of the main control inverter is analyzed and comprehensive control strategies are summarized. In allusion to existing problems in micro-grid switching, control strategies are improved and dynamic model of micro-grid is established on MATLAB/Simulink platform to conduct simulation analysis on original comprehensive control strategies and improved control strategies. Simulation results indicate that improved control strategies could effectively constrain transient shock of bus voltage of the micro-grid and ensure smoothness of voltage amplitude, phase and current in process of system switching. Results also verify effectiveness and feasibility of designed control strategies.

Key words：micro-grid technology; distributed generation; grid-connection mode; island mode; smooth switching

作者简介：

中图分类号：TM721

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)02-0030-06

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.006

收稿日期：2015-09-09修回日期：2015-10-20