微电网模式平滑切换的多环主从控制策略研究

和军平，晁璞璞，陶耀东

（哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程与自动化学院，深圳518055）



微电网模式平滑切换的多环主从控制策略研究

和军平，晁璞璞，陶耀东

（哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程与自动化学院，深圳518055）

摘要：针对微电网模式平滑切换中传统主从控制切换难度大、参数跟踪复杂、下垂控制切换动态特性差的不足，提出了一种多环主从切换控制策略。该新型控制策略在并网和离网模式下，主源采用带内置参数环的多环控制结构，从源采取恒功率控制结构，不仅主源和从源在模式切换时不需要进行控制策略的切换，而且也不需要再外接参数跟踪器，而控制结构更可靠，切换的过渡过程也更加平稳。通过Matlab/Simulink仿真平台，算例结果验证了所提出控制策略的正确性和有效性。

关键词：微电网；模式平滑切换；下垂控制；主从控制

Project Supported by China Scholarship Council（2012061250 59）；Shenzhen Basic Research Foundation（JCYJ20140417172 417103）

引言

微电网并离网模式的平滑切换是关系微电网稳定的重要指标［1］。目前，微电网模式平滑切换控制策略主要是下垂切换控制和主从切换控制［2］。下垂切换控制策略在并网时，所有的微源采用恒功率控制方式，离网时主要微源采用下垂控制［3］。因而在模式切换时主要微源均需要切换控制器，切换失败的风险较高［4-5］。文献［6-8］提出了控制器结构不需切换、控制量也不会突变的改进型下垂控制策略，然而该控制策略外环采用传统旋转电机的下垂特性环，以产生电压参考并承担功率分配，也难以避免下垂特性带来的动态响应差、谐波影响逆变器分流的缺点；对于主从控制的微电网，研究者提出了基于主源控制器切换的模式切换方法，但存在暂态冲击剧烈的缺点［9-15］。在其基础上，文献［16-17］提出改进型主从控制策略，其模式切换时主源不需进行控制器结构的切换，然而，由于其内环电流参考值在并网、离网状态下产生的方式不同，微电网模式切换时，需要外接参数调节器，增大了控制系统的复杂度。

针对上述情况，本文提出了一种新型的多环主从控制切换策略，以改善传统主从控制参数跟踪复杂和下垂控制切换动态特性差的问题。该多环主从控制策略在并网和离网时，主源均采用带内置参数环的多环控制结构，从源采用恒功率控制结构，从而使得微电网在模式切换时主源和从源均不需进行控制器的切换，且不需外接参数跟踪器就可以实现参数的有效跟踪。该控制策略不仅可以减小控制的计算量，也能有效避免暂态切换冲击，大大提高系统切换时的动态响应速度和稳定性。首先介绍微电网的结构和各微源的控制器结构，继而对新型主从控制切换策略的合理性进行了分析，最后建立了微电网Matlab/Simulink仿真模型，对比验证了新型切换策略的正确性和有效性。

1　微电网结构及微源控制器设计

1.1微网系统结构

根据美国CERTS提出的典型微网结构，本文设计了一个微电网系统，如图1所示。

图1　微网系统结构Fig.1 Structure of the microgrid system

图中，出力稳定易控的微型燃气轮机为主源，光伏和蓄电池并联为从源，并对系统采用多环主从控制策略。负荷A、B为重要负荷，负荷C、D为可调节非重要负荷；共含有4根馈线，1根主馈线和3根从馈线。微电网通过主馈线，在PCC处由静态开关，经变压器和公共配电网相连。

1.2主源及其控制系统

本主从结构微电网以清洁高效的微型燃气轮机为主源［18］，其发电过程及控制结构框图如图2所示。微型燃气轮机带动发电机发出的高频交流电通过整流装置转为直流，经电压型PWM逆变器和LCL滤波器后，得到工频交流电。通过电压/频率环、参数环、电压环和电流环的控制，使主源在孤岛时，为微电网提高电压和频率支持，在并网时，跟踪电网电压的幅值和频率，实现功率的解耦控制。

图2　主源主电路及其控制结构框图Fig.2 Block diagram of master DG main circuit and its control structure

本文的主源控制器对传统的V/f控制进行了改进，新型多环控制器框图如图3所示。图中由外至内依次为电压频率环、参数环、电压环和电流环。最外环是电压和频率的比例积分环，主要目标是得到电压d轴、q轴的偏离信号参考，该偏离信号也代表功率参考值的偏离。PI比例积分环节中的比例环节中的比例成分使其具有下垂特性，运行点易偏离设定点，动态特性也弱。通过积分环节，可使其进行零误差稳态跟踪，并在一定程度上弥补动态响应差的问题。中环为参数调节环，采用PI比例积分环节来消除离网V/f控制器和并网P/Q控制器产生的电流内环指令偏差，在模式切换时实现参数的跟踪。内环是电压环和电流环，其中电压环的目标是实现逆变器输出电压的零误差跟踪；电流环能够较好地控制电感电流，加入前馈控制后，电流环还可明显提高响应速度，提高输出电流的电能质量。控制环路中各PI参数的确定通过零极点配置的方法来进行。

图3　新型多环控制器框图Fig.3 Improved multi-loop controller

图3控制器中主要变量的数量关系可表示为

式中：ud1ref和f1ref分别为主源输出电压幅值、频率的参考值；ud1、uq1、id1、iq1分别为主源逆变器电压和电流的d、q轴分量；ud1m、uq1m分别为主源控制器输出电压d、q轴分量；id1L、iq1L分别为主源滤波电感电流d、q轴的反馈分量；id1Lref、iq1Lref分别为主源功率控制器计算的d、q轴电流参考值；ud1ref、uq1ref分别为主源电压电流环计算的d、q轴电压给定分量；ω1、L1、C1分别为主源逆变器输出端的角频率、滤波电感、滤波电容；kpi1、kii1、kpi2、kii2、kpu1、kiu1、kpu2、kiu2、kpt1、kit1、kpt2、kit2、kpv1、kiv1、kpv2、kiv2为图3中对应的PI参数。

1.3从源及其控制系统

本微电网将光伏板和蓄电池组合起来，作为从源发电。从源在并网和孤岛模式下，均采用常用的恒功率控制方式，故微电网模式切换时无需控制器拓扑和参数的切换。从源主电路及其控制器框图如图4所示，主电路及其控制框图如图（a）所示，从源的控制细节如图（b）所示，主要外、内环构成。外环通过功率的计算得到内环电流的参考值。内环电流的参考值通过电流环的比例积分器和电压正反馈将得到输出电压的模值参考信号。

图4　从源主电路及其控制器框图Fig.4 Block diagram of the slave DG main circuit and its controller

具体来讲，从源控制器先通过锁相环计算出d轴参考角度，同时由逆变器输出电压和电流计算出实际输出功率。当d轴和电网电压矢量方向相同时，电流参考值id2ref和iq2ref分别为

式中：ud2为从源滤波器输出电压d轴分量；P2ref、Q2ref分别为从源输出有功、无功参考值。

该参考值输入电流控制内环，并通过电流环的比例积分器和电压正反馈得到输出电压的模值参考信号。模值参考信号再经模值限制器和坐标反变换后，成为调制信号，与三角载波相比后，可得到电压的开关PWM信号。其实，该从源内环的控制目标和前述主源控制器的内环控制目标相同，也类似地采用零极点配置的方法计算其PI参数。

图4（b）从源控制器输出电压d、q轴分量与d、q轴电流关系为

式中：ud2m、uq2m分别为从源控制器输出电压d、q轴分量；ud2、uq2、id2、iq2分别为从源逆变器电压和电流d、q轴分量；id2ref、id2ref分别为从源功率控制器计算的d、q轴电流参考值；ω2、L2分别为从源逆变器输出端的角频率、滤波电感；kpr1、kir1、kpr2、kir2为图4（b）中对应的PI参数。

1.4预同步控制器

微电网孤岛运行时的电压、频率通常与公共配电网有差异。当配电网故障恢复后，微电网需要调整自己输出的电压，使其频率与配电网同步、幅值接近后才能并网。本文的预同步控制器包括电压幅值同步器和相位频率同步器，具体控制框图如图5所示。

图5　预同步控制器Fig.5 Pre-synchronization controller

图中，控制参量关系表示为

式中：Δω0 syn、ΔV0 syn分别为逆变器频率、电压的偏量，θg、θinv分别为电网、逆变器的相角；Vg、Vinv分别为电网、逆变器的电压；kpsyn1、kisyn1、kpsyn2、kisyn2分别为图5中对应的PI参数。

2　与传统主从切换模式的比较和分析

为阐明所提新型切换策略的合理性，本节通过与传统主从控制切换策略对比来进行分析。以文献［19］中传统主从控制切换为例，其控制框图如图6所示。使用传统主从切换控制的微电网从并网转离网时，主源需要从恒功率控制的电流模式切换到恒压恒频控制的电压模式。离网转并网时，则正相反；不仅如此，微电网稳态运行时，希望电压环的P、I系数小一些，以具有较好的稳定性。而当微电网处于较大的工况变化时（如模式的切换），则希望电压环的P、I系数大一些，以使其能快速跟随变化［20］。因此，主源控制器不仅需要在微网模式切换时进行控制器的切换，还要为外接参数调节器来实现控制参数的平滑跟踪。因此，该控制方式原理虽简单，但极大地增加了系统设计的复杂度以及预同步控制器的计算量，使得并网转离网时的短时冲击剧烈，离网转并网时的过渡时间增长。

图6　传统主从控制的切换过程Fig.6 Switching process of traditional master-slave control

而本文提出的新型主从控制策略去除了响应速度缓慢的功率环，增加了电流参考值内环和电压环，从外至内依次为：电压频率环、内置参数环、电压环和电流环。电压频率环在不同的运行模式下可实现不同的控制目标：离网时能实现电压和频率的有效支撑，并网时能实现功率的解耦控制；内置参数环能够消除模式切换时电流参考值的跃变；电压环可以实现逆变器输出电压的无误差跟踪；电流环可以提高系统的响应速度，改善其动态性能。因此，这种控制策略在模式切换时，既不需要进行控制器拓扑的切换，也不需要再外接参数调节器。不论是并网转离网还是离网转并网，由功率控制环给出的电流内环参考值和电压频率环给出的电流内环参考值的跃变误差都能被参数内置环的PI调节器消除，使参数能够进行无稳差跟踪，改进后的切换过程如图7所示。

图7　改进后的切换过程Fig.7 Switching process of improved master-slave control

3　仿真验证和对比

3.1微网模型

为验证新型主从控制策略的切换性能，本文利用Matlab/Simulink仿真软件对微网系统进行了建模，仿真参数如表1所示。新型主从控制策略仿真主要分为两个部分，一是新型主从控制策略自身典型切换工况的仿真，主要是带恒功率有功/无功负荷的重轻载等工况；二是和传统主从控制策略切换效果的对比。

3.2新型主从控制策略的切换效果

算例1：微电网初始并网运行，有功20 kW轻载、无功12.5 kVar轻载，0.5 s时静态隔离开关断开，微电网转入孤岛独网运行，1.0 s时仿真结束。DG1出力从20 kW+j5 kVar变为5 kW+j5 kVar，DG2出力不变。频率从50 Hz变为50.15 Hz，电压从220 V变为221.25 V。并网转离网的仿真结果如图8所示（虚线部分）。在功率波形中，正半轴代表有功功率，负半轴代表无功功率。

表1　仿真参数Tab.1 Simulation parameters

算例2：微电网初始并网运行，有功95 kW重载、无功27.5 kVar重载，0.5 s时静态隔离开关断开，微电网转入孤岛独网运行，1.0 s时仿真结束。DG1出力从20 kW+j5 kVar变为80 kW+j20 kVar，DG2出力不变。频率从50 Hz变为49.84 Hz，电压从220 V变为218.75 V。仿真结果见图8（实线部分）。

算例3：微电网初始孤岛运行，有功20 kW轻载、无功7.5 kW轻载，0.5 s时静态隔离开关闭合，微电网转入并网运行，1 s时仿真结束。DG1出力由5 kW+j0 kVar变为20 kW+j5 kVar，DG2出力不变。联络线功率由0变为有功流出15 kW，无功流出5 kVar。频率从50.2 Hz变为50 Hz，电压从231 V变为219.98 V。离网转并网的仿真结果如图9所示（虚线部分）。

算例4：微电网初始孤岛运行，有功95 kW重载、无功27.5 kVar重载，0.5 s时开关闭合，微电网转入并网运行，1 s时仿真结束。DG1出力由80kW+j20 kVar变为20 kW+j5k Var，DG2出力不变。联络线功率由0变为有功流入60 kW，无功流入15 kVar。频率从49.91 Hz变为50.025 Hz，电压从210 V变为219 V。仿真结果见图9的实线部分。

图8　并网转离网的仿真结果Fig.8 Simulation results when grid-comected mode changing to islanded mode

图9　离网转并网的仿真结果Fig.9 Simulation results when island mode changing to grid-connected mode

图10　离网转并网仿真结果对比Fig.10 Comparison of the switching process from islanded mode to grid-connected mode

图11　传统主从控制策略并转离的仿真结果Fig.11 Comparison of the switching process from grid-connected mode to islanded mode

算例3、算例4联络线处功率规定流出微网为负，流入微网为正。由仿真结果可以看出，当并网转离网时，有功轻载会导致频率的升高，有功重载会导致频率的降低；无功轻载会导致电压的升高，无功重载会导致电压的降低；电压和频率的变化程度均在可接受的程度内。当离网转并网时，或并网转离网电压偏差±10%和频率偏差±0.2 Hz均可调节到稳定范围内。无功调节略有偏差，但也在可接受范围内。

除恒功率负荷切换工况外，本课题还对带电机负荷、模式频繁切换等工况进行了仿真，仿真结果也均证明了新策略的有效性，由于篇幅所限，本处不复赘述。

3.3与传统主从控制模式切换效果对比

微网初始状态为正常并网运行，并网时，所有微源采取P/Q控制，离网时，主源变成V/f控制，从源不变。仿真时间为3 s。

算例1：离网转并网。假设0.1 s时配网电压恢复且电压持续正常时间超过1.00 s。1.00 s时启动预同步控制器，1.02 s预同步控制器完成同步并闭合公共耦合点，微网转入并网运行微网的电压和频率由配网支撑。仿真结果如图10所示。

算例2：并网转离网仿真：初始状态为正常并网运行，假设1 s时配网电压不正常降落，1.01 s时公共耦合点断开，微型燃气轮机负担起电压和频率支撑的任务，成为孤网运行时的主源。仿真结果如图11所示。

由图10虚线可见，传统主从控制策略在离网转并网时，由于控制器的切换和参数的跟踪，导致预同步控制器的调节时间较长，需要0.75 s的时间才能建立稳态；反观图10实线部分，改进后的主从控制策略，离网转并网时由于参数内置环的快速调节，仅需要0.1 s的时间即可建立稳定，调节时间大大缩短。

由图11虚线可见，传统主从控制策略在并网转离网时，不需要预同步控制器的作用，但是模式切换时仍需要控制器的切换和d轴角度的切换，虽然建立稳态的时间和实线部分改进后的主从控制策略相当，但是模式切换时电压和频率仍有较大的暂态冲击，对电能质量有较大的损害。改进后的多环控制策略能够有效地减缓暂态冲击。

4　结语

本文采用的多环新型主从控制策略可以解决传统主从控制策略需要切换控制器参数和需要外接调节器的问题。其内置参数环可以大为缩短暂态调节时间，模式切换时不再需要切换控制器拓扑。由Matlab仿真可以看出，采用新型主从控制策略的主源在模式切换时，可以较好地跟踪负载的变化，实现并网时功率的解耦控制和离网时功率的自动分配。改进后的新型主从控制策略模式切换的效果明显优于传统的主从控制策略，具体表现为减小了并网转离网的暂态冲击和缩短了离网转并网的过渡时间。本文所提出的多环主从控制策略可以很好地实现微电网模式平滑切换的控制目标。

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和军平

Improved Seamless Transferring Control Strategy for Microgrid Based on Master-slave Configuration

HE Junping，CHAO Pupu，TAO Yaodong
（School of Mechanical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School，Shenzhen 518055，China）

Abstract：To ensure the seamless mode transferring of the microgrid，a novel master-slave control strategy with multi-loop has proposed. The traditional master-slave control is difficult to switch between grid-connected mode and standalone mode and the droop control has poor dynamic characteristics. And this proposed strategy can overcome all these problems. The main source adopts the multi-loop control structure with an inner parameter tracking ring while the slave source adopts the constant power control structure. Through this strategy，there is no need to switch controllers’topology and access an external parameters’tracker for both master and slave resources when transferring between two modes. Finally，the correctness and feasibility of the proposed strategy are verified by the experimental results on Matlab/Simulink.

Keywords:microgrid；mode seamless switching；droop control；master-slave control

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．2．128中图分类号：TM 727

文献标志码：A

收稿日期：2015-10-27

基金项目：国家留学基金资助项目（201206125059）；深圳市基础研究资助项目（JCYJ20140417172417103）

作者简介：

和军平（1971-），男，通信作者，博士，副教授，研究方向：分布式发电和微电网技术、电力电子电磁兼容，E-mail：hejunping @hitsz.edu.cn。

晁璞璞（1990-），女，硕士研究生，研究方向：分布式发电和微电网技术，E-mail：pupuc@163.com。

陶耀东（1990-），男，硕士研究生，研究方向：分布式发电和微电网技术，E-mail：ahuttaoyaodong@163.com。