风光储微电网控制策略研究

韩冰，邵如平，杨菠

（南京工业大学 电气工程与控制科学学院，江苏 南京 211816）

风光储微电网控制策略研究

韩冰，邵如平，杨菠

（南京工业大学 电气工程与控制科学学院，江苏 南京 211816）

全球范围内能源危机的加深，使得以化石能源为根本的电力行业面临着严重的威胁，而不断爆发的大面积停电事故同时也已暴露出以“集中式发电”为基础的传统电力系统结构存在的缺陷。以分布式电源为主要组成部分的微电网具有环保节能、安全可靠、节约投资以及发电方式灵活等优点，逐渐成为人们关注的热点。从微电网的主从控制层面研究了其并、离网运行模式切换控制技术，提出了由功率环、电压环、电流环三环构成的协调控制策略。通过对系统并、离网运行模式之间的切换和负荷的投、切等情况下的运行特性进行仿真分析，验证了控制策略的有效性。同时，依托温州鹿西岛风光储微电网示范工程进行了并、离网切换现场试验，为所研究的微电网控制策略的可行性提供了支持。

分布式电源；主从控制；微电网；控制策略

近年来，以新能源为主的分布式发电技术［1］（如光伏发电、风力发电、小型水力发电、生物质能发电等）凭借其灵活的发电方式、能源的可再生性和良好的环保性等突出优点得到了快速发展［2-3］。为了促进新能源分布式发电的高效利用，世界上的许多国家例如美国、欧洲、日本和中国等都展开了微电网［4］（micro-grid）方面的相关研究，并建设了微电网示范工程，为微电网结构优化、运行控制等方面的研究提供了一定的基础。

根据我国的相关规定，微电网是一个由分布式电源（distributed generation，DG）、负荷、储能设备、监控和保护装置等构成的能够实现自我控制和管理的小型发电配电系统［5］。微电网与大电网之间彼此互为备用，两者通过公共连接点（point of common coupling，PCC）进行连接，实现功率的交换，可以有效地提高供电的整体质量［6］。

微电网不仅能够和大电网并网同步运行，而且能够在检测到大电网故障或者在大电网进行例行检修时主动断开和大电网的连接，切换到独立运行模式。而且，目前微电网中采用的分布式电源大都为可再生能源或者清洁型能源，具有良好的环保性，能够实现能源的可持续发展［7］。

1 微电网运行方式

微电网一般具有离网运行、并网运行两种常态运行模式与离网转并网、并网转离网两种暂态运行模式［8］。微电网不仅需要能够在两种常态运行模式下稳定运行，而且也需要能够保证两种暂态运行模式的可靠性。图1给出了微电网各个运行模式间的相互转化关系。

图1 微电网运行模式Fig.1 Micro-grid operation mode

2 微电网控制策略

根据不同的运行模式，微电网采用的控制策略也不一样。微电网的基本控制策略一般可以分为对等控制与主从控制两种［9］。其他的微电网控制策略从原理上来说都可以归纳成这两种，只是或多或少在对等或者主从的基础上有一些改进。在采用对等控制策略的微电网中，各个分布式电源之间互相平等，其分别所连接的逆变器采用同样的控制方式；在采用主从控制策略的微电网中，所有分布式电源中存在着1个主电源，其他都为从电源，由主电源对从电源进行协调控制。

3 主从控制并离网切换

采用主从控制策略的微电网在并网模式与离网模式的切换过程中，为了保证系统的稳定运行，要求主电源能够在PQ控制和V/f控制之间快速、平滑地完成切换，从而实现微电网并、离网模式的无缝衔接。

文献［10］提出了基于控制器状态跟随的微电网平滑切换控制方法，但是同时需要对控制器参数进行切换。文献［11］中研究了微电网运行模式切换过程中的动态特性规律，并对切换控制器进行优化以减小切换过程中的暂态振荡。本文在此基础之上，进行了一点改进，设计主电源逆变器的协调控制策略为由功率环、电压环、电流环构成的三环控制，通过模式选择开关将PQ控制与V/f控制相统一，保证二者之间快速平滑切换，其控制方式切换原理如图2所示。

图2 控制方式切换原理Fig.2 Control mode switching principle

图2中，ueer为输出电压实际值与参考值在d，q轴分量上的差值；fg,α分别为通过锁相环得到的电网频率值与电压相位角；K1，K2，K3分别为模式选择开关。

当微电网处于并网运行模式时，开关K1，K2，K3都拨到位置1处，此时逆变器采用PQ控制方式。将电压环输出的电流和功率环输出的内环电流参考值idref,iqref分别进行比较，然后把两者的差值作为电压环的输入，这样就使得电压环的输出电流能够不断地追踪功率环输出的内环电流参考值，与之保持一致；同时加入存储器，用于储存由锁相环前一时刻采样得到的电网频率fg和电网电压相位角α,从而使得电压控制环相位参考值θref与电网电压相位θg相一致。

当微电网从并网运行切换到离网运行模式时，开关K1，K2，K3都拨到位置2处，逆变器采用V/f控制方式。此时，将实际输出电压和电压参考值的差值ueer作为电压环的输入，然后通过PI控制器输出内环电流参考值。在切换过程中，由于存储器的存在，使得切换完成后的电网频率和电压相位能够保持与切换前最后一个时刻的采样值相一致。

这种控制策略能够减小切换过程中因电流参考值与电压相位的变化而造成的电压振荡，实现微电网并网模式与离网模式之间的平滑切换。

4 仿真分析

为了验证微电网主从控制策略的控制性能，根据图3所给出的仿真算例在Matlab/Simulink平台中搭建了仿真模型，如图4所示。

图3 仿真算例Fig.3 Simulation examples

其中，DG1为主电源，DG2为从电源，DG1和DG2都用等效直流电压源代替，且直流电压udc= 800 V。当DG1和DG2在PQ控制方式下运行时，DG1的有功参考值为15 kW，无功参考值为2 kvar，DG2的有功参考值为10 kW，无功参考值为1.5 kvar。电网电压为380 V，频率为50 Hz，负荷S=(25+j3.5)kV·A。

图4 基于主从控制的并、离网平滑切换仿真模型Fig.4 On and off-grid smooth switching simulation model based on master-slave control

4.1 并网-离网切换

微电网初始运行在并网状态下，t=0.2 s时，负荷增加3 kW，t=0.5 s时微电网由并网运行切换到离网运行，t=0.8 s时，负荷减少4 kW，t=1 s时，负荷恢复为S=（25+j3.5)kV·A，t=1.2 s时，仿真结束。仿真结果如图5所示。

根据仿真结果可知，DG2的有功出力一直稳定在其有功参考值10 kW，说明DG2一直在PQ控制策略下运行，无论微电网系统在何种运行方式下，或者负荷发生何种波动，其出力总是仅跟随功率参考值进行波动变化。在t=0.5 s前，系统并网运行，DG1也在PQ控制策略下运行，与DG2类似的，其有功出力也稳定在其有功参考值15 kW，在此过程中系统负荷t=0.2 s时增大的3 kW由大电网承担；当t=0.5 s时，微电网与大电网断开连接，DG1作为主电源其控制方式转为V/f控制，为保证微电网的电压和频率稳定，之后负荷在0.8 s时减少4 kW以及在1 s时回复额定状态时的变化均由DG1来承担。

在t=0.5 s系统由并网运行切换到离网运行时，系统需经过很短一段时间的扰动后进入稳定阶段，这是由于状态切换的同时对DG1的控制策略进行了相应改变，根据系统电压的波形结果，在切换瞬间电压略有波动，但能够迅速恢复正常，仿真过程中，系统频率波动在（50±0.1）Hz内，波动幅度很小，说明此控制策略可以保证微电网系统在并网模式和离网模式的切换过程中具有较好的效果，实现平滑切换。

图5 并网—离网仿真结果Fig.5 Grid connected to off-grid simulation results

4.2 离网—并网切换

微电网初始运行在离网状态下，t=0.2 s时，负荷增加3 kW，t=0.5 s时微电网由离网运行状态切换到并网运行状态，t=0.8 s时，负荷减少4 kW，t= 1 s时，负荷恢复为S=（25+j3.5)kV·A，t=1.2 s时，仿真结束。仿真结果如图6所示。

图6 离网—并网仿真结果Fig.6 Off-grid to grid connected simulation results

与前个仿真类似，DG2一直处于PQ控制策略下，其有功输出始终保持不变为有功参考值。t=0.5s前，微电网运行在离网状态下，此时DG1作为主电源使用V/f控制方式对其出力进行控制，当负荷变化时，负荷的缺额或盈余完全由DG1来承担。当t=0.5s时，系统运行状态进行切换后，DG1改为PQ控制，经过一段时间后其输出功率等于其功率参考值，而此时的负荷变化全部由大电网来承担。仿真过程中，系统电压稳定在380V，频率在0.5 s时有一个波动，总体维持在（50±0.1）Hz范围内，波动幅度很小。

相对于前个并网—离网仿真结果来看，在微电网从离网运行模式切换到并网运行模式时会需要较长一段时间的过渡期，这是由于微电网在同步并网前后电压频率和相位时需要一定的响应时间来实现。因此，在今后的研究中，需要考虑如何缩短这个响应时间。

5 现场试验

本文依托温州鹿西岛风光储微电网示范工程，进行了基于主从控制策略的并离网控制现场试验。

鹿西岛微电网系统包括：1）风机，2台780 kW的双馈异步风机经升压汇集后通过送出线路接至汇集母线处；2）光伏阵列，300 kW的光伏阵列经升压后直接接至汇集母线处（距离很近）；3）储能，1 MW×2 h的铅酸蓄电池储能和500 kW× 30 s的超级电容器储能经双向变流器再通过2台升压变压器直接接至汇集母线（距离很近）；4）系统负荷，最高控制在500 kW，最低200 kW。

鹿西岛微电网采用了本文中所研究的主从控制策略，其系统电气接线方案如图7所示。

图7 鹿西岛微电网系统电气接线方案Fig.7 Luxi island micro-grid system electrical wiring scheme

利用鹿西岛微电网能量管理系统现场进行并离网试验，试验过程中通过录波器记录波形文件（*.WDF）。

5.1 并网转离网试验

采用Xviewer软件对波形文件进行提取等操作分析，结果如图8所示。

图8 离网过程Fig.8 Off-grid process

图8中曲线波形分别为微电网侧电压波形、大电网侧电压波形、并网信号波形及系统各个电流波形。

PCC处静态开关从分闸时刻A开始接收到跳闸命令，经过灭弧过程，约10 ms完成离网操作，离网后储能装置切换为V/f模式运行，作为微电网频率源。

从离网波形可以看出，离网前大电网侧电压和微电网侧电压的相位相同，微电网与大电网同步运行，离网后开始出现相位差，表明微电网与大电网分离，两者异步运行，切换过程中微电网电压没有大幅度波动，实现了平滑无缝切换。

5.2 离网转并网试验

用Xviewer软件对该波形进行同样操作，结果如图9所示。

图9 并网过程Fig.9 Grid connected process

图9中曲线波形分别为微电网侧电压波形、大电网侧电压波形、并网信号波形及系统各个电流波形。

在B时刻接收到并网指令后，给静态开关和储能变流器发出同期调节指令，静态开关闭合后给储能变流器发模式切换指令，使其由V/f运行模式切换成P/Q运行模式。

从波形可以看出，并网前大电网侧电压和微电网侧电压存在相位差，接收到并网指令后，系统进行电压相位调节，并网成功后微电网侧与大电网侧电压相位重合，微电网跟随主网运行，约60 ms完成并网，实现了离网运行到并网运行的无缝衔接。

6 结论

本文中研究了由功率环、电压环、电流环三环构成的微电网协调控制策略，以实现主从控制层面下的并离网平滑切换，并且设计了仿真算例，通过对系统并、离网运行模式之间的切换和负荷的投、切等情况下的运行特性进行了仿真分析，验证了控制策略的有效性。

最后，依托温州鹿西岛风光储微电网示范工程进行了并离网切换现场试验，为本文所研究的微电网控制策略的可行性提供了支持。

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Research on Control Strategy Based on Wind/PV/Battery Microgrid

HAN Bing，SHAO Ruping，YANG Bo
（College of Electrical Engineering and Control Science，Nanjing Tech University，Nanjing211816，Jiangsu，China）

As energy crisis deepening worldwide，electric power industry based on fossil energy is facing a serious threat.And repeated outbreaks of large area blackout also have exposed the flaws of traditional power system structure based on“centralized power generation”.Distributed power，as the main component of the micro-grid，which has many advantages such as environmental protection and energy saving，safety and reliability，saving investment and flexible way to generating，etc.，is becoming the focus of people′s attention.And the tricyclic coordinated control strategy constituted by power loop，voltage loop and current loop was put forward.Through simulating and analyzing the operating characteristics of switching system between grid connected and off-grid working mode，load switching，so on and so forth conditions，the effectiveness of the control strategy is verified.Meanwhile，relying on the wenzhou luxi island micro-grid demonstration project，a field test switching between grid connected and off-grid has been carried out，which is as the support for micro-grid control strategy studied.

distributed power；subordinate control system；micro-grid；control strategy

TM712

A

10.19457/j.1001-2095.20161212

2015-11-25

修改稿日期：2016-08-23

韩冰（1992-），女，硕士研究生，Email：15251881304@163.com