基于权重控制的微电网运行模式平滑切换控制策略

赫亚庆，王维庆，王海云，樊小朝

（新疆大学电气工程学院可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆乌鲁木齐 830047）

当今社会能源短缺，在常规能源危机与环境污染双重压力下，新能源的分布式发电技术得到了越来越多的关注与应用[1-3]。将微源、操控核心、负载、储能装置与具有自愈（故障重构）能力的电力网络等几部分组成一个微电网系统进行联合发电与控制，能够有效地解决微源分散、随机变动等特性，并能提升分布式发电技术的作用。

微网有2种运行模式：并网模式与孤岛模式。微电源的运行方式不仅可断定微网在双模下的运行状态，也关联着无缝切换的效用[4-7]。文献[8-9]提出切换逆变器，并网模式选择PQ方式、孤岛时选择恒压恒频方式，合乎微网运作要求。文献[10]采用下垂控制，孤岛与并网双模下微源控制方式固定，适宜即插即用的特性。文献[11]给出微源并网状态选择PQ方式，离网状态选择下垂控制，探求下垂方式下添加下垂调试常值环，经此环路转换完成双模无缝切换的过程。文献[12-13]给出校正后的下垂方式，离网时采用下垂方式，按微源容量分摊载荷。并网时采用PQ方式，输出预定容量。逆变器不用在双模转换时在电流与电压控制之间来回换切，预同步控制系统对逆变器并联时的电压与电流冲击振荡起到了克制作用，提高了体系的实用度与平稳度，能够完成微电网无缝切换的过程，却对非首要负荷略有影响。

合适的微电网体系和负荷配置等结构[14]，以及相应的投切方式流程，是微网完成稳定运行以及无缝切换过程中必不可少的条件。分析了下垂控制策略，提出了一种频率/电压权重控制的双模切换控制方略因数的控制方式，最后通过系统整体控制策略与仿真分析了权重控制策略与传统的下垂控制策略，其结果验证了所提控制策略更加精准与实用。

1 微电网结构和控制分析

图1是一种微电网系统结构框架图，主要由静态开关（static transfer switch，STS）、储能装置、光伏发电装置和风电设备以及用电负载等构成。STS在关闭状态时，系统并网运行；在断开状态时，则以孤岛模式运行。双模切换过程中，逆变器控制方式也会有所改变。

图1 微电网结构Fig.1 Structure of micro-grid

此微电网结构中，包含了交流成分也包含了直流成分，负荷可以连接到直流母线上，也可以连接到交流母线上，可以看作交直流混合微网，但是从整个微电网结构可以看出，最终都可以看成交流微电网，直流微网也是经过电力电子器件逆变器连接到交流母线上。

微电源经过逆变器连接到电网，进入并网方式时，通常选用PQ控制方式，PQ控制通常是微源输出一定的有功功率与无功功率，微电源在此环境下，不论系统内频率与电压如何变动，都要确保微电源输出恒定功率。当微电网进入孤岛运行方式时选用下垂控制或权重控制方法。

2 微电网运行模式

2.1 基于下垂控制策略

微电源逆变器下垂控制的关键要素类似于传统电力系统一次调整，传统下垂控制如图2所示，传统下垂控制方程表示如下

式中：f，V表示逆变器输出频率与电压幅值；f0，V0表示额定频率与额定电压幅值；P，Q表示输出的有功功率与无功功率；P0，Q0表示额定有功功率与无功功率；m，n为有功与无功功率下垂系数。

图2 传统下垂控制Fig.2 Traditional droop control

改进下垂方式其实质改变改进下垂系数为：

整理可以得到改进下垂控制方程

但孤岛时选取下垂方式对微源调节容量需求苛刻，在微电网低渗透率的环境下，难以完成无缝切换任务，对一般负载略有影响；也没有考虑下垂控制方式对切换方式的满足性以及切换时冲击电流与电压产生的结果。

2.2 基于权重控制策略

电压/频率权重控制方式比常规控制方式具有更宽的线性轨迹，消除了许多常规电压/频率控制方式只在电压/频率瓦解点周围小区间内有线性轨迹的弊端，为负荷大范围发生变化时对电网电压/频率稳定性进行预测提供了方便。在稳态误差方面，权重控制能将误差控制在环宽以内[15]，且控制策略简单，易于控制器的设计和实现。

权重综合控制框图如图3所示。将控制器连接到体系后，相当于往体系连接一个可调电流，其电流愈大则控制器弥补的无功愈大，反之亦然。通过连入一个闭环反馈体系就可以实现动态跟踪补偿的效果。运算电流时采取了前馈环节，预流入系统电流量i（t）通过计算可得。

式中：i（t-1）为上一刻流出的工作电流；k1（t）、Δi1（t），k2（t）、Δi2（t）分别表示t时刻电压、频率式样中求出的权重系数与电流增量；Δk1（t），Δk2（t）分别表示t时刻电压、频率权重模糊调节器的输出量。

此动态权重模糊控制策略与负荷跟踪特性，说明权重控制策略可以更好地完成负载的适时监控，无功补偿成效出色。模糊控制手段具备超调量极小与调控时间极短，有超佳的动态性与适应性。

图3 权重综合控制系统图Fig.3 Comprehensive control system chart of weight control

3 系统整体控制策略

3.1 逆变器整体综合控制

逆变器系统整体综合控制策略框架如图4所示。据瞬时功率理论原理，逆变器输出的无功功率与有功功率表达式是

式中：id、iq、ud、uq分别为图中iabc与uabc的d轴与q轴分量。

图4 综合控制策略图Fig.4 Diagram of integrated control strategy

3.2 电流调节器控制

电流调节器不仅能对电网电压波动起到抑制效果，而且能使电流及时追踪给定电压的变化，加快动态过程，对电路起到过电流保护作用。本文引入电流调节器控制，如图5所示，来抑制在并网与离网转换进程中，主电源输出电流的振荡并稳定微电网电压的动态变化。

图5 电流调节控制图Fig.5 Current regulation control chart

逆变器在同步旋转坐标中输出的瞬时无功与有功功率是

式中：Q，P分别为三相逆变器输出的无功功率与有功功率；Ud，Uq分别为电网电压在d，q坐标轴上的等效分量；id，iq分别为逆变器输出电流在d，q坐标轴上的等效分量。经过瞬时电流内环给定计算，可以求出流入电流调节器中的电流为

3.3 相位预同步控制模块

相位预同步就是微电网由离网形式返回并网形式前，事先排除微电网馈线与电网当中的位相差，防止在并网时由于相位出现骤变而形成瞬间冲击。电网电压与微电网电压的同步追踪经过如图6所示。图中ω1与β1是电网电压的角频率与相位；ω与β是微电网母线电压的角频率与相位；Δβ是两者之间的相位差。当电网电压与微电网母线电压的相位角之差Δβ等于0时，就满足了同步控制效果，可调节vq=0来完成相位同步过程。

图6 相位同步示意图Fig.6 Diagram of phase synchronization

对三相微网电压做按式子（13）同步坐标转换可以求得Vq，其中Voa、Vob、Voc是微网三相母线电压。则

经过上述转换就能得到d、q轴分量与零参考进行PI调节，来防止与同步过程中微网频率发生剧烈波动，从而影响电能质量。

4 仿真分析

为了验证微网逆变器权重控制策略的有效性，在Matlab/Simulink仿真软件平台上搭建控制系统的仿真模型，重点分析电压与频率的恢复结果，为减少不必要参数的影响，对仿真实验模型进行了理想化处理，其中微电网电源的原动机与储能装置都由理想直流电压源替代。负载为对称的三相负载，仿真参数见表1。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

负载1有功与无功分别为P1=2.0×104W、Q1=0 V·A；负载2的有功与无功为P2=2.5×104W、Q2=1.33×104V·A和可调负载3最大有功与无功为P3=2.0×104W、Q3=1.0×104V·A。

微电网在0～0.3 s与电网并网运行，0.3～0.7 s切换到孤岛运行模式，0.7～1.0 s通过预同步控制切换到并网模式。电网是无穷大电源，微电网并网运行时，通常由电网向微电网提供功率补偿，当微网由并网进入孤岛运行模式时，微电网内存在功率缺额。

由频率图7知，在0～0.3 s，微电网并网运行，微网系统的频率与电压都由电网支撑保持额定值（图中的小幅波动与仿真软件的初始化有关）。0.3～0.7 s，采用下垂控制时，微网进入孤岛运行模式，微网内的电压与频率不再由电网支撑，储能装置的有功与无功功率迅速由P=2.0×104W、Q=0 V·A升到P=2.5×104W、Q=1.33×104V·A，用来支撑微电网频率与电压的稳定，同时显示在并网情况下电网向微网输送的有功与无功功率是P=2.5×104W、Q=1.33×104V·A，系统在孤岛运行时，微网母线频率维持在49.76～50 Hz，母线频率在0.65 s后才基本维持稳定。而采用权重控制时，微网母线频率维持在49.93～50 Hz，母线频率在0.6 s以后就维持稳定，0.7 s以后系统通过预同步进入并网模式。由此可见加入权重控制比下垂控制策略相应速度快，波动范围小。

图8是微电网母线电压与主电源输出电流变化曲线。如图8所示，系统由并网模式切换到孤岛运行模式时，在0.3～0.7 s，采用下垂控制时，微电网母线电压接近真实值，但是主电源输出电流过渡不平稳，容易产生振荡；采用权重电压控制时，微电网母线电压与主电源输出电流几乎与实际值一样，电压与电流过渡平稳，不会产生振荡。0.7～1.0 s通过预同步控制切换到并网模式。

图7 运行模式相互切换下微电网频率变化Fig.7 Frequency variation of microgrid under switching mode

图8 运行模式相互切换下微电网电压与电流变化Fig.8 Changes of voltage and current in microgrid under switching mode

图9是微电网储能装置输出有功与无功变化曲线。如图9所示：在负载功率分配上，下垂控制与本文所采用的权重控制2种控制策略无明显大的变化。只是权重控制比下垂控制策略响应速度稍微快点，在0.3～0.7 s内，由并网运行切换到孤岛运行模式时，由于控制模式的改变，通过增发功率来维持系统电压与频率的稳定。本文所提权重控制策略不会影响系统的功率分配。

图9 运行模式相互切换下微电网中储能装置功率输出变化Fig.9 The change of output power of the energy storage device of micro grid under operation mode switching

5 结论

1）在稳态误差方面，权重控制能将误差控制在环宽以内，且控制策略简单，易于控制器的设计和实现，既不会影响原来的功率分配，也不会影响系统整体性能。

2）加入权重控制策略对电压与频率有更好的稳定恢复能力，过渡平稳，不会引起系统振荡。

3）对微电网双模切换过程进行了仿真分析，与传统的下垂控制策略进行对比，其结果验证了所提控制策略的正确性，为今后建设微网实验平台奠定基础。

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