微电网平滑切换控制方法及策略研究

吴 萍

（三门峡职业技术学院，河南 三门峡472000）

前言

近些年，微电网技术取得了巨大的发展。现如今微电网运行模式已经由原来的单一并网运行模式变为孤岛运行模式和并网运行模式灵活切换。和传统的并网运行模式相比，孤岛运行模式具有极大的优势，这种优势主要体现在微电网系统供电的稳定性和持续性方面。本文将整个微电网系统的运行分解为四部分，然后针对每一部分的具体特性进行解析，重点讨论如何通过对微电网的平滑切换进行合理控制，而解决电网系统不间断供电的技术难题。

1、微电网系统的结构

微电网系统是一种小型的集发电、配电和用电于一体的多功能电力系统，具体来说，其由分布式电源、监控和保护装置、能量转换装置、负荷等组合而成。同时微电网系统也是一个自制系统，该系统可以进行多方面的功能自我控制，同时还可以进行能量自我管理。现在的技术条件下，微电网系统已经实现了既可和外部的电网系统并网运行，同时也可以进行孤岛运行。这种由分布式电源所组成的微电网运行模式的优势主要体现在四个方面：①电网的配电系统对电网系统中分布式电源所提供的电能的接纳能力得到了显著提高。②间歇式可再生能源的使用效率得到了大大提高，即便是在冷、热、电这样的多种负荷需求的条件下，也极有可能实现对于电能的使用模式的优化。使得配电网自身的能耗大大降低了，极大地优化了电网系统的运行模式。③在这种微电网系统供电的模式下，即便是局部的电网出现了一些故障，电网也可以采用孤岛模式正常运行，从而保证局部区域的负荷供电，极大地提高了电网系统持续供电的稳定性。

下面对微电网系统结构中各主要组成部分的功能进行简要介绍。

（1）负荷控制器和微电源控制器

一个微电网系统可大可小，既可以设计得复杂，也可以设计得简单，最终采用什么样的结构，要视具体情况而定。如图1所示，一个微电网系统的结构中，在其所有单元的电子输出端以及输出端所对应的公共耦合点上，均使用负荷控制器和微源控制器对其进行测试，并将测试获取的数据信息传输到电网系统的中心控制器中，以便对数据信息进行进一步的整合处理。

负荷控制器所对应的中心控制器在接收到指令以后，会对负荷控制器进行投切处理，从而测定出各回负荷线路上的功率、电流等数据值。微源控制器主要负责测定其所对应的微电源出口处的功率、电流等数据值，并将这些数据值上传到相应的中心控制器中。

（2）电网系统的中心控制器

对于一个电网系统来说，中心控制器很好地起到了协调和优化整个微电网系统各项功能以保证其正常运行的作用，具体体现在四个方面。其一，对微电网自身和主电网的运行进行监控，结合控制器上传的数据信息及时做出判断，运行中自动地进行并网和离网两种模式的自由转换；其二，电网系统的中心控制器依据电力市场的反馈信息以及主网调度的具体需求，及时对公共耦合点处的潮流做出调整；其三，微电网的中心控制器还可以根据

另外，需要说明的是，图1中所标示出的结构组成部分并不是所有微电网系统都必须要全部包含的，具体选择什么样的结构配置，还要结合具体的工程实践要求灵活选择。在进行电网系统设计的时候，主要考虑两个方面的因素，其一是本地需求负荷对微电网有什么样的性能要求；其二是微电网自身容量的大小。

图1 微电网的结构

（3）较大功率的快速开关结构

通常，为了确保电力供应的安全性，微电网系统中的电源禁止使用低电压穿越这一功能。就目前来说，微电网系统中离网模式和并网模式之间的高效的平滑切换技术仍然还没有得以实现。当然，这一技术的实现需要一定的时间和过程。

在我国当前的技术水平条件下，许多电力方面的专家和学者们都建议暂时先凭借灵活多变的微电网结构设计和先进的控制策略来弥补没有平滑切换技术这一缺陷，如此便可在一定程度上保证电网配电的持续性。因此，为了在离网模式下构建一个可以快速平衡供电的子区域，就需要在回路结构的入口处安装一个较大功率的快速开关结构。如此以来，当电网系统中出现了被动离网的突发状况时，此开关就会在并网和离网模式之间的快速切换中发挥极为重要的作用。

2、微电网平滑切换控制的方法策略

毕竟微电网系统中的微电源容量有限，很多时候并不能满足负荷增长的实际需求。在实际的负荷需求功率和电网系统的实际输出功率数值之间的差额较大的时候，整个微电网系统的电压频率值在离线状态下就会偏离系统电压频率的额定值，此种状态之下，微电网系统中两种运行模式的自由平稳切换已经不能仅仅依靠借助参数进行切换的方法和利用技术手段进行控制的方法了。此时，还必须借助于切负荷技术措施才能维持微电网系统能量的平衡性。

孤岛现象是并网运行模式下经常会出现的问题，一旦出现孤岛现象，就会使得微电网系统和主网断开，造成供电中断，孤岛现象一般主要由自然因素和电气故障引发。若是电网系统没有能够及时地发现孤岛现象的发生，使得电网系统中的分布式电源结构继续进行持续的供电，这样在公共电网系统中就形成了一个自给供电性的网络，并且不受电网的控制。该自给供电系统虽然也发生着电能的传输和消耗的过程，但是却和整个电网系统之间相互隔离，因此把这种现象称之为“孤岛现象”[1]。

对于微电网系统来说，电能存储结构非常重要。电能存储单元是整个微电网单元的主网单元，在大电网开始运行的时候，可以将微电网系统的分布式电源转换成P-Q模式运行，将大电网和微电网进行并网运行。若是储能换流器系统（Power Converter System，可以简写成PCS）对电能质量和大电网故障的要求比较高的时候，PCS系统可以将P-Q运行模式自动切换成V-F运行模式。并且当电网系统发生故障或是负荷对功率的要求和电网系统输出功率不相匹配的时候，可以进行就地控制，将并网连接处的开关断开，从而实现从并网运行模式到离网运行模式之间的平滑切换操作。若电网恢复正常运行后，还可以再切换成并网运行模式。微电网系统的并网/离网运行模式的切换控制原理图如图2。

图2 微电网系统并网/离网运行模式控制原理图

（1）微电网系统从并网模式到离网模式的平滑切换控制策略[2]

微电网系统中，其运行模式可以由并网模式无缝自动切换到离网运行模式的核心技术手段，主要包括两个方面的内容模块。模块一主要对大电网的运行状态进行实时精准的监控；模块二则主要是储能换流器系统稳定地将P-Q运行模式自动切换成V-F运行模式。

电能存储单元作为整个微电网单元的主网单元，其通过PCS系统可以实现对大电网的运行数据进行采集，从而对大电网的运行状态进行有效监控。根据数据信息的反馈结果，对微电网系统和大电网系统之间的并网开关进行操作，以实现微电网系统运行模式之间的自动平滑切换。

在进行监控的时候，被动式的识别是一种比较好的实施方案，仔细分析负载与电网系统之间的功率匹配度和电网运行的频率、电压等这些具体参数变化之间的对应关系，通过对频率和电压值的分析而判断出负载与电网系统之间功率的匹配程度。在分析主动式识别方式和锁相环的输出偏差两者之间关系的时候，比较好的实施方案是基于锁相技术的主动式识别技术。

进行运行模式切换的时候，主电网会出现短暂的断电现象，此时可以通过分析微电网系统的输出电压以及频率等特性来判定电网系统之间是否存在电力做功不匹配现象。在计算的时候，可以将微电网看成一个离网运行模式的电力供应系统，离网运行时的电网系统频率特征方程为：

式子（1）中：

R－离网系统中的负荷等效电阻

Wi－离网系统的频率

L－离网系统中的负荷等效电感

P－离网系统中的电源有功出力

Q－离网系统中的电源无功出力

C－离网系统中的负荷等效电容

q－离网系统中的负荷品质因素

由（1）式可得离网系统的频率为：

式子（3）中：

Ui－离网系统的电压幅值

Pload－离网系统的有功负荷

UN－离网系统的额定电压

从上边的公式推导结果来看，若是离网系统与微电网系统所供应的有功功率存在严重不匹配（也即ΔP的绝对数值比较大ΔP=Pload-P；），那么在断网的时候，电压幅度值的数值也会相应比较大。

式子（4）中：

εN－离网系统中电压幅度偏差允许值

从（2）可得，若是微电网所供应的无功功率和离网系统所需要的无功功率严重不匹配时（也即ΔQ的绝对数值比较大ΔQ=Qload-Q；），那么在断网的时候，ωi的数值变化幅度也会比较大。

式子（5）中：

ωN－离网前系统的频率值

εω－离网系统的电压频率幅度偏差允许值

基于锁相环的频率扰动主动式的系统识别，注意微电网在并行时，每个工期的锁相角度：

式子（6）中：

Δθ－开关周期对应角度的电压值

θ0工频周期锁相角度初始数值

fs－电网的控制系统开关频率值

第一工频周期开关所对应的电压相角值θk可以表示为：

第二工频周期第m个开关所对应工频相角值可以表示为：

式子（8）中：

θm－第m个开关所对应的锁相环输出的电压相角值。

若是θm〉2π，则相应的Δθ=Δθ0+Δψ。

其中Δψ代表的是锁相环发生扰动的步长值。

则第二工频周期第k个开关所对应工频相角值θk可以表示为：

这样可得锁相环控制系统中，任一开关对应电压的角度值计算，均可使用公式（9）来进行计算。锁相环通过扰动步长可实现有差锁相，借助有差锁相进而增加系统的频率扰动，最后通过这种频率扰动实现这种基于锁相环的主动识别方式[3]。

4、结语

离网运行模式向并网运行模式的切换相对简单，就地控制公共连接点PCC控制器对主电网的电压和频率值进行采集，根据数据反馈结果，调相器对微电网进行调节，使得微电网与主电网之间的电压和频率等数值偏差稳定在电网运行允许的范围之内，并将PCC开关闭合，将储能单元运行模式调节为P/Q工作模式，闭合并网开关即进入并网运行模式。

[1]刘敬玉,仵海涛.微电网平滑切换控制方法及策略[J].科技研究,2014.

[2]肖泽亮.微电网平滑切换控制方法及仿真研究[D].沈阳工业大学,2015.

[3]张岩.微电网平滑切换控制策略的研究 [D].辽宁工业大学,2016.