基于光伏源的微电网孤岛/联网平滑切换控制

徐鹏坤，单晓晨

(江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212001)

随着清洁、可再生的分布式电源(DG)的快速发展，相关研究人员提出了微电网这一概念，旨在实现DG的优势最大化的同时减小其对电力系统的不利影响[1]。微电网具有将微源大规模并网、为用户不间歇供电等优势，因此具有重要的研究意义[2]。

微网中的微源需要借助电力电子装置与常规配电网并网运行。其中，光伏电池为代表的光伏源对外界(气温、光照等)敏感性较强，意味着相关的微电网控制策略对快速性和精确性有更高的要求，研究其并网运行的特性更具实际意义与代表性[3-7]。

微网有两种运行模式：孤岛运行和联网运行，其控制方法中，如何实现孤岛与联网的平滑切换最具有研究意义，也较难实现。因此，相关研究人员进行了广泛的研究，文献[8]对风光混合系统在PQ和下垂两种控制策略下的模式切换进行了研究，提出的综合控制策略虽然各项指标良好，但并未针对并网过程中产生的暂态振荡进行修正。文献[9]则是基于主从控制的微电网，对运行模式的平滑切换方法进行了研究，提出的控制器状态补偿方法有效减少了电流电压振荡，具有良好的借鉴意义。文献[10]基于风、光和电池组成的混合系统，提出了一种依据电压和频率偏移量来选择控制策略的微网综合控制方法，其仿真表明该方法在孤岛模式下具有良好的效果。

本文基于含光伏源的微网系统，对微网孤岛和联网运行模式的平滑切换进行研究。并结合改进后的预同步控制器，建立了一套由PQ控制器初始输出状态决定V/f控制器输出状态最终实现同步跟随的平滑切换控制方法。对给定参数下电压电流双环控制系统的性能与输出阻抗进行了分析和计算。计算及仿真结果表明，该方法效果良好，有效改善了并网过程中产生的不必要的暂态振荡。

1 微网结构及平滑模式切换

1.1 微网结构

图1所示为本文采用的光伏—直流源逆变模型，也是微电网的主电源。光伏源和直流电压源先后通过逆变器与LC滤波器接入微电网。正常工作情况下，微电网在公共连接点(PCC)处经过静态转换开关接入大电网。而当大电网发生故障时，也可通过迅速关断静态转换开关进行隔离，保证微电网依旧能够正常运行。此外，该结构由于功率流直接从公共电网流向微电网，能有效减小分布式电源的负担。此外，其负荷扰动下的稳定性也获得了提高[11]。

图1 微电网结构

1.2 微网平滑模式切换

由于微网在不同运行模式下采用的控制策略有一定差异，并网瞬间控制模式切换过程中会产生不可忽视的暂态振荡。因此，本文提出了一种由PQ控制器初始输出状态决定V/f控制器输出状态，最终实现同步跟随的平滑切换控制方法。孤岛模式时，采集V/f控制器输出电压的dq分量，并将其设定为PQ控制器输出电压dq分量的参考值，在并网控制策略切换过程中实现状态同步控制，减小切换瞬间的暂态振荡。

1.2.1 控制器状态同步控制方法

图2 基于下垂的V/f控制器原理图

功率与电流电压关系如下(dq旋转坐标系)

P=UdId+UqIq

(1)

Q=UqId-UdIq

(2)

依次用Pref、Qref、Idref、Iqref替换，可以得到

(3)

(4)

图3 控制器状态同步控制原理图

联网前，K1、K2断开，K3、K4闭合，同步控制开始，PI2成为PQ控制器的电流控制器，PI1提供PI2的参考电流；联网后，K1、K2闭合，K3、K4关断，PQ控制器依照给定的参考功率进行输出。

1.2.2 预同步控制器设计

本文使用改进后的预同步控制器，如图4所示，Um_d(UG_d)和Um_q(UG_q)分别是微电网(大电网)一侧母线电压dq值；Ud_ref和Uq_ref分别为输出到双环控制器的参考电压dq值；kmG是两边电压存在差异时所引入的变比因子。结合图1和图3可知，该预同步控制器能较好完成微电网重新并网的调节工作。

图4 改进后的预同步控制器结构原理图

2 双环控制器参数分析

本文采用电容电流反馈作为电压电流双环控制器的内环反馈，提前矫正输出电压，提高逆变器的带负载能力，如图5所示[13-15]。

图5 双环控制器结构

电流内环传递函数可表示为

(5)

其中，电流比例增益函数为

(6)

推导电压环传递函数为

(7)

其中，电压比例增益函数为

(8)

因此，得到的逆变器等效输出阻抗为

(9)

设置参数如下：逆变器直流侧电压Udc=120 V，载波频率fs=6 kHz，LC滤波器中L=0.6 mH，C=1 500 uF，kup=2，kui=100，k=2。得到的阶跃响应和频率响应图，分别如图6和图7所示，双环系统动态响应性能良好，调整时间较短；输出阻抗在50 Hz处表现为感性，高频段则主要为阻性。在满足下垂特性的同时，较大程度上抑制了谐波的生成。

图6 Gu(s)阶跃响应

图7 Z(s)频域响应

3 仿真与分析

仿真系统即为图1所示的微电网结构，仿真参数按如下设置：微电网(大电网)一侧母线电压为60 V(380 V)；负荷1有功(无功)100 kW(10 kvar)；负荷2有功(无功)7 kW(1 kvar)；负荷3有功(无功)2.5 kW(1 kvar)；额定有功(无功)5 kW(1.5 kvar)；光伏源设定为最大功率输出模式，功率因数为1，标定环境下(光照1 kW/m2，温度25 ℃)最大输出功率为1.6 kW；低压线路为阻抗(0.5 Ω/km)；滤波电感、电容及电压电流双环控制器参数如上文设置；联网运行时设置直流逆变源PQ控制为参考有功(无功)5.5 kW(1.5 kvar)。

工作状态中的光照强度保持为1 kW/m2，仿真结果如图8～图11所示，0～0.45 s，微电网以孤岛模式进行工作，其中0～0.3 s直流逆变源使用的是V/f控制，0.3～0.45 s由于接收到了并网信号，改进的预同步控制器开始进入工作状态，对大电网电压进行跟踪；0.45 s时，静态转换开关闭合，使微网正式并入大电网，此时的直流逆变源切换为PQ控制；到0.7 s，微网与大电网连接断开，控制模式保持PQ控制不变；0.8 s时接收到了孤岛信号，直流逆变源切换回V/f控制模式。

如图9(a)所示，0.3 s时预同步控制器开始进入工作状态，此时直流逆变源有功只是略微下降；0.45 s时的并网以及0.7 s时的断网，有功的输出波动均较小。可见全程切换平滑，光伏源以最大功率进行输出。如图9(b)所示，光伏源全程无功输出为0，直流逆变源在断网后的切换过程中无功输出波动稍大，但能较快进入稳定状态。由图10可知，整个过程中频率波动变化较小，保持在±0.5 Hz之内，处于小功率微电网的频率变化要求范围(±1 Hz)之内。从图11中可以看到，改进后的预同步控制器能使微电网与大电网母线端电压保持一致，跟踪效果良好，可为进入并网状态提供有利条件。

图8 平滑模式下微源单相电压电流

图9 平滑切换下微源有功和无功输出

图10 平滑切换过程中微网频率

图11 PCC两侧单相电压

4 结束语

保证微电网能够迅速平稳地进行孤岛/联网平滑切换，是微电网能够安全稳定运行的重要条件。针对这一要求，本文基于含光伏源的微网系统，对微网孤岛和联网运行模式的平滑切换进行了研究。结合改进后的预同步控制器，建立了一套由PQ控制器初始输出状态决定V/f控制器输出状态最终实现同步跟随的平滑切换控制方法。此外，本文还在给定参数条件下计算分析了电压电流双环控制系统的相关性能。仿真结果表明，微网孤岛和联网运行模式的切换效果良好，切换过程平稳，并未出现较大的暂态振荡，较好地满足了平滑切换的需求。由于文中只是针对于含光伏源的微网系统进行研究，较为单一，今后可丰富微源进行微电网各模式间的平滑切换研究。

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