基于主从结构的微电网平滑切换控制方法分析

胡森 葛鹏 李迎龙

摘  要：微电网在并网运行和孤岛运行模式的平滑切换控制是微电网稳定运行的重要条件，对于微电网的可靠安全运行具有重要意义。为此，文章建立了基于主从结构的光储微电网系统，在分析逆变器结构的基础上提出一种综合控制方法;根据微电网切换过程中存在的问题，采用基于状态跟随和预同步的方法实现微电网双模式运行的平滑切换控制，并在MATLAB/Simulink仿真平台上建立模型进行仿真验证，仿真结果表明了所提控制方法的有效性。

关键词：微电网;并网模式;孤岛模式;平滑切换

中图分类号：TM732 文献标志码：A      文章编号：2095-2945（2019）10-0007-04

Abstract： The smooth switching control of the micro-grid in the grid-connected operation mode and the island operation mode is an important condition for the stable operation of the micro-grid， which is of great significance for the reliable and safe operation of the micro-grid. Therefore， this paper establishes a micro-grid system based on master-slave structure， and proposes an integrated control method based on the analysis of inverter structure. According to the problems existing in the micro-grid switching process， the smooth switching control of the micro-grid dual-mode operation is implemented based on the state following and pre-synchronization methods， and the model is built on the MATLAB/Simulink simulation platform for simulation verification. The simulation results show the effectiveness of the proposed control method.

Keywords： micro-grid; grid-connected mode; island mode; smooth switching

引言

伴随着能源危机的日益加重及传统大电网的不足之处日渐显露，人们迫切需要寻找一种更加清洁、可靠、高效的发电技术[1-2]。而目前分布式发电技术得到广泛应用，于是相关的学者及专家便提出了微电网的概念[3]。微电网是集分布式电源、储能设备、负荷、中央控制器和保护装置为一体的发电方式，分为并网运行和孤岛运行两种运行模式[4-5]。在无故障状态下，微电网并网运行;当大电网非正常运行或需要维护时，微电网就会断开和大电网的连接转而进入孤岛运行模式;如果大电网故障得以排除并正常运行时，微电网重新连接大电网恢复到并网运行模式。由此可以看出，微电网双模式的平滑切换对于整个系统的稳定运行至关重要[6-7]。由于主从结构在孤岛运行时系统的电压和频率能够得以稳定，因此实际工程中微电网都是以主从结构为主。文献[8]中提及主逆变器在并网运行时采用PQ控制，在离网运行时采用V/f控制，在切换过程中由于控制方式的改变会引起电压、频率及功率有较大的冲击，不满足微电网的稳定运行。本文采用基于状态跟随和预同步的方法进行微电网的切换控制，实现微电网系统并离网的平滑切换。

1 微电网系统结构

本文所研究的微电网系统结构如图1所示，微电源与负荷组成的微网系统和配电网相连接，通过控制公共连接点PCC的开通与关断实现微电网的并网与孤岛运行。

2 微电网主从控制策略

微电网的主从控制是指微网孤岛运行时，其中的一个或几个为主控微电源，其他的为从控微电源，主控源向从控源提供电压和频率的参考，用以维持微电网的稳定运行。目前主要有3种控制方式：恒功率控制（PQ控制）、恒压/恒频控制（V/f控制）、下垂控制（droop控制）。PQ控制用以实现微电源的恒功率输出，对于风机、光伏等这些不可控微电源来说，能够保证功率的最大利用;像微型燃汽轮机、燃料电池等这样的可控性微电源，可以采取V/f控制来保证恒压恒频输出以确保在孤岛运行时微电网有稳定的电压和频率得以支撑。

2.1 微电网并网运行时控制策略

微电网并网运行时，因为大电网维持了微电网的电压和频率稳定而不必依靠微电源自身来维系，因此微电源都采用PQ控制来实现能源的最大利用。PQ控制原理图如图2所示，逆变器的三相瞬时电压电流经派克变换后得到dq轴下的vdq和idq，从而获得瞬时功率P和Q，经过低通滤波器后分别与参考信号Pref和Qref进行比较，最后通过PI控制得到电流内环的参考信号idref和iqref。在内环控制中，id、iq分别与idref、iqref比较后经过PI控制，同时通过电压前馈和交叉耦合補偿后输出调制信号。

2.2 微电网孤岛运行时控制策略

微电网在孤岛运行时，因为没有了大电网的支撑，微电网运行将变得很不稳定，电压和频率会产生震荡，在并离网切换时容易使微电网崩溃，因此在孤岛运行时，主控源即储能电源需切换到V/f控制来维持微电网的电压和频率稳定，光伏电源仍使用PQ控制方式。V/f控制原理图如图3所示，由锁相环得到的系统频率f与参考频率fref作比较后得到的频率差经过PI调节器后形成有功功率的参考信号Pref;同样的，系统的电压U与参考电压Uref作比较后得到的电压差经过PI调节器后形成无功功率的参考信号Qref。Pref和Qref分别与经过低通滤波器的P和Q比较后得到的功率差最后通过PI控制得到电流内环的参考信号idref和iqref。

2.3 并网转孤岛的平滑切换

当微电网并网运行时，储能电源逆变器使用的是PQ控制，当孤岛检测到微电网独立运行时，需立即切换控制方式为V/f控制。当运行在PQ控制时，PQ控制器输出的电流内环参考信号到内环控制器，而此时V/f控制器输出信号为零。当切换到孤岛运行模式时，PQ控制器退出运行，此时V/f控制器参与运行，其控制信号被瞬间切入，于是电流内环的输入信号由某一数值瞬间变为零。因此，在微电网双模式切换时，电压和频率会产生比较大的震动。

至于怎样防止因模式切换输出状态的不吻合导致的微电网系统运行不稳定，对主控源选取基于控制器负反饋状态跟随的平滑切换方法，其原理如图4所示。并网运行时，K1和K4闭合，K2和K3断开，此时储能电源逆变器采用的是PQ控制，用一个负反馈信号将V/f控制器的输出与PQ控制器的输出叠加作为V/f控制器的输入信号，再经过PI控制器作无差调节后使得V/f的输出状态与PQ控制器的输出状态保持一致。当转换为孤岛运行时，K1和K4断开，K2和K3闭合，这个时候PQ控制器退出运行，V/f控制器切入系统中，因为V/f控制器的输出状态与切换前的PQ控制输出状态一致，因此实现了微电网并网到孤岛的平滑切换。

2.4 孤岛转并网的平滑切换

微电网运行在孤岛模式时，主控逆变器为微电网提供了电压和频率，所以其与大电网的电压和频率也会存在一定差异。若微电网系统接收到并网信号后就立即并网，其与大电网的电压及频率的差异会造成强大的冲击，严重影响微电网的稳定运行。因此，在并网前，最重要的就是预同步控制，让微电网的电压幅值、相位以及频率与大电网保持相同，使其满足并网条件。

预同步控制可以分为电压预同步和相位预同步，将电网电压作为参考值，逆变器输出的电压幅值在预同步过程中逐渐与电网电压相同。因为微电网的电压通过派克变换后q轴的电压分量为零，所以在电压预同步过程中只要求d轴分量与电网电压同步。电压预同步控制如图5所示，大电网电压经过派克变换后取d轴分量，因为大电网的电压等级和微电网的不同，于是便引入了电压等级因子K，然后与逆变器输出的d轴电压udinv作比较后的电压差再由PI控制器得到电压补偿值udsyn，最后与大电网参考电压叠加后形成新的参考电压。相位预同步如图6所示，大电网的相位与逆变器相位的差值Δθ通过PI调节后得到角频率的补偿值ωc。若θg>θ，则ωc>0，于是角频率将会变大，使得逆变器的输出相位不断逼近大电网的相位，相反也是一样。当大电网的相位与逆变器输出的相位一致时，补偿值将不会变化，预同步完成。补偿后的角频率通过积分后形成相角值，最后和2π取模形成最终的逆变器相角值。

3 仿真与分析

3.1 仿真参数

本文在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建了图1 所示的主从结构的微电网系统模型，因为本文的重点为微电网的平滑切换研究，所以微电源以两个等效直流源代替，其主要参数设置如下：主电源逆变器并网时为10kW、2kVar;从逆变器为50kW、10kVar;总负荷为90kW、18kVar。微电网系统的电压为380V，直流侧电压为800V，频率为50Hz。

3.2 运行模式切换仿真分析

4 结论

微电网并网与孤岛运行模式的平滑切换是微电网稳定可靠运行的基本保证。针对微电网主从结构的特点，采用了并网模式下主从微电源都为恒功率控制方式;孤岛模式下，主控微电源切换为恒压恒频控制，而从控微电源的控制方式不变。在并网到离网的切换过程中，引进了控制器状态跟随的控制方式;在离网到并网的过程中，加入了预同步控制，使得微电网的电压和频率与大电网保持一致，完成并网过程。最后在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建光储微电网系统模型来验证所提出的控制方法。仿真结果表明，在微电网并离网切换过程中，能够保持系统的功率平衡，电压和频率都被控制在允许范围之内，实现了微电网的平滑切换。

参考文献：

[1]周孝信，陈树勇，鲁宗相.电网和电网技术发展的回顾与展望——试论三代电网[J].中国电机工程学报，2013，33（22）：1-11.

[2]黄伟，孙昶辉，吴子平，等.含分布式发电系统的微网技术研究综述[J].电网技术，2009，33（09）：14-18.

[3]Standards Coordinating Committee 21.1574. IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems[S]. New York： IEEE， 2003.

[4]苏虎，曹炜，孙静，等.基于改进下垂控制的微网协调控制策略[J].电力系统保护与控制，2014，42（11）：92-98.

[5]王建，李兴源，邱晓燕.含有分布式发电装置的电力系统研究综述[J].电力系统自动化，2005（24）：90-97.

[6]鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007（19）：100-107.

[7]姬秋华.基于主从结构的微电网综合控制策略研究[D].南京航空航天大学，2013.

[8]王赞，肖岚，姚志垒，等.并网独立双模式控制高性能逆变器设计与实现[J].中国电机工程学报，2007（01）：54-59.