基于储能的交流微网运行模式无缝切换研究

白超

（国家电力投资集团贵州金元股份有限公司，贵阳 550081）

0 前言

分布式发电以其成本低，能源利用效率高，污染少的特点受到广泛的关注与研究[1]。微电网是一种集成分布式能源、换流器、储能和负荷的独立可控的系统，覆盖完整的发、配电和能源利用系统[2]。利用微电网可以实现对分布式能源的就地消纳，充分发挥分布式能源在经济、节能与环保中的优势[3]。一般情况下，具备储能装置的微电网可以工作在并网工作模式和离网工作模式下[4]，在并网运行状态时微电网与主网互为补充，协调运行，但在主网断开运行后微电网只能离网运行。

当交流微电网运行在离网模式时，考虑到分布式能源出力的波动性，将由储能装置为微电网系统提供稳定的电压u和频率f参考，并吸收不平衡功率以稳定整个系统[5]。文[6]利用由超级电容器组成的能量存储系统，在并/离网瞬间通过控制连接超级电容器的逆变器吸收不平衡功率，实现了微电网的并/离网无缝切换。文[7]对光储微电网进行建模，通过测量PCC点的电压和频率来控制储能变流器的工作模式，实现微电网的并/离网无缝切换。文[8]提出一种软件锁相的方法，为储能变流器提供相位基准，保证了微电网在切换过程中的母线电压相位的连续、平滑性，所提方法简单、可靠。文[9]针对含有蓄电池组的微电网提出一种基于前馈控制的微电网无缝切换策略，在逆变器端接入阻性负载，通过电网状态判别自动切换微电网运行的工作模式。

由上述文献可知，要实现微电网的并/离网无缝切换，对储能变流器采用合适的控制方式变得十分重要。本文在上述研究的基础上，提出一种微电网无缝切换控制策略以减少微电网在模式切换时的冲击。在内环添加了微分反馈补偿控制；在外环添加了微分前馈补偿控制，并与内环微分反馈控制共同工作，从而消除了切换过程中的冲击现象。

1 交流微电网结构与控制方法

本文所研究交流微电网结构如图1所示，其中包括静态开关（static transfer switch，STS）、储能电池和储能变流器、风力发电机和风机逆变器、光伏发电模块和光伏逆变器以及负荷。

图1 交流微电网结构示意图

正常运行状态下，STS处于闭合状态，微电网并网运行，当电网发生故障时或是电网电能质量不佳时，STS断开，微电网转为孤岛运行状态。

1.1 光伏发电模块

光伏板通过光伏逆变器与电网进行连接，光伏逆变器的控制器结构如图2所示。由图2可知，光伏逆变器采用由电压外环和电流内环组成的双环控制。外环控制器的电压参考命令值为MPPT寻优得到的UDCREF，电流内环通过PI控制器对dq轴的电流进行控制，以实现有功、无功功率的解耦控制。

图2 光伏模块控制器示意图

由图2可知，光伏逆变器的控制器公式表示如下：

上式中，udcref、udc、Kpdc和Kidc分别为直流电压参考值、直流电压测量值、外环PI控制器比例参数和积分参数；idref、id、Kp_id和KI_id分别为电流内环控制器的d轴电流参考值、d轴电流测量值，d轴电流环控制器的比例参数和积分参数；iqref、iq、Kp_iq和KI_iq分别为电流内环控制器的q轴电流参考值、q轴电流测量值，q轴电流环控制器的比例参数和积分参数。

1.2 风力发电机模型

本文选择直驱风机作为风力发电模块的风机模型，直驱风力发电系统结构如图3所示。

图3 直驱风力发电系统结构示意图

风机通过背靠背换流器与电网进行连接，采用永磁同步发电机与全功率变流器进行配合可以改善电能质量，并能有效减少风机对低压电网的冲击[10]。根据文献[10]设计直驱风力发电系统的整体控制策略，可以得到风力发电系统整体控制如图4所示。

图4 风力发电系统整体控制

1.3 储能控制系统模型

储能变流器采用三相全桥变流器拓扑，蓄电池通过储能变流器与电网进行连接，其结构如图5所示。

图5 储能变流器拓扑结构

储能变流器作为主控单元，需具备在P/Q和V/F两种工作模式中切换的功能。当微电网处于并网运行模式时，储能变流器工作在P/Q模式；当微电网处于离网运行模式时，储能变流器工作在V/F模式，为整个交流微电网系统提供电压和频率参考以防止微网系统失去稳定。

1.3.1 并网运行控制模式

当图1中的STS闭合时，微电网与大电网连接，储能变流器处于并网工作模式，根据基尔霍夫定律，可以得到逆变器输出的电压方程如下式表示：

式（3）采用dq坐标表示，其中，uId和uIq分别表示变流器输出电压的d、q轴分量；uFd和uFd分别表示电网电压的d、q轴分量；id和iq分别为变流器输出电流的d、q轴分量；ω和L分别为电网同步转速和滤波电感值。

经过dq解耦后变流器可实现对有功功率和无功功率的分别控制，此时采用P/Q控制的变流器控制结构如图6所示。

图6 储能变流器并网工作模式

由图6可知，采用PI控制的控制器方程为：

上式中，Kpd、Kid、Kpq、Kiq分别为电流环d轴比例参数、积分参数和电流环q轴的比例参数和积分参数；idref为电流环的d轴参考电流值。

1.3.2 离网运行控制模式

当STS断开时，微电网处于离网运行模式，采用V/F控制，离网运行控制框图如图7所示。

图7 储能变流器离网工作模式

在离网运行时，为使变流器输出电压为50Hz，可在控制器内部生成一个频率为50Hz的参考正弦波，将该参考波形作为dq转换的定向矢量，使得dq变换输出的

2 微电网无缝切换方法

无论微电网处于并网还是离网运行模式，其都必须保证其内部频率稳定，电能质量符合配网要求；另一方面，当微电网在进行并/离网工作模式切换时，需保证其内部电压幅值、频率没有太大变化，不能有过大的冲击电流导致系统失去稳定，若是满足以上条件，则认为微电网无缝切换成功。

微电网通常处于并网运行状态，当配电网发生故障或者检测到PCC点的电能质量不满足要求时，迅速打开STS，使微电网脱离配网转为离网运行状态，储能的控制方式由P/Q控制转为V/F控制；当主网恢复正常运行时，需要闭合STS使微电网重新并网运行，此时，储能的控制方式又会由V/F控制转为P/Q控制。当微电网运行模式发生切换时，由于控制目标和控制策略的改变，会导致电压或电流的突变，并对系统造成冲击[3]。为避免在切换过程中受到较大冲击，以及能够在离网运行时保证电压、频率的稳定，本文提出一种双环补偿控制方案，并网运行采用P/Q控制时，在内环添加了微分反馈补偿控制；离网运行时采用V/F控制，在外环添加了微分前馈补偿控制，并与内环微分反馈控制共同工作，从而消除了切换过程中的冲击现象。本文提出的基于储能的微电网运行模式无缝切换控制方式如图8所示。

图8 微电网并离网无缝切换控制

图8中反馈补偿和前馈补偿微分环节增益为K0。在外环增加前馈补偿微分控制，实质上使原本的PI控制器变为了PID控制器，利用微分补偿环节改善系统的动态特性，使得输入偏差信号值在变化太大之前，引入一个有效的早期修正信号以减少调节时间，增加控制系统的调节速度；在模式切换前由于内环PI控制器的输出已经是稳定值，切换后输出结果有一个从零到稳定的重新调整的过程，故在内环控制器添加反馈补偿环节，将切换前的输出补偿到切换后的控制器输入当中，意味着在切换后进行电压控制时，内环电流控制器有一个参考初值，避免了电流冲击的现象。

3 仿真验证

利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建如图1所示交流微电网模型，其中，所有分布式电源都采用P/Q控制，其无功功率参考值都设定为0；光伏发电的有功功率参考命令为160kW，风机系统有功功率参考命令为200kW，储能的有功功率参考命令为150kW，负载为300kW；补偿控制微分增益K0设定为6×10-4。

算例1

0～2秒时STS闭合，微电网与大电网并网运行，此时储能变流器工作在P/Q控制模式下；2～4时断开STS，微电网离网运行，储能变流器工作在V/F控制模式下，不采用电压电流补偿控制，微电网运行特性如图9所示。

图9 未采用电压电流补偿的微电网运行特性

根据图9可以看出，当微电网处于并网运行模式时，各个分布式发电系统能够按照给定的有功、无功命令参考值稳定地输出功率，微电网运行状态良好；在2s转为离网运行后，储能变流器和风机逆变器发出的无功功率发生了波动，这是由于储能变流器无法快速稳定交流母线电压和频率的缘故，而离网时的电流也含有较大冲击，可能会对微网系统造成伤害；在4s结束离网运行后，可以看到并网点电流产生了较大冲击，以上在并/离网时发生的电流冲击都是不利于电网稳定运行的。

算例2

储能变流器采用如图8所示的电压电流补偿控制，其余设定与算例1相同，微电网在并/离网运行模式切换时的运行特性如图10所示。

图10 采用电压电流补偿的微电网运行特性

采用电压电流补偿后，通过图10可以看到，成功消除了并网点的冲击电流，储能变流器在离网期间承担了不平衡功率，其余各个功率单元在微电网并/离网过程中运行平稳，验证了本文所提出的方法。

4 结束语

本文为实现基于储能的交流微电网无缝切换，提出了基于一种电压、电流环补偿控制的无缝切换控制策略，经过仿真算例验证了该策略的可行性和有效性，消除了微电网在并/离网工作模式切换下的冲击电流，实现了交流微电网的无缝切换。