微网逆变器并网/孤岛无缝切换控制研究

刘玥妤 赵艳雷 刘伟 刘韩琦

摘  要： 微网并网运行与离网孤岛运行之间的切换会引起电压电流的暂态冲击，从而威胁系统的可靠运行。研究微网离并网运行时的恒压恒频与恒功率控制策略，并提出基于滞环缓冲环节的并网/孤岛无缝切换策略，抑制并网/孤岛切换过程中产生的暂态冲击。最后建立系统的Matlab/Simulink仿真模型，分别仿真分析了传统控制策略和新型控制策略。仿真结果表明，提出的新型切换控制策略可有效抑制切换过程中的暂态冲击，实现微网的平滑切换。

关键词： 微网; 逆变器; 无缝切换; PQ控制; [V/f]控制; 新能源

中图分类号： TN876?34                           文献标识码： A                        文章编号： 1004?373X（2019）09?0076?05

Study on grid?connected/islanding seamless switching control of microgrid inverter

LIU Yueyu， ZHAO Yanlei， LIU Wei， LIU Hanqi

（School of Electrical and Electronic Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255000， China）

Abstract： The switching between the grid?connected operation and islanding operation of microgrid will cause the transient impact of voltage and current， and thus threaten the reliable operation of the system. The constant voltage and constant frequency， and constant power control strategies of grid?connected and off?grid operation for microgrid are studied， and the grid?connected/islanding seamless switching strategy based on hysteresis buffer unit is proposed to suppress the transient impact during grid?connected and islanding switching process. The Matlab/Simulink simulation model of the system was established， and the traditional control strategy and new control strategy were simulated and analyzed respectively. The simulation results show that the proposed switching control strategy can effectively suppress the transient impact in the switching process， and realize the smooth switching of the microgrid.

Keywords： microgrid; inverter; seamless switching; PQ control; [V/f] control; new energy

0  引  言

为融合新能源发电、负荷和配电网，提高能源综合利用率，微网方式的组网架构被提出[1?4]。微网是由分布式电源、储能单元、变换器、负荷以及监控保护单元等部分构成的小型智能发配电系统。微网主要包含并网运行和孤岛运行两种运行方式。避免两种模式切换过程出现的暂态冲击，实现并网/孤岛无缝切换是微网运行控制的目标之一。

文献[5]提出一种双模式逆变器结构模型，研究了一种电压电流加权控制策略，保证切换过程中的稳定性和电压电流的平滑输出。文献[6]提出一种基于储能的微网无缝切换技术，采用功率外环、电压环、电流内环三环控制策略，可以保证系统在并网向离网运行切换时电压和频率的稳定。文献[7?9]提出两种控制模式下均通过控制电容两侧电压来实现，并在并/离网转换时切除外侧电流环，使运行模式切换时实现良好的负载电压控制。文献[10]提出基于XML的并/离网平滑切换控制策略实现方法，根据运行数据识别微网运行模式，自动切换DER至适合该模式的控制策略，提高了微网运行的稳定性和可靠性。文献[11]通过二阶滑模控制实现了光伏、内燃机微网的双模式切换，其无需并/离网运行状态检测机制就实现了并网向离网运行模式的过渡。上述方法对微网切换过程中产生的冲击起到一定的抑制作用，但并不能完全消除，且部分方案过于复杂，切换速度慢，动态性能不佳，工程上难以实现。因此，必须设計一种控制结构简单且兼顾灵活性的控制器来抑制微网切换过程中出现的扰动，实现微网两种运行模式平滑切换。

本文针对微网两种模式下的控制目标，分别分析了控制器的设计策略。本文同时分析了微网系统并/离网切换前后易产生电压、电流畸变，电压震荡等问题，并提出一种改进的并/离网控制模式切换方法。该方法通过在微网控制系统中引入惯性环节，抑制微网切换过程中产生的电压、电流畸变冲击，保证不同模式切换时微网逆变器电压、电流的连续性和平滑性。最后，本文建立微网系统的仿真模型，对三种场景下的无缝切换改进策略进行仿真分析，验证了本文策略的可行性。

1  微网结构及逆变器控制

1.1  微网及储能逆变器结构

微网可高效整合分布式新能源与本地负载，并通过离/并网开关接入交流电网，其典型结构如图1所示。当微网并网运行时，系统电压与频率由电网维持，储能单元通常工作于功率控制方式下。当电网退出运行时，储能单元作为系统的主电源维持系统母线电压与频率稳定，此时储能装置一般工作在恒压恒频控制方式下。因此，微网离/并网的切换伴随着储能逆变器控制方式的调整。如果储能逆变器控制方式的调整引起了冲击则会对微网的稳定运行造成不利影响。

图1  微网系统结构

储能单元的DC?AC逆变器采用PWM控制技术，其输出电压存在丰富的开关谐波，因此，逆变器出口通常接入滤波装置，典型结构如图2所示。

图2  微网逆变器结构

圖2中滤波器为LCL滤波器，电容[C]为高频谐波电流提供了旁路通路。配电网与微网的连接点称之为公共耦合点（Point of Common Couple，PCC），在PCC处采用控制开关实现微网的并网与离网控制。

1.2  储能逆变器控制策略

1.2.1  恒功率控制

恒功率控制实现储能单元按照给定的参考功率输出恒定的有功和无功，其通过有功和无功解耦后分别进行控制，控制原理如图3所示。

图3  恒功率控制框图

为简化控制流程，恒功率控制仅采用电流环控制，电流环输入的直轴和交轴参考电流[idref]，[iqref]根据电网电压和输出功率参考值计算给出，其计算式为：

式中：[Pref]，[Qref]为变换器输出参考功率;[ud]为电网电压的直轴分量。电流环控制采用PI控制，其中，[kpid]，[kiid]以及[kpiq]，[kiiq]分别为电流PI环直轴和交轴控制的比例系数与积分系数。

1.2.2  恒压恒频控制策略

当微网失去交流配网的支撑时，采用恒压恒频控制的变换器支撑交流母线的电压和频率恒定，其控制原理如图4所示。恒压恒频控制采用双PI环控制，其中电压环参考值[udref]，[uqref]根据控制目标给定。[kpud]，[kiud]以及[kpuq]，[kiuq]分别为电压PI环直轴和交轴控制的比例系数与积分系数;[kpid]，[kiid]以及[kpiq]，[kiiq]分别为电流PI环直轴和交轴控制的比例系数与积分系数。

2  并网/孤岛无缝切换控制技术

当微网的运行状态进行切换时，逆变器的控制策略也在恒压恒频控制和恒功率控制之间进行切换。当采用恒功率控制时，逆变控制器采用电流内环控制方式，[idref]，[iqref]由功率计算得到。当采用[V/f]控制时，逆变器的电流环参考电流由电压外环根据电压参考信号[udref]，[uqref]计算而得。因此，在控制方式进行切换时，如果不采取合适的控制策略，电流内环的参考电流将发生暂态突变，从而引起变换器输出电流出现暂态冲击，导致微网运行状态切换时发生振荡和冲击。

图4  恒压恒频控制框图

本文在逆变器的控制器中引入惯性环节，该环节可实现系统切换时[iref]迟滞增减，从而抑制[iref]突变产生的冲击。

典型惯性环节的传递函数为：

图5  惯性环节单位阶跃响应

由图5可知，尽管输入阶跃信号在[t=0] s时刻阶跃为1，但是经过惯性环节后其输出需经过一定时间方可追踪到输入值1。时间常数[T]越大，环节的惯性越大，则响应时间越长。因此，惯性环节可以抑制由运行方式切换引起的电流内环参考信号突变问题，从而实现运行方式的无缝切换。惯性环节在实际工程中应用广泛，其实用价值明显。惯性环节的控制原理如图6所示。引入惯性环节改进的无缝切换控制原理如图7所示。

微网系统并网运行时，[d]轴和[q]轴的电流环参考值由PQ控制方式所确定的功率计算所得，此时离/并网开关分别接通在B，E开关上。系统由并网运行方式切换至孤岛时，储能装置需要切换为恒压恒频控制方式，此时系统的离/并网开关应当切换至A，D位置。为防止在切换过程中引起参考电流暂态冲击，本文在切换后引入滞环控制，使得内环参考电流逐渐调整到恒压恒频所需值。

图6  惯性环节控制原理

图7  无缝切换控制原理

3  仿真结果及分析

本文基于Matlab/Simulink平台搭建微网的仿真模型，微网系统内部包含1台储能转换装置和1台分布式电源，其中储能电源根据微网运行情况选择恒压恒频控制或恒功率控制，分布式电源采用恒功率控制，为系统提供稳定的功率支撑。微网与交流配电网通过交流断路器连接，交流配电网采用理想三相电源模型，系统有关参数如表1所示。

表1  系统相关参数

微網与大电网并网运行时，系统的电流一般有三种流动情况，本文分别对这三种情况下的无缝切换进行仿真。场景一：大电网和微网同时向负荷供电;场景二：大电网提供全部负荷所需功率，同时将多余的功率供给微网;场景三：微网能够满足全部负荷的功率，同时将多余的功率供给电网。各单元电流分配情况如表2所示，负号表示吸收电流。

3.1  场景一：大电网和微网同时供电

转换前电网电压正常，逆变器工作于并网模式，电网与储能系统共同提供负荷电流。此时系统电流流动情况满足：

式中：[Iinc]为变换器输出电流;[Igrid]为电网电流;[Iload]为负载消耗电流。当电网故障或计划孤岛时，微网须脱网独立运行，[t=]0.1 s时，使用延时装置断开并网断路器造成大电网故障现象，迫使系统由并网向孤岛模式切换，逆变器控制从PQ控制方式切换至[V/f]控制方式。

表2  并网/孤岛模式下各单元电流分配情况

微网运行状态切换过程的仿真结果如图8所示，其中图8自上而下分别为逆变器侧输出的三相电压、逆变器侧三相电流以及三相电网电流。采用本文提出的改进控制策略并经优化设计后，微网母线电压在模式切换时基本维持不变，仅出现了非常微小的抖动，而且逆变器的输出电流也没有出现较大的振荡或者超调。整个切换过程只用了6.6 ms，非常理想地完成了模式切换，确保了系统稳定运行，保证了重要负荷的供电质量。

图8  改进控制策略仿真波形（一）

3.2  场景二：大电网提供负荷功率

此条件下，大电网向负载供电并储能电池充电，此时系统电流流动情况为：

由图9可知：电压电流各项指标均保持稳定，没有出现较大波动，且整个切换过程只用了6.5 ms，说明本文提出的控制策略也能较好地完成场景二的切换。

3.3  场景三：微网提供负荷功率

微网能够满足全部负荷的功率，同时将多余的功率供给电网，此时电流流动情况为：

图9  改进控制策略仿真波形（二）

图10  改进控制策略仿真波形（三）

由上述分析可知，本文提出的新型控制策略可以同时适用于系统三种不同状态下的切换，并且较好地解决模式切换中存在的技术难题，实现并网/孤岛两种工作模式之间的平滑无缝切换。

4  结  论

分布式电源以微网方式组网，可高效利用新型能源并降低对传统电网的冲击。微网的离/并网运行可实现能源的合理分配，提高能源利用效率，但是运行状态切换引起的暂态冲击与振荡可对系统运行造成严重威胁。因此本文分析了微网离/并网切换过程引起电压、电流冲击的原因，并提出一种引入惯性环节的无缝切换技术，抑制双模式切换时产生的电压、电流冲击与畸变。本文通过建立Matlab/Simulink仿真模型，对文中提出的相关控制策略开展了仿真研究，仿真结果表明，文中提出的控制策略可实现微网两种运行状态的无缝切换。

注：本文通讯作者为赵艳雷。

参考文献

[1] 许志荣，杨苹，彭嘉俊.单/三相光储型多微网并离网切换策略[J].电网技术，2016，40（11）：3459?3466.

XU Zhirong， YANG Ping， PENG Jiajun. Mode transfer strategies for PV?ESS multi?microgrids with three?phase/single?phase architecture [J]. Power system technology， 2016， 40（11）： 3459?3466.

[2] 胡实，袁旭峰，朱余林.微网运行模式无缝切换控制技术研究[J].电测与仪表，2018，55（17）：56?67.

HU Shi， YUAN Xufeng， ZHU Yulin， et al. Research on seamless switching control technology of micro?grid operation mode [J]. Electrical measurement & instrumentation， 2018， 55（17）： 56?67.

[3] 高廷峰，汪海宁，施永.基于分层控制的微网无缝切换研究[J].电测与仪表，2017，54（3）：1?6.

GAO Tingfeng， WANG Haining， SHI Yong. Research on hie?rarchical control in seamless transition of micro?grid [J]. Electrical measurement & instrumentation， 2017， 54（3）： 1?6.

[4] 张雪松，赵波，李鹏，等.基于多层控制的微电网运行模式无缝切换策略[J].电力系统自动化，2015，39（5）：179?184.

ZHANG Xuesong， ZHAO Bo， LI Peng， et al. Seamless switching strategies for microgrid based on multi?layer control architecture [J]. Automation of electric power systems， 2015， 39（5）： 179?184.

[5] 王晓寰，张纯江.分布式发电系统无缝切换控制策略[J].电工技术学报，2012（2）：217?222.

WANG Xiaohuan， ZHANG Chunjiang. Study of control strategy for seamless transfer of grid?connected distributed generation systems [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2012（2）： 217?222.

[6] 赵冬梅，张楠，刘燕华，等.基于储能的微网并网和孤岛运行模式平滑切换综合控制策略[J].电网技术，2013，37（2）：301?306.

ZHAO Dongmei， ZHANG Nan， LIU Yanhua， et al. Synthetical control strategy for smooth switching between grid?connected and islanded operation modes of microgrid based on energy storage system [J]. Power system technology， 2013， 37（2）： 301?306.

[7] KWON J， YOON S， CHOI S. Indirect current control for seamless transfer of three?phase utility interactive inverters [J]. IEEE transactions on power electronics， 2012， 27（2）： 773?781.

[8] YOON S， OH H， CHOI S. Controller design and implementation of indirect current control based utility?interactive inverter system [J]. IEEE transactions on power electronics， 2016， 28（1）： 26?30.

[9] 王劲松，唐成虹，陈娜，等.基于运行模式自识别的微网并离网平滑切换控制策略[J].电力系统自动化，2015，39（9）：185?191.

WANG Jinsong， TANG Chenghong， CHEN Na， et al. A method of microgrid connecting and off?grid smooth switching control based on running mode self?identification [J]. Automation of electric power systems， 2015， 39（9）： 185?191.

[10] 郑文迪，刘丽军，曾静岚.采用改进相位控制方法的微网并网/孤岛平滑切换策略[J].电网技术，2016，40（4）：1155?1162.

ZHENG Wendi， LIU Lijun， ZENG Jinglan. Smooth switching strategy between grid?connected and islanded microgrid using improved phase control method [J]. Power system technology， 2016， 40（4）： 1155?1162.

[11] MISHRA S， RAMASUBRAMANIAN D， SEKHAR P C. A seamless control methodology for a grid connected and isolated PV?diesel microgrid [J]. IEEE transactions on power systems， 2013， 28（4）： 4393?4404.