基于控制器狀態(tài)跟隨的微電網(wǎng)平滑切換控制方法

符 楊，黃麗莎，趙晶晶，呂 雪

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

隨著化石燃料供應(yīng)的日益緊張和用電需求的不斷增大，基于可再生能源的分布式發(fā)電技術(shù)開始受到人們的廣泛關(guān)注.分布式發(fā)電將成為未來大型電網(wǎng)的有力補充和有效支撐，是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一.［1-3］為充分發(fā)揮分布式發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢，可將多個分布式電源(DG)、儲能裝置和可控負(fù)荷按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成微電網(wǎng).并網(wǎng)運行模式是微電網(wǎng)與主電網(wǎng)連接運行的狀態(tài)，孤島運行模式是微電網(wǎng)與主電網(wǎng)斷開孤立運行的狀態(tài)，兩種模式都是微電網(wǎng)的正常運行狀態(tài).采用合理的微電網(wǎng)控制策略是保證微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行的關(guān)鍵.［4］而微電網(wǎng)并網(wǎng)運行模式與孤島運行模式的平滑切換是微電網(wǎng)控制策略研究的重點和難點.因此，實現(xiàn)微電網(wǎng)的平滑切換對提高微電網(wǎng)的穩(wěn)定性及其供電可靠性具有重要意義.

目前，國內(nèi)外許多專家學(xué)者針對微電網(wǎng)的平滑切換控制策略進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)［5］設(shè)計了一種由超級電容器和蓄電池組成的復(fù)合儲能裝置，當(dāng)微電網(wǎng)孤島運行時，以該復(fù)合儲能裝置為主電源，通過合理的充放電控制實現(xiàn)微電網(wǎng)運行模式的平滑切換.文獻(xiàn)［6］通過切換雙向逆變器的控制策略，將儲能裝置控制方式由PQ控制切換為V/f控制，以達(dá)到穩(wěn)定孤島狀態(tài)下微電網(wǎng)電壓和頻率的目的，實現(xiàn)并網(wǎng)模式和孤島模式的平滑切換.這是目前普遍采用的微電網(wǎng)平滑切換策略，但這種方法忽略了兩種切換的不同步性，容易造成切換過程中出現(xiàn)并網(wǎng)電流沖擊大、負(fù)載電壓波動等問題.為抑制電壓電流的沖擊，文獻(xiàn)［7］提出了一種電壓電流加權(quán)控制策略，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，確保切換過程中暫態(tài)變量的可控性，使切換過程更加平滑，但文中未考慮并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島時功率缺額的情況.

微電網(wǎng)運行模式切換的過程中，尤其是切換瞬間，由于控制器切換與運行模式切換的不同步，加之可能存在微電源容量與微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷不匹配的情況，容易引起切換瞬間電壓和電流的大幅波動，會對微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成不利影響，可能導(dǎo)致頻率失穩(wěn)、電壓崩潰等嚴(yán)重后果.為減小切換過程電壓和頻率的暫態(tài)波動，本文采用基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法，將其應(yīng)用到微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運行的過程中，并在DIgSILENT PowerFactory軟件平臺搭建微電網(wǎng)模型，通過仿真驗證了該方法的有效性.

1 微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤島運行控制策略

1.1 微電網(wǎng)綜合控制策略

本文采用的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.光伏單元和蓄電池單元兩個分布式電源分別通過各自的逆變器和變壓器接入10kV配電網(wǎng)，并為微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載供電.其中負(fù)荷C和負(fù)荷D分別接在0.4kV低壓側(cè)，由光伏和蓄電池直接供電.

在并網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)的光伏逆變器和蓄電池逆變器均采用PQ控制，DG運行在額定功率輸出狀態(tài).此時，微電網(wǎng)的電壓和頻率由公共配電網(wǎng)支撐.當(dāng)進(jìn)入孤島運行狀態(tài)時，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)斷開，蓄電池逆變器的控制方式由PQ控制切換為V/f控制，光伏逆變器的控制方式不變.此時，微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載僅由DG供電，蓄電池作為主電源為微電網(wǎng)提供電壓和頻率支持.

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 分布式電源控制方式

本文所采用的PQ和V/f控制，其框圖分別如圖2和圖3所示.PQ控制采用雙環(huán)的控制方式.其中外環(huán)為功率環(huán)，保證逆變器的輸出跟蹤基準(zhǔn)功率;內(nèi)環(huán)則采用電流PI控制，最終輸出控制逆變器脈寬調(diào)制信號.PLL鎖相環(huán)的作用則是保證逆變器的輸出與電網(wǎng)保持同步.V/f控制采用功率、電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的多閉環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)，功率外環(huán)得到d軸電流參考值idref，電壓外環(huán)得到q軸電流參考值iqref，且功率外環(huán)中的有功功率基準(zhǔn)值要隨著頻率的變化而變化.［8］

圖2 PQ控制示意

圖3 V/f控制示意

2 基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法

當(dāng)微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)為孤島模式運行，蓄電池逆變器控制方式的切換如圖4所示.

圖4 蓄電池逆變器控制方式的切換

并網(wǎng)運行時，K1閉合，K2斷開，蓄電池逆變器采用PQ控制方式.當(dāng)檢測到微電網(wǎng)與配電網(wǎng)斷開時，K1斷開，K2閉合，運行方式切換為V/f控制，產(chǎn)生不同的電流參考值idref和iqref，通過電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)，進(jìn)而改變逆變器的控制方式.但這種普通的控制器切換方式在切換時刻會產(chǎn)生較大的暫態(tài)波動，究其原因是由切換過程中兩種控制器的輸出狀態(tài)不匹配造成的.并網(wǎng)運行時，PQ控制器輸出控制信號，輸入電流內(nèi)環(huán)控制器，此時V/f控制器的輸出信號為零.切換至孤島模式時，PQ控制器退出，V/f控制器的輸出信號瞬間被切入，電流內(nèi)環(huán)控制器的輸入信號瞬間由某一數(shù)值跳變?yōu)榱?因此，微電網(wǎng)的電壓和頻率在切換時刻會產(chǎn)生較大的暫態(tài)波動.

為避免兩個控制器切換過程中輸出狀態(tài)的跳變，本文采用基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法，［9］其原理如圖5所示.

并網(wǎng)運行時，K1和K4閉合，K2和K3打開，蓄電池逆變器釆用PQ控制，將V/f控制器狀態(tài)與PQ控制器的輸出設(shè)計為一個負(fù)反饋作為V/f控制器的輸入，經(jīng)PI控制器無差調(diào)節(jié)使V/f控制器跟隨PQ控制器的輸出狀態(tài)，以保證兩個控制器的輸出狀態(tài)時刻一致.運行模式切換時，K1和K4打開，K2和K3閉合，PQ控制器退出運行，蓄電池儲能采用V/f控制，避免了控制器切換瞬間電流內(nèi)環(huán)控制器輸入信號的跳變，實現(xiàn)了運行模式的平滑切換.

圖5 基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)圖1所示的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，本文利用DIgSILENT PowerFactory軟件搭建微電網(wǎng)仿真平臺，仿真主要參數(shù)設(shè)置如下:光伏單元參考功率Pref=2 MW，Qref=0.5 MW;蓄電池參考功率Pref=2 MW，Qref=0.5 MW.

假設(shè)蓄電池最大輸出功率滿足微電網(wǎng)孤島運行時電源和負(fù)荷功率平衡的要求.恒功率負(fù)荷PA=1.5 MW，QA=0.2 MW，PB=1 MW，QB=0.1 MW，PC=1 MW，QC=0.1 MW，PD=1 MW，QD=0.1 MW.忽略變壓器和線路損耗.采用基于控制器狀態(tài)跟隨的方法改進(jìn)V/f控制器結(jié)構(gòu)，比較分析改進(jìn)前后的控制方法對微電網(wǎng)運行模式切換的影響.

3.2 微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)過程

在仿真時間為1 s時將微電網(wǎng)與配電網(wǎng)斷開，由并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)孤島模式運行.仿真時間為3 s.運行模式切換前后微電網(wǎng)內(nèi)的潮流分布情況如表1所示.由表1可以看出，在并網(wǎng)模式下運行時，微電網(wǎng)的DG和配電網(wǎng)同時為負(fù)荷供電，其中DG按額定功率發(fā)電.僅靠DG輸出的有功功率無法滿足負(fù)荷需求，故負(fù)荷缺額部分由配電網(wǎng)承擔(dān)，配電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送0.5 MW 有功功率.DG多發(fā)的0.5 MW無功功率通過聯(lián)絡(luò)線輸送至配電網(wǎng).此時配電網(wǎng)起到保持微電網(wǎng)內(nèi)功率平衡、維持微電網(wǎng)內(nèi)電壓和頻率穩(wěn)定的作用.切換至孤島運行模式后，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)斷開，配電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間不再發(fā)生功率交換.蓄電池逆變器的控制方式由PQ控制改為V/f控制，以維持微電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定為目標(biāo)調(diào)整有功及無功出力.蓄電池發(fā)出的有功功率由2 MW 增加至2.5 MW，無功功率由0.5 MW減少至零.微電網(wǎng)內(nèi)部依然保持功率平衡.

表1 微電網(wǎng)運行模式切換前后潮流分布情況 MW

改進(jìn)后的微電網(wǎng)運行模式切換前后微電網(wǎng)內(nèi)的潮流分布情況與改進(jìn)前的結(jié)果相同，表明基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法對微電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)過程無影響.

3.2 微電網(wǎng)暫態(tài)過程

改進(jìn)前后光伏和蓄電池的輸出功率變化曲線如圖6和圖7所示.為更清楚地對比頻率曲線的變化情況，將圖6和圖7中的橫坐標(biāo)范圍縮短，放大曲線便于觀察.

圖6 改進(jìn)前后光伏輸出功率變化曲線

圖7 改進(jìn)前后蓄電池輸出功率變化曲線

由圖6和圖7可以看出，控制方法改進(jìn)前，光伏和蓄電池的輸出功率變化范圍較大，尤其是切換瞬間波動幅度非常大.采用基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法后，各DG的輸出功率變化明顯減小，但進(jìn)入孤島穩(wěn)態(tài)后的功率大小不變.由此表明改進(jìn)的控制方法減小了切換過程功率變化過大對設(shè)備的影響，同時也減小了功率波動對微電網(wǎng)的沖擊.由于DG功率波動與微電網(wǎng)電壓、頻率的波動存在著緊密的關(guān)系，因此控制方法的改進(jìn)提高了微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定性.

改進(jìn)前后微電網(wǎng)電壓和頻率的變化曲線如圖8所示.

圖8 改進(jìn)前后微網(wǎng)電壓和頻率變化曲線

由圖8可以看出，控制方法改進(jìn)前，微電網(wǎng)的電壓和頻率均出現(xiàn)了較大幅度的波動，電壓最大波動范圍超過15%，頻率波動范圍達(dá)到4%.經(jīng)過短暫的波動后，蓄電池逆變器通過V/f控制，調(diào)節(jié)有功和無功出力，以保持微電網(wǎng)內(nèi)的功率平衡.進(jìn)入孤島穩(wěn)態(tài)運行后，微電網(wǎng)電壓和頻率均恢復(fù)到正常值.因此，盡管存在一定的功率缺額，但微電網(wǎng)仍具備穩(wěn)定電壓和頻率的能力.然而切換瞬間電壓和頻率的波動幅度較大，容易對微電網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備安全造成威脅，影響微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行.改進(jìn)控制方法后，采用基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法可以有效抑制切換過程中電壓和頻率的波動，電壓和頻率的最低點均有所抬升.電壓波動的最大幅度由15%減小至約2%，頻率波動的最大幅度由4%減小至1%以內(nèi)，大大減小了暫態(tài)過程對微電網(wǎng)的沖擊.另外，改進(jìn)后頻率波動的持續(xù)時間較改進(jìn)前有所減少，表明微電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性得到了提高.

4 結(jié)論

(1)蓄電池采用V/f控制能夠維持孤島運行狀態(tài)下微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，但傳統(tǒng)的控制器切換方式對切換過程的暫態(tài)穩(wěn)定性影響較大;

(2)基于控制器狀態(tài)跟隨的微電網(wǎng)平滑切換控制方法對切換瞬間各DG的有功功率、無功功率波動具有平抑作用，可以平滑DG的輸出功率進(jìn)而提高微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定性;

(3)該方法有效減小了微電網(wǎng)運行模式切換瞬間電壓和頻率的波動幅度，并縮短了頻率波動的持續(xù)時間，減小對微電網(wǎng)的沖擊，提高了微電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性;

(4)基于控制器狀態(tài)跟隨的微電網(wǎng)平滑切換控制方法僅對微電網(wǎng)運行模式切換的暫態(tài)過程有影響，對穩(wěn)態(tài)過程無影響.

［1］ 黃偉，孫昶輝，吳子平，等.含分布式發(fā)電系統(tǒng)的微網(wǎng)技術(shù)研究綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(9):14-18.

［2］ 魯鴻毅，應(yīng)鑫龍，何奔騰.微型電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)和孤島運行控制方式初探［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(11):28-31.

［3］ 周孝信，陳樹勇，魯宗相.電網(wǎng)和電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的回顧與展望——試論三代電網(wǎng)［J］.中國電機工程學(xué)報，2013，33(22):1-11.

［4］ 徐少華，李建林.光儲微網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)/孤島運行控制策略［J］.中國電機工程學(xué)報，2013，33(34):25-33.

［5］ 劉志文，夏文波，劉明波.基于復(fù)合儲能的微電網(wǎng)運行模式平滑切換控制［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013，27(4):906-913.

［6］ 楊占剛，王成山，車延博.可實現(xiàn)運行模式靈活切換的小型微網(wǎng)實驗系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33(14):89-92.

［7］ 王曉寰，張純江.分布式發(fā)電系統(tǒng)無縫切換控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2012，27(2):217-222.

［8］ 楊秀，宗翔，基于DIgSILENT軟件的微電網(wǎng)動態(tài)仿真［J］.上海電力學(xué)院學(xué)報，2012，28(1):1-4.

［9］ 趙冬梅，張楠，劉燕華.基于儲能的微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運行模式平滑切換綜合控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(2):301-306.