微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行的無(wú)縫切換控制策略

王紅燕，閆瑞杰

(1.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原030024;2.山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系，山西太原030021)

0 引言

微電網(wǎng)是由微電源(MS)、儲(chǔ)能裝置、能量管理系統(tǒng)及負(fù)荷構(gòu)成。微電網(wǎng)的控制是微電網(wǎng)研究中的重要內(nèi)容[1］，其中，如何實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島的無(wú)縫切換是微電網(wǎng)控制當(dāng)中的關(guān)鍵問(wèn)題[2］。微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式向孤島模式的無(wú)縫切換控制策略可以保證對(duì)重要敏感負(fù)荷的不間斷供電，提高用戶供電的可靠性。無(wú)縫切換就是指切換的過(guò)程中微電網(wǎng)電壓、頻率在微電網(wǎng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)[3-4］。當(dāng)切換之后，如果微電網(wǎng)內(nèi)各母線電壓偏差不大于±7%的額定電壓，頻率偏差不大于0.1 Hz，微電網(wǎng)即可安全穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[5］將逆變器采用多環(huán)反饋控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式向孤島模式的無(wú)縫切換，但關(guān)于微電網(wǎng)切換之后的電壓及頻率是否保持恒定未做研究。文獻(xiàn)[6］建立的含光伏的微電網(wǎng)基本模型，對(duì)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了仿真分析，但并未研究微電網(wǎng)由聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)換為孤島模式的切換過(guò)程。本文選用光伏陣列和蓄電池模型作為研究對(duì)象，其能使微電網(wǎng)并網(wǎng)及孤島運(yùn)行，對(duì)蓄電池采用新型的綜合控制策略，保證微電網(wǎng)并網(wǎng)模式向孤島模式的無(wú)縫切換，確保微電網(wǎng)有功、無(wú)功、電壓及頻率的穩(wěn)定。在DigSILENT/PowerFactory平臺(tái)上搭建了光伏電池和蓄電池相結(jié)合的微電網(wǎng)仿真模型，驗(yàn)證了所提出控制策略的可行性。

1 微電源控制方法

微電網(wǎng)中大多數(shù)的微電源都需要通過(guò)電力電子接口與電網(wǎng)相連，基本控制方法有恒功率控制(PQ控制)，恒壓恒頻控制(V/f控制)，下垂控制(Droop控制)。

1.1 PQ 控制

PQ控制[7-8］適合于受外部影響較大的MS，發(fā)電具有間歇性，微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，MS采用PQ控制可保證輸出功率恒定。控制原理如式(1)所示。

式中，KP、TP、KQ、TQ是 P-Q 的控制參數(shù)。

1.2 V/f控制

V/f控制[9］適合于輸出功率比較穩(wěn)定的MS，當(dāng)其容量足夠大時(shí)，在孤島運(yùn)行模式下，可以保證系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定?？刂圃砣缡?2)所示。

式中，K'P、T'P、K'Q、T'Q是 V/f的控制參數(shù)。

1.3 Droop 控制

Droop控制[9］是能夠使得多個(gè)MS出力協(xié)調(diào)的有差控制，因此，很難實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的頻率及電壓與并網(wǎng)之前相等，主要用于微電網(wǎng)對(duì)等控制。MS的有功輸出、無(wú)功輸出分別與頻率、電壓呈線性關(guān)系?？刂圃砣缡?3)所示。

式中，KP、KQ是Droop控制的參數(shù)。

2 微電網(wǎng)中蓄電池控制方法

2.1 微電網(wǎng)并網(wǎng)及孤島運(yùn)行時(shí)蓄電池的控制策略

目前，微電網(wǎng)整體的控制策略有主從和對(duì)等兩種方式[7］。主從控制的微電網(wǎng)在孤島模式運(yùn)行時(shí)，對(duì)主控制單元有較強(qiáng)的依懶性，但這種控制方式可以保證電壓和頻率的穩(wěn)定性;對(duì)等控制雖不能保證電壓和頻率的穩(wěn)定性，但具有簡(jiǎn)單、可靠、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。本文綜合利用這兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能輸出功率的最大利用，光伏并網(wǎng)所使用的逆變器采用PQ控制策略，蓄電池在不同的模式下采用不同的控制方式，如圖1所示。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，蓄電池采用Droop控制，這樣微電網(wǎng)內(nèi)部其他的MS不必改變之前的控制方式。微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，如果△U≤±7%UN且△f≤0.1 Hz，蓄電池仍采用Droop控制;如果△U＞+7%UN或△U＜-7%UN或△f＞0.1 Hz，蓄電池切換為V/f控制，保持頻率及電壓的穩(wěn)定性。此種控制方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是降低了蓄電池切換的次數(shù)，提高了切換成功的概率。當(dāng)微電網(wǎng)在不同運(yùn)行模式之間切換時(shí)，為了使暫態(tài)震蕩產(chǎn)生的幅度最小，采用了對(duì)逆變器進(jìn)行跟蹤的無(wú)縫切換控制方法[10］。將切換之前的V/f控制方式的輸出與Droop控制的輸出作為一個(gè)負(fù)反饋，當(dāng)作V/f控制的輸入，保證了V/f控制的輸出能夠與Droop控制的輸出相一致。下垂控制時(shí)，K2和K3閉合，K1和K4斷開(kāi);切換時(shí)，K1和K4閉合，K2和K3斷開(kāi)。

2.2 蓄電池的綜合控制策略

蓄電池的Droop控制和V/f控制都是由功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成，基于 αβ/dq轉(zhuǎn)換和功率解耦的思想，主要區(qū)別是由電壓和頻率偏差經(jīng)過(guò)的積分環(huán)節(jié)或比例積分環(huán)節(jié)不同，因此得到的有功和無(wú)功的參考值不同。本文設(shè)計(jì)的蓄電池綜合控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，△U≤±7%UN且△f≤0.1 Hz時(shí)，蓄電池采用Droop控制，電壓偏差△U等于電壓基準(zhǔn)值Uref與測(cè)量值Um之差，通過(guò)比例環(huán)節(jié)，得到無(wú)功偏差△Q;頻率偏差△f等于頻率基準(zhǔn)值fref與測(cè)量值fm之差，通過(guò)比例環(huán)節(jié)，得到有功偏差△P，△Q和△P分別與無(wú)功初值Q0和有功初值P0相加，得到有功及無(wú)功參考值Pref及Qref，再與有功及無(wú)功測(cè)量值Pm及Qm之差之后，經(jīng)過(guò)比例積分得到電流內(nèi)環(huán)參考值idref及iqref，再與經(jīng)過(guò)abc-dq轉(zhuǎn)換的電流測(cè)量值id及iq之差之后，經(jīng)過(guò)比例積分及dq/αβ變換得到輸入逆變器的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sa、Sb、Sc，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的并網(wǎng)控制[9］。

圖1 微電網(wǎng)控制圖

圖2 蓄電池綜合控制結(jié)構(gòu)圖

3 仿真分析

3.1 微電網(wǎng)模型

本文采用的微電網(wǎng)模型如圖3所示，10 kV的配電網(wǎng)通過(guò)降壓變壓器接入400 V的配網(wǎng)，配網(wǎng)中接入了光伏1，容量50 kW;光伏 2，容量 100 kW;蓄電池，容量 100 kW·h，負(fù)荷 1，負(fù)荷2及負(fù)荷3。在 DigSILENT/PowerFactory平臺(tái)上搭建了此仿真模型。

本文采用實(shí)驗(yàn)法測(cè)定比例積分常數(shù)[9］，其中，蓄電池采用Droop控制方式時(shí)，KQ/V=12，KP/f=2;采用V/f控制方式時(shí)，KQ=20，TQ=0.3，KP=1，TP=0.5。仿真分析時(shí)，為了防止頻繁切換，當(dāng)電壓或頻率處于△U＞+7%UN或△U＜-7%UN或△f＞0.1 Hz的范圍內(nèi)時(shí)，需延遲0.5 s切換。

圖3 光蓄混合微電網(wǎng)模型

3.2 微電網(wǎng)并網(wǎng)模式向孤島模式切換的仿真分析

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行期間，光照強(qiáng)度及溫度變化時(shí)，若光伏1及光伏2的出力大于負(fù)荷需求，則蓄電池吸收多余的無(wú)功。仿真結(jié)果如圖4所示。圖4a中t=0.5 s時(shí)，光伏2的光照強(qiáng)度發(fā)生變化;t=1.5 s時(shí)，光伏1的溫度發(fā)生變化，輸出功率不能滿足負(fù)荷所需。圖4b中蓄電池在t=0.5 s及t=1.5 s時(shí)發(fā)出有功功率增加，維持功率平衡。圖4c微電網(wǎng)內(nèi)母線電壓及圖4d系統(tǒng)頻率，能夠在蓄電池的控制方式下保持穩(wěn)定。

圖4 光照強(qiáng)度及溫度變化時(shí)微電網(wǎng)輸出

光伏1輸出P=45 kW，Q=0 kVA;光伏2輸出P=37 kW，Q=0 kVA;負(fù)荷1、2、3的有功及無(wú)功分別為45 kW和5 kVA，47 kW和8 kVA，49 kW和5 kVA。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)提供有功70 kW，無(wú)功23 kVA，可以滿足負(fù)荷需求。微電網(wǎng)由并網(wǎng)向孤島模式切換時(shí)，光伏1、光伏2及負(fù)荷需求均未發(fā)生變化。t=0.5 s前，微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行;t=0.5 s時(shí)主網(wǎng)發(fā)生故障，微電網(wǎng)由并網(wǎng)切換為孤島模式運(yùn)行，微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的功率缺額由蓄電池提供。圖5為蓄電池采用單一的Droop控制，圖6為本文提出的Droop控制與V/f控制相結(jié)合的控制策略，將兩者進(jìn)行仿真對(duì)比。

圖5 蓄電池采用傳統(tǒng)的Droop控制運(yùn)行結(jié)果

圖5中，t=0.5 s前，微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，蓄電池采用傳統(tǒng)的Droop控制，圖5c系統(tǒng)的頻率及圖5d母線的電壓由大網(wǎng)支撐，圖5a及圖5b蓄電池輸出有功及無(wú)功功率為0。t=0.5 s時(shí)，主網(wǎng)發(fā)生故障，微電網(wǎng)切換為孤島運(yùn)行模式，圖5a表明蓄電池輸出有功增加為65 kW，圖5b表明:無(wú)功增加為18 kVA，滿足微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的需求。圖5c中微電網(wǎng)內(nèi)母線電壓標(biāo)幺值由0.993降為0.991，偏差在允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)頻率由50.00 Hz降為49.87 Hz，偏差超出了允許范圍，不能滿足負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的要求。因此，蓄電池采用Droop控制與V/f控制相結(jié)合的控制策略，如圖6所示，大網(wǎng)在t=0.5 s發(fā)生故障后，微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行，圖6a蓄電池輸出有功功率增加為65 kW，圖6b無(wú)功功率增加為18 kVA。由于頻率偏差超出允許范圍，經(jīng)過(guò)0.5 s的延時(shí)后，即t=1 s時(shí)，蓄電池由Droop控制切換為V/f控制，圖6a及圖6b分別表明蓄電池發(fā)出的有功及無(wú)功功率也增加了一些，圖6d系統(tǒng)頻率從49.87 Hz恢復(fù)到50.00 Hz，圖6c母線電壓標(biāo)幺值從0.991恢復(fù)到0.993。綜合控制策略很好地解決了頻率偏差超過(guò)允許范圍的問(wèn)題，保證了電壓穩(wěn)定和頻率恒定。

圖6 蓄電池采用Droop控制與V/f控制運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié)論

微電網(wǎng)并網(wǎng)模式向孤島模式的無(wú)縫切換過(guò)程是保證微電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。本文采用微電網(wǎng)新型的主從和對(duì)等相結(jié)合的控制策略，對(duì)微電網(wǎng)由并網(wǎng)向孤島運(yùn)行的切換過(guò)程進(jìn)行控制。在DigSILENT/PowerFactory仿真平臺(tái)上建立了仿真模型，驗(yàn)證了改進(jìn)控制策略的可行性，保證了微電網(wǎng)在切換前后，頻率、電壓和功率都保持在允許范圍之內(nèi)，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

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