基于主從控制微電網(wǎng)的狀態(tài)跟隨平滑切換控制策略

馮博豪，余向陽(yáng)，明堯，李霄霄

（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048）

基于主從控制微電網(wǎng)的狀態(tài)跟隨平滑切換控制策略

馮博豪，余向陽(yáng)，明堯，李霄霄

（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048）

微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行模式和孤島運(yùn)行模式間平滑切換，對(duì)于提高微電網(wǎng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。首先介紹微網(wǎng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作模式，然后針對(duì)微網(wǎng)在模式切換過程中出現(xiàn)的電壓和頻率波動(dòng)問題，提出一種改進(jìn)的狀態(tài)跟隨控制策略，最后利用PSCAD/EMTDC軟件平臺(tái)，搭建由風(fēng)光儲(chǔ)組成的主從控制微電網(wǎng)模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

微電網(wǎng)；并網(wǎng)/孤島運(yùn)行；平滑切換；控制策略

隨著能源危機(jī)的日益加劇，以及傳統(tǒng)大電網(wǎng)脆弱性的不斷暴露，人們將目光紛紛投向了更加環(huán)保、高效、可靠的分布式發(fā)電技術(shù)[1-3]。以分布式發(fā)電系統(tǒng)（DG）、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷及保護(hù)裝置集成的微電網(wǎng)成為研究的熱點(diǎn)方向，其中DG有很多種形式，比如光伏、燃料電池、風(fēng)力、微型燃?xì)廨啓C(jī)、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等[5-7]。微電網(wǎng)分為并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式。正常情況下，微電網(wǎng)工作在并網(wǎng)模式下，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，微電網(wǎng)會(huì)斷開，這時(shí)將會(huì)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式；當(dāng)電網(wǎng)故障消除后，微電網(wǎng)便可以從孤島切換到并網(wǎng)模式，保證不間斷供電。因此，平滑切換對(duì)于微電網(wǎng)來(lái)說就十分重要。目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了許多有關(guān)微電網(wǎng)的平滑切換控制方面的研究。文獻(xiàn)[8]研究了3個(gè)直流源組成的微網(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)微網(wǎng)不同的運(yùn)行模式采取下垂控制或PQ控制，考慮了并網(wǎng)時(shí)電壓的同步問題，但是沒有考慮控制器切換過程中的狀態(tài)匹配。文獻(xiàn)[9]復(fù)合儲(chǔ)能裝置作為微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的主電源，孤島運(yùn)行時(shí)采用V/f控制，并網(wǎng)時(shí)儲(chǔ)能裝置退出工作。在孤島裝并網(wǎng)切換過程中，通過預(yù)同步控制使并網(wǎng)沖擊較小，但從其仿真結(jié)果看出，模式切換時(shí)母線電壓電流曲線還是存在一些畸變。文獻(xiàn) [10]提出一種電壓電流加權(quán)控制策略，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(shí)功率平衡問題。文獻(xiàn)[11]對(duì)雙向逆變器進(jìn)行控制切換，將儲(chǔ)能裝置由PQ控制切換為V/f控制，以使微電網(wǎng)在孤島狀態(tài)下的電壓和頻率達(dá)到穩(wěn)定，這是目前最為通用的微電網(wǎng)平滑切換策略。

本文研究的主從控制微電網(wǎng)系統(tǒng)中光伏微電源均采用PQ控制方法；儲(chǔ)能微電源在并網(wǎng)模式下采用PQ控制，在孤島模式下采用V/f控制。為了抑制在切換時(shí)母線上出現(xiàn)的電壓和頻率波動(dòng)過大問題，本文采用基于改進(jìn)的狀態(tài)跟隨控制的平滑切換控制策略，并通過在PSCAD/EMTDC軟件上搭建風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)模型，通過仿真結(jié)果驗(yàn)證所提控制策略的有效性。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文采用的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包含光伏電源、蓄電池電源、風(fēng)力電源、負(fù)荷、變壓器及交流型配電網(wǎng)等組成，其中主電源為蓄電池，從電源為光伏和風(fēng)力。各分布式電源通過逆變器接入0.38 kV母線上，之后再經(jīng)過變壓器接入10.5 kV的配電網(wǎng)，3個(gè)電源為微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載供電，其中負(fù)荷A接在0.38 kV母線上，負(fù)載B經(jīng)過開關(guān)K2有選擇的接入母線。

圖1 風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of wind，PV and energy storage microgrid

微電網(wǎng)由公共開關(guān)K1的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)和孤島的切換。閉合K1時(shí)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，其中光伏逆變器和蓄電池逆變器均采用PQ控制。光伏微電源達(dá)到最大輸出功率，保證將太陽(yáng)能源最大化的利用。開路K1時(shí)，配電網(wǎng)與微電網(wǎng)斷開，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行，蓄電池逆變器由PQ控制切換為V/f控制，而光伏逆變器的控制方式不變。系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)載所需能量由光伏、蓄電池和風(fēng)力微電源提供，主電源為蓄電池，它起到穩(wěn)定微電網(wǎng)內(nèi)電壓和頻率的作用。

2 微電網(wǎng)控制模型

2.1 光伏微電源電路模型

光伏微電源采用雙級(jí)式并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即光伏陣列率先經(jīng)過DC/DC斬波器進(jìn)行電壓幅值變換，然后逆變器將直流電變換成交流電，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。圖2為雙級(jí)式光伏微電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括光伏陣列、濾波電容器、Buck斬波器、逆變器、輸電線路和交流網(wǎng)絡(luò)等組成。逆變器采用雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)控制器為電流控制，在并網(wǎng)和孤島模式時(shí)采用相同的控制策略，以達(dá)到提高逆變器輸出電能質(zhì)量的目的；內(nèi)環(huán)參考信號(hào)主要由外環(huán)控制器產(chǎn)生，在并網(wǎng)時(shí)控制逆變器輸出恒定功率，在孤島時(shí)控制其產(chǎn)生恒定的電壓和頻率信號(hào)。

2.2 PQ控制原理

光伏逆變器在任何運(yùn)行模式下均采用PQ控制，圖3所示，內(nèi)環(huán)為電流控制、外環(huán)為功率控制。外環(huán)恒功率控制，提供電流參考值反饋到內(nèi)環(huán)控制器。將電流交叉耦合補(bǔ)償加入到電流內(nèi)環(huán)控制中，實(shí)現(xiàn)電流解耦控制，來(lái)消除d軸和q軸電流變化的影響。

逆變器注入交流網(wǎng)絡(luò)的功率可表示為

在派克變換時(shí)，選取電壓矢量方向?yàn)閐軸（Uq=0），簡(jiǎn)化輸出功率表達(dá)式，分析知有功功率只與d軸有功電流有關(guān)，無(wú)功功率只與q軸無(wú)功電流有關(guān)，可得到電流參考值idref和iqref：

電流控制的時(shí)域表達(dá)式為

電流無(wú)靜差調(diào)節(jié)主要通過內(nèi)環(huán)電流控制器PI調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸出的信號(hào)經(jīng)過反派克變換，得到兩相電壓控制矢量，經(jīng)過SPWM調(diào)制，用以輸出三相逆變器的控制信號(hào)。

2.3 儲(chǔ)能微電源電路模型

蓄電池作為微電網(wǎng)主電源，當(dāng)孤島時(shí)采用V/f控制，維持微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定。蓄電池微電源由蓄電池、雙向DC/DC變換器、DC/AC變換器、濾波電容器、輸電線路和交流網(wǎng)絡(luò)等組成，如圖4所示。

圖2 雙級(jí)式光伏微電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology structure of double stage photovoltaic micro power supply

圖3 光伏逆變器PQ控制原理Fig.3 PQ control principle of photovoltaic inverter

2.4 V/f控制原理

孤島運(yùn)行時(shí)，電壓和頻率通過蓄電池逆變器進(jìn)行調(diào)節(jié)，V/f控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示，微電網(wǎng)在孤島模式時(shí)，鎖相角θ用于電壓的派克變換，逆變器三相輸出電壓Ua、Ub、Uc變換成Ud和Uq，通過與電壓參考值進(jìn)行做差，差值信號(hào)經(jīng)過PI控制，得到內(nèi)環(huán)控制器的參考信號(hào)idref和iqref。

得到其內(nèi)環(huán)電流控制的參考電流：

電流內(nèi)環(huán)控制器輸出電壓為

從而實(shí)現(xiàn)電流環(huán)解耦，d軸和q軸分別獨(dú)立控制。

2.5 風(fēng)力微電源電路模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖6所示，這種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制方式為變槳距控制，從而使風(fēng)機(jī)在較大范圍內(nèi)按最佳參數(shù)運(yùn)行，提高了風(fēng)能利用率。雙饋電機(jī)的定子與電網(wǎng)直接相連，轉(zhuǎn)子通過變頻器連接到電網(wǎng)中，變頻器可以改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸入電流的頻率，進(jìn)而可以保證發(fā)電機(jī)定子輸出跟電網(wǎng)頻率同步，實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。

3 基于改進(jìn)的狀態(tài)跟隨切換控制方法

微電網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)和孤島控制器是完全不相同的，通過邏輯開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的切換，并網(wǎng)為PQ控制器，V/f控制器為孤島控制器。在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，蓄電池逆變器采用PQ控制；孤島模式時(shí)，為V/f控制，產(chǎn)生的不同電流參考值通過電流內(nèi)環(huán)控制器，來(lái)改變逆變器的控制方式，但這種方式會(huì)在切換時(shí)刻出現(xiàn)很大的波動(dòng)。孤島控制器在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)也在工作，只是輸出結(jié)果沒有產(chǎn)生影響，切換時(shí)由于2種控制器的輸出狀態(tài)不等，所以控制器輸出會(huì)產(chǎn)生跳變，為使微電網(wǎng)的電壓和頻率避免出現(xiàn)震蕩波動(dòng)，本文采用基于改進(jìn)控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法[9]，由圖7知，當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，開關(guān)K1、K4閉合，K2、K3打開，蓄電池采用PQ控制方式，根據(jù)PQ控制器的輸出，設(shè)計(jì)一個(gè)負(fù)反饋信號(hào)作為V/f控制器的輸入信號(hào)，再經(jīng)PI控制無(wú)差調(diào)節(jié)使得V/f控制器輸出的信號(hào)跟隨PQ控制器輸出而輸出；運(yùn)行模式切換到孤島時(shí)，開關(guān)K2、K3閉合，K1、K4打開，PQ控制器退出運(yùn)行，蓄電池儲(chǔ)能采用V/f控制，由于V/f控制器輸出狀態(tài)跟隨PQ控制器退出前狀態(tài)相同，所以使得控制器切換前后，微電網(wǎng)系統(tǒng)可以平滑過渡，有效減小由于切換過程中產(chǎn)生的振蕩問題。

圖4 蓄電池微電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Topology of battery micro-power supply

圖5 V/F控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structure block diagram of V/F controller

圖6 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of doubly fed wind power generation system

圖7 基于控制器狀態(tài)跟隨的切換圖Fig.7 Switchingdiagrambasedonthestateofthecontroller

如圖8所示，當(dāng)微電網(wǎng)在并網(wǎng)時(shí)設(shè)置公共開關(guān)PCC1接A處，PCC2接B處，此時(shí)功率參考值Pref和Qref與實(shí)際P和Q值做差后經(jīng)過PI1調(diào)節(jié)輸出PQ控制器的輸出信號(hào)，此信號(hào)輸入電流內(nèi)環(huán)控制器再作用于逆變器。另外，輸出的信號(hào)經(jīng)圖中PCC2與V/f控制器的輸出做差經(jīng)過PI2調(diào)節(jié)作為V/f控制器的輸入；當(dāng)孤島運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)開關(guān)PCC1接B處，PCC2接A處，電壓dq軸參考值Udref和Uqref與實(shí)際值Ud和Uq做差，差值首先通過調(diào)節(jié)模塊再經(jīng)過PI2調(diào)節(jié)輸出信號(hào)Idref和Iqref，該信號(hào)傳給電流內(nèi)環(huán)控制器再傳給逆變器。

當(dāng)并網(wǎng)時(shí)PQ控制器原理可表示為：

圖8 基于狀態(tài)跟隨的蓄電池逆變器的控制原理Fig.8 Control principle of battery inverter based on state following

輸出負(fù)反饋表示為

當(dāng)切換瞬間，V/f控制器輸入為上式的I′ddref和I′qqref，實(shí)現(xiàn)在切換時(shí)電流內(nèi)環(huán)控制器輸入值的穩(wěn)定；當(dāng)切換之后，為了避免V/f控制器輸入值與PQ控制器輸入值的不同而引起的暫態(tài)波動(dòng)問題，在模型中分別增加兩個(gè)調(diào)節(jié)模塊（Akp1/kp2模塊、Bkp1/kp2模塊），使得它們輸入值相等，實(shí)現(xiàn)了平滑切換。

4 模型仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在PSCAD/EMTDC平臺(tái)上搭建風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)控制模型，交流側(cè)母線電壓等級(jí)為0.38 kV，通過變壓器接入配電網(wǎng)（電壓等級(jí)為10.5 kV）中。光伏微電源采用光伏陣列串聯(lián)構(gòu)成，光伏逆變器在標(biāo)準(zhǔn)狀況下輸出的最大功率為20 kW，蓄電池逆變器輸出最大功率為45 kW，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容量為20 kW，負(fù)載A消耗的有功功率50 kW，負(fù)載B消耗的有功功率為20 kW。

光伏系統(tǒng)仿真參數(shù)：光伏陣列輸出電壓VPV=0.6 kV，逆變器直流側(cè)電壓為Udc=0.56 kV，光伏側(cè)輸出電容為C=5 mF，Buck電路中電感L=1 mH，逆變器直流側(cè)電容為C=8 mF，濾波電感L=0.008 H，濾波電容C=0.02 mF，濾波電阻R=0.001Ω。

蓄電池系統(tǒng)仿真模型：逆變器直流側(cè)電壓Udc=0.8 kV，DC-DC電路中電感L=1 mH，電容C=6.5 mF，濾波電感L=0.5 mH，濾波電容C=0.2 mF，濾波電阻R=0.001 Ω。

4.1 微電網(wǎng)模式切換仿真

在運(yùn)行模式切換的過程中，保持光伏和風(fēng)力的輸出情況不變。設(shè)置微網(wǎng)運(yùn)行5 s，在2 s時(shí)微電網(wǎng)與配電網(wǎng)脫離，并轉(zhuǎn)換為孤島運(yùn)行，在3 s時(shí)微電網(wǎng)并入配電網(wǎng)運(yùn)行，采用傳統(tǒng)狀態(tài)跟隨的控制策略和采用基于改進(jìn)控制器狀態(tài)跟隨的控制策略仿真對(duì)比圖形，如圖9所示。

由圖9可看出，改進(jìn)前，公共母線上電壓和頻率會(huì)在切換時(shí)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，蓄電池有功和無(wú)功輸出也會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)。但采用基于改進(jìn)控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換方法后可有效的抑制切換過程中的電壓和頻率出現(xiàn)的波動(dòng)，并維持其穩(wěn)定，有效減小了暫態(tài)過程對(duì)微網(wǎng)的沖擊。微網(wǎng)的電壓波動(dòng)在其額定值得±5%內(nèi)，頻率波動(dòng)在±0.3 Hz內(nèi)，均滿足微網(wǎng)運(yùn)行要求。

4.2 微電網(wǎng)暫態(tài)過程仿真

改進(jìn)前后微電網(wǎng)蓄電池輸出功率曲線如圖10，由圖可明顯看出控制方式改進(jìn)前，輸出功率變化波動(dòng)比較大，但采用改進(jìn)控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換方法后，蓄電池輸出功率波動(dòng)變化明顯受到抑制，在從孤島到并網(wǎng)切換的瞬間抑制波動(dòng)尤為明顯，表明該方法明顯有效減小了功率波動(dòng)對(duì)微網(wǎng)的沖擊，圖中藍(lán)線表示為有功功率，綠線表示為無(wú)功功率。

圖9 改進(jìn)前后微電網(wǎng)電壓和頻率變化曲線Fig.9 The curves of voltage and frequency of micro grid before and after improvement

圖10 改進(jìn)前后微電網(wǎng)蓄電池有功和無(wú)功波形Fig.10 Waveform of active and reactive power of micro grid battery before and after improvement

圖11 負(fù)載消耗的功率Fig.11 Power consumption of load

圖12 光伏逆變器輸出功率Fig.12 Photovoltaic inverter output power

圖13 蓄電池逆變器輸出功率Fig.1 3 Battery inverter output power

圖14 風(fēng)機(jī)輸出功率Fig.14 Fan output power

圖15 10.5 kV-380 V母線間傳輸功率Fig.15 10.5 kV-380 V bus transmission power

4.3 微電網(wǎng)投切負(fù)荷仿真

設(shè)置微網(wǎng)運(yùn)行5 s，在0～2 s和3～5 s時(shí)，K1閉合，微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行；2～3 s時(shí)，K1開路，微網(wǎng)孤島運(yùn)行。負(fù)載A接在電網(wǎng)上，當(dāng)K2在2～4 s時(shí)閉合，此時(shí)負(fù)載B接入電網(wǎng)，負(fù)載消耗的功率如圖11。

分析圖12～15可得，微網(wǎng)運(yùn)行時(shí)光伏微電源保持標(biāo)況下即溫度和光照強(qiáng)度分別保持在25℃和1 000 W/m2，光伏陣列以最大功率輸出20 kW。由1～2 s知，微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，提供能量66 kW，而負(fù)載消耗50 kW，則將多余的16 kW輸入給電網(wǎng)；2～3 s時(shí)孤島運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)發(fā)出功率和負(fù)載消耗功率相同；由3～4 s知，光伏發(fā)出20 kW，蓄電池發(fā)出30 kW，風(fēng)力發(fā)出10 kW，負(fù)載消耗70 kW，缺額的10 kW由電網(wǎng)為其提供。

5 結(jié)論

本文通過PSCAD/EMTDC軟件建立主從控制的風(fēng)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)模型，采用基于改進(jìn)狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法，顯著地減小了微電網(wǎng)模式切換過程中電壓和頻率的波動(dòng)和功率波動(dòng)對(duì)微電網(wǎng)的沖擊，實(shí)現(xiàn)了平滑切換，使得微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定性得以提高。通過對(duì)負(fù)載接入的控制，微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)在不同模式下的能量的可控性和雙向的流動(dòng)性。

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（編輯 李沈）

Control Strategy of Grid Connected and Isolated Island Switching for Master Slave Control

FENG Bohao，YU Xiangyang，MING Yao，LI Xiaoxiao
（College of Water Resources and Hydro-Electric Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

The smooth switching of the microgrid between the grid-connected operation mode and island operation mood is of great significance to the improvement of the safe，reliable and stable operation of the micro-grid.Firstly，this paper introduces the basic structure and working mode of the micro-grid system，and then according to the voltage and frequency fluctuation problems occurred to the microgrid during the mode switching the paper proposes an improved state-following control strategy.Finally，the PSCAD/EMTDC software platform is used to establish a master-slave control model of the microgrid composed of PV，wind and energy storage and the simulation results show the effectiveness of the proposed control strategy.

microgrid； grid connected/isolated island operation；smooth switch-over；control strategy

2016-10-19。

馮博豪（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的測(cè)量、保護(hù)與控制；

余向陽(yáng)（1975—），男，碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化，電力系統(tǒng)仿真；

明 堯（1989—），男，助理工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的分析，運(yùn)行和微電網(wǎng)的控制；

李霄霄（1987—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的測(cè)量、保護(hù)與控制。

陜西省協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃（2014XT-21）。

Project Supported by the Collaborative Innovation Program of Shaanxi Province（No.2014XT-21）.

1674-3814（2017）03-0104-07

TM743

A