基于分層控制的微網(wǎng)無縫切換研究*

高廷峰，汪海寧，施永

（合肥工業(yè)大學(xué)教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，合肥230000）

0 引 言

隨著用電負(fù)荷不斷增長、化石燃料的衰竭，清潔能源的利用得到了高度重視；微網(wǎng)作為一種利用清潔能源的有效方式，受到各國廣泛關(guān)注。微網(wǎng)系統(tǒng)主要特點是既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行也可以脫離大電網(wǎng)孤島運行，而微電網(wǎng)系統(tǒng)在孤島與并網(wǎng)兩種運行模式之間的無縫切換是微電網(wǎng)巫需解決的重要問題［1］。

對等控制、主從控制、分層控制是微網(wǎng)的三種主要控制策略［2-4］。其中，對等控制一般采用Droop模式，并由輸出電壓與頻率的調(diào)整來實現(xiàn)功率的分配，控制效果不理想，所以當(dāng)前微網(wǎng)主要采用主從與分層控制。主從控制中，并網(wǎng)時逆變器采用P/Q模式，處于電流源工作模式；孤島時，作為主逆變器的儲能逆變器需采用V/f模式來提供系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓和頻率。在分層結(jié)構(gòu)中，最上層為配電網(wǎng)管理系統(tǒng)，主要包括兩部分配電網(wǎng)管理器和市場管理器，用來對微電網(wǎng)中逆變單元的輸出功率進行優(yōu)化分配，使微電網(wǎng)的整體運行達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)；中間層為微網(wǎng)中央控制器，為微電網(wǎng)和大電網(wǎng)提供接口，協(xié)調(diào)控制底層微源與負(fù)荷；底層為微源控制器MC和本地負(fù)荷控制器LC，接收并執(zhí)行來自中間層的指令，一般情況下可調(diào)度微源需要為系統(tǒng)建立支撐系統(tǒng)的電壓參考和頻率參考，不可調(diào)度微源采用MPPT模式，使此微源處于高效率的工作狀態(tài)，以達(dá)到能源的最優(yōu)化利用。文獻(xiàn)［5］微網(wǎng)雙模式工作狀態(tài)下采用電壓/電流加權(quán)控制實現(xiàn)系統(tǒng)無縫切換，但在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時需對加權(quán)因子進行同步設(shè)置。文獻(xiàn)［6］中微網(wǎng)系統(tǒng)兩種工作模式的切換是通過儲能逆變器實現(xiàn)的，但儲能逆變器所采用的控制策略對帶寬要求較高。文獻(xiàn)［7］提出了一種控制器間狀態(tài)跟蹤的無縫切換策略，針對切換過程中暫態(tài)影響跟隨參數(shù)變化的規(guī)律進行研究。文獻(xiàn)［8］提出了一種能夠抑制沖擊電流的平滑切換控制策略，但在切換過程中會出現(xiàn)母線電壓的振蕩，可能會觸發(fā)孤島保護動作，不利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

上述文獻(xiàn)主要針對主從控制結(jié)構(gòu)微網(wǎng)的無縫切換問題進行研究，而分層控制結(jié)構(gòu)微網(wǎng)的無縫切換有待進一步研究。本文主要針對分層控制結(jié)構(gòu)微網(wǎng)的并離網(wǎng)平滑切換問題進行研究。首先對微網(wǎng)并網(wǎng)儲能逆變器的控制策略進行介紹，然后對系統(tǒng)切換過程中出現(xiàn)的沖擊現(xiàn)象進行分析，提出一種適應(yīng)于分層控制結(jié)構(gòu)的改進控制器，以使系統(tǒng)暫態(tài)過程得到改善；最后，在微網(wǎng)實驗平臺上對本文所提出的控制器進行了實驗驗證，從而證明了該改進型控制器的有效性與可靠性。

1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及控制方法

圖1所示為微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，主要包括微源、本地負(fù)荷以及并網(wǎng)斷路器，其中微源包括光伏、風(fēng)機、儲能（蓄電池，超容等），本地負(fù)荷可分為重要負(fù)荷和非重要負(fù)荷。當(dāng)系統(tǒng)滿足并網(wǎng)條件時微網(wǎng)系統(tǒng)通過并網(wǎng)斷路器與大電網(wǎng)相連實現(xiàn)并網(wǎng)運行，此時微網(wǎng)的主要目標(biāo)是降低微網(wǎng)內(nèi)微源與負(fù)荷波動對大電網(wǎng)的影響，使微網(wǎng)等效成一個友好、可控的負(fù)荷接入大電網(wǎng)；當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障或計劃檢修時，系統(tǒng)斷開并網(wǎng)斷路器，微網(wǎng)進入孤島運行模式，系統(tǒng)需建立穩(wěn)定的電壓和頻率。

微網(wǎng)逆變器主電路如圖2所示，其中L為濾波電感，Cf為濾波電容，Z為本地負(fù)載，Ls為并網(wǎng)電感，Udc為直流母線電壓，ua，ub，uc為微網(wǎng)逆變器輸出三相電壓，Ia，Ib，Ic為濾波電感三相電流，ia，ib，ic為并網(wǎng)電感三相電流，ea，eb，ec為微網(wǎng)交流母線電壓。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram of micro-grid

圖2 微網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Main circuit structure diagram of micro-grids inverter

1.1 孤島下垂控制器

微網(wǎng)孤島運行時要求系統(tǒng)建立穩(wěn)定的電壓和頻率，本文采用下垂控制建立一個穩(wěn)定的電壓和頻率。孤島時逆變器運行模型可簡化成：逆變器作為一個電壓源U∠δ，通過阻抗記為R+j X的線路，與電壓為E∠0的微網(wǎng)交流母線相連接。逆變器輸出的有功P和無功功率 Q分別為［9-11］：

聯(lián)立上式可得：

在低壓網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)線通常呈現(xiàn)為電阻特性，但考慮到逆變器等效阻抗系統(tǒng)中X?R，R較小可忽略不計，功角 δ也較小，則 sinδ=δ，cosδ=1，上式可化簡為：

微網(wǎng)交流母線電壓E可由電壓互感器實時檢測，并利用下垂控制器控制三相全橋輸出電壓U。因此，由式（5）、式（6）可知，逆變器有功功率 P正比于相角差δ，為了實現(xiàn)逆變器對有功功率P的控制，需使相位差δ=δu-δe發(fā)生變化，所采用措施為調(diào)節(jié)微網(wǎng)逆變器的輸出電壓U的相角δu。同理，逆變器無功功率Q正比于幅值差ΔU=U-E，為實現(xiàn)逆變器對無功功率Q的控制，需使電壓幅值差發(fā)生變化，所采取措施為調(diào)節(jié)微網(wǎng)逆變器輸出電壓的幅值U。由此得下垂控制方程為：

式（5）～式（8）是逆變器同時實現(xiàn)電壓源輸出特性和多臺并聯(lián)同步運行的理論基礎(chǔ)，孤島Droop控制器如圖3所示。

圖3 Droop控制器Fig.3 Controller of Droop

1.2 并網(wǎng)PQ控制器

為了使逆變器輸出給定功率，系統(tǒng)需采用恒功率控制模式，即當(dāng)PCC點頻率和電壓在允許范圍內(nèi)變化時，逆變器輸出功率恒定，處于電流源工作模式。并網(wǎng)運行時，電壓幅值、頻率、相位受大電網(wǎng)鉗制。逆變器與大電網(wǎng)交互的有功功率和無功功率瞬時值可以表示為［12］：

為實現(xiàn)功率和電流的解藕，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，在Park變換中選取旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸參考方向與逆變器電壓矢量方向相同，則可對功率表達(dá)式進行簡化：有功功率P只與電流d軸分量id有關(guān)，無功功率Q只與電流分量q軸iq有關(guān)。從而可以得到電流參考值為：

式（11）、式（12）是并網(wǎng)運行模式下系統(tǒng)保持功率平衡的關(guān)鍵，輸出分量實時跟隨idref、iqref，實現(xiàn)等參考功率輸出。并網(wǎng)PQ控制器如圖4所示。

圖4 PQ控制器Fig.4 Controller of PQ

對比孤島Droop控制器和并網(wǎng)PQ控制器可以發(fā)現(xiàn)，要研究微網(wǎng)系統(tǒng)在兩種模式間的平滑切換，需控制兩種控制器在切換瞬間實現(xiàn)平緩變換，才能保證系統(tǒng)不出現(xiàn)較大沖擊。據(jù)此，提出一種改進控制器。

2 微網(wǎng)無縫切換控制器的改進

微網(wǎng)系統(tǒng)運行時主要有以下幾種模式：

（1）孤島運行模式：系統(tǒng)采用 Droop控制方法，建立系統(tǒng)穩(wěn)定的電壓與頻率，各分布式單元按自身容量比例分配負(fù)荷；

（2）并網(wǎng)運行模式：系統(tǒng)由并網(wǎng)斷路器連接到大電網(wǎng)，系統(tǒng)采用PQ控制微電網(wǎng)輸出給定的功率，輸出電壓跟隨大電網(wǎng)；

（3）從孤島模式到聯(lián)網(wǎng)模式的切換：為避免在并網(wǎng)時刻因相位突變而產(chǎn)生瞬間沖擊，采用預(yù)同步控制，在檢測到微電網(wǎng)與主網(wǎng)相位差、幅值差在允許誤差范圍內(nèi)時吸合并網(wǎng)斷路器，切換為并網(wǎng)運行；

（4）從聯(lián)網(wǎng)模式到孤島模式的切換：為了滿足更高的電能質(zhì)量的要求，微網(wǎng)有時需斷開并網(wǎng)斷路器轉(zhuǎn)換為孤島運行模式。為抑制在模式切換過程中可能出現(xiàn)的的沖擊，采用本文控制策略確保控制器前后兩種狀態(tài)相匹配。

離網(wǎng)切并網(wǎng)：此過程需要系統(tǒng)將孤島模式下的電壓參數(shù)在并網(wǎng)成功之前調(diào)節(jié)至與大電網(wǎng)電壓的參數(shù)基本相同，即在一定的安全誤差范圍之內(nèi)，否則在切換瞬間會有較大的電流沖擊，影響設(shè)備的安全與負(fù)荷的用電質(zhì)量。首先通過對電網(wǎng)側(cè)和微網(wǎng)側(cè)兩個端口的電壓進行采樣和鎖相，計算出兩個端口的電壓幅值差和相位差，將其作為預(yù)同步控制的反饋信號，然后計算出預(yù)同步控制需要調(diào)節(jié)的微網(wǎng)系統(tǒng)幅值量和需要調(diào)節(jié)的系統(tǒng)頻率量，進而對系統(tǒng)進行具體調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)離/并網(wǎng)的切換。預(yù)同步目的是控制系統(tǒng)PCC處電壓各項參數(shù)跟隨電網(wǎng)電壓的各項參數(shù)。

并網(wǎng)切離網(wǎng)：在微網(wǎng)并網(wǎng)運行前，由式（5）與式（6）可知，當(dāng)系統(tǒng)與大電網(wǎng)存在Δδ和ΔU時，系統(tǒng)會產(chǎn)生沖擊電流Irush，其大小為：

且微網(wǎng)與大電網(wǎng)間的阻抗X很小，由此可見Δδ和ΔU過大會引起Irush過大，影響設(shè)備的正常運行，這就需要對微網(wǎng)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)電壓幅值、頻率和相位進行預(yù)同步控制。在經(jīng)過預(yù)同步控制之后電壓參數(shù)基本跟隨大電網(wǎng)，在并網(wǎng)瞬間，前后兩種狀態(tài)相匹配系統(tǒng)不會出現(xiàn)較大的沖擊，系統(tǒng)實現(xiàn)了由孤島向并網(wǎng)的平滑切換。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或大電網(wǎng)計劃檢修時，微網(wǎng)系統(tǒng)運行模式發(fā)生變換。在并網(wǎng)模式下，系統(tǒng)電壓與頻率受電網(wǎng)鉗制，逆變器等效為恒流源，此時分析電路可得逆變器輸出電流為：

式中I0、φ0和I、φ分別對應(yīng)切換前后逆變器輸出電流和電壓；Pload、Pgrid分別為負(fù)荷功率、電網(wǎng)輸出功率。切換到孤島時逆變器電壓U=RI cosφ，結(jié)合式（16）可將逆變器電壓變換為：

由式（17）可得知如果在切換瞬間電網(wǎng)Pgrid≠0，就會導(dǎo)致系統(tǒng)有功功率失衡，逆變器電壓；U≠U0，即1-Pgrid/Pload≠1，電壓U發(fā)生變化。為解決由功率不平衡引起的電壓變化，采用在模式轉(zhuǎn)換前，使逆變器輸出有功等于負(fù)荷有功，即電網(wǎng)輸出有功Pgrid=0，則U=U0時，系統(tǒng)不會出現(xiàn)電壓的變化，從而提高了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

由于PQ控制器中PI調(diào)節(jié)器的原因，導(dǎo)致切換過程中兩種控制器前后的狀態(tài)不匹配，這樣會造成輸入發(fā)生突變，從而產(chǎn)生較大的暫態(tài)振蕩，出現(xiàn)較大沖擊影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。針對這個問題，對整體控制器結(jié)構(gòu)進行了改進［13］，如圖5所示。

圖5 改進的控制器Fig.5 Modification of controller

模式切換前，微網(wǎng)處于并網(wǎng)模式，閉合開關(guān)S1、S3，斷開剩余開關(guān)，即圖5中線路①導(dǎo)通。此階段并網(wǎng)PQ控制器的輸出作為孤島Droop控制器的給定，使孤島Droop控制器在并網(wǎng)模式下實時跟隨并網(wǎng)PQ控制器的輸出，確保控制器前后兩個狀態(tài)相匹配；模式切換后，微網(wǎng)處于離網(wǎng)模式，閉合開關(guān)S2、S4，斷開剩余開關(guān)，即圖5中線路②導(dǎo)通。此階段孤島Droop控制器工作，在此之前孤島Droop控制器始終跟隨PQ控制器輸出，實現(xiàn)了切換瞬間控制器輸出的平緩變換，使得切換暫態(tài)影響得以削弱，保證了微網(wǎng)系統(tǒng)運行模式的平滑切換。

3 實驗結(jié)果

為驗證理論分析的正確性，在微網(wǎng)平臺上進行試驗驗證。逆變器主電路采用全橋拓?fù)?，具體參數(shù)表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

試驗1：微網(wǎng)系統(tǒng)運行在孤島模式下，在電網(wǎng)條件允許情況時微網(wǎng)由孤島模式向并網(wǎng)模式切換，實驗波形如圖6所示。圖7所示為微網(wǎng)與大電網(wǎng)在預(yù)同步過程，（即由孤島狀態(tài)向并網(wǎng)狀態(tài)的切換）中的相位差和幅值差，在一定時間后微網(wǎng)電壓波形與電網(wǎng)電壓波形完全重合預(yù)同步控制完成?？煽闯鱿到y(tǒng)響應(yīng)較快，微網(wǎng)交流母線電壓實現(xiàn)了與電網(wǎng)電壓的準(zhǔn)確同步，切換過程沒有沖擊，系統(tǒng)實現(xiàn)了離并網(wǎng)模式間的的平滑切換。并網(wǎng)成功后逆變器輸出給定功率，工作在電流源型模式，聯(lián)同大電網(wǎng)對負(fù)載進行供電。

試驗2：為了滿足更高的電能質(zhì)量的要求或電網(wǎng)故障，微網(wǎng)須脫網(wǎng)獨立運行，此處人為斷開并網(wǎng)斷路器造成大電網(wǎng)故障現(xiàn)象，迫使系統(tǒng)由并網(wǎng)向孤島模式切換，系統(tǒng)切換實驗波形見圖8。由圖8可知并網(wǎng)點電壓參數(shù)在并網(wǎng)斷路器斷開后能夠快速調(diào)節(jié)至孤島給定值，建立孤島條件下穩(wěn)定電壓和頻率，電壓、電流變化平緩未出現(xiàn)大的跳變說明改進控制器轉(zhuǎn)換前后的兩種狀態(tài)是相匹配，轉(zhuǎn)換過程平滑，改進控制器起到平滑切換作用，脫網(wǎng)后按照各設(shè)備容量比例分配負(fù)荷。

實驗所得結(jié)果中所示稀疏曲線是圖形上方密集曲線光標(biāo)區(qū)的放大。

圖6 微網(wǎng)離/并網(wǎng)切換Fig.6 Micro-grid transferred to grid-connected

圖7 預(yù)同步過程中相位差/幅值差Fig.7 Phase/amplitude difference of pre-synchronization

圖8 微網(wǎng)并/離網(wǎng)切換Fig.8 Micro-grid transferred to islanded mode

4 結(jié)束語

本文通過對基于分層控制的微網(wǎng)無縫切換進行分析，原有控制策略能較好的解決在各自穩(wěn)態(tài)條件下的穩(wěn)定運行問題，但在兩種模式切換時存在暫態(tài)振蕩問題，系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

在微網(wǎng)孤島切并網(wǎng)時，系統(tǒng)在經(jīng)過預(yù)同步控制之后電壓跟隨大電網(wǎng)，在并網(wǎng)瞬間不會出現(xiàn)較大的沖擊，系統(tǒng)實現(xiàn)了由孤島向并網(wǎng)的平滑切換；微網(wǎng)并網(wǎng)切孤島時，兩個控制器前后狀態(tài)不匹配。針對模式切換時可能出現(xiàn)的問題本文對控制器進行改進：并網(wǎng)切離網(wǎng)時，孤島Droop控制器的輸入與并網(wǎng)PQ控制器的輸出相等，切換瞬間兩控制器前后的狀態(tài)相匹配，不產(chǎn)生較大沖擊。在此基礎(chǔ)上建立了微電網(wǎng)實驗驗證平臺，實驗結(jié)果驗證了文中提出的改進控制器策略的正確性、有效性。