基于權(quán)重控制的微電網(wǎng)運(yùn)行模式平滑切換控制策略

赫亞慶，王維慶，王海云，樊小朝

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，新疆烏魯木齊 830047）

當(dāng)今社會(huì)能源短缺，在常規(guī)能源危機(jī)與環(huán)境污染雙重壓力下，新能源的分布式發(fā)電技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注與應(yīng)用[1-3]。將微源、操控核心、負(fù)載、儲能裝置與具有自愈（故障重構(gòu)）能力的電力網(wǎng)絡(luò)等幾部分組成一個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合發(fā)電與控制，能夠有效地解決微源分散、隨機(jī)變動(dòng)等特性，并能提升分布式發(fā)電技術(shù)的作用。

微網(wǎng)有2種運(yùn)行模式：并網(wǎng)模式與孤島模式。微電源的運(yùn)行方式不僅可斷定微網(wǎng)在雙模下的運(yùn)行狀態(tài)，也關(guān)聯(lián)著無縫切換的效用[4-7]。文獻(xiàn)[8-9]提出切換逆變器，并網(wǎng)模式選擇PQ方式、孤島時(shí)選擇恒壓恒頻方式，合乎微網(wǎng)運(yùn)作要求。文獻(xiàn)[10]采用下垂控制，孤島與并網(wǎng)雙模下微源控制方式固定，適宜即插即用的特性。文獻(xiàn)[11]給出微源并網(wǎng)狀態(tài)選擇PQ方式，離網(wǎng)狀態(tài)選擇下垂控制，探求下垂方式下添加下垂調(diào)試常值環(huán)，經(jīng)此環(huán)路轉(zhuǎn)換完成雙模無縫切換的過程。文獻(xiàn)[12-13]給出校正后的下垂方式，離網(wǎng)時(shí)采用下垂方式，按微源容量分?jǐn)傒d荷。并網(wǎng)時(shí)采用PQ方式，輸出預(yù)定容量。逆變器不用在雙模轉(zhuǎn)換時(shí)在電流與電壓控制之間來回?fù)Q切，預(yù)同步控制系統(tǒng)對逆變器并聯(lián)時(shí)的電壓與電流沖擊振蕩起到了克制作用，提高了體系的實(shí)用度與平穩(wěn)度，能夠完成微電網(wǎng)無縫切換的過程，卻對非首要負(fù)荷略有影響。

合適的微電網(wǎng)體系和負(fù)荷配置等結(jié)構(gòu)[14]，以及相應(yīng)的投切方式流程，是微網(wǎng)完成穩(wěn)定運(yùn)行以及無縫切換過程中必不可少的條件。分析了下垂控制策略，提出了一種頻率/電壓權(quán)重控制的雙模切換控制方略因數(shù)的控制方式，最后通過系統(tǒng)整體控制策略與仿真分析了權(quán)重控制策略與傳統(tǒng)的下垂控制策略，其結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略更加精準(zhǔn)與實(shí)用。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和控制分析

圖1是一種微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖，主要由靜態(tài)開關(guān)（static transfer switch，STS）、儲能裝置、光伏發(fā)電裝置和風(fēng)電設(shè)備以及用電負(fù)載等構(gòu)成。STS在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行；在斷開狀態(tài)時(shí)，則以孤島模式運(yùn)行。雙模切換過程中，逆變器控制方式也會(huì)有所改變。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of micro-grid

此微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，包含了交流成分也包含了直流成分，負(fù)荷可以連接到直流母線上，也可以連接到交流母線上，可以看作交直流混合微網(wǎng)，但是從整個(gè)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以看出，最終都可以看成交流微電網(wǎng)，直流微網(wǎng)也是經(jīng)過電力電子器件逆變器連接到交流母線上。

微電源經(jīng)過逆變器連接到電網(wǎng)，進(jìn)入并網(wǎng)方式時(shí)，通常選用PQ控制方式，PQ控制通常是微源輸出一定的有功功率與無功功率，微電源在此環(huán)境下，不論系統(tǒng)內(nèi)頻率與電壓如何變動(dòng)，都要確保微電源輸出恒定功率。當(dāng)微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行方式時(shí)選用下垂控制或權(quán)重控制方法。

2 微電網(wǎng)運(yùn)行模式

2.1 基于下垂控制策略

微電源逆變器下垂控制的關(guān)鍵要素類似于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)一次調(diào)整，傳統(tǒng)下垂控制如圖2所示，傳統(tǒng)下垂控制方程表示如下

式中：f，V表示逆變器輸出頻率與電壓幅值；f0，V0表示額定頻率與額定電壓幅值；P，Q表示輸出的有功功率與無功功率；P0，Q0表示額定有功功率與無功功率；m，n為有功與無功功率下垂系數(shù)。

圖2 傳統(tǒng)下垂控制Fig.2 Traditional droop control

改進(jìn)下垂方式其實(shí)質(zhì)改變改進(jìn)下垂系數(shù)為：

整理可以得到改進(jìn)下垂控制方程

但孤島時(shí)選取下垂方式對微源調(diào)節(jié)容量需求苛刻，在微電網(wǎng)低滲透率的環(huán)境下，難以完成無縫切換任務(wù)，對一般負(fù)載略有影響；也沒有考慮下垂控制方式對切換方式的滿足性以及切換時(shí)沖擊電流與電壓產(chǎn)生的結(jié)果。

2.2 基于權(quán)重控制策略

電壓/頻率權(quán)重控制方式比常規(guī)控制方式具有更寬的線性軌跡，消除了許多常規(guī)電壓/頻率控制方式只在電壓/頻率瓦解點(diǎn)周圍小區(qū)間內(nèi)有線性軌跡的弊端，為負(fù)荷大范圍發(fā)生變化時(shí)對電網(wǎng)電壓/頻率穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測提供了方便。在穩(wěn)態(tài)誤差方面，權(quán)重控制能將誤差控制在環(huán)寬以內(nèi)[15]，且控制策略簡單，易于控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

權(quán)重綜合控制框圖如圖3所示。將控制器連接到體系后，相當(dāng)于往體系連接一個(gè)可調(diào)電流，其電流愈大則控制器彌補(bǔ)的無功愈大，反之亦然。通過連入一個(gè)閉環(huán)反饋體系就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償?shù)男Ч?。運(yùn)算電流時(shí)采取了前饋環(huán)節(jié)，預(yù)流入系統(tǒng)電流量i（t）通過計(jì)算可得。

式中：i（t-1）為上一刻流出的工作電流；k1（t）、Δi1（t），k2（t）、Δi2（t）分別表示t時(shí)刻電壓、頻率式樣中求出的權(quán)重系數(shù)與電流增量；Δk1（t），Δk2（t）分別表示t時(shí)刻電壓、頻率權(quán)重模糊調(diào)節(jié)器的輸出量。

此動(dòng)態(tài)權(quán)重模糊控制策略與負(fù)荷跟蹤特性，說明權(quán)重控制策略可以更好地完成負(fù)載的適時(shí)監(jiān)控，無功補(bǔ)償成效出色。模糊控制手段具備超調(diào)量極小與調(diào)控時(shí)間極短，有超佳的動(dòng)態(tài)性與適應(yīng)性。

圖3 權(quán)重綜合控制系統(tǒng)圖Fig.3 Comprehensive control system chart of weight control

3 系統(tǒng)整體控制策略

3.1 逆變器整體綜合控制

逆變器系統(tǒng)整體綜合控制策略框架如圖4所示。據(jù)瞬時(shí)功率理論原理，逆變器輸出的無功功率與有功功率表達(dá)式是

式中：id、iq、ud、uq分別為圖中iabc與uabc的d軸與q軸分量。

圖4 綜合控制策略圖Fig.4 Diagram of integrated control strategy

3.2 電流調(diào)節(jié)器控制

電流調(diào)節(jié)器不僅能對電網(wǎng)電壓波動(dòng)起到抑制效果，而且能使電流及時(shí)追蹤給定電壓的變化，加快動(dòng)態(tài)過程，對電路起到過電流保護(hù)作用。本文引入電流調(diào)節(jié)器控制，如圖5所示，來抑制在并網(wǎng)與離網(wǎng)轉(zhuǎn)換進(jìn)程中，主電源輸出電流的振蕩并穩(wěn)定微電網(wǎng)電壓的動(dòng)態(tài)變化。

圖5 電流調(diào)節(jié)控制圖Fig.5 Current regulation control chart

逆變器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中輸出的瞬時(shí)無功與有功功率是

式中：Q，P分別為三相逆變器輸出的無功功率與有功功率；Ud，Uq分別為電網(wǎng)電壓在d，q坐標(biāo)軸上的等效分量；id，iq分別為逆變器輸出電流在d，q坐標(biāo)軸上的等效分量。經(jīng)過瞬時(shí)電流內(nèi)環(huán)給定計(jì)算，可以求出流入電流調(diào)節(jié)器中的電流為

3.3 相位預(yù)同步控制模塊

相位預(yù)同步就是微電網(wǎng)由離網(wǎng)形式返回并網(wǎng)形式前，事先排除微電網(wǎng)饋線與電網(wǎng)當(dāng)中的位相差，防止在并網(wǎng)時(shí)由于相位出現(xiàn)驟變而形成瞬間沖擊。電網(wǎng)電壓與微電網(wǎng)電壓的同步追蹤經(jīng)過如圖6所示。圖中ω1與β1是電網(wǎng)電壓的角頻率與相位；ω與β是微電網(wǎng)母線電壓的角頻率與相位；Δβ是兩者之間的相位差。當(dāng)電網(wǎng)電壓與微電網(wǎng)母線電壓的相位角之差Δβ等于0時(shí)，就滿足了同步控制效果，可調(diào)節(jié)vq=0來完成相位同步過程。

圖6 相位同步示意圖Fig.6 Diagram of phase synchronization

對三相微網(wǎng)電壓做按式子（13）同步坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以求得Vq，其中Voa、Vob、Voc是微網(wǎng)三相母線電壓。則

經(jīng)過上述轉(zhuǎn)換就能得到d、q軸分量與零參考進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，來防止與同步過程中微網(wǎng)頻率發(fā)生劇烈波動(dòng)，從而影響電能質(zhì)量。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證微網(wǎng)逆變器權(quán)重控制策略的有效性，在Matlab/Simulink仿真軟件平臺上搭建控制系統(tǒng)的仿真模型，重點(diǎn)分析電壓與頻率的恢復(fù)結(jié)果，為減少不必要參數(shù)的影響，對仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了理想化處理，其中微電網(wǎng)電源的原動(dòng)機(jī)與儲能裝置都由理想直流電壓源替代。負(fù)載為對稱的三相負(fù)載，仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

負(fù)載1有功與無功分別為P1=2.0×104W、Q1=0 V·A；負(fù)載2的有功與無功為P2=2.5×104W、Q2=1.33×104V·A和可調(diào)負(fù)載3最大有功與無功為P3=2.0×104W、Q3=1.0×104V·A。

微電網(wǎng)在0～0.3 s與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，0.3～0.7 s切換到孤島運(yùn)行模式，0.7～1.0 s通過預(yù)同步控制切換到并網(wǎng)模式。電網(wǎng)是無窮大電源，微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，通常由電網(wǎng)向微電網(wǎng)提供功率補(bǔ)償，當(dāng)微網(wǎng)由并網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)存在功率缺額。

由頻率圖7知，在0～0.3 s，微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率與電壓都由電網(wǎng)支撐保持額定值（圖中的小幅波動(dòng)與仿真軟件的初始化有關(guān)）。0.3～0.7 s，采用下垂控制時(shí)，微網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式，微網(wǎng)內(nèi)的電壓與頻率不再由電網(wǎng)支撐，儲能裝置的有功與無功功率迅速由P=2.0×104W、Q=0 V·A升到P=2.5×104W、Q=1.33×104V·A，用來支撐微電網(wǎng)頻率與電壓的穩(wěn)定，同時(shí)顯示在并網(wǎng)情況下電網(wǎng)向微網(wǎng)輸送的有功與無功功率是P=2.5×104W、Q=1.33×104V·A，系統(tǒng)在孤島運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)母線頻率維持在49.76～50 Hz，母線頻率在0.65 s后才基本維持穩(wěn)定。而采用權(quán)重控制時(shí)，微網(wǎng)母線頻率維持在49.93～50 Hz，母線頻率在0.6 s以后就維持穩(wěn)定，0.7 s以后系統(tǒng)通過預(yù)同步進(jìn)入并網(wǎng)模式。由此可見加入權(quán)重控制比下垂控制策略相應(yīng)速度快，波動(dòng)范圍小。

圖8是微電網(wǎng)母線電壓與主電源輸出電流變化曲線。如圖8所示，系統(tǒng)由并網(wǎng)模式切換到孤島運(yùn)行模式時(shí)，在0.3～0.7 s，采用下垂控制時(shí)，微電網(wǎng)母線電壓接近真實(shí)值，但是主電源輸出電流過渡不平穩(wěn)，容易產(chǎn)生振蕩；采用權(quán)重電壓控制時(shí)，微電網(wǎng)母線電壓與主電源輸出電流幾乎與實(shí)際值一樣，電壓與電流過渡平穩(wěn)，不會(huì)產(chǎn)生振蕩。0.7～1.0 s通過預(yù)同步控制切換到并網(wǎng)模式。

圖7 運(yùn)行模式相互切換下微電網(wǎng)頻率變化Fig.7 Frequency variation of microgrid under switching mode

圖8 運(yùn)行模式相互切換下微電網(wǎng)電壓與電流變化Fig.8 Changes of voltage and current in microgrid under switching mode

圖9是微電網(wǎng)儲能裝置輸出有功與無功變化曲線。如圖9所示：在負(fù)載功率分配上，下垂控制與本文所采用的權(quán)重控制2種控制策略無明顯大的變化。只是權(quán)重控制比下垂控制策略響應(yīng)速度稍微快點(diǎn)，在0.3～0.7 s內(nèi)，由并網(wǎng)運(yùn)行切換到孤島運(yùn)行模式時(shí)，由于控制模式的改變，通過增發(fā)功率來維持系統(tǒng)電壓與頻率的穩(wěn)定。本文所提權(quán)重控制策略不會(huì)影響系統(tǒng)的功率分配。

圖9 運(yùn)行模式相互切換下微電網(wǎng)中儲能裝置功率輸出變化Fig.9 The change of output power of the energy storage device of micro grid under operation mode switching

5 結(jié)論

1）在穩(wěn)態(tài)誤差方面，權(quán)重控制能將誤差控制在環(huán)寬以內(nèi)，且控制策略簡單，易于控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，既不會(huì)影響原來的功率分配，也不會(huì)影響系統(tǒng)整體性能。

2）加入權(quán)重控制策略對電壓與頻率有更好的穩(wěn)定恢復(fù)能力，過渡平穩(wěn)，不會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。

3）對微電網(wǎng)雙模切換過程進(jìn)行了仿真分析，與傳統(tǒng)的下垂控制策略進(jìn)行對比，其結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的正確性，為今后建設(shè)微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺奠定基礎(chǔ)。

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