微电网与公共电网即插即用技术研究

霍群海，唐西胜

（中国科学院 电工研究所，北京 100190）

0 引言

智能电网成为最近的研究热点[1-2]，多种微源组成的微电网的应用是重要的研究方向之一[3-6]。文献[7-8]首次提到微源的即插即用概念（也称为平滑切换或无缝切换）。文献[9]提出一种电压／电流加权控制策略，实现单台逆变器的并网和离网无缝切换。文献[10]提出了包含滤波电感电流环、滤波电容电压环和并网电感功率外环组成的三环切换控制策略，重点分析了储能在微电网运行中的作用。文献[11]提出基于LC滤波的电压／电流环三区域平滑切换策略，减小微电网2种运行模式切换过程中的暂态振荡。文献[12]设计了基于MAS系统和电力电子控制技术的即插即用模型，并分析了微电网中元件协调控制策略。文献[13]提出了一种基于电感电流内环和电容电压外环的双闭环反馈控制方法。文献[14]提出进行幅值相位跟踪，然后合上并网开关进行并网软启动，脱网采用了零电流与零电压的脱网方法，实现单台逆变器的并网和离网无缝切换。文献[15]提出微电网根据大电网调节自身的电压和频率的控制策略。以上文献主要是针对单台微源的分析，对含多台微源的微电网系统即插即用的研究较少；对微电网无缝切换仿真分析较多，大功率实验验证较少；另外已有文献对即插即用具体实现过程分析较少。本文提出的即插即用方案，在实现微电网与公共电网交换能量的同时，能保证微电网内敏感负荷在切换瞬间仍有较高的电能质量供给。

本文以实验室中搭建的微电网为分析对象，采用主控微源恒压恒频和从微源最大功率点跟踪（MPPT）运行的组网策略，以微电网稳定运行为基础，实现微电网与公共电网的即插即用。

1 微电网即插即用拓扑

微电网即插即用技术的关键是微电网稳定运行的同时要实现微电网与公共电网投切瞬间敏感负荷上的电压／电流平稳，无冲击，无中断，较短时间、较小幅值的电压波动。微电网系统即插即用技术的实现方法与微电网自身的拓扑结构有关，微电网拓扑结构主要包括线路的连接方式、微源的容量和位置及其输出滤波器结构、敏感负荷和普通负荷的安装位置等，在这些因素中对即插即用技术实现方案起决定性影响的是微源输出滤波器结构。微源输出滤波器结构直接决定了微电网系统即插即用技术的实现方案，本文主要研究LCL和L滤波器结构微源组成的微电网的即插即用技术实现。

包含LCL和L滤波器结构微源的微电网系统单线图如图1所示，微电网通过公共耦合点与公共电网连接，其中MS1为主控微源（把某台容量较大的微源如逆变型蓄电池储能微源、含储能的光伏微源或微燃机等定义为主控微源），MS2为从微源（把微电网中一些容量较小的微源如光伏发电系统、含逆变的风力发电系统等定义为从微源），CN为接触器或断路器，T为隔离变压器，STS为静态开关，Bus为敏感负荷交流母线。根据系统的控制目标，无论公共电网故障与否，也不管微电网是并网或独立运行模式，敏感负荷交流母线上的电压始终保持连续，且电能质量要保证敏感负荷的要求。这就要求在切换的瞬间交流母线上电压幅值不能有大的波动。

图1 包含LCL和L滤波器微源的微电网结构Fig.1 Architecture of microgrid system with LCL and L filters

具有L滤波器结构的从微源直接并入这条敏感负荷交流母线，始终以电流源模式并网运行。由于仅有一个电感，控制策略采用单电流环控制即可。由于单电感滤波器结构微源的加入，相应地可在敏感负荷交流母线上接入更多的负荷。当微电网需要独立运行时，具有LCL-STS结构的微源切断与公共电网的连接，然后多个不同滤波器结构的微源组成一个较大的孤岛区域，微源之间可以进行功率互补，确保了内部负荷的不间断供电。通过STS2可以把第2个微源根据微电网运行需求或敏感负荷功率容量需求随时进行投切。当公共电网故障或微电网需要独立运行时，通过STS1可以对微电网与公共电网随时进行投切。当本地微源除供普通负荷和敏感负荷后，仍可以产生多余的电力时，通过STS1馈电到公共电网。如果有多个从微源，其他从微源均以MPPT形式运行，除供本地敏感负荷和普通负荷正常工作之外，同时向公共电网提供电力，输出有功和无功功率。微电网与公共电网之间的平滑投切即插即用技术是本文需要解决的主要问题。

2 基于主控微源恒压恒频的组网控制策略

微电网平滑并网／离网实现即插即用的前提是微电网自身保证较高质量的电压和频率供给，而其关键是对组网主控微源的控制。本文主要研究以可再生能源为主的微电网，微电网与公共电网集中供电相互补充是综合利用现有资源和设备、为用户提供可靠和优质电能、解决目前微电网问题的一种较理想方式。但由于微电网中微源的多样性及其组合的灵活性，使得整个系统的运行和控制变得复杂。根据现有的组网控制技术，组网方式主要有柴油发电机组网、双向变流器组网、SIPLNK 组网、不间断电源（UPS）组网、自同步逆变器组网等方案[16-17]。逆变型微源（如光伏发电系统、含逆变的风力发电系统等）大多可采用MPPT运行。本文参考上述组网方案，借鉴光伏发电并入公共电网的控制思路，采用基于主控微源恒压恒频的组网控制策略。

图2 基于主控微源恒压恒频的组网策略Fig.2 Control strategy based on CVCF networking of master microsource

基于主控微源恒压恒频的组网控制策略如图2所示。从微源根据自身特性调节功率输出，使其发挥最高工作效率。主控微源与储能装置一起跟踪负荷变化，调整馈线功率流量，以确保当微电网内负荷发生变化时，公共电网与微电网连接处的馈线功率依然为恒定值。主控微源和多台从微源组网运行，从微源连接到主控微源和负载之间，主控微源首先以电压源模式带本地负载稳定运行，建立起系统的电压和频率。从微源以最大功率运行模式按并网的方式和主控微源组网运行。从微源根据负载上电压的幅值和相位进行锁相。当从微源提供电流输出时，主控微源相应减小电流输出，共同向负载供电。当从微源输出电流超过负载需求时，能量流向主控微源前端的储能装置，把能量存储起来。

基于主控微源恒压恒频的组网方法汲取主从控制和下垂控制的优点，控制方式类似主从控制，实物连接类似下垂控制。每个从微源以较高效率输出，主控微源可提供稳定的电压幅值和频率，微电网整体可以稳定、高效、经济运行。

3 主控微源与公共电网并网过程分析

微电网的即插即用通过主控微源的三环控制策略来实现。主控微源MS1并入公共电网，并网过程中必须满足本地负载电压和公共电网电压同步这一必要前提，同时实现控制策略的转换和静态开关的闭合，这样才能保证在静态开关闭合瞬间不会产生并网电流冲击及本地敏感负荷电压的平滑过渡。并网瞬间控制策略需要从独立运行时的电压源模式转换为并网时的三环电流源模式。

主控微源独立运行时采用滤波电容电压外环加靠近IGBT滤波电感电流内环的双环控制策略。主控微源并网运行时三环控制策略如图3所示，和独立运行时的双环控制系统保持了很好的连续性，易于实现微电网的即插即用。在图3所示的主控微源控制策略中，igd、igq为并网电流给定，对并网电流进行直接实时控制，响应速度快，同时不受系统参数变化和公共电网电压波动的影响，而且三环控制策略可对主电路提供必要的过电流保护。

图3 主控微源与公共电网并网控制策略Fig.3 Control strategy for connecting master microsource to utility grid

在微电网运行中，当发出与公共电网并网的指令后，主控微源对公共电网电压进行精确的检测，然后根据检测的结果调整滤波电容电压的状态，使之逐渐与公共电网电压同步，为并网创造先决条件。一般对微源并网的响应时间不做严格限制，这是出于维持本地负载电压波形平滑过渡考虑，即调整过程中不发生幅值和相位的跳变。

在与公共电网电压同步的过程中，通过细微的相位超前或滞后来实现与公共电网电压的同步，此时滤波电容电压在dq坐标系下的给定，U为采样得到的公共电网电压幅值，θm为给定的初始相位，通过θ的极细微改变实现相位的调整，从而达到与公共电网电压的同步。该同步方法简单，易于数字实现，非常适合三相系统。

4 微电网与公共电网离网过程分析

微电网与公共电网脱离过程通过主控微源离网实现，离网控制的难点在于离网瞬间，要保证敏感负荷上电压没有大的波动。这就要求敏感负荷上电压和相位在离网前后保持一致。以下推导并网运行过程中敏感负荷上的电压幅值和相角，以便在离网瞬间确定电压环的参考给定值。

以单相微源并网逆变器为例，微源并网系统的等效电路和矢量图如图4所示。图中U为经过滤波后的滤波电容电压，其波形近似正弦波；E为理想的公共电网电压；UL为并网电感两端电压；Ig为并网电流。

根据图4（b），通过调节滤波电容电压U的幅值和超前于公共电网电压E的相位角θ，即可改变并网耦合电感两端的电压UL，根据基尔霍夫电压定律得：

其中，ω为公共电网电压角频率。

图4 单相并网等效电路图和矢量图Fig.4 Single-phase equivalent circuit and vector diagram of grid-connection

根据式（1），可以计算出并网电流为：

假定公共电网电压的相位角为0，幅值为E，则E=E∠0°，相应的滤波电容电压为U=U∠θ，当公共电网电压一定时，注入公共电网的功率由并网电流Ig决定，假定Ig=Ig∠α，电流落后α（α值为负数），根据式（2）可以求出相应的滤波电容电压为：

根据并网电流Ig，可以得出此时滤波电容电压的相位和幅值，以三相的形式表示为：

对其进行Park变换得：

式（6）为在向公共电网注入给定的并网电流Ig的前提下，dq坐标系下的滤波电容电压，即控制器需要调节得到的输出电压，因此，可把它作为离网瞬间负载电压给定参考值，即：

将式（7）作为离网瞬间电压环的给定信号，施加到dq坐标系下双环控制策略中，这样就能保证在离网前后敏感负荷上电压和幅值的一致性，保证敏感负荷上电压不出现大的波动。

5 微电网即插即用控制实现

微电网与公共电网的即插即用通过主控微源实现。即插即用技术是并网和离网2种控制技术的统一和综合，把这2种单独的控制技术有机结合起来，实现两者之间的平滑切换，才能保证本地敏感负荷上无大的电压波动。

微电网启动时，可由中央管理单元或本地发出启动指令，首先主控微源启动并建立稳定的电压和频率，从微源与其组网运行，微电网进入稳态运行模式。当微电网接收到并入公共电网的指令时，主控微源迅速实现控制方式的转变，在本地电压与公共电网电压同步后，闭合SCR，实现微电网与公共电网的联网运行。当微电网发出独立运行指令或公共电网电压故障时，微电网能够实时检测并迅速切换为独立运行状态。即插即用前后，能够保证敏感负荷上没有大的电压波动，实现平滑过渡。上述微电网与公共电网平稳并网和独立运行的过渡过程即为微电网的即插即用技术，微电网可以随时由一种稳态运行模式进入另一种稳态运行模式。

6 仿真结果与分析

根据上述分析，以本实验室中主控微源和光伏模拟微源实际容量为例进行仿真和实验研究。采用系统仿真软件MATLAB搭建仿真模型。主控微源采用电压／电流双环控制，仿真时敏感负荷为3 Ω的电阻，输出相电流73.3 A。主控微源采用三相四线制以电压源启动，光伏模拟微源通过双向SCR并入，由于隔离变压器变比为168∶380，仿真中设置向负载侧输出电流25 A，光伏模拟微源自身输出56.6 A。

4个切换过程为：

在煤矿井下施工中，工作面顶板、底板的不稳定性或冒落危险将影响机械化采煤技术的使用。并与煤矿井下的煤层顶、底板稳定性与顶底板岩石的结构、裂隙发育程度、厚度强度等相关。若是所遇到的顶底板岩石为泥岩或炭质泥岩，当K值<1，综合采煤机能安全过断层，但若是顶底板岩石为坚硬的砂岩或砾岩，当K值>1时，综合采煤机经过断层会十分困难。杜绝煤层顶底板的不稳定现象是煤矿机械化采煤的重要工作，同时也是制定管理措施并保证生产安全性的关键。

a.主控微源以电压源运行模式启动，在0.04 s光伏模拟微源以电流源运行模式并入主控微源，组成微电网运行；

b.0.08 s把2个微源组成的微电网并入公共电网运行，并网电流逐渐增大至给定值；

c.0.15 s微电网脱离公共电网独立运行，此时对并网电流采用了强制关断策略；

d.0.2 s光伏模拟微源脱离，主控微源独立运行。

图5为敏感负荷上电压波形，图中1、2、3、4为4个切换点，最大电压波动半个周期，这是可以接受的。整体上电压波形平稳，切换瞬间电压峰值最低值为287 V，最高值为337 V，持续时间不足1 ms，微源的投切和微电网的即插即用对敏感负荷影响较小，微电网的即插即用技术正确可行。

图5 敏感负荷上电压仿真波形Fig.5 Simulative voltage waveforms of sensitive load

图6为主控微源输出电流波形，在4个切换点，均没有电流冲击，主控微源输出电流特性较好。启动至0.04 s主控微源独立输出电流73.3 A；0.04～0.08 s，光伏模拟微源并入，主控微源自动减少自身输出；0.08～0.15 s，微电网向公共电网输出电流，光伏模拟微源输出电流不变，因此主供电增大输出电流至额定值；0.15～0.2 s微电网独立运行，主控微源处于减少输出状态；0.2 s之后，光伏模拟微源切除，主控微源按照负载所需电流输出。从波形可以看出，在光伏模拟微源投切过程和微电网即插即用过程中，主控微源均输出较高质量的电流波形。

图6 敏感负荷上电流仿真波形Fig.6 Simulative current waveforms of sensitive load

图7为光伏模拟微源输出电流波形，从其波形可以看出，光伏模拟微源在0.04 s并入之前，没有电流，当打开双向SCR，输出很快达到给定电流；在0.2 s时关断，有两相没有立即关断，是因为SCR需要在过零点才能关断。从仿真波形看，光伏模拟微源响应快速，能满足系统要求。

图7 光伏模拟微源输出电流仿真波形Fig.7 Simulative output current waveforms of photovoltaic analog microsource

通过上述分析和仿真可以看出，本文提出的微电网即插即用技术有效可行，能够实现微电网的稳定运行，微源的投切较容易实现，发生电流冲击引起系统崩溃的可能性较小。

7 实验结果与分析

实验室中主控微源与从微源硬件连接关系如图1所示，主控微源容量为80kV·A，光伏模拟微源容量为30kV·A。主控微源以电压源模式独立运行启动，随后光伏模拟微源以电流源模式启动组网到主控微源。待2个微源稳定运行之后，执行即插即用并网指令，微电网与公共电网稳定运行一段时间后，对主控微源执行离网指令，最后光伏模拟微源脱离，主控微源停机。敏感负荷为40 kW的电阻负载。实验波形如图8—10所示。

4个切换过程为：

a.主控微源启动运行，光伏模拟微源与主控微源组成微电网运行；

b.2个微源组成的微电网并入公共电网；

c.2个微源组成的微电网脱离公共电网独立运行；

d.光伏模拟微源脱离主控微源，主控微源独立运行。

图8 敏感负荷上电压实验波形Fig.8 Experimental voltage waveforms of sensitive load

图9 主控微源输出电流波形Fig.9 Experimental output current waveforms of master microsource

图10 光伏模拟微源输出电流波形Fig.10 Experimental output current waveforms of photovoltaic analog microsource

图8上图为4个切换过程的整体轮廓，下图为第2个切换过程中微电网并入公共电网瞬间敏感负荷上的电压波形，电压仅有少许幅值波动，约1 ms后又达到稳态，系统动态响应较好。图9和图8切换时刻完全对应，利用四通道的示波器，其中2路测量电压，1路测量电流，最后1路闲置。图9上图为主控微源输出电流整体轮廓，首先主控微源稳定运行，光伏模拟微源并入后缓慢增加至额定输出（切换过程a），此时主控微源减少输出电流至一个定值，然后微电网稳定运行30 s左右，最后微电网执行与公共电网的即插即用指令（切换过程b）。可以看出并网瞬间，主控微源在1／4基波周期内输出电流增大至额定值，随后执行离网指令（切换过程c），最后一个突起为光伏模拟微源脱离瞬间，此时主控微源又恢复为额定输出（切换过程d）。图9下图为第2个切换过程中微电网与公共电网并网瞬间主控微源输出电流展开波形。图10中上半部分的直线为直流母线电压，下半部分的正弦波为光伏摸拟微源输出的其中两相电流。可以看出从微源系统运行稳定，电流波形质量较好。

通过仿真和实验结果可以看出，在微电网即插即用过程中，保证了敏感负荷上电压的连续性、无中断、无冲击、波动幅值小、持续时间短。实现微电网与公共电网能量交换的同时，保证了微电网内敏感负荷的电力供应。还可以得出：微电网的即插即用可以通过对主控微源的控制来实现，提出的微电网即插即用技术方案正确可行。

8 结语

微电网中，当可再生能源占主要部分时通常要充分发挥可再生能源的作用。本文提出一种适合微电网与公共电网即插即用技术的实现方案。采用基于主控微源恒压恒频的组网控制策略，主控微源建立微电网系统的电压和频率，其他从微源以MPPT模式运行，实现微电网的高效率和经济性。在微电网稳定运行基础上提出微电网与公共电网的即插即用技术。微电网通过公共耦合点与公共电网连接，然后通过对微电网中主控微源的并网过程和离网过程平滑切换控制，实现微电网与公共电网即插即用，同时也保证了微电网内敏感负荷上电压的稳定。本文对微电网即插即用的各个实现过程进行了详细具体的分析，并对即插即用过程进行了仿真和实验研究。结果验证了微电网即插即用技术的可行性，而且即插即用实现过程对本地敏感负荷影响较小，系统稳定性较好。