微电网并网和孤岛运行的无缝切换控制策略

王红燕，闫瑞杰

(1.太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原030024;2.山西电力职业技术学院电力工程系，山西太原030021)

0 引言

微电网是由微电源(MS)、储能装置、能量管理系统及负荷构成。微电网的控制是微电网研究中的重要内容[1］，其中，如何实现微电网并网和孤岛的无缝切换是微电网控制当中的关键问题[2］。微电网由并网模式向孤岛模式的无缝切换控制策略可以保证对重要敏感负荷的不间断供电，提高用户供电的可靠性。无缝切换就是指切换的过程中微电网电压、频率在微电网运行标准规定的范围内[3-4］。当切换之后，如果微电网内各母线电压偏差不大于±7%的额定电压，频率偏差不大于0.1 Hz，微电网即可安全稳定运行。文献[5］将逆变器采用多环反馈控制器来实现微电网由并网模式向孤岛模式的无缝切换，但关于微电网切换之后的电压及频率是否保持恒定未做研究。文献[6］建立的含光伏的微电网基本模型，对联网运行和孤岛运行状态进行了仿真分析，但并未研究微电网由联网转换为孤岛模式的切换过程。本文选用光伏阵列和蓄电池模型作为研究对象，其能使微电网并网及孤岛运行，对蓄电池采用新型的综合控制策略，保证微电网并网模式向孤岛模式的无缝切换，确保微电网有功、无功、电压及频率的稳定。在DigSILENT/PowerFactory平台上搭建了光伏电池和蓄电池相结合的微电网仿真模型，验证了所提出控制策略的可行性。

1 微电源控制方法

微电网中大多数的微电源都需要通过电力电子接口与电网相连，基本控制方法有恒功率控制(PQ控制)，恒压恒频控制(V/f控制)，下垂控制(Droop控制)。

1.1 PQ 控制

PQ控制[7-8］适合于受外部影响较大的MS，发电具有间歇性，微电网联网运行时，MS采用PQ控制可保证输出功率恒定。控制原理如式(1)所示。

式中，KP、TP、KQ、TQ是 P-Q 的控制参数。

1.2 V/f控制

V/f控制[9］适合于输出功率比较稳定的MS，当其容量足够大时，在孤岛运行模式下，可以保证系统频率和电压的稳定。控制原理如式(2)所示。

式中，K'P、T'P、K'Q、T'Q是 V/f的控制参数。

1.3 Droop 控制

Droop控制[9］是能够使得多个MS出力协调的有差控制，因此，很难实现微电网的频率及电压与并网之前相等，主要用于微电网对等控制。MS的有功输出、无功输出分别与频率、电压呈线性关系。控制原理如式(3)所示。

式中，KP、KQ是Droop控制的参数。

2 微电网中蓄电池控制方法

2.1 微电网并网及孤岛运行时蓄电池的控制策略

目前，微电网整体的控制策略有主从和对等两种方式[7］。主从控制的微电网在孤岛模式运行时，对主控制单元有较强的依懒性，但这种控制方式可以保证电压和频率的稳定性;对等控制虽不能保证电压和频率的稳定性，但具有简单、可靠、易于实现的优点。本文综合利用这两种控制方式的优点，实现太阳能输出功率的最大利用，光伏并网所使用的逆变器采用PQ控制策略，蓄电池在不同的模式下采用不同的控制方式，如图1所示。微电网并网运行时，蓄电池采用Droop控制，这样微电网内部其他的MS不必改变之前的控制方式。微电网孤岛运行时，如果△U≤±7%UN且△f≤0.1 Hz，蓄电池仍采用Droop控制;如果△U＞+7%UN或△U＜-7%UN或△f＞0.1 Hz，蓄电池切换为V/f控制，保持频率及电压的稳定性。此种控制方式最大的优点就是降低了蓄电池切换的次数，提高了切换成功的概率。当微电网在不同运行模式之间切换时，为了使暂态震荡产生的幅度最小，采用了对逆变器进行跟踪的无缝切换控制方法[10］。将切换之前的V/f控制方式的输出与Droop控制的输出作为一个负反馈，当作V/f控制的输入，保证了V/f控制的输出能够与Droop控制的输出相一致。下垂控制时，K2和K3闭合，K1和K4断开;切换时，K1和K4闭合，K2和K3断开。

2.2 蓄电池的综合控制策略

蓄电池的Droop控制和V/f控制都是由功率外环和电流内环构成，基于 αβ/dq转换和功率解耦的思想，主要区别是由电压和频率偏差经过的积分环节或比例积分环节不同，因此得到的有功和无功的参考值不同。本文设计的蓄电池综合控制结构如图2所示，△U≤±7%UN且△f≤0.1 Hz时，蓄电池采用Droop控制，电压偏差△U等于电压基准值Uref与测量值Um之差，通过比例环节，得到无功偏差△Q;频率偏差△f等于频率基准值fref与测量值fm之差，通过比例环节，得到有功偏差△P，△Q和△P分别与无功初值Q0和有功初值P0相加，得到有功及无功参考值Pref及Qref，再与有功及无功测量值Pm及Qm之差之后，经过比例积分得到电流内环参考值idref及iqref，再与经过abc-dq转换的电流测量值id及iq之差之后，经过比例积分及dq/αβ变换得到输入逆变器的开关驱动信号Sa、Sb、Sc，进而实现对逆变器的并网控制[9］。

图1 微电网控制图

图2 蓄电池综合控制结构图

3 仿真分析

3.1 微电网模型

本文采用的微电网模型如图3所示，10 kV的配电网通过降压变压器接入400 V的配网，配网中接入了光伏1，容量50 kW;光伏 2，容量 100 kW;蓄电池，容量 100 kW·h，负荷 1，负荷2及负荷3。在 DigSILENT/PowerFactory平台上搭建了此仿真模型。

本文采用实验法测定比例积分常数[9］，其中，蓄电池采用Droop控制方式时，KQ/V=12，KP/f=2;采用V/f控制方式时，KQ=20，TQ=0.3，KP=1，TP=0.5。仿真分析时，为了防止频繁切换，当电压或频率处于△U＞+7%UN或△U＜-7%UN或△f＞0.1 Hz的范围内时，需延迟0.5 s切换。

图3 光蓄混合微电网模型

3.2 微电网并网模式向孤岛模式切换的仿真分析

微电网孤岛运行期间，光照强度及温度变化时，若光伏1及光伏2的出力大于负荷需求，则蓄电池吸收多余的无功。仿真结果如图4所示。图4a中t=0.5 s时，光伏2的光照强度发生变化;t=1.5 s时，光伏1的温度发生变化，输出功率不能满足负荷所需。图4b中蓄电池在t=0.5 s及t=1.5 s时发出有功功率增加，维持功率平衡。图4c微电网内母线电压及图4d系统频率，能够在蓄电池的控制方式下保持稳定。

图4 光照强度及温度变化时微电网输出

光伏1输出P=45 kW，Q=0 kVA;光伏2输出P=37 kW，Q=0 kVA;负荷1、2、3的有功及无功分别为45 kW和5 kVA，47 kW和8 kVA，49 kW和5 kVA。微电网并网运行时，电网提供有功70 kW，无功23 kVA，可以满足负荷需求。微电网由并网向孤岛模式切换时，光伏1、光伏2及负荷需求均未发生变化。t=0.5 s前，微电网联网运行;t=0.5 s时主网发生故障，微电网由并网切换为孤岛模式运行，微网内负荷的功率缺额由蓄电池提供。图5为蓄电池采用单一的Droop控制，图6为本文提出的Droop控制与V/f控制相结合的控制策略，将两者进行仿真对比。

图5 蓄电池采用传统的Droop控制运行结果

图5中，t=0.5 s前，微电网并网运行时，蓄电池采用传统的Droop控制，图5c系统的频率及图5d母线的电压由大网支撑，图5a及图5b蓄电池输出有功及无功功率为0。t=0.5 s时，主网发生故障，微电网切换为孤岛运行模式，图5a表明蓄电池输出有功增加为65 kW，图5b表明:无功增加为18 kVA，满足微电网内负荷的需求。图5c中微电网内母线电压标幺值由0.993降为0.991，偏差在允许范围内，系统频率由50.00 Hz降为49.87 Hz，偏差超出了允许范围，不能满足负荷对电能质量的要求。因此，蓄电池采用Droop控制与V/f控制相结合的控制策略，如图6所示，大网在t=0.5 s发生故障后，微电网由并网运行转为孤岛运行，图6a蓄电池输出有功功率增加为65 kW，图6b无功功率增加为18 kVA。由于频率偏差超出允许范围，经过0.5 s的延时后，即t=1 s时，蓄电池由Droop控制切换为V/f控制，图6a及图6b分别表明蓄电池发出的有功及无功功率也增加了一些，图6d系统频率从49.87 Hz恢复到50.00 Hz，图6c母线电压标幺值从0.991恢复到0.993。综合控制策略很好地解决了频率偏差超过允许范围的问题，保证了电压稳定和频率恒定。

图6 蓄电池采用Droop控制与V/f控制运行结果

4 结论

微电网并网模式向孤岛模式的无缝切换过程是保证微电网安全、稳定运行的重要因素。本文采用微电网新型的主从和对等相结合的控制策略，对微电网由并网向孤岛运行的切换过程进行控制。在DigSILENT/PowerFactory仿真平台上建立了仿真模型，验证了改进控制策略的可行性，保证了微电网在切换前后，频率、电压和功率都保持在允许范围之内，增强了系统稳定运行的能力。

[1]鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述[J］.电力系统自动化，2007，3l(19):100-106.

[2]丁明，张颖媛，茆美琴.微网研究中的关键技术[J］.电网技术，2009，33(11):6-11.

[3]IEEE.1547.2—2008 IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems[S］.New York:IEEE，2008.

[4]UL.1741—2010 Inverters，Converters，Controllers and Interconnection System Equipment for Use With Distributed Energy Resources[S］.Chicago:UL，2010.

[5]王成山，肖朝霞，王守相.微网中DG逆变器的多环反馈控制策略[J］.电工技术学报，2009，24(2):100-106.

[6]鲁鸿毅，应鑫龙，何奔腾.微型电网联网和孤岛运行控制方式初探[J］.电力系统保护与控制，2009，37(11):28-31.

[7]张建华，苏玲，陈勇，等.微网的能量管理及其控制策略[J］.电网技术，2011，35(7):24-29.

[8]郑竞宏，王燕廷，李兴旺，等.微电网平滑切换控制方法及策略[J］.电力系统自动化，2011，35(18):17-24.

[9]陶晓峰.分布式互补能源微网系统的控制策略研究[D］.合肥:合肥工业大学，2010.

[10]李旭光.微电网的建模、仿真及运行特性分析[D］.天津:天津大学，2009.