微电网并网/独立模式自动无缝切换控制策略

王静+李光辉+汪婷婷

摘 要：含有多种分布式电源微电网的出现，解决了大电网诸多弊端日益凸显和分布式电源接入电网困难的问题。研究了一种含有风光储多种分布式电源联合供电的微电网系统并网/独立模式自动无缝切换的控制策略，并详细介绍了在以储能单元作为主网单元时，储能换流器（PCS）并网到独立运行模式、独立到并网运行模式的控制策略。并通过RT_Lab软件进行仿真验证，仿真结果证明了微电网并网/独立模式自动无缝切换控制策略的可靠性和可行性，对微电网示范工程提供了理论依据和借鉴。

关键词：微电网；并网/独立；自动无缝切换；储能换流器

中图分类号：TM732 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）10-0001-04

随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统建设成本高、运行难度大且难以满足用户多样化供电需求等弊端日益凸现，加上国家政策对清洁能源的支持，具有污染少、能源利用效率高、安装地点灵活等优点的分布式发电越来越受到重视。但由于大电网对分布式电源的单机接入难以控制，一般大电网采取限制和隔离的方式处置分布式电源，为了协调两者间的矛盾，充分挖掘分布式能源给电网和用户带来的价值和效益。因此，含有分布式电源的微电网应运而生。

微电网是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等汇集而成的具有自我控制、保护和管理的自治小型发配电系统，既可并网运行，也可独立运行。为了系统安全、可靠供电，两种运行模式的自动无缝切换技术就显得尤为重要。本文以含有风光储联合发电的微电网作为平台，来研究并网/独立模式无缝切换的控制策略，将详细介绍基于储能换流器控制的对电网状态快速、准确识别的技术和微电网同期并网的控制方法，利用RT_Lab仿真软件建立仿真模型，并对仿真结果进行分析，来验证通过此种控制策略微电网系统的供电可靠性水平，从而改善电能质量和优化微电网系统结构。

1 微电网并网/独立模式切换控制策略

含有多种分布式电源的微电网系统内含有风电系统、光伏系统、储能单元、微型燃气轮机、负荷和监控装置等。其中，储能单元作为微电网的主网单元，在大电网正常情况下，微电网与大电网并网运行，所有分布式电源均运行于P-Q模式；当储能换流器PCS（Power Converter System）检测到大电网故障或电能质量不满足要求时，PCS自身从P-Q模式切换到V-F模式，同时就地控制公共连接点（PCC）处并网开关断开，实现微电网由并网模式平滑切换到独立模式运行。当大电网状态恢复正常后，微电网与大电网经过同期调节过程；当满足同期条件时，微电网并网运行。微电网并网/独立模式切换控制原理如图1所示。

1.1 并网到独立模式无缝切换控制策略

在微电网由并网模式自动无缝切换到独立模式的核心控制策略主要包括以下两方面：①如何快速、准确地识别大电网实时运行状态；②如何实现储能换流器从P/Q模式向V/F模式的平滑切换。在由储能作为微电网主网单元的系统中，由PCS直接采集大电网信息进行状态识别，根据识别结果，同时通过就地控制信号实现微电网与大电网并网开关的断开，来完成微电网自动无缝切换。通过分析微电网内电源与负载匹配程度与电压、频率等特征状态的对应关系，采用被动式识别方法；通过分析锁相环输出偏差与主动式识别方法的相互关系，采用基于锁相技术的主动式识别方法。为了克服被动式识别技术存在较大盲区和主动式识别影响变流器输出电能质量的缺点，可以采取“主动被动混合式”电网状态准确识别，从而达到并网到独立模式无缝平滑的切换。

1.1.1 电源-负载不匹配特征信号被动式识别

在主电网断电的瞬间，有功和无功不匹配的情况下，微电网输出的电压和频率特性可以通过解析的方法计算。将微电网孤网运行时的供电系统看作一个电流源，可得孤网运行时系统频率特征方程：

由上述推导可得如下结论：根据这种锁相环可得控制系统任何一个开关周期对应的电压角度如公示（9）所示。根据这种锁相环工作原理可知，该锁相环利用扰动步长实现一种有差锁相，而利用这种有差锁相可以增加系统频率扰动，实现基于锁相环的频率扰动主动识别。

由以上分析可知，通过主动式的锁相技术，在得到控制系统需要的电压相位同时，在锁相环环节增加频率扰动，在输出特性上，通过每个开关周期均匀增加微小扰动，对电能质量影响较小；在扰动速度上，通过多个开关周期扰动累加，可以提高扰动强度，这种主动式识别方法可以在电源-负载匹配时发挥重要作用。通过被动式的识别方法，根据系统电压幅值和频率的特性信号，可以在电源-负载不匹配时发挥重要作用。

为了充分发挥主动式和被动式识别方法各自的优点，我们将采用主动被动混合式的电网状态识别方法，可以实现电网状态的快速准确识别功能，具体控制框图如图2所示。

1.2 独立到并网无缝切换控制策略

当大电网状态恢复正常后，微电网与大电网经过一个同期调节过程，在满足同期条件时，微电网自动切换至并网运行模式。在以储能单元作为主网单元的系统里，微电网的同期过程利用PCS实现。PCS通过比较PCC两端微电网和大电网电压矢量偏差，调节储能换流器输出电压矢量，进而调节微电网电压矢量，直至微电网电压矢量和大电网电压矢量满足并网条件时，闭合并网开关实现微电网同期并网。

微电网在同期过程中，系统内其他分布式电源始终以P-Q模式并网运行。由功角特性调节原理可知，微电网母线电压矢量突变会引起其他分布式电源脱网。此外，微电网微小的同期偏差会引起各分布式电源很大的电流冲击，导致各分布式电源脱网。因此，基于储能换流器微电网同期调节技术，是实现微电网平稳同期并网的关键所在。

1.2.1 微电网同期并网控制方法

基于PCS主网方式的微电网同期控制采用了微电网母线电压矢量定向控制，调节原理如图3所示。PCS根据实时的大电网电压和微电网电压信号，通过电压矢量d轴定向控制技术，不断调节微电网母线电压矢量，使得满足同期条件： .

图9、图10分别为微电网PCC点两端交流母线的电压波形和电压相角变化波形。由波形可见，在第28 s时，大电网恢复供电；经过约2 s的同期调节过程，在第30 s时，PCC处并网开关闭合，实现微电网由独立模式到并网模式的平滑切换。且在切换过程中，由图11（微电网同期过程系统负荷三相电流变化波形）可知，系统负荷电流无明显波动，从而验证了微电网由独立模式切换至并网模式控制策略的有效性和可靠性，保证了网内用电设备可靠、安全的供电。

3 结束语

本文提出了一种含有风光储分布式电源的微电网系统，介绍了微电网的基本结构和并网/独立两种运行模式，并对两种运行模式自动无缝切换的控制策略进行了仿真验证。其中，在微电网由并网到独立模式的切换过程中，我们主要分析了以储能变流器从P/Q模式向V/F模式平滑切换的控制方法、电源-负载不匹配特征信号被动式识别、基于锁相环的频率扰动主动式识别和主动被动混合式的电网状态识别方法。在微电网由独立到并网模式切换时，主要分析了微电网同期并网原理和储能换流器平稳同期控制策略，并在RT_Lab搭建的微电网模型中验证了并网/独立模式自动无缝切换控制策略的有效性，从而为微电网示范工程和相关研究工作提供经验、理论指导。

参考文献

[1]裴玮，李澎森，李惠宇，等.微网运行控制的关键技.术及其测试平台[J].电力系统自动化，2010（01）.

[2]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（19）.

[3]刘波，郭家宝，袁志强，等.风光储联合发电系统调度策略研究[J].华东电力，2010（12）.

[4]高志强，孟良，良宾，等.光储联合发电系统控制策略[J].储能科学与技术，2013（03）.

[5]唐西胜，邓卫，李宁宁，等.基于储能的可再生能源微网运行控制技术[J].电力自动化设备，2012（03）.

[6]KATIRAEI F，IRAVANI M R，LEHN P W.Micro-grid autonomous operation during and subsequent to islanding process[J].IEEE Trans on Power Delivery，2005（01）.

图9、图10分别为微电网PCC点两端交流母线的电压波形和电压相角变化波形。由波形可见，在第28 s时，大电网恢复供电；经过约2 s的同期调节过程，在第30 s时，PCC处并网开关闭合，实现微电网由独立模式到并网模式的平滑切换。且在切换过程中，由图11（微电网同期过程系统负荷三相电流变化波形）可知，系统负荷电流无明显波动，从而验证了微电网由独立模式切换至并网模式控制策略的有效性和可靠性，保证了网内用电设备可靠、安全的供电。

3 结束语

本文提出了一种含有风光储分布式电源的微电网系统，介绍了微电网的基本结构和并网/独立两种运行模式，并对两种运行模式自动无缝切换的控制策略进行了仿真验证。其中，在微电网由并网到独立模式的切换过程中，我们主要分析了以储能变流器从P/Q模式向V/F模式平滑切换的控制方法、电源-负载不匹配特征信号被动式识别、基于锁相环的频率扰动主动式识别和主动被动混合式的电网状态识别方法。在微电网由独立到并网模式切换时，主要分析了微电网同期并网原理和储能换流器平稳同期控制策略，并在RT_Lab搭建的微电网模型中验证了并网/独立模式自动无缝切换控制策略的有效性，从而为微电网示范工程和相关研究工作提供经验、理论指导。

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[5]唐西胜，邓卫，李宁宁，等.基于储能的可再生能源微网运行控制技术[J].电力自动化设备，2012（03）.

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图9、图10分别为微电网PCC点两端交流母线的电压波形和电压相角变化波形。由波形可见，在第28 s时，大电网恢复供电；经过约2 s的同期调节过程，在第30 s时，PCC处并网开关闭合，实现微电网由独立模式到并网模式的平滑切换。且在切换过程中，由图11（微电网同期过程系统负荷三相电流变化波形）可知，系统负荷电流无明显波动，从而验证了微电网由独立模式切换至并网模式控制策略的有效性和可靠性，保证了网内用电设备可靠、安全的供电。

3 结束语

本文提出了一种含有风光储分布式电源的微电网系统，介绍了微电网的基本结构和并网/独立两种运行模式，并对两种运行模式自动无缝切换的控制策略进行了仿真验证。其中，在微电网由并网到独立模式的切换过程中，我们主要分析了以储能变流器从P/Q模式向V/F模式平滑切换的控制方法、电源-负载不匹配特征信号被动式识别、基于锁相环的频率扰动主动式识别和主动被动混合式的电网状态识别方法。在微电网由独立到并网模式切换时，主要分析了微电网同期并网原理和储能换流器平稳同期控制策略，并在RT_Lab搭建的微电网模型中验证了并网/独立模式自动无缝切换控制策略的有效性，从而为微电网示范工程和相关研究工作提供经验、理论指导。

参考文献

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