微电网并离网切换控制策略

文/冯诗扬 崔双喜

近年来，随着化石能源日益枯竭，分布式发电技术日益成熟，将分布式电源、储能与负荷元件等组成的独立供电系统以微电网的形式接入配电网，在实现配电网安全稳定运行的同时，提高了电能质量和供电可靠性。所以，微电网的安全稳定控制技术吸引了众多国内外学者进行深入分析与研究。

一般情形下，微电网有两种运行方式：离网、并网。当配电网出现故障或电能质量不满足要求时，将立即断开微电网与配电网的连接，改由微电网为负荷提供所需功率。在电能质量满足要求或是修复出现的故障后，重新并网。所以，在切换并离网模式的过程中，存在控制策略的切换，过渡时易产生较大的冲击，而如何平滑的完成过渡成为微电网安全稳定运行的关键。

1 微电网整体控制技术

1.1 主从控制

主从控制是以微电网中某个分布式电源作为主控单元，其他分布式电源作为从控单元。主控单元为微电网系统提供电压和频率支撑，借助主控单元的指令，从控单元进行相应无功与有功频率的输出。

微电网主从控制一般应用在孤岛模式下，当微电网由并网模式向离网模式进行切换，就会与配电网断开，前者提供的频率与电压也会消失，负荷的电压和频率就由微电网模块单元提供，所以微电网模块需由具备一定范围的可调容量且具有快速动作能力的分布式电源作为主控单元，为微电网提供电压和频率支撑。而从单元则负责提供用户需要的能量。

1.2 对等控制

对等控制是指所有参与频率和电压控制的分布式电源保持地位一致的状态，各控制器具有平等关系，根据接入点的本地信息进行控制。由于地位相同，所以在功率平衡的前提下，任意一个分布式电源的接入或离开并不影响其他分布式电源的设置。而分布式单元保持着各自独立，实现输送功率的平衡。搭建对等控制策略相对简单，能够使微电网摆脱对通讯装置的依赖，实现即插即用。

2 微电网逆变器控制方法

微电网逆变器常用控制方法有：下垂控制、恒压恒频率控制、恒功率控制等。控制状态不同，采用的控制方法也不同。

2.1 恒压恒频控制

如果受外界因素影响，逆变器的输出功率出现变化，不管是逆变器的频率或电压，均会出现波动；控制示意图可见图1。

图1

由图1能够看出，当系统的无用功率与有用功率P2，Q2向Q1，Q3与P1，P3移动，电压与频率由A点向B点或是C点移动，能够使频率与电压不发生变化。

在此模式下，运用V/f控制一般能够提供独立运行的微电网系统需要的稳定频率与电压，保障随负荷的波动微电网输出的无功与有功功率也会有相应变化。

2.2 下垂控制

下垂控制策略主要来源于同步发电机，通过对有功及无功功率之间对频率的解耦，对逆变器的无功与有功功率进行测算，实现对自身频率与电压幅值的调节，从而达到电压频率的调节。因此，下垂控制能够应用到高压网络中，而低压网络应自身电路具有的感性分量远超出阻性分量，使得线路阻抗向感性转变，才能够在低压网络应用下垂控制。下垂控制主要由两种方式构成；其一为无功-电压、有功-频率。其二为有功-电压、无功-频率。前者更多在感性高压系统应用，后者更多在低压阻性控制系统应用。

2.3 恒功率控制

微电网逆变器如果采用恒功率控制，就需要对配电网的频率与电压进行实时采集，然后结合整定值作相关比较。因此种方法的控制效果相对突出，一般在并联模式的小容量微电网系统应用。其有以下主要特点：如果外界因素干扰到微电网系统的频率或是电压，逆变器的输出功率仍旧能够围绕参考值作小幅波动。

3 并离网切换控制

一般情况下，微电网系统在并网模式下，电压和频率是与大电网同步的。但是，如果大电网出现故障，导致电压与频率的波动较大，无法满足负荷需求，那么微电网系统应能够对发生的孤岛现象作出检测，并同步切换至离网模式，由此使得微电网连接的重要负荷能够正常运行。待大电网故障消除且供电恢复后，切换回并网模式。但是，与大电网的频率和电压进行比较，微电网逆变器在离网模式运行是不具有相同的输出电压及频率的，强行并网会对设备、以及人员安全造成威胁。因此，需要采取预同步措施调整频率与电压，然后进行并网。

3.1 并网切换至离网

微电网的优点是能够在并网和离网运行模式之间实现平滑切换，这是微电网得以正常运行的关键。在并网模式下，有两种情形需要向离网模式切换：

（1）大电网需进行维护，那么应采取人工方式进行向离网模式的主动切换。

（2）大电网事故，需控制微电网间的静态开关进入断开状态，进行向离网模式的被动切换。

不管切换是被动或是主动，均需要保障控制系统能够进行随时切换，保障系统能够平稳运行。所以，在进行微电网的模式切换时，对频率与电压可能出现的波动，需要采取相应措施以使得模式切换不影响重要负载的正常运行。

如果大电网与微电网进行并网，那么与负荷消耗的频率相比较，系统输出的频率会远远超出。如果微电网逆变器由并网模式向离网模式切换，那么输出电压幅值会升至给定参考值。由于从并网运行切换到离网运行时下垂控制的逆变器输出频率与电压幅值不会出现较大变化，相位也不存在突变，使得电网能够由并网模式实现向离网模式的平滑切换，保障系统运行的稳定性。

3.2 离网切换至并网

如果大电网出现故障，需控制微电网间的静态开关进入断开状态，进行向离网模式的切换，由此使得微电网连接的重要负荷能够正常运行。待大电网故障被消除且供电恢复后，微电网会切换回并网模式。但是，与大电网的频率和电压进行比较，微电网逆变器在离网模式运行有着较大的输出电压及频率，如果贸然实施并网，则会产生较大的冲击电流，危及设备和人员的安全。离网运行时通过负荷的电流为：

并网运行时通过负载的电流为：

从式（1）、（2）得出：

由式（3）能够看出，如果逆变器的输出频率、电压幅值、相位三者之间不能够完全一致，那么就使并出现并网冲击电流：

（1）当UDG=Ug=U，w1=w2=w，φ1≠φ2时，

由于φ1-φ2≠0，则ΔiL≠0，产生冲击电流。

（2）当w1=w2=w，φ1=φ2=φ，UDG≠Ug时，

由于UDG-Ug≠0，则ΔiL≠0，产生冲击电流。

（3）当φ1=φ2=φ，UDG=Ug=U，w1≠w2时，

由于w1-w2≠0，则ΔiL≠0，产生冲击电流。

由此看出，如果逆变器的输出频率、电压幅值、相位三者之间不能够完全一致，那么就导致并网有冲击电流产生。所以，在并网前，控制系统需采取手段消除以上因素的影响，实现稳定并网。

4 结语

本文对微电网的并离网切换总体控制策略进行了概括，总结在并网、离网两种模式下微电网逆变器应采取的运行控制策略。研究及分析由离网向并网切换过程中微电网逆变器的预同步控制问题及并网相离网切换存在的孤岛检测等问题，以实现微电网逆变器运行模式的平滑无缝切换。