风光储微电网平滑并离网的研究

摘 要：微电网在并离网过程中，由于控制方式发生变化，会造成电流冲击以及电压波形畸变;针对这一问题，提出了一种改进控制器的微电网并网控制策略，通过对外环控制器结構进行改进以及并网前的预同步处理，实现微电网并离网切换过程的平滑过度，减少控制模式切换过程中产生的暂态震荡，提高电能质量，保证微电网中重要负荷的稳定运行。最后通过Matlab对微电网并网与孤岛两种模式间的切换进行仿真，验证本文所提控制策略的可行性和有效性。

关键词：微电网;主从控制;平滑切换;双闭环

1 绪论

随着社会发展，人类社会用电量越来越大，传统的火力发电已经不能满足人类的需求，并且火力发电还存在环境污染的问题，人类面对极端气候的频率也越来越高[1]。因此以风力发电，光伏发电为主的新能源发电越来越受到人们的重视。由于风力和光伏等新能源发电存在间歇性强，随机性大的缺点，直接并入电网会对电网造成巨大冲击，因此为增加并网运行的可靠性和灵活性，分布式电源多以微电网的形式并入电网[2]。

微电网在并离网过程中，内部微源控制模式的变化，会造成电压畸变和电流冲击，严重影响微电网的电能质量[3]。因此文章以采用主从控制的微电网为基础，针对并网与孤岛模式主电源的控制策略的不同，主要研究微电网平滑切换，提出一种改进外环控制器结构的双环控制器，并且通过对微电网并网前进行预同步处理，实现微电网并离网的平滑切换。

2 微电网的控制方法

储能部分为主电源，风力发电部分和光伏发电部分为从电源;当微电网处于并网模式运行时，微电网内所有微源电压和频率的稳定由外部配电网支撑，因此微电网中所有的微源都可采用恒功率控制。恒功率控制是通过控制逆变器，使微源输出的有功和无功功率与参考值一致。在恒功率控制下，微源输出的有功和无功功率可以不受母线电压幅值和频率变化的影响[4～5]。

当微电网处于孤岛模式运行时，由于失去了配电网的支撑，主电源采用恒压恒频控制，通过控制主电源和微电网连接的逆变器，保持微电网电压和频率的稳定，相当于电力系统中的平衡节点[6-7]。

3 微电网的平滑切换

3.1 改进结构的外环控制器

由图1可知，当微电网处于并网状态时K1和K2与1端口相连，主电源处于恒功率控制，同时2端口的输出值与内环控制器的参考值相同。当微电网处于孤岛状态时，K1和K2与2端口相连，主电源处于恒压恒频控制;在控制模式转化的瞬间，由于外环控制器的输出值相同，电流控制环的参考值不会发生突变。

3.2 预同步过程

处于孤岛状态的微电网和配电网相当于两个不同的电压源，电压幅值和频率存在差异。微电网并网前，需要对微电网母线电压进行预处理，保障微电网母线电压与配电网电压幅值，相位，频率一致，否则强行并网会降低电能质量，造成电流冲击，对用电设备造成损坏。并网预处理分为两个部分，分别为母线电压相位预处理和幅值预处理。其中母线电压幅值预处理的控制策略如图2所示：

通过检测微电网母线与配电网的电压幅值差和电压相角差，经过PI控制器得到ΔU和Δf，在计算电压参考值时，加入该补偿项。其中θgd和Ugd为配电网的电压幅值和相角，θmd和Umd为微电网母线的电压幅值相角。

电压相位预处理的控制策略如图3所示：

配电网电压相角与微电网母线电压相角之差通过PI控制器生成频率差，微电网参考频率减去频率差生成修正频率参考值，通过生成角速度积分器得到微电网母线电压的相角，当配电网电压相角与微电网母线电压相角之差小于预设值时，微电网母线电压相位预同步完成。

4 仿真结果

交流母线的额定电压为380V，风力发电部分和光伏发电部分的线路电阻均为1mΩ，电感均为6mH。储能部分的滤波电感为5mH，滤波电容为2000uF。

当t=2s时微电网由并网状态转换为孤岛状态，由图4和图5可知，在未改进之前，微电网控制模式切换时，母线电压的幅值由300V冲击到350V，并且恢复速度缓慢。储能部分的输出电流出现严重畸变，冲击电流达到100A;

由图6和图7可知，改进后微电网的母线电压在运行模式切换过程中仅发生轻微震荡，小于额定电压的7%，正弦波形平滑无畸变。相比于改进前，储能部分未出现冲击电流。离网过程维持0.02s，小于IEEE-STD-1547规定的微电网最大分闸时间0.2s，因此离网过程满足标准。

由图8和图9可知，当t=2.5s微电网并网时，母线电压平稳无畸变，并网电流的最大超调量小于正常值的10%，响应时间持续0.01s后系统达到稳态，动态性能满足要求。切换过程中微电网母线电压未发生畸变，并网电流未产生冲击，实现了平滑并网的目的。

由图10可知，离网过程中频率变化小于0.1Hz，符合GB/T33589-2017《微电网接入电力系统技术规定》中规定的微网连续工作要求的49.5Hz-50.2Hz。

5 总结

微电网平滑并离网是系统安全稳定运行的重要前提，但是传统的主从控制由于控制模式变化存在冲击电流和电压波形畸变等问题。本文对外环控制器的结构进行改进并且采用预同步处理。通过MATLAB仿真说明微电网在离网过程中，微电网频率变化保持在允许范围内，冲击电流得到明显改善，在并网过程中电压为平滑正弦波无畸变，满足GB/T33589-2017《微电网接入电力系统技术规定》。

参考文献：

[1]马喆.基于分布式电源的微电网协调控制策略研究[D].兰州理工大学，2018.

[2]潘铸城.多种分布式电源的微电网运行控制策略研究[D].东北大学，2015.

[3]卞显新.基于主从结构的微电网运行模式平滑切换研究[D].安徽理工大学，2019.

[4]Wang Huayang，Yang Zuyuan，Zhao Long and Cui Yuan，"Based on hybrid algorithm of distributed power islanding detection，" 2016 IEEE Advanced Information Management，Communicates，Electronic and Automation Control Conference（IMCEC），Xi'an，2016，pp.1360-1364.

[5]C.Jian，C.Yanbo and Z.Lihua，"Design and research of off-grid wind-solar hybrid power generation systems，" 2011 4th International Conference on Power Electronics Systems and Applications，Hong Kong，2011，pp.1-5.

[6]潘铸城.多种分布式电源的微电网运行控制策略研究[D].东北大学，2015.

[7]孙艺倬.基于分布式电源的微网分层控制设计与分析[D].电子科技大学，2019.

作者简介：夏彪（1992-），男，汉族，河北沧州人，硕士，研究方向：电力电子技术。