光储微电网并离网平滑切换控制策略研究

刘梦超， 王生铁， 温素芳

（内蒙古工业大学 电力学院， 内蒙古 呼和浩特 010080）

0 引言

近年，由太阳能、风能等可再生能源组成的分布式电源得到迅速发展[1]，而微电网能够实现各分布式电源能量输出最大化。 微电网有并网和孤岛两种运行模式。其并网时向电网输电，离网时能够向周围负荷自给供电。并网运行时，分布式电源采用PQ 控制， 电网向各分布式电源提供电压和频率参考；孤岛运行（离网运行）时，在主从控制模式下，主电源采用V/f 或下垂控制，为从电源提供电压和频率参考，从电源仍然采用PQ 控制[2]～[5]。在并、离网切换的过程中，应保证交流母线电压偏差满足ΔU≤±7%UN（额定电压），频率偏差满足Δf≤0.1%fNHz[6]。

微电网的并、 离网平滑切换是最重要且最难实现[7]。 针对这一问题，文献[8]采用了主从控制与对等控制相结合的方法， 提出一种下垂系数随着微网电压及频率变化而变化的改进式下垂控制，提高了微电网运行的可靠性。 文献[9]通过对微电网孤岛运行时的电压相位积分控制， 并网时对电压的相位、 幅值进行控制， 实现离并网的平滑切换。 文献[10]提出了一种基于主电源PQ 和V/f 控制输出状态同步跟随的控制方法， 使微电网离网切换至并网运行模式时， 切换前后的输出状态相同，从而实现平滑切换，但没有考虑微电网由并网切换到孤岛运行模式时的暂态冲击问题。

本文设计了光储微电网蓄电池及光伏并离网控制策略，该策略在并、离网切换中，共用内环，切换外环，同时对外环输出的电流参考值进行补偿，并对预同步控制进行了改进， 使蓄电池PQ 控制中的有功功率参考值跟随蓄电池的功率输出，使其在切换前后的状态相同， 以达到平滑切换的目的，并通过Matlab 软件对本文所提出的控制策略进行验证。

1 光储微电网结构及控制原理

1.1 光储微电网结构

本文微电网的拓扑结构如图1 所示。

图1 光储微电网拓扑结构Fig.1 Topology of microgrid with PV and energy storage

蓄电池和光伏通过双级式变换器输出电压，经过LC 滤波器滤波， 通过公共连接点 （Point of Common Coupling，PCC）将电能输入电网，微网端接入关键性负荷和非关键性负荷。并网运行时，蓄电池和光伏采用PQ 控制。 当检测到孤岛信号，蓄电池切换至V/f 控制， 光伏根据微网运行状态采用最大功率点跟踪 （Maximum Power Point Tracking，MPPT） 或 负 载 功 率 跟 踪 控 制（Load Power Tracking Control，LPTC）；电网恢复时，接收到并网信号，预同步开始工作，满足并网条件时，预同步退出工作，蓄电池切换至PQ 控制。

1.2 蓄电池控制原理

蓄电池控制原理如图2 所示。

图2 储能控制原理Fig.2 Schematic diagram of energy storage control

图中蓄电池前级采用Buck-Boost 电路实现充放电，后级采用PQ 或V/f 控制。 本文将蓄电池荷电状态（State of Charge，SOC）设置为0.3～0.9。并网运行时， 蓄电池采用PQ 控制， 通过给定值Pref对蓄电池进行恒功率充电。当检测到孤岛信号时，调节Pref值来控制蓄电池充放电功率。 为使微电网侧功率达到平衡， 减小流经静态转换开关（Static Transfer Switch，STS）电流，使其达到允许切换阈值。 此时STS 断开， 蓄电池切换至V/f 控制。当电网恢复并接收到并网信号时，启动预同步控制，调节微网侧电压的幅值、相位，当满足切换条件时，预同步控制退出工作，此时STS 闭合，蓄电池切换至PQ 控制。

1.3 光伏控制原理

光伏控制原理如图3 所示。

图3 光伏控制原理Fig.3 Schematic diagram of PV control

光伏前级采用Boost 电路， 后级采用全桥逆变电路。 前级根据微电网运行模式及其能量流动状况， 选择MPPT 或LPTC 模式来控制光伏的功率输出。 并网运行时，光伏采用MPPT 控制模式，后级PQ 控制功率参考值Pref由MPPT 输出功率给定。 离网运行时，蓄电池SOC＞0.9 且光伏的输出功率大于负载时，采用LPTC 模式，光伏输出功率参考值由后级PQ 控制Pref给定。

2 光储微电网并离网平滑切换控制策略

2.1 蓄电池并离网控制策略

并网运行时，蓄电池前级采用Buck-Boost 双向DC/DC 变换器充放电，其结构如图4 所示。

图4 蓄电池前级变换器控制图Fig.4 Control diagram of battery front stage converter

直流侧电压Udc与参考值Udref作差， 经过PI调节后得到电流参考值Ibref，与蓄电池输出电流Ib作差，再通过PI 调节输出控制信号，经过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）得到驱动信号控制Buck-Boost 电路充放电。

蓄电池后级采用PQ 控制，派克变换中选取d轴与电压矢量同方向，q 轴电压分量为0， 此时有功功率只与id有关，无功功率只与iq有关，功率参考值分别与网侧电压dq 分量进行计算，可得电流参考值为

电流内环采用典型内环控制器， 网侧电流瞬时值经过派克变换后，得到id，iq与对应的电流参考值做差，再通过PI 控制进行电压前馈解耦和交叉耦合补偿，输出电压控制信号usd1和usq1，电流环控制方程为

根据式（1）～（4）可以得到PQ 控制结构，如图5 所示。

图5 PQ 控制模式下的控制结构框图Fig.5 Diagram of control structure in PQ control mode

离网运行时，蓄电池前级控制不变，后级采用V/f 控制，为其它分布式电源提供电压和频率的参考。 逆变器输出的频率由控制器内部参考正弦信号生成，同理，在派克变换中选取d 轴与电压矢量同方向， 此时蓄电池网侧经LC 滤波器输出电压的d，q轴有效值Udref为380 V，Uqref为0 V。

在恒压控制上， 采用电压外环电流内环结构，电压外环控制方程为

电流内环和PQ 控制的电流内环结构相同，不再赘述。蓄电池V/f 控制策略的结构框图如图6所示。

图6 V/F 控制模式下的控制结构框图Fig.6 Diagram of control structure in V/f control mod

2.2 光伏并离网控制策略

光伏在微电网并离网过程中， 前级Boost 电路采用MPPT 和LPTC 两种控制模式， 其具体控制结构如图7 所示。

图7 光伏前级控制结构图Fig.7 Control diagram of PV front stage converter

并网运行时， 开关S1接通， 光伏处于MPPT工作模式，后级PQ 控制的Pref由前级MPPT 输出功率给定。 测量光伏电压Upv和电流Ipv， 通过MPPT 算法得到最大功率点电压Uref与Upv作差。经过PI 控制得到的占空比D，通过PWM 调制产生驱动信号来控制Boost 电路； 孤岛运行时，蓄电池的SOC＞0.9，且光伏输出功率大于负载功率时，开关S2接通，光伏处于LPTC 工作模式，参考值Pref由后级PQ 控制给定，测量光伏电压Upv和电流Ipv，通过LPTC 算法计算出负载功率跟踪点电压Uref与UPV做差，经过PI 控制得到的占空比D，通过PWM 调制产生驱动信号来控制Boost 电路。

光伏在微电网并离网过程中，光伏后级采取PQ 控制保持不变，光伏源PQ 控制结构原理与蓄电池PQ 控制相同，不再赘述。

2.3 光储微电网并离网切换控制策略的改进

微电网并网切换至孤岛时， 蓄电池由PQ 控制切换至V/f 控制。 切换前PQ 控制中电流环PI调节器输出结果已达到稳态；切换至V/f 控制时，PI 调节器输出须要逐步到达新的稳态，此过程须要一定的时间且会引起相关量在切换过程中的突变。 根据并离网控制器的结构，它们拥有相同的电流环，将两者的控制结构改进为如图8 所示。

图8 运行模式控制策略改进示意图Fig.8 Diagram of operation mode control strategy improvement

在并离网切换中，只切外环，共用内环。 在并网切换至孤岛运行时，V/f 控制器的输出电压控制信号为PQ 控制器输出的电压控制器Usd1和Usd2，能够有效的减小切换过程中的暂态冲击。

在切换过程中须要增加电压外环，切换后V/f电流参考值i2须要经过电压环PI 调节器逐步调节，为此引入电流参考补偿方程，即：

微电网重新并网时，蓄电池网侧变换器输出已经达到了稳态， 输出的电流参考值为idref3和iqref3。为了实现平滑切换，PQ 控制器的电流输出参考值选取为

通过给定Pref值跟随孤岛运行时蓄电池的输出功率，即可满足式（9），（10）。并网电流输出参考值为孤岛运行的实际输出电流， 可以减小切换过程中的暂态冲击。

蓄电池并离网切换控制器结构如图9 所示。当Switch 为1 时，微电网并网运行；当Switch 为0时，微电网孤岛运行。

图9 平滑切换结构框图Fig.9 Structure diagram of smooth switching

2.4 预同步控制

电网故障恢复，微电网接收到并网信号，启动预同步控制， 使孤岛模式运行中微电网电压的幅值、频率、相位与电网同步再进行并网。

本文对传统预同步控制器进行改进， 结构如图10 所示。

图10 预同步控制器结构框图Fig.10 Structure diagram of pre-synchronous controller

检测装置检测电网的电压信号。 经过派克变换得到d 轴分量ug_d与网侧输出电压信号作差。经过PI 控制得到偏差信号ΔU 来调节微电网输出信号udref，从而实现电压幅值的预同步。 将检测的电网相角θg与微网侧的相角做差， 经过PI 调节器输出Δθ 来调节微电网端相角θm， 最终输出相角值θref。 通过控制Δθ 的输出θ，可以间接改变微电网频率上升或下降的速率， 避免上升速率过大而对微电网系统造成冲击， 具有更好的平滑性及可控性。

3 微电网并离网平滑切换控制流程

本文微电网并、离网平滑切换如图11 所示。

图11 平滑切换流程图Fig.11 Flowchart diagram of smooth switching

并网运行时，蓄电池采用PQ 控制，估算蓄电池的荷电状态（SOC），当SOC＜0.9 时，蓄电池处于恒功率充电，当SOC≥0.9 时，蓄电池以250 W 的功率进行浮充， 光伏在MPPT 控制下最大限度输出功率。

当检测到孤岛信号时， 微电网中心控制器检测STS 的电流。 若静态开关点的电流没有达到允许切换电流的阈值， 则增大或减小蓄电池的输出功率，以满足切换电流的阈值，静态开关点动作，蓄电池切换至V/f 控制。

孤岛运行时：①当蓄电池SOC＜0.3，且光伏的输出功率小于负载功率，切掉非关键性负载，若光伏的输出功率大于负载功率， 光伏运行在MPPT模式； ②当0.3＜SOC＜0.9， 光伏运行在MPPT 模式；③当SOC＞0.9，且光伏的输出功率大于负载功率，光伏运行在LPTC 模式，此时光伏的输出功率等于负载功率。

当检测到并网信号时， 预同步开始工作，PQ控制器给定的Pref参考值跟随蓄电池的输出功率；当微网电压的幅值、相位满足切换要求时，预同步退出工作，静态开关点动作，蓄电池由V/f 控制切换到PQ 控制。

4 仿真结果及分析

在Matlab/Simulink 环境下搭建微电网仿真模型。 参数设置如下：直流母线电压720 V，交流母线电压380 V，频率f 为50 Hz，关键性负载为4 kW，非关键性负载为4 kW，光伏工作在标称条件下（温度为25 ℃，太阳辐射为1 000 W/m2）且功率因数为1。蓄电池网侧滤波电感为0.6 mH，滤波电容为170 μF；光伏网侧滤波电感为5 mH，滤波电容为17 μF。

4.1 并网切换至孤岛运行模式的仿真结果

本文光储微电网由并网模式切换至孤岛模式的结果如图12 所示。

图12 并网切换到孤岛仿真波形图Fig.12 Simulation waveforms of microgrid switched from gridconnected to islanded operation mode

由图12 可知，光伏在MPPT 工作模式下输出功率为6 kW，0～0.5 s 时， 蓄电池采用PQ 控制并以6 kW 的功率进行恒功率充电。 0.5 s， 蓄电池SOC 达到了0.9， 蓄电池以250 W 的功率进行浮充。 1.8 s 时检测到孤岛信号，蓄电池需要平衡微网端的功率，降低流经STS 电流，蓄电池放电功率为2 kW，此时STS 无电流流过，达到了允许切换的阈值。 1.85 s 时STS 断开，蓄电池切换至V/f控制，为光伏源提供电压相位和频率的参考。

常规切换时电压偏差ΔU≈±60%UN， 电流偏差ΔI≈±34%IN。 使用了平滑切换控制策略后，电压偏差ΔU≈±0.3%UN，电流偏差ΔI≈±0.2%IN，有效的降低了并离网切换过程中的暂态电压、 电流冲击，满足切换的要求。

4.2 孤岛切换至并网运行模式的仿真结果

光储微电网孤岛切换至并网运行模式仿真结果如图13 所示。

图13 储微电网孤岛切换至并网运行模式仿真结果Fig.13 Simulation waveforms of microgrid switched from islanded to grid-connected operation mode

由图13 可知，0～0.2s， 光伏在MPPT 工作模式下输出功率为6 kW，负载功率为8 kW，蓄电池输出功率为2 kW。 0.2 s， 负载由8 kW 下降至4 kW，由于蓄电池SOC＜0.9，光伏运行在MPPT 模式，蓄电池吸收功率为2 kW。 0.75 s，蓄电池SOC达到了0.9，光伏切换至LPTC 模式，输出功率为4 250 W， 其中250 W 是为了抵消蓄电池的自耗功率。 1.3 s， 负载由4 kW 增至8 kW， 光伏切换至MPPT 模式。 1.65 s，接收到并网信号，启动预同控制，同时蓄电池PQ 控制的功率参考值Pref跟随此时刻蓄电池的输出功率。1.7 s，微电网电压满足离网向并网切换的要求，此时预同步退出工作，STS闭合，蓄电池切换至PQ 控制。 1.72 s，蓄电池以6 kW 的功率进行充电， 当蓄电池的荷电态达到了0.9 时，进行浮充电。常规切换时无电压冲击，但电流偏差ΔI≈±583%IN， 使用了平滑切换控制策略后，电流偏差ΔI≈±0.2%IN，有效的降低了离并网切换过程中的暂态电流冲击，满足切换的要求。

5 结论

本文针对光储微电网，当电网发生故障时，接收到孤岛信号，主电源调节其输出功率，减小并网静态开关点的电流，使其达到允许切换的阈值。分析并离网切换过程中的产生暂态冲击的原因，根据切换前后控制策略的结构， 对控制策略进行了改进，实现前后控制策略的切换中，只切外环，共用电流内环，并引入电流补偿。减小并网切换至孤岛运行模式的暂态冲击。 对预同步控制进行了改进， 同时让蓄电池PQ 控制中的有功功率参考值跟随蓄电池的功率输出， 使其在切换前后的状态相同。给出了光储微电网并离网切换详细流程图，并对此进行仿真实验，在仿真实验中，光储微电网无论是并网切换到离网， 还是离网切换到并网的过程中，都没有较大的暂态冲击，验证了光储微电网并离网平滑切换控制策略的可行性。