基于二自由度的光储微电网运行模式的无缝切换

摘要：提出了一种基于储能逆变器控制的微电网无缝切换控制策略。根据光储微电网不同运行模式下的控制目标为储能逆变器的控制层提供并网点电压的参考量，利用二自由度控制原理、被控制对象逆模型结合模型电流预测控制使得储能逆变器控制单元部分传递函数“单位化”，消除微电网在不同控制目标下控制结构的差异，最终实现微电网运行模式之间的无缝切换，而且减少了PI控制器的使用，省去了PWM过程。

关键词：储能逆变器、二自由度、无缝切换

0引言

然而，随着人们对于供电可靠性、灵活性以及能源利用率要求不断提高，微电网不再是希望在故障时简简单单的让分布式发电系统停机，而是希望其能够独立的为负载供电，这就要求微电网能够在并网/孤岛运行的双模式间可以平滑切换，避免暂态震荡对整个微电网系统产生不良影响。

文献[1]提出了一种基于PI控制器从电源容量与负荷匹配度的控制策略来减小运行模式切换过程中的暂态振荡。文献[2]提出通过持续监测配电网端和微电网端之间的电压、频率以及相位角之间的变化来实现低压的无缝对接，进而实现微电网的智能控制。

1 光储微电网运行模式的无缝切换

光伏储能系统是通过公共连接点（point of common coupling，PCC）与大电网建立联系，根据PCC的连接与否来判断并网和孤岛运行两种模式的切换。正常情况下，PCC点并网开关闭合工作在并网模式下，但若出现大电网严重故障情况时，就需要PCC点断开使光储微电网工作在孤岛模式。因此，为了保证双方电网的安全稳定运行，就需要在两种模式切换过程实现无缝对接，平滑切换[3]。

2 基于二自由度控制算法控制层设计

PI控制器由于其控制结构简单，鲁棒性强和易于工程实现而被大量使用[4-5]。。但是微电网惯性小，容易受到环境的影响而对逆变器的动态相应要求很高，传统的PI控制往往难以满足高精度和高抗扰性的要求。此时二自由度这种可以独立调节目标抗扰性和跟随性的思想应运而生。

本文提出的二自由度控制系统如图2所示，其中前馈控制器为GFF（s），输入信号与实际输出信号间的误差用E（s）表示。根据二自由度原理图，可以得出输入与输出、输入与误差间传递函数：

根据式（2）可以看出：增加前馈控制器，利用系统模型和参考信号信息等提高系统跟踪控制精度和动态响应速度;以误差E（s）作为反馈控制器的输入，通过反馈控制器补偿跟踪控制误差，保证系统的抗干扰性能与鲁棒性，同时能够减小反馈控制在控制带宽上的限制。根据式（2），令GFF（s）=[P（s）]-1，则：

此时系统输出量能够完全追踪输入量，消除带宽限制，可以通过C（s）调节可以最优控制扰动信号D（s）。

3光储微电网运行模式切换仿真

本节基于Matlab/Smulink搭建如图3所示的微电网系统仿真模型，对所提出的基于算法的微电网无缝切换策略进行验证。

假设开关S1_1和S1_2在0.5s时断开，光储微电网由并网运行状态转为孤岛运行状态。光伏电源和负荷在状态切换过程中保持不变。系统频率也因为运行模式切换发生了较大波动。图4给出光储微电网运行状态切换过程中各状态量变化曲线。从图4 （a）中可以看出光储微电网处于并网运行状态时，储能系统采取PQ控制策略，此时A_1点的输出功率为：，。0.5s时，光储微电网转换为孤岛运行状态，储能装置需要为整个微电网系统提供电压和频率支撑，此时A_1点的输出功率变为：，。從图4 （b）中可以看出，光储微电网的系统频率只在运行状态切换过程中存在不超过0.2Hz的最大频率波动量，且在进入孤岛稳态运行后，系统的频率偏差Δf小于0.1Hz，充分满足了微电网孤岛运行状态对频率的要求。从图4 （c）中可以看出，光储微电网运行状态切换过程中的微电网交流母线电压幅值与相位均实现平滑过渡，电压偏差远小于7%UN，并且能够快速跟随电压参考值，满足了微电网孤岛运行状态对电压的要求。从图4 （d）可以看出，当微电网由并网运行状态转为孤岛运行状态时，储能系统的输出电流变化很平稳，没有出现过流现象。为了进一步验证基于广义控制算法的改进孤岛下垂控制策略的抗扰动性，假设t=0.8s时，外界光照强度由1000W/m2变为600W/m2。此时光伏电源的输出功率减小，从图4 （a）和图4 （d）中可以看出此时整个光储微电网的输出功率不变，储能系统由原本的吸收功率变为输出功率来满足负荷的需求。从图4 （b）和4 （c）中可以看出，在光照强度发生变化时，微电网的电压、频率波动量均处于合理范围内，微电网整体处于稳定运行状态。

4.总结

本文主要介绍了一种基于LCL滤波的储能逆变器控制算法，避免了光储微电网运行状态切换过程中产生的电压、电流冲击，实现了光储微电网运行模式的无缝切换。

参考文献

[1] 郑竞宏，王燕廷，李兴旺，王忠军，王小宇，朱守真.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.      .

[2]   赵兴勇，杨涛，王灵梅.基于复合储能的微电网运行方式切换控制策略[J].高电压技术，2015，41（07）：2142-2147.

[3]   Wang Cheng Shan，Li Xia Lin，Guo Li，et al. A Seamless Operation Mode Transition Control Strategy for A Microgrid Based on Master-Slave Control[J].Science China（Technological Sciences），2012，55（6）：1644-1654.

[4]   陈杰， 陈新， 冯志阳，et al.微网系统并网/孤岛运行模式无缝切换控制策略[J].中国电机工程学报， 2014，34（19）：3089-3097.

[5]   赵建荣，杨欣然，王林，黄辉.基于虚拟同步机的微网并离网无缝切换策略[J].电力电子技术，2018，52（10）：5-8.

作者简介：张润（1984-），男，工程师，主要从事配电网运维管理方面的工作。