吳玫蓉，陶　順，肖湘寧

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京　102206)

Study on Control Method of Smooth Switchover for Microgrid Based on Master-slave ControlWU Meirong, TAO Shun, XIAO Xiangning

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources

(North China Electrical Power University),Beijing 102206, China)

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基于主從控制微網(wǎng)的平滑切換控制方法研究

吳玫蓉，陶順，肖湘寧

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京102206)

Study on Control Method of Smooth Switchover for Microgrid Based on Master-slave ControlWU Meirong, TAO Shun, XIAO Xiangning

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources

(North China Electrical Power University),Beijing 102206, China)

0引言

為了解決高滲透率的分布式電源接入配電網(wǎng)所帶來的新問題，微網(wǎng)作為一種能夠有效地整合多種類型分布式電源的方法得到了廣泛的應(yīng)用與研究[1]。微網(wǎng)具有并網(wǎng)和孤島兩種典型運行方式：在并網(wǎng)運行時，微網(wǎng)相當(dāng)于配電網(wǎng)的可調(diào)度負荷；當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)故障或計劃孤島時，微網(wǎng)與配電網(wǎng)斷開并過渡到孤島運行，此時微網(wǎng)作為可定制電源保證系統(tǒng)內(nèi)的供電可靠性[2]。但由于從并網(wǎng)切換到孤島運行過程中的暫態(tài)振蕩會影響系統(tǒng)內(nèi)負荷的供電，甚至造成切換失敗。因此如何實現(xiàn)微網(wǎng)從并網(wǎng)到孤島運行的平滑切換，是微網(wǎng)控制所研究的關(guān)鍵問題之一。

主從控制是目前微網(wǎng)示范工程中普遍采用的協(xié)調(diào)控制策略，故本文以采用主從控制的微網(wǎng)為基礎(chǔ)研究平滑切換的控制方法。采用主從控制策略的微網(wǎng)，當(dāng)并網(wǎng)運行時，主控單元和從控單元均采用恒功率(PQ)控制；當(dāng)微網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開并過渡到孤島運行時，主控單元切換為恒壓恒頻(v/f)控制，為系統(tǒng)提供電壓和頻率的支撐，其余從控單元仍采用PQ控制[3]。由于電池儲能系統(tǒng)(Battery energy storage system, BESS) 具有快速功率吞吐和四象限運行能力的優(yōu)點[4]，因此為了減短平滑切換中的暫態(tài)振蕩時間，一般選取它作為主控單元。針對主從控制微網(wǎng)的平滑切換控制所存在的問題，文獻[5]總結(jié)了引起微網(wǎng)從并網(wǎng)切換到孤島運行過程中暫態(tài)振蕩的影響因素以及提出相應(yīng)的平滑切換控制策略，但忽略了軟件鎖相環(huán)和可再生微源的間歇性在切換過程中造成的暫態(tài)波動以及相應(yīng)的抑制方法；文獻[6]中提出的平滑切換控制策略包括電壓、電流以及d軸定位角的補償，但以v/f控制器的電壓外環(huán)在并網(wǎng)運行時輸出為零作為前提對后文進行分析是不合理的，雖然此時v/f控制不作用于主控單元，但其電壓外環(huán)在并網(wǎng)運行時仍然有輸出；文獻[7]采用電壓電流加權(quán)控制算法，抑制微網(wǎng)運行模式切換過程中的電壓電流沖擊以實現(xiàn)無縫切換;文獻[8]采用基于狀態(tài)跟隨的外環(huán)控制器切換方法和軟件鎖相環(huán)切換控制策略以實現(xiàn)平滑切換，但文獻[6-8]均忽略了當(dāng)主控單元的容量不能滿足微網(wǎng)內(nèi)功率變化的時候，若僅僅使用文獻中提出的切換控制策略已經(jīng)無法完成從并網(wǎng)運行到孤島運行的平滑過渡。

本文以采用主從控制的微網(wǎng)作為研究對象，在設(shè)計主控BESS控制器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了微網(wǎng)從并網(wǎng)切換到孤島運行過程中由PQ控制和v/f控制的外環(huán)狀態(tài)不匹配以及d軸定位角度跳變這兩個引起振蕩的影響因素，并且提出了主控單元的平滑切換控制策略。此外，采用分區(qū)域控制策略能夠減弱由于負荷和從控單元之間的功率差額超過主控單元容量所引起的振蕩。所提出的平滑切換控制方法不僅實現(xiàn)了并網(wǎng)運行切換到孤島運行的平滑過渡，而且能夠減弱由于主控單元容量不足所引起的暫態(tài)振蕩。最后通過在PSCAD/EMTDC環(huán)境下的仿真算例驗證了所提出的平滑切換控制方法的正確性和可行性。

1主控電池儲能單元的控制器設(shè)計

1.1主控電池儲能單元的結(jié)構(gòu)

圖1　主控電池儲能單元的結(jié)構(gòu)圖

主控BESS的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括電池系統(tǒng)、儲能變流器(Power conversion system, PCS)、LC濾波器以及相關(guān)的控制系統(tǒng)，其中儲能PCS的控制系統(tǒng)包括外環(huán)控制器和內(nèi)環(huán)控制器。外環(huán)控制器是根據(jù)微網(wǎng)的不同運行方式以實現(xiàn)不同的控制目標，得到電流控制器的參考值。內(nèi)環(huán)控制器以瞬時電感電流反饋控制作為內(nèi)環(huán)，不僅使濾波電感電流成為可控的電流源，而且對環(huán)內(nèi)的擾動有一定的抑制作用[9]。

1.2外環(huán)控制器的設(shè)計

當(dāng)微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，采用PQ控制的主控BESS輸出給定的功率，不受微網(wǎng)內(nèi)部功率變化的影響。根據(jù)瞬時功率理論，主控BESS的輸出功率如式(1)所示[10]。

(1)

式中：ud和uq為圖1中LC濾波器輸出三相電壓經(jīng)過dq變換的值；id和iq分別為逆變器輸出三相電流經(jīng)過dq變換的值。由于基于電網(wǎng)電壓定向時滿足uq=0，故可利用給定的有功功率和無功功率參考值(Pref和Qref)通過式(2)計算出電流控制器的有功電流參考值(idref_PQ)和無功電流參考值(iqref_PQ)。

(2)

圖2　外環(huán)控制器的控制結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)微網(wǎng)孤島運行時，采用v/f控制的儲能PCS可以等效為電壓源，其輸出功率隨著微網(wǎng)內(nèi)能量供需平衡的需求而變化，以為系統(tǒng)提供電壓和頻率的支撐。v/f控制由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成，電壓外環(huán)用以給定電流控制器的有功電流參考值(idref_v/f)和無功電流參考值(iqref_v/f)，采用PI控制器的電壓外環(huán)的表達式如式(3)所示。

(3)

式中:udref和uqref為電壓外環(huán)的d軸和q軸參考值，一般取udref為系統(tǒng)電壓幅值，uqref為0；kpv和kiv為PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。綜合式(2)和(3)，外環(huán)控制器的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，根據(jù)微網(wǎng)的不同運行方式由微網(wǎng)中央控制器(microgrid management controller, MGCC)[11]切換外環(huán)控制器以實現(xiàn)不同的運行控制目標，idref和iqref分別為外環(huán)控制器輸出的有功電流參考值和無功電流參考值。

1.3內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計

內(nèi)環(huán)控制器的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，它以電感電流瞬時反饋控制作為內(nèi)環(huán)，不僅通過引入電流狀態(tài)反饋(-ωLid和ωLiq)實現(xiàn)了d軸和q軸控制系統(tǒng)的獨立控制，而且通過引入電網(wǎng)電壓前饋補償以抑制電網(wǎng)電壓對控制系統(tǒng)的干擾，以此提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾性。

圖3　內(nèi)環(huán)控制器的結(jié)構(gòu)

2主控單元的平滑切換控制策略

2.1外環(huán)控制器的切換控制策略

在檢測到大電網(wǎng)發(fā)生故障或計劃孤島時，微網(wǎng)通過公共連接點(Point of common coupling, PCC)與大電網(wǎng)斷開，同時主控單元的外環(huán)控制器從PQ控制切換到v/f控制，為孤島運行時的系統(tǒng)提供電壓和頻率的支撐。在切換過程中由于v/f控制的電壓外環(huán)和PQ控制外環(huán)的狀態(tài)不匹配，并且電壓外環(huán)PI控制器的積分環(huán)節(jié)會使得外環(huán)控制器的輸出值突然變化，因此引起了暫態(tài)振蕩。

針對上述問題，在并網(wǎng)切換到孤島運行的過程中宜采用式(4)確定內(nèi)環(huán)控制器的有功電流和無功電流參考值，即設(shè)切換瞬間采用PQ控制的主控單元所確定的內(nèi)環(huán)控制器的有功電流參考值和無功電流參考值分別為idref_connected和iqref_connected，將其分別賦予v/f控制電壓外環(huán)的輸出idref_v/f和iqref_v/f，以此保證外環(huán)控制器在切換過程中PQ控制和v/f控制外環(huán)的輸出狀態(tài)相同。在切換到孤島穩(wěn)定運行時，idref_v/f和iqref_v/f的值會通過v/f控制的電壓外環(huán)逐漸調(diào)整。

(4)

2.2軟件鎖相環(huán)的切換控制策略

綜上可知，主控BESS采用dq坐標系下的控制策略，因此需要確定d軸的定位角度。如圖4所示，當(dāng)微網(wǎng)并網(wǎng)運行時本文采用文獻[12]中的并網(wǎng)鎖相環(huán)，用以實時跟蹤電網(wǎng)電壓的相角作為d軸的定位角度，其中f為大電網(wǎng)的頻率，θg為大電網(wǎng)的電壓相角。

圖4　并網(wǎng)鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)

當(dāng)微網(wǎng)孤島運行時采用具有恒定角頻率(ω0)的振蕩器為d軸定位，其中ω0=2πfref，fref=50Hz，并且在孤島運行之前其輸出θ0為0。因此微網(wǎng)從并網(wǎng)切換到孤島運行時振蕩器的輸出θ0需從初始值(0)跳變到θg，從而會引起切換瞬間的振蕩。

為了消除d軸定位角度的跳變所引起的振蕩，本文提出將切換瞬間的并網(wǎng)鎖相環(huán)輸出θg通過采樣保持器賦予孤島運行時微網(wǎng)所采用的振蕩器的方法，如圖5所示。其中θinv為微網(wǎng)系統(tǒng)dq變換所采用的d軸定位角度。

圖5　軟件鎖相環(huán)的切換控制策略

3分區(qū)域控制策略

當(dāng)微網(wǎng)孤島運行時，由主控BESS向系統(tǒng)注入或吸收功率，用于平抑負荷功率與從控單元的輸出功率之間的功率差額，以維持系統(tǒng)的能量平衡。但由于主控BESS容量的限制，它不能一直滿足負荷功率與從控單元的輸出功率之間的功率差額增長。若二者之間的功率差額與主控單元的容量相差較大，僅僅采用前文所述的主控單元平滑切換控制策略仍不能保證平滑切換，甚至?xí)斐汕袚Q失敗。

針對上述問題，首先應(yīng)計算出微網(wǎng)孤島運行時，負荷功率與從控單元輸出功率之間的差額。影響從控單元的輸出功率因素根據(jù)從控單元的種類不同而不同，例如：當(dāng)可再生微源作為從控單元時，從控單元的輸出功率受外界因素(如光照、風(fēng)速等)、自身容量以及微網(wǎng)調(diào)度要求的限制；當(dāng)可控微源或儲能裝置作為從控單元時，其僅受自身容量和微網(wǎng)調(diào)度要求的限制，即從控單元在自身容量范圍內(nèi)根據(jù)MGCC的調(diào)度指令輸出給定的功率。此外負荷功率的變化亦具有隨機性，故在并網(wǎng)運行時，MGCC應(yīng)通過合適的方法預(yù)測在孤島運行期間的從控單元輸出功率以及負荷功率，并且通過式(5)計算出負荷功率與從控單元的輸出功率之間的有功功率和無功功率差額(Pe和Qe)，如式(5)所示：

(5)

式中：∑PL、∑QL為通過預(yù)測所得的有功功率負荷和無功功率負荷總量；∑PDGs、∑QDGs為通過預(yù)測所得的所有從控單元輸出的有功功率和無功功率之和。

然后根據(jù)孤島運行穩(wěn)定后系統(tǒng)電壓和頻率的范圍，將微網(wǎng)中負荷與從控單元之間功率差額水平分為3個區(qū)域：A、B、C。如圖6所示。區(qū)域A：切換后系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定在額定電壓和額定頻率(U=1(標幺值)，f=50Hz)，其邊界負荷和從控單元之間的有功功率差額(PA)和無功功率差額(QA)小于或等于主控單元的額定容量；區(qū)域B：切換后系統(tǒng)電壓偏差和頻率偏差均在允許范圍內(nèi)(0.9

區(qū)域A：采用主控單元的平滑切換控制策略，使微網(wǎng)從并網(wǎng)切換到孤島運行時平滑地過渡。

區(qū)域B：采用主控單元的平滑切換控制策略切換到孤島運行后，切換部分普通負荷或減小部分從控單元的輸出功率使得其進入?yún)^(qū)域A，以為主控單元留有足夠的備用容量，避免孤島運行時負荷變化或可再生微源輸出功率變化所帶來的擾動。

區(qū)域C：采用主控單元的平滑切換控制策略切換到孤島運行后，由于負荷與從控單元之間的功率差額超過主控單元的過載能力，若直接從區(qū)域C進入到區(qū)域A會給系統(tǒng)造成沖擊，因此首先切除部分普通負荷或減小部分從控單元的輸出功率使得其從區(qū)域C進入到區(qū)域B，待穩(wěn)定后再切除部分普通負荷或減小另外一部分從控單元的輸出功率使得其從區(qū)域B進入到區(qū)域A。

當(dāng)二者之間的功率差額處于C區(qū)域時，采用上述分區(qū)域切換控制策略的前提條件是允許主控單元在二者之間功率差額超過主控單元的過載能力時運行一段時間(至少超過所需要切掉負荷的時間或者采用PQ控制的從控單元實行減小輸出功率指令的時間)[13]。

圖6　微網(wǎng)負荷水平分區(qū)域示意圖

4仿真驗證

為了驗證上述平滑控制切換策略的正確性，在PSCAD/EMTDC中搭建微網(wǎng)平臺如圖7所示，DG1為光伏微源作為從控單元，BESS為電池儲能系統(tǒng)作為主控單元，負荷均為等效負荷，其中l(wèi)oad1=0.6MW+j0.2Mvar為重要負荷，load2=0.4MW +j0.15Mvar為可分組投切的普通負荷。DG1和BESS通過PCC點和主變壓器連接到10.5kV的配電網(wǎng)，線路1和2為380V線路，R=0.641Ω/km，X=0.101Ω/km；線路3為10.5kV線路，R=0.347Ω/km，X=0.234 5Ω/km，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

圖7　微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

在上述微網(wǎng)平臺的基礎(chǔ)上，設(shè)置仿真時間為2s，并網(wǎng)運行時設(shè)置的DG1和BESS均采用PQ控制；t=0.6s時微網(wǎng)從并網(wǎng)切換到孤島運行,主控BESS切換為v/f控制，從控DG1仍采用PQ控制。

表1　系統(tǒng)參數(shù)

4.1主控單元的平滑切換控制策略驗證

在上述仿真條件下，為了驗證主控單元的平滑切換控制策略(包括外環(huán)控制器和軟件鎖相環(huán)切換控制策略)的有效性，微網(wǎng)僅帶有l(wèi)oad1運行，設(shè)置并網(wǎng)運行時，DG1和BESS的有功功率參考值和無功功率參考值分別為：0.25MW,0Mvar；0MW,0Mvar。在t=0.6s從并網(wǎng)切換到孤島運行的過程中分別進行以下3種情況的仿真：

Case(a)：未采用主控單元的平滑切換控制策略；

Case(b)：僅采用軟件鎖相環(huán)切換控制策略；

Case(c)：采用主控單元的平滑切換控制策略，即同時采用外環(huán)控制器和軟件鎖相環(huán)切換控制策略。

綜合圖8～圖11可知，Case(a)中微網(wǎng)從并網(wǎng)切換到孤島運行的過程中，不采用主控單元的平滑切換控制策略會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓畸變嚴重，頻率偏差遠大于所允許的范圍，為系統(tǒng)帶來較大的暫態(tài)沖擊，在此切換過程中BESS的輸出功率會產(chǎn)生較大的波動，DG1的輸出功率亦產(chǎn)生較小的波動。與Case(a)相比，采用Case(b)和Case(c)中的切換控制策略均可以保證在切換過程中系統(tǒng)的電壓偏差和頻率偏差在允許的范圍內(nèi)。在Case(c)中采用主控單元的平滑切換控制策略，比僅采用軟件鎖相環(huán)切換控制策略的Case(b)在切換過程中的電壓波動更小，而且在0.6～0.63s之間的頻率波動更小，有效地減弱了切換過程中的暫態(tài)沖擊。此外與case(b)相比，Case(c)中的主控單元和DG1的輸出功率波動更小，幾乎可以忽略。據(jù)此證明了主控單元的平滑切換控制策略的有效性。

圖8　微網(wǎng)系統(tǒng)的三相電壓

圖9　微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率

圖10　微源輸出的有功功率

圖11　微源輸出的無功功率

4.2分區(qū)域控制策略的驗證

根據(jù)第3小節(jié)中的分析，結(jié)合仿真算例中的系統(tǒng)參數(shù)所確定的3區(qū)域界限如表2所示，其中Pzn和Qzn分別為主控BESS的額定容量，U和f分別為孤島穩(wěn)定后的系統(tǒng)電壓和頻率。

為了驗證分區(qū)域控制策略的有效性，在上述仿真條件下微網(wǎng)帶有l(wèi)oad1和load2運行，在并網(wǎng)運行時設(shè)置DG1和BESS的有功功率參考值和無功功率參考值分別為：0.3MW，0Mvar；0MW，0Mvar。

表2　負荷與從控單元功率差額的分區(qū)域表

由于篇幅有限，本文僅對負荷與從控單元之間的功率差額位于區(qū)域C時對分區(qū)域切換控制策略進行驗證，分為以下兩種情況進行仿真:

Case(d):t=0.8s時，切除load2，使得其從區(qū)域C直接到區(qū)域A。

Case(e):t=0.8s時，切除0.16MW+j0.06Mvar的負荷，使得其從區(qū)域C進入到區(qū)域B；t=1s，切除0.24MW+j0.09Mvar的負荷,使得其從區(qū)域B進入到區(qū)域A。

如圖12和13所示，Case(d)在t=0.8s時一次性切除負荷會導(dǎo)致孤島運行時系統(tǒng)的電壓和頻率暫態(tài)沖擊很大，超過孤島運行時系統(tǒng)允許的電壓偏差和頻率偏差范圍。而在Case(e)中分兩次切除load2，在t=0.8s切除40%的load2，在t=1.1s時切除60%的load2，相比于Case(d)，明顯減小了切負荷時帶給系統(tǒng)的電壓和頻率的暫態(tài)沖擊，證明了分區(qū)域控制策略的有效性。

圖12　兩種情況下的微網(wǎng)的頻率

圖13　兩種情況下的微網(wǎng)的電壓

5結(jié)束語

本文以采用主從控制的微網(wǎng)為研究對象，針對并網(wǎng)切換到孤島運行時的暫態(tài)問題，在設(shè)計主控BESS控制器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種包括主控單元的平滑切換控制策略以及分區(qū)域切換控制策略的新平滑切換控制方法。仿真結(jié)果表明，該控制方法不僅能夠保證微網(wǎng)從并網(wǎng)到孤島運行的無縫切換，而且解決了由于主控單元容量不足所帶來的暫態(tài)沖擊,為微網(wǎng)的平滑切換控制策略研究提供了新思路。

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吳玫蓉(1990—)，女，碩士研究生，研究方向為微網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制，E-mail:wumeirong19900503@163.com；

陶順(1972—)，女，副教授，研究方向為智能配電網(wǎng)和電能質(zhì)量等, E-mail: taoshun@ncepu.edu.cn；

肖湘寧(1953—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、現(xiàn)代電力電子技術(shù)與應(yīng)用等，E-mail: xxn@ncepu.edu.cn。

(責(zé)任編輯：林海文)

摘要：針對微網(wǎng)從并網(wǎng)運行切換到孤島運行時的暫態(tài)振蕩問題，提出一種基于主從控制微網(wǎng)的新平滑切換控制方法。首先設(shè)計主控電池儲能單元的外環(huán)控制器和電流控制器；然后基于引起切換過程中暫態(tài)振蕩的影響因素，提出了主控單元的平滑切換控制策略；最后采用分區(qū)域控制策略以減弱由于負荷和從控單元之間的功率差超過主控單元的容量所引起的振蕩。仿真分析表明所提出的平滑切換控制方法不僅能使得微網(wǎng)從并網(wǎng)切換到孤島運行時平滑地過渡，而且能夠避免由于主控單元容量不足而引起的暫態(tài)沖擊。

關(guān)鍵詞：微網(wǎng)；主從控制；平滑切換控制方法

Abstract：As to the problem of transient oscillation of microgrid during process switching from grid-connected operation to islanded operation, a novel control method of smooth switchover for microgrid based on master-slave control is proposed in this paper. The outer-loop controller and current controller of battery energy storage system are designed as a master unit firstly. Secondly, control strategy of smooth switchover for master unit is put forward based on factors influencing transient oscillation during switchover process. In the end, control strategy of region partition is applied to reduce oscillation caused by the power difference of master unit between slave unit(s) and load margin. Simulation results show that proposed control method of smooth switchover can not only transition from grid-connected operation to islanded operation smoothly, but also avoid transient impact due to the capacity deficiency of master unit.

Keywords：microgird; master-slave control; control method of smooth switchover

作者簡介：

收稿日期：2014-05-15

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51207051)

文章編號：1007-2322(2015)01-0001-07

文獻標志碼：A

中圖分類號：TM619