鐘 誠 魏 來 嚴干貴 賈 祺

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院 吉林 132012)

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考慮非計劃孤島的分布式電源無縫切換控制策略

鐘 誠 魏 來 嚴干貴 賈 祺

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院 吉林 132012)

為提高本地負載的供電安全，分布式發(fā)電(DG)并網(wǎng)逆變器需要工作在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種狀態(tài)，且能無縫切換。提出一種綜合的DG無縫控制策略。針對非計劃孤島DG從并網(wǎng)切換離網(wǎng)狀態(tài)存在失控區(qū)域，易引起本地負載電壓和頻率越限問題，提出采用P-σ、Q-v解耦的非線性控制，實現(xiàn)失控期間的直接電壓限幅；提出結(jié)合鎖頻環(huán)和去除積分前向通道的鎖相環(huán)，在不影響鎖相環(huán)動態(tài)特性基礎(chǔ)上，實現(xiàn)失控區(qū)域的頻率限幅。另外，在該控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出一種虛擬并網(wǎng)的預(yù)同步方法，避免并網(wǎng)開關(guān)閉合時內(nèi)外環(huán)失配，改善并網(wǎng)過渡過程?；赗T-LAB的硬件在環(huán)仿真驗證了該策略的有效性。

無縫切換 非計劃孤島 解耦控制 鎖相環(huán) 預(yù)同步

0 引言

為應(yīng)對一次能源短缺和環(huán)境污染問題，分布式發(fā)電(Distributed Generation，DG)逐漸興起并得到廣泛關(guān)注[1]。近年來，為提高DG對電網(wǎng)的適應(yīng)性和本地重要負荷的供電安全，“雙模式逆變器”和“無縫切換”概念[2-15]被提出，即要求DG能夠同時工作在并網(wǎng)模式和孤島(離網(wǎng))狀態(tài)，且能在兩種狀態(tài)之間平滑過渡。

目前，大部分的無縫切換控制策略是基于模式切換思想。在并網(wǎng)狀態(tài)時DG工作在恒功率控制模式，而離網(wǎng)時工作在恒電壓控制模式，并/離網(wǎng)狀態(tài)切換時需轉(zhuǎn)換控制模式。文獻[2,3]中提出狀態(tài)切換時，將并網(wǎng)狀態(tài)下的電流控制器輸出值傳遞給離網(wǎng)電壓控制器作為積分初值，避免控制量突變而產(chǎn)生畸變；文獻[4,5] 通過修改鎖相環(huán)來平滑模式切換過程；文獻[6] 采用無鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，改善微電網(wǎng)從孤島切換到并網(wǎng)的同步過程；文獻[7]采用虛擬同步機控制(Virtual Synchronous Generator， VSC)和PQ控制環(huán)并行運行方式，在狀態(tài)切換時刻選擇相對應(yīng)控制器的輸出量來控制逆變器；文獻[8]提出基于電壓、電流加權(quán)的平滑控制方法，來抑制切換時的控制量突變；文獻[9] 在模式切換過程中插入abc坐標系控制模式，改善電網(wǎng)電壓不對稱故障時的切換過程。上述方法都需要準確的孤島時刻來進行控制模式轉(zhuǎn)換或引入過渡控制。但當電網(wǎng)發(fā)生非計劃孤島時，受孤島檢測時間、開關(guān)動作時間等影響，很難確切地獲取孤島發(fā)生時刻[10,11]。

一些學(xué)者致力于提出控制模式自動切換的無縫切換控制策略。文獻[10,11]提出dq坐標系下的電容電壓間接控制策略，通過控制電容電壓來間接控制并網(wǎng)電流，當發(fā)生非計劃孤島時，通過限幅器來避免電壓越限；文獻[12]也采用間接控制，不同之處是該文獻直接控制負載電壓，且增加電容電流內(nèi)環(huán)來改善控制穩(wěn)定；文獻[13]提出一種統(tǒng)一控制策略，并網(wǎng)時，電壓外環(huán)自動飽和失效，DG工作在電流控制模式，而孤島發(fā)生電壓外環(huán)退出飽和，DG工作在電壓控制模式。

另外，一些學(xué)者提出DG的單模式控制策略，在并網(wǎng)/離網(wǎng)狀態(tài)采用相同的控制策略。文獻[14，15]采用非線性下垂控制，減小切換過程中電壓/頻率波動；文獻[7,16-18]采用基于虛擬同步機思想的控制策略。但是，該類方法的并網(wǎng)功率外環(huán)通常是開環(huán)控制，對單個DG系統(tǒng)而言，較難保證其并網(wǎng)功率和離網(wǎng)電壓恒定，更適合多個DG微電網(wǎng)場景。

綜上所述，為改善單個DG在非計劃孤島下時的切換過程，本文提出基于P-σ、Q-v解耦的間接電流控制策略及相應(yīng)的改進鎖相環(huán)方法。相比于文獻[9,10] 中的間接控制方法，本文方法可直接限制非計劃孤島切換過程中的電壓幅值和頻率。另外，在該控制策略基礎(chǔ)上提出一種虛擬并網(wǎng)的預(yù)同步方法，簡化了控制結(jié)構(gòu)和改善了DG并網(wǎng)過渡過程。

1 系統(tǒng)及其工作狀態(tài)

本文研究的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 分布式發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 The block diagram of DG systm

圖1中:一次能源(光伏，風(fēng)電)等通過前端變換器變換為恒定直流電壓Vdc；并網(wǎng)逆變器采用LC濾波器的三相三橋臂結(jié)構(gòu)；Zload為本地負荷；SL為本地開關(guān)，受DG系統(tǒng)控制；LG、RG表示并網(wǎng)阻抗，復(fù)矢量形式為zG=RG+jωLG； SG為電網(wǎng)側(cè)保護開關(guān)，不受本地控制器控制，由電網(wǎng)故障觸發(fā)；VP、EG分別為PCC節(jié)點電壓和電網(wǎng)電壓矢量。iDG、iL、iG分別為DG輸出電流、本地負載電流和DG并網(wǎng)電流矢量。

對應(yīng)圖1中開關(guān)SL和開關(guān)SG狀態(tài)不同，該系統(tǒng)存在4種工作狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 DG系統(tǒng)工作狀態(tài)示意圖Fig.2 The block diagram of work-state of the DG system

當[SG∶SL]為[1∶1]時，系統(tǒng)工作在并網(wǎng)狀態(tài)，逆變器需要工作在恒功率模式，向電網(wǎng)輸送恒定的有功和無功功率；當[SG∶SL]為[0∶0]時，系統(tǒng)工作在離網(wǎng)狀態(tài)，逆變器工作在電壓控制模式，維持本地負載電壓的幅值和頻率恒定(備注：要求DG容量大于本地負載容量)。當開關(guān)[SG∶SL]為[1∶0]表示電網(wǎng)恢復(fù)供電，逆變器工作在預(yù)同步狀態(tài)，調(diào)整逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓同步。當開關(guān)[SG∶SL]為[0∶1]時，本文將其稱為失控狀態(tài)。這意味著電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致SG斷開，出現(xiàn)非計劃孤島。 受孤島檢測延遲的影響，逆變器無法感知發(fā)生孤島，依然采用在并網(wǎng)狀態(tài)下的功率控制模式，而PCC節(jié)點電壓失去電網(wǎng)電壓的鉗制，易導(dǎo)致PCC節(jié)點電壓幅值和頻率越限，威脅本地負載供電安全。如何安全渡過失控狀態(tài)，是實現(xiàn)無縫切換的難點。

2 控制策略

2.1 整體控制框圖

本文提出控制策略的整體框圖如圖3所示。該策略主要包含4個部分：①改進鎖相環(huán)，主要用于測量電網(wǎng)電壓相位；②電網(wǎng)阻抗估算，主要功能是估算電網(wǎng)線路阻抗；③P-σ、Q-v解耦外環(huán)控制，主要作用是實現(xiàn)并網(wǎng)狀態(tài)時DG恒功率控制；④電容電壓和電感電流的雙環(huán)內(nèi)環(huán)控制，主要功能是在孤島狀態(tài)時維持PCC節(jié)點電壓，在并網(wǎng)狀態(tài)時協(xié)同PQ外環(huán)實現(xiàn)控制目標。

圖3 DG的無縫切換控制策略整體框圖Fig.3 Proposed overall control block diagram for DG seamless transfer

本文主要闡述前三部分的控制實現(xiàn)。而對于第④部分，電容電壓和電感電流的雙環(huán)控制是逆變器較為常用控制方法，可參見文獻[15]，故不做進一步闡述。

2.2 改進鎖相環(huán)方法

基于以上考慮，本文提出結(jié)合文獻[19]中的DSOGI-FLL和文獻[20]中基于相位跟蹤的鎖相環(huán)的改進鎖相環(huán)方法，更適合于DG無縫切換的應(yīng)用場景，如圖4所示。

圖4 鎖相環(huán)方法Fig.4 Proposed phase-locked loop

FLL中，采用限幅器用來限制頻率的波動范圍。依據(jù)《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》(GB12325—90)規(guī)定，電壓正常頻率應(yīng)保持在(50±0.2)Hz。但是，限制頻率變化范圍會降低FLL的跟蹤速度。為此，本文后級采用基于直接相位跟蹤的鎖相環(huán)PLL[20]來改善這一個缺陷。

減少前向積分環(huán)節(jié)的鎖相環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(1)

式中，kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)。

傳統(tǒng)鎖相環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(2)

對于式(1)，選擇kp=10，ki=3 200，對于式(2)，選擇kp=180，ki=3 200，階躍響應(yīng)曲線如圖5 所示。

圖5 鎖相環(huán)階躍響應(yīng)曲線Fig.5 Step response curves of PLL

由圖5可知，去除積分前向通道后，依然能夠?qū)崿F(xiàn)對階躍信號的無差跟蹤，并且相比傳統(tǒng)的PLL方法，具有更快的跟蹤速度。但是，代價是PLL由二階降為一階，降低對(擾動)諧波的抑制能力。本文改進的鎖相策略中，前級增加二級廣義積分濾波環(huán)節(jié)，一定程度上弱化了負面影響。

該改進鎖相環(huán)中同時考慮電壓畸變和相位跟蹤速度，最重要的是通過分離相位跟蹤和頻率跟蹤，在保證鎖相性能的同時，對頻率波動范圍進行限制。

2.3 電網(wǎng)阻抗估算

假定電網(wǎng)為理想電壓源EG和阻抗zG組成模型，則PCC節(jié)點的電壓關(guān)系為

EG=VP+IGzG

(3)

式中，IG為PCC節(jié)點電流的復(fù)數(shù)矢量。

式(3)中，VP、IG可以通過測量獲得，EG、zG為未知量。為估算電網(wǎng)阻抗，可以取兩個不同的測量點VP(1)、IG(1)和VP(2)、IG(2)，則依照式(3)，zG可以通過式(4)進行計算。

(4)

基于式(4)的電網(wǎng)阻抗估算的實現(xiàn)框圖如圖6所示。

圖6 電網(wǎng)阻抗估算框圖Fig.6 The diagram of power grid impedance estimation

圖6中，為了避免電壓、電流動態(tài)變化和測量噪聲對阻抗估算的影響，增加截止頻率為100Hz的低通濾波器，對計算阻抗進行濾波。

2.4 基于功率解耦的P-σ、Q-v外環(huán)功率控制

將圖3中PCC節(jié)點左側(cè)部分等效為受控電壓源，則在并網(wǎng)狀態(tài)，DG系統(tǒng)可簡化為圖7。

圖7 DG并網(wǎng)簡化框圖Fig.7 The simplified diagram of DG gird-tied

圖7與同步機并網(wǎng)模型近似，類比可得PCC節(jié)點向電網(wǎng)輸送的有功功率和無功功率為[22]

(5)

由式(5)易知，當φzG不接近90°時，即LG不遠大于RG時，PG、QG存在強耦合，不宜直接采用P-σ、Q-v控制。故定義新的控制變量Pc、Qc為

(6)

將式(6)代入式(5)，則

(7)

由式(7)可知，Pc主要取決于功角σG，而Qc主要取決于VP-EG，通過解耦矩陣式(6)可實現(xiàn)PQ解耦。據(jù)以上分析，本文提出功率解耦的P-σ、Q-v外環(huán)控制框圖如圖8所示。

圖8 P-σ、Q-v外環(huán)控制框圖Fig.8 Control diagram of P-σ，Q-v outer loop

2.5 P-σ、Q-v外環(huán)小信號分析

P-σ、Q-v為非線性控制，為了分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和指導(dǎo)PI控制器參數(shù)設(shè)計，對外環(huán)進行小信號分析。對式(7)進行小信號近似，得

(8)

(9)

假設(shè)PI外環(huán)控制器分別為

(10)

(11)

聯(lián)立式(8)～式(11)可得二階特征方程為

a2s2+a1s1+a0=0

(12)

其中

(13)

采用表1的參數(shù)，依據(jù)式(12)分析mi、mp變化時根軌跡，如圖9所示。由圖9可知，當采用解耦控制，在不考慮內(nèi)環(huán)和外環(huán)控制配合時，外環(huán)控制穩(wěn)定，通過調(diào)整kp,σ、ki,σ的值，可改變外環(huán)控制的響應(yīng)速度。

表1 仿真模型關(guān)鍵參數(shù)

圖9 控制器參數(shù)變化時根軌跡Fig.9 Root locus for controller parameters change

本文控制策略為間接控制方法，通過控制PCC節(jié)點電壓來控制并網(wǎng)電流，受濾波電容和負載電流的影響，內(nèi)環(huán)控制速度相對較慢。故P-σ、Q-v外環(huán)不宜采用較快的控制速度，需要整定合適的控制器參數(shù)，否則會導(dǎo)致內(nèi)/外環(huán)控制失配失穩(wěn)。

圖10 阻抗變化時根軌跡Fig.

3 基于虛擬并網(wǎng)的預(yù)同步方法

當DG從孤島狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)狀態(tài)時，DG需要主動調(diào)整輸出電壓的幅值、頻率和相位，與電網(wǎng)同步，以避免開關(guān)SG閉合瞬間的過電流。常規(guī)的預(yù)同步方法需要增加額外預(yù)同步控制環(huán)節(jié)[14,16]，如圖11所示。

圖11 常規(guī)DG預(yù)同步控制方法Fig.11 Conventional DG pre-synchronous control method

圖11的常規(guī)預(yù)同步控制中，通過增加額外的幅值和相位跟蹤環(huán)節(jié)，調(diào)整DG輸出電壓幅值和頻率，使其與電網(wǎng)同步。額外的預(yù)同步控制器在一定程度上增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。另外，并網(wǎng)開關(guān)SL閉合前，內(nèi)環(huán)控制器的給定值由預(yù)同步環(huán)節(jié)提供，而SL閉合后的給定值由PQ解耦外環(huán)提供，開關(guān)閉合瞬間內(nèi)環(huán)給定值易存在差異，引起并網(wǎng)電流出現(xiàn)暫態(tài)過程。

為此，本文提出一種虛擬并網(wǎng)的預(yù)同步方法，如圖12所示。當DG需要同步時刻，假設(shè)開關(guān)SL閉合前在兩端存在虛擬電網(wǎng)阻抗Zv，得益本文對電網(wǎng)阻抗估算模塊，Zv可采用預(yù)留電網(wǎng)估算阻抗值。

圖12 虛擬并網(wǎng)示意圖Fig.12 Schematic diagram of virtual connect gird

則依據(jù)式(5)，流過該虛擬阻抗的虛擬功率Pv、Qv可用式(14)計算獲得。

(14)

4 HIL仿真分析

為驗證本文方法的有效性，本文依照圖3、圖4、圖6和圖7，在RT-LAB中建立HIL仿真模型，參數(shù)見表1。

設(shè)計三種場景來驗證本文控制策略：①DG并網(wǎng)狀態(tài)時線路阻抗突變；②非計劃孤島時并網(wǎng)→孤島切換；③離→并網(wǎng)預(yù)同步。

4.1 并網(wǎng)狀態(tài)時線路阻抗突變場景

設(shè)計場景①：DG工作在并網(wǎng)狀態(tài)，0.4s時刻，電網(wǎng)電阻從0.1Ω變化到1Ω，電感維持2mH不變。對比含有PQ解耦控制和不含PQ解耦控制，并網(wǎng)電流波形如圖13所示。

圖13 阻抗突變并網(wǎng)電流仿真波形Fig.13 Grid current simulation waveforms when impedance step changes

當電網(wǎng)阻抗發(fā)生突變后，電網(wǎng)由感性網(wǎng)絡(luò)變化為阻感性網(wǎng)絡(luò)時。由圖13a可知，未采用PQ解耦控制時，由于PQ之間的強耦合，導(dǎo)致并網(wǎng)電流出現(xiàn)較大畸變，控制器無法跟蹤給定值。而圖13b中，得益于本文的PQ解耦，網(wǎng)電流經(jīng)過短暫的調(diào)整后重新恢復(fù)正弦，穩(wěn)態(tài)時達到給定值。

4.2 非計劃孤島并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)切換場景

設(shè)計場景②：本地負載有功功率8kW、無功功率2var，DG初始工作在并網(wǎng)模式，并網(wǎng)有功功率為4kW，無功功率為2var(流入電網(wǎng)功率為正)，DG發(fā)出功率大于本地負載功率，向電網(wǎng)輸送有功和無功功率；0.4s時刻開關(guān)SG斷開，模擬非計劃孤島發(fā)生；0.42s時刻孤島檢測成功，斷開開關(guān)SL，故0.4～ 0.42s之間，系統(tǒng)處于失控狀態(tài)；0.42s后系統(tǒng)切換至本地電壓控制模式，DG進入孤島狀態(tài)。

采用本文控制策略和文獻[2]模式切換控制策略進行對比仿真，仿真關(guān)鍵波形如圖14所示。

圖14 非計劃孤島并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)仿真波形Fig.14 Simulation waveforms when DG transfers form grid-tied to unintentional island

0.4s時，電網(wǎng)電壓vG突變?yōu)榱?。圖14a中，受孤島檢測延遲的影響，在0.4～0.42 s期間并沒有進行模式轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)依然處于并網(wǎng)電流控制狀態(tài)，失去對PCC節(jié)點電壓的控制。故vP出現(xiàn)明顯增大和畸變現(xiàn)象(由于失去電網(wǎng)電壓鉗制)。并網(wǎng)電流iG也增大關(guān)斷電流。相似的，負載電流iL和DG輸出電流iDG也在失控期間出現(xiàn)增大和畸變現(xiàn)象。0.42 s時刻，系統(tǒng)檢測到孤島后進行模式切換，重新恢復(fù)PCC節(jié)點電壓控制。

在上述非計劃孤島場景下，對比本文提出改進PLL方法和常規(guī)dq-PLL的鎖相環(huán)，如圖15所示。

圖15 非計劃孤島切換時時鎖相環(huán)仿真波形Fig.15 Simulation waveforms of PLL when DG transfers form grid-tied to unintentional island

4.3 離轉(zhuǎn)并網(wǎng)預(yù)同步場景

設(shè)計場景③：0.2s時電網(wǎng)恢復(fù)電壓，DG開始虛擬預(yù)同步控制，外環(huán)功率給定值為Pref=0 kW，Qref=0 kW；0.3 s時閉合本地開關(guān)SL，系統(tǒng)進入并網(wǎng)狀態(tài)，調(diào)整外環(huán)功率給定值為Pref==8 kW，Qref=2 kW。關(guān)鍵波形如圖16所示。

圖16 基于虛擬并網(wǎng)的DG預(yù)同步仿真波形Fig.16 Simulation waveforms of DG pre-synchronous based virtual connect gird

從圖16可知，0.2 s時，系統(tǒng)在虛擬PQ外環(huán)控制的作用下，PCC節(jié)點電壓vP逐漸逼近電網(wǎng)電壓，經(jīng)過約0.065 s時間，vP基本與電網(wǎng)電壓同步。0.3 s時SL閉合，系統(tǒng)進入并網(wǎng)模式，并網(wǎng)電流在實際PQ外環(huán)控制下，并網(wǎng)電流iG逐漸增大，約經(jīng)過0.04 s時間達到穩(wěn)態(tài)值。

對比圖11的預(yù)同步方法和本文虛擬并網(wǎng)的預(yù)同步方法，并網(wǎng)電流iG波形如圖17所示。由圖17可知，與常規(guī)方法相比，本文方法的電流暫態(tài)時間明顯減少。這是得益于PQ外環(huán)在預(yù)同步期間就提前工作，在SL閉合瞬間，內(nèi)環(huán)控制器輸入給定值不存在突變，改善了DG并網(wǎng)暫態(tài)過程。

圖17 開關(guān)SL閉合后DG并網(wǎng)電流暫態(tài)過程Fig.17 Simulation waveforms of current transient process after SL closed

5 結(jié)論

本文圍繞單DG系統(tǒng)的無縫切換進行研究，主要貢獻為

1)受孤島檢測延時影響，DG系統(tǒng)在并網(wǎng)切換離網(wǎng)狀態(tài)存在失控區(qū)域而導(dǎo)致PCC節(jié)點電壓越限。本文提出采用P-f、Q-v控制結(jié)構(gòu)，直接限制失控期間的電壓變化幅值；提出結(jié)合去除積分前向通道的PLL和鎖頻環(huán)，在不影響PLL動態(tài)特性前提下，限制失控期間的頻率變化幅值。

2)為改善DG離網(wǎng)切換并網(wǎng)過程的并網(wǎng)電流暫態(tài)調(diào)整過程，本文在P-f、Q-v控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的提出虛擬并網(wǎng)的預(yù)同步方法，避免并網(wǎng)瞬間的內(nèi)外環(huán)失配現(xiàn)象，且無需增加額外的預(yù)同步控制器。

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(編輯 赫蕾)

A Seamless Transfer Control Strategy of Distributed Generation with Considering Unintentional Islands

ZhongChengWeiLaiYanGanguiJiaQi

(School of Electrical Engineering Northeast Electric Power University Jilin 132012 China)

In order to improve the power supply security of local load, gird-tied inverter of DG system need to work in both grid-tied and off-grid state, and need seamless switching between two states. This paper proposes a comprehensive seamless transfer control strategy .When unintentional island occur and DG need switch from gird-tied to off-grid state, it is easy to exist out of control area and cause the local load voltage and frequency out-limit. A decouplingP-σ,Q-vcontrol strategy is adopted to realize direct limit voltage during out of control area. And an improved phase-locked loop (PLL) algorithm is proposed to avoid frequency out of limited by combining the frequency lock loop (FLL) and improved phase locked loop (PLL). Also, an improved pre-synchronization method based on virtual grid-connected is proposed to reduce transient process time when DG transfer form island to grid-connected mode. Hardware-in-the-loop (HIL) simulation based on the RT-LAB is carried out to verify the effectiveness of the proposed strategy.

Seamless transfer, unintentional islands, decoupled control, phase locked loop, pre-synchronization

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2013CB228201)和國家自然科學(xué)基金(51277024)資助項目。

2016-09-23 改稿日期2016-12-27

TM464

鐘 誠 男，1985年生，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為新能源柔性并網(wǎng)、電力電子化電網(wǎng)的穩(wěn)定分析與優(yōu)化控制等。

E-mail：zhongcheng@mail.nedu.edu.cn(通信作者)

魏 來 男，1992年生，碩士研究生，研究方向為新能源柔性并網(wǎng)控制等。

E-mail：WeiLaiDBDL@163.com