徐鵬坤，單曉晨

(江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

隨著清潔、可再生的分布式電源(DG)的快速發(fā)展，相關研究人員提出了微電網(wǎng)這一概念，旨在實現(xiàn)DG的優(yōu)勢最大化的同時減小其對電力系統(tǒng)的不利影響[1]。微電網(wǎng)具有將微源大規(guī)模并網(wǎng)、為用戶不間歇供電等優(yōu)勢，因此具有重要的研究意義[2]。

微網(wǎng)中的微源需要借助電力電子裝置與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運行。其中，光伏電池為代表的光伏源對外界(氣溫、光照等)敏感性較強，意味著相關的微電網(wǎng)控制策略對快速性和精確性有更高的要求，研究其并網(wǎng)運行的特性更具實際意義與代表性[3-7]。

微網(wǎng)有兩種運行模式：孤島運行和聯(lián)網(wǎng)運行，其控制方法中，如何實現(xiàn)孤島與聯(lián)網(wǎng)的平滑切換最具有研究意義，也較難實現(xiàn)。因此，相關研究人員進行了廣泛的研究，文獻[8]對風光混合系統(tǒng)在PQ和下垂兩種控制策略下的模式切換進行了研究，提出的綜合控制策略雖然各項指標良好，但并未針對并網(wǎng)過程中產(chǎn)生的暫態(tài)振蕩進行修正。文獻[9]則是基于主從控制的微電網(wǎng)，對運行模式的平滑切換方法進行了研究，提出的控制器狀態(tài)補償方法有效減少了電流電壓振蕩，具有良好的借鑒意義。文獻[10]基于風、光和電池組成的混合系統(tǒng)，提出了一種依據(jù)電壓和頻率偏移量來選擇控制策略的微網(wǎng)綜合控制方法，其仿真表明該方法在孤島模式下具有良好的效果。

本文基于含光伏源的微網(wǎng)系統(tǒng)，對微網(wǎng)孤島和聯(lián)網(wǎng)運行模式的平滑切換進行研究。并結合改進后的預同步控制器，建立了一套由PQ控制器初始輸出狀態(tài)決定V/f控制器輸出狀態(tài)最終實現(xiàn)同步跟隨的平滑切換控制方法。對給定參數(shù)下電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)的性能與輸出阻抗進行了分析和計算。計算及仿真結果表明，該方法效果良好，有效改善了并網(wǎng)過程中產(chǎn)生的不必要的暫態(tài)振蕩。

1 微網(wǎng)結構及平滑模式切換

1.1 微網(wǎng)結構

圖1所示為本文采用的光伏—直流源逆變模型，也是微電網(wǎng)的主電源。光伏源和直流電壓源先后通過逆變器與LC濾波器接入微電網(wǎng)。正常工作情況下，微電網(wǎng)在公共連接點(PCC)處經(jīng)過靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關接入大電網(wǎng)。而當大電網(wǎng)發(fā)生故障時，也可通過迅速關斷靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關進行隔離，保證微電網(wǎng)依舊能夠正常運行。此外，該結構由于功率流直接從公共電網(wǎng)流向微電網(wǎng)，能有效減小分布式電源的負擔。此外，其負荷擾動下的穩(wěn)定性也獲得了提高[11]。

圖1 微電網(wǎng)結構

1.2 微網(wǎng)平滑模式切換

由于微網(wǎng)在不同運行模式下采用的控制策略有一定差異，并網(wǎng)瞬間控制模式切換過程中會產(chǎn)生不可忽視的暫態(tài)振蕩。因此，本文提出了一種由PQ控制器初始輸出狀態(tài)決定V/f控制器輸出狀態(tài)，最終實現(xiàn)同步跟隨的平滑切換控制方法。孤島模式時，采集V/f控制器輸出電壓的dq分量，并將其設定為PQ控制器輸出電壓dq分量的參考值，在并網(wǎng)控制策略切換過程中實現(xiàn)狀態(tài)同步控制，減小切換瞬間的暫態(tài)振蕩。

1.2.1 控制器狀態(tài)同步控制方法

圖2 基于下垂的V/f控制器原理圖

功率與電流電壓關系如下(dq旋轉(zhuǎn)坐標系)

P=UdId+UqIq

(1)

Q=UqId-UdIq

(2)

依次用Pref、Qref、Idref、Iqref替換，可以得到

(3)

(4)

圖3 控制器狀態(tài)同步控制原理圖

聯(lián)網(wǎng)前，K1、K2斷開，K3、K4閉合，同步控制開始，PI2成為PQ控制器的電流控制器，PI1提供PI2的參考電流；聯(lián)網(wǎng)后，K1、K2閉合，K3、K4關斷，PQ控制器依照給定的參考功率進行輸出。

1.2.2 預同步控制器設計

本文使用改進后的預同步控制器，如圖4所示，Um_d(UG_d)和Um_q(UG_q)分別是微電網(wǎng)(大電網(wǎng))一側(cè)母線電壓dq值；Ud_ref和Uq_ref分別為輸出到雙環(huán)控制器的參考電壓dq值；kmG是兩邊電壓存在差異時所引入的變比因子。結合圖1和圖3可知，該預同步控制器能較好完成微電網(wǎng)重新并網(wǎng)的調(diào)節(jié)工作。

圖4 改進后的預同步控制器結構原理圖

2 雙環(huán)控制器參數(shù)分析

本文采用電容電流反饋作為電壓電流雙環(huán)控制器的內(nèi)環(huán)反饋，提前矯正輸出電壓，提高逆變器的帶負載能力，如圖5所示[13-15]。

圖5 雙環(huán)控制器結構

電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示為

(5)

其中，電流比例增益函數(shù)為

(6)

推導電壓環(huán)傳遞函數(shù)為

(7)

其中，電壓比例增益函數(shù)為

(8)

因此，得到的逆變器等效輸出阻抗為

(9)

設置參數(shù)如下：逆變器直流側(cè)電壓Udc=120 V，載波頻率fs=6 kHz，LC濾波器中L=0.6 mH，C=1 500 uF，kup=2，kui=100，k=2。得到的階躍響應和頻率響應圖，分別如圖6和圖7所示，雙環(huán)系統(tǒng)動態(tài)響應性能良好，調(diào)整時間較短；輸出阻抗在50 Hz處表現(xiàn)為感性，高頻段則主要為阻性。在滿足下垂特性的同時，較大程度上抑制了諧波的生成。

圖6 Gu(s)階躍響應

圖7 Z(s)頻域響應

3 仿真與分析

仿真系統(tǒng)即為圖1所示的微電網(wǎng)結構，仿真參數(shù)按如下設置：微電網(wǎng)(大電網(wǎng))一側(cè)母線電壓為60 V(380 V)；負荷1有功(無功)100 kW(10 kvar)；負荷2有功(無功)7 kW(1 kvar)；負荷3有功(無功)2.5 kW(1 kvar)；額定有功(無功)5 kW(1.5 kvar)；光伏源設定為最大功率輸出模式，功率因數(shù)為1，標定環(huán)境下(光照1 kW/m2，溫度25 ℃)最大輸出功率為1.6 kW；低壓線路為阻抗(0.5 Ω/km)；濾波電感、電容及電壓電流雙環(huán)控制器參數(shù)如上文設置；聯(lián)網(wǎng)運行時設置直流逆變源PQ控制為參考有功(無功)5.5 kW(1.5 kvar)。

工作狀態(tài)中的光照強度保持為1 kW/m2，仿真結果如圖8～圖11所示，0～0.45 s，微電網(wǎng)以孤島模式進行工作，其中0～0.3 s直流逆變源使用的是V/f控制，0.3～0.45 s由于接收到了并網(wǎng)信號，改進的預同步控制器開始進入工作狀態(tài)，對大電網(wǎng)電壓進行跟蹤；0.45 s時，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關閉合，使微網(wǎng)正式并入大電網(wǎng)，此時的直流逆變源切換為PQ控制；到0.7 s，微網(wǎng)與大電網(wǎng)連接斷開，控制模式保持PQ控制不變；0.8 s時接收到了孤島信號，直流逆變源切換回V/f控制模式。

如圖9(a)所示，0.3 s時預同步控制器開始進入工作狀態(tài)，此時直流逆變源有功只是略微下降；0.45 s時的并網(wǎng)以及0.7 s時的斷網(wǎng)，有功的輸出波動均較小。可見全程切換平滑，光伏源以最大功率進行輸出。如圖9(b)所示，光伏源全程無功輸出為0，直流逆變源在斷網(wǎng)后的切換過程中無功輸出波動稍大，但能較快進入穩(wěn)定狀態(tài)。由圖10可知，整個過程中頻率波動變化較小，保持在±0.5 Hz之內(nèi)，處于小功率微電網(wǎng)的頻率變化要求范圍(±1 Hz)之內(nèi)。從圖11中可以看到，改進后的預同步控制器能使微電網(wǎng)與大電網(wǎng)母線端電壓保持一致，跟蹤效果良好，可為進入并網(wǎng)狀態(tài)提供有利條件。

圖8 平滑模式下微源單相電壓電流

圖9 平滑切換下微源有功和無功輸出

圖10 平滑切換過程中微網(wǎng)頻率

圖11 PCC兩側(cè)單相電壓

4 結束語

保證微電網(wǎng)能夠迅速平穩(wěn)地進行孤島/聯(lián)網(wǎng)平滑切換，是微電網(wǎng)能夠安全穩(wěn)定運行的重要條件。針對這一要求，本文基于含光伏源的微網(wǎng)系統(tǒng)，對微網(wǎng)孤島和聯(lián)網(wǎng)運行模式的平滑切換進行了研究。結合改進后的預同步控制器，建立了一套由PQ控制器初始輸出狀態(tài)決定V/f控制器輸出狀態(tài)最終實現(xiàn)同步跟隨的平滑切換控制方法。此外，本文還在給定參數(shù)條件下計算分析了電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)的相關性能。仿真結果表明，微網(wǎng)孤島和聯(lián)網(wǎng)運行模式的切換效果良好，切換過程平穩(wěn)，并未出現(xiàn)較大的暫態(tài)振蕩，較好地滿足了平滑切換的需求。由于文中只是針對于含光伏源的微網(wǎng)系統(tǒng)進行研究，較為單一，今后可豐富微源進行微電網(wǎng)各模式間的平滑切換研究。

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