王樹東，杜巍，王煥宇，林莉，陳維鉛

(1. 蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050； 2. 甘肅省太陽能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 酒泉市新能源研究院，甘肅 酒泉 735000)

0 引 言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，對(duì)能源的需求越來越大，由于傳統(tǒng)化石能源不可再生，在不斷減少[1]。因此可再生能源的研究與應(yīng)用越來越廣泛。為了滿足人們對(duì)供電質(zhì)量的要求，使微電網(wǎng)具有了孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種方式[2]。如何保證微電網(wǎng)兩種方式之間平滑切換，是目前要解決的首要問題[3]。

首先分析傳統(tǒng)雙模式和單模式切換過程中產(chǎn)生的問題，提出采用暫態(tài)自適應(yīng)非線性下垂曲線進(jìn)行控制的單模式切換策略，并在切換前預(yù)先調(diào)整逆變器輸出電壓、頻率和功率，有效抑制了傳統(tǒng)雙模式和單模式切換過程中電壓電流畸變的問題。

1 微電網(wǎng)傳統(tǒng)模式切換過程

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。圖1中：Udc是輸入直流電壓；S1-S6是開關(guān)器件；Lf、Cf是濾波電感和電容；ZLoad是負(fù)載電阻；S是并離網(wǎng)控制開關(guān)；Zg是并網(wǎng)阻抗；ea、eb、ec是電網(wǎng)三相電壓;iLa、iLb、iLc是電感側(cè)電流；ia1、ib1、ic1是負(fù)載側(cè)電流；ia、ib、ic、ua、ub、uc是PCC點(diǎn)處電流與電壓；θg為PLL鎖相環(huán)取定的電網(wǎng)相位。

圖1 三相逆變器并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.2 傳統(tǒng)雙模式切換過程分析

如圖2為傳統(tǒng)雙模式切換過程，在切換當(dāng)中存在兩方面問題：

(1)當(dāng)并網(wǎng)切至離網(wǎng)時(shí)，由于控制模式超前工作模式，于是會(huì)出現(xiàn)并網(wǎng)開關(guān)還未斷開而控制模式已經(jīng)轉(zhuǎn)為電壓源控制的過渡過程[5]。此時(shí)逆變器輸出功率會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，還會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)畸變的電流，當(dāng)并網(wǎng)開關(guān)斷開時(shí)會(huì)對(duì)PCC點(diǎn)電壓電流產(chǎn)生較大的沖擊。當(dāng)離網(wǎng)切至并網(wǎng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)并網(wǎng)開關(guān)還未閉合，而控制模式已經(jīng)轉(zhuǎn)為電流源控制的過渡過程。

(2)并離網(wǎng)切換過程中控制指令存在一定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)突變過程，這同樣會(huì)造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定[6]。

圖2 傳統(tǒng)雙模式切換過程

1.3 傳統(tǒng)單模式切換過程分析

傳統(tǒng)的下垂控制為：

(1)

式中ω和U分別是輸出的角頻率和電壓；P和Q分別是是輸出有功功率和無功功率；ω0和U0分別是空載時(shí)逆變器輸出的角頻率和電壓；m是有功下垂系數(shù)；n是無功下垂系數(shù)。

傳統(tǒng)下垂控制單模式切換過程沒有出現(xiàn)控制模式的切換，只是控制并網(wǎng)開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，由此避免了雙模式切換過程中所遇到的問題。但傳統(tǒng)的下垂控制是一種有差調(diào)節(jié)，當(dāng)電壓和頻率進(jìn)行一次調(diào)節(jié)后，會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，從而造成功率的波動(dòng)，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性[7]。

由文獻(xiàn)[8]可知：由于雙向晶閘管的固有特性：只有在電流過零時(shí)開關(guān)才能進(jìn)行關(guān)斷。假設(shè)并網(wǎng)時(shí)逆變器同時(shí)給負(fù)載和電網(wǎng)提供功率，由于大電網(wǎng)的原因，此時(shí)逆變器各相電流不能同時(shí)為零。這就出現(xiàn)了在離網(wǎng)過程中并網(wǎng)開關(guān)由于某相提前為零而預(yù)先關(guān)斷的現(xiàn)象，使電網(wǎng)與逆變器形成了新的回路，產(chǎn)生了電壓電流的畸變。由文獻(xiàn)[9]可知：下垂控制在指令突變時(shí)的響應(yīng)速度比較慢，這會(huì)使關(guān)斷過程中的不良影響更為嚴(yán)重，產(chǎn)生更加嚴(yán)重的電壓電流畸變現(xiàn)象。文獻(xiàn)[10]表明，下垂系數(shù)過小或過大，都將使微網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定。

對(duì)于傳統(tǒng)下垂控制單模式切換存在的問題[11]，提出了在切換前先調(diào)整電壓、頻率、功率的方法，在切換過程中采用改進(jìn)下垂曲線進(jìn)行控制。在進(jìn)行并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)操作前可將逆變器輸出功率調(diào)整為負(fù)載功率，其中包括對(duì)逆變器的有功和無功的調(diào)節(jié)。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要保持頻率和電壓的恒定。在進(jìn)行離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)操作前可將逆變器的頻率調(diào)整為并網(wǎng)時(shí)額定頻率，并將逆變器輸出電壓調(diào)整為并網(wǎng)時(shí)額定電壓。這種方法可以解決切換過程中由于某相電流提前為零、控制指令突變以及傳統(tǒng)單模式中存在的一些問題，減少電壓電流的畸變。

2 并離網(wǎng)切換前預(yù)調(diào)節(jié)

2.1 離網(wǎng)切至并網(wǎng)

在進(jìn)行離網(wǎng)至并網(wǎng)操作前對(duì)微網(wǎng)進(jìn)行電壓和頻率的預(yù)調(diào)節(jié)，是切換過程中的重要條件[12]，因此并網(wǎng)前需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)[13]。

如圖3是對(duì)頻率進(jìn)行二次調(diào)節(jié)。其中并網(wǎng)時(shí)網(wǎng)壓頻率是f01，對(duì)應(yīng)的額定功率是P0，假設(shè)微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行于A點(diǎn)，此時(shí)A點(diǎn)負(fù)載功率PLoad與額定功率P0有一定的偏差，A點(diǎn)頻率fA與網(wǎng)壓頻率f01也有一定的偏差，在離網(wǎng)切至并網(wǎng)前，需要保證負(fù)載功率不變的情況下對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)整。將A點(diǎn)的運(yùn)行下垂曲線f01向上平移到f02曲線，此時(shí)系統(tǒng)工作點(diǎn)由A移動(dòng)到B，B點(diǎn)工作頻率fB正好等于并網(wǎng)時(shí)網(wǎng)壓頻率f01，即此時(shí)滿足了功率不變的情況下對(duì)頻率進(jìn)行預(yù)同步。如圖4為對(duì)電壓幅值進(jìn)行二次調(diào)整。初始的下垂曲線為V01，微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)工作在A點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)額定電壓為V01，負(fù)載無功功率為QLoad，A點(diǎn)工作電壓VA和運(yùn)行無功QLoad均偏離電網(wǎng)額定值，因此要達(dá)到電壓與電網(wǎng)的同步，需要在無功不變的情況下將初始下垂曲線向上平移，即由工作點(diǎn)A移到工作點(diǎn)B，此時(shí)B點(diǎn)工作電壓VB正好等于系統(tǒng)額定電壓V01，即達(dá)到了電壓幅值的預(yù)同步。以上同步過程結(jié)束后再進(jìn)行并網(wǎng)操作。

圖3 二次調(diào)頻

圖4 二次調(diào)壓

圖中f為頻率；Pmin、Pmax為P-f下垂曲線的最小功率和最大功率；V為電壓；+Qmax和-Qmax分別為Q-V下垂曲線正負(fù)無功的限值參數(shù)。

2.2 并網(wǎng)切至離網(wǎng)

微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)要求具有電流源的輸出特性[14]，即保持頻率和電壓不變的情況下對(duì)功率進(jìn)行調(diào)整。圖5為有功調(diào)節(jié)，現(xiàn)假設(shè)并網(wǎng)時(shí)工作于A點(diǎn)，此時(shí)逆變器為負(fù)載輸送功率的同時(shí)也對(duì)電網(wǎng)饋送能量，電網(wǎng)決定PCC點(diǎn)電壓頻率為額定頻率fG。如果將下垂曲線由A點(diǎn)移動(dòng)至B點(diǎn)，就可使輸出功率全部為負(fù)載功率。圖6為無功調(diào)整，系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)額定電壓為VG，通過保證電壓一定的情況下左右平移下垂曲線就可控制無功功率的輸出。在并網(wǎng)切至離網(wǎng)前，將下垂曲線向左平移，工作點(diǎn)由A移至B，此時(shí)逆變器輸出無功僅為負(fù)載無功功率。如此便可在保持頻率和電壓穩(wěn)定的情況下對(duì)功率進(jìn)行預(yù)同步。

圖5 有功調(diào)節(jié)

圖6 無功調(diào)節(jié)

圖中，PGrid、QGrid分別是電網(wǎng)有功和無功功率。

3 改進(jìn)非線性下垂曲線

通過以上對(duì)電壓、頻率和功率的預(yù)同步，理論上可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的平滑切換，然而由于電網(wǎng)頻率和電壓幅值存在波動(dòng)，微網(wǎng)功率依舊會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)[15]。當(dāng)微網(wǎng)功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，控制指令需要一段時(shí)間進(jìn)行處理，也就是下垂系數(shù)過小或過大都會(huì)導(dǎo)致微網(wǎng)輸出不穩(wěn)。

3.1 引入暫態(tài)分量

如圖7所示，微電源輸出電壓為U0∠δ，線路阻抗為Z=R+jX，交流母線電壓為Us∠0。

圖7 微電源功率傳輸結(jié)構(gòu)圖

這時(shí)微電源輸出功率為：

(2)

(3)

由以上兩式可得：

(4)

在運(yùn)行點(diǎn)對(duì)上式兩邊微分后得：

(5)

又：

(6)

(7)

(8)

當(dāng)功率不變時(shí)，上式中暫態(tài)分量是0，也就是傳統(tǒng)下垂控制；當(dāng)功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，引入的暫態(tài)分量有利于消除功率的波動(dòng)和滯后性。

3.2 引入下垂系數(shù)與功率的一次函數(shù)項(xiàng)

如圖8所示，微電源1、2輸出電壓分別是U1∠δ1、U2∠δ2，線路阻抗是Z1=PG1+jQG1,Z2=PG2+jQG2，假設(shè)負(fù)荷點(diǎn)電壓是UL∠0。

圖8 兩個(gè)微電源間功率分布結(jié)構(gòu)圖

由式(3)可得：

(9)

(10)

聯(lián)合以上兩式可得：

(11)

同樣的，由式(2)可得：

(12)

式中C為常數(shù)。若負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)將會(huì)使功率分配產(chǎn)生變化，所以傳統(tǒng)下垂控制存在一定的功率分配不準(zhǔn)的問題，此時(shí)需要增大下垂系數(shù)以增加功率分配的穩(wěn)定性。但較大的下垂系數(shù)，又將出現(xiàn)過調(diào)節(jié)的現(xiàn)象。因此，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，不變的下垂系數(shù)不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)較好的系統(tǒng)穩(wěn)定和功率分配。由式(11)、式(12)可知，輸出功率是下垂系數(shù)的函數(shù)，當(dāng)負(fù)荷和線路參數(shù)不變時(shí)，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，引入下垂系數(shù)與功率的一次函數(shù)項(xiàng)，使下垂系數(shù)與功率的乘積能夠穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，故改進(jìn)后的下垂控制為：

(13)

3.3 暫態(tài)自適應(yīng)下垂控制

結(jié)合式(8)和式(13)可得出所提的暫態(tài)自適應(yīng)下垂控制為：

(14)

式中md、nd和km、kn分別是有功和無功功率的微分項(xiàng)系數(shù)與下垂因子；其他參數(shù)含義同式(1)。

3.4 改進(jìn)非線性下垂曲線

將以上暫態(tài)自適應(yīng)下垂控制方程經(jīng)過擬和，得到的改進(jìn)非線性下垂曲線趨勢(shì)如圖9所示。

當(dāng)A點(diǎn)發(fā)生功率波動(dòng)，由頻率限值處至工作點(diǎn)A下垂系數(shù)逐漸增大，由工作點(diǎn)A至功率限值處下垂系數(shù)逐漸減少。在A點(diǎn)工作時(shí)，傳統(tǒng)下垂曲線在Δf的范圍內(nèi)產(chǎn)生ΔP1的功率變化，而改進(jìn)非線性下垂曲線產(chǎn)生ΔP2的功率變化，ΔP2比ΔP1更小，功率更加穩(wěn)定。避免了切換前后并網(wǎng)開關(guān)過零關(guān)斷和控制指令突變帶來的網(wǎng)壓波動(dòng)的影響。

圖9 改進(jìn)的非線性下垂曲線

圖中，P、f分別為有功功率和頻率；fmax和fmin為頻率限值；Pmax和Pmin為功率限值。

4 算例分析

4.1 雙模式切換仿真分析

在Matlab/Simulink平臺(tái)搭建了并/離網(wǎng)切換模型。直流母線電壓是220 V，IGBT的開關(guān)頻率是13 kHz，濾波電感是2.1 mH，濾波電容是15 μF。

圖10 雙模式切換仿真

圖10(a)是并網(wǎng)轉(zhuǎn)至離網(wǎng)仿真結(jié)果。0.06 s以前并網(wǎng)工作，電流源模式運(yùn)行。0.06 s時(shí)轉(zhuǎn)為電壓源模式，但還沒閉合并網(wǎng)開關(guān)，此時(shí)電流發(fā)生了嚴(yán)重的突變；0.09 s時(shí)打開并網(wǎng)開關(guān)，產(chǎn)生了嚴(yán)重的電壓沖擊。

圖10(b)是離網(wǎng)轉(zhuǎn)至并網(wǎng)仿真結(jié)果。0.06 s以前離網(wǎng)工作，電壓源模式運(yùn)行。0.06 s時(shí)轉(zhuǎn)為電流源模式，還沒合上并網(wǎng)開關(guān)，此時(shí)電壓發(fā)生突變。0.1 s時(shí)合上并網(wǎng)開關(guān)，電壓正常，但是之前產(chǎn)生的電壓突變嚴(yán)重影響了微網(wǎng)的穩(wěn)定性。

4.2 單模式切換仿真分析

根據(jù)以上雙模式切換仿真平臺(tái)搭建單模式切換仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)容量為2 kW，負(fù)載容量為1 kW，微電源1對(duì)應(yīng)參數(shù)為：

m=1.5×10-5rad/s/W,n=1.2×10-4V/var,

md=1.3×10-5rad/s,nd=4.5×10-5V/var,

km=5.5×10-4W-1,kn=4.5×10-5var-1;

微電源2對(duì)應(yīng)參數(shù)為：

m=1.2×10-5rad/s/W,n=4×10-4V/var,

md=1.4×10-5rad/s,nd=3.5×10-5V/var,

km=2.4×10-4W-1,kn=3.5×10-5var-1;

線路單位阻抗參數(shù)為：

R=0.354 Ω/km,X=0.068 Ω/km。

4.2.1 并網(wǎng)切至離網(wǎng)仿真分析

圖11是傳統(tǒng)下垂控制單模式并網(wǎng)至離網(wǎng)仿真結(jié)果。圖11(a)是網(wǎng)壓頻率變化，其波動(dòng)比較明顯。圖11(b)是逆變器輸出功率，在0.4s并網(wǎng)轉(zhuǎn)至離網(wǎng)以前出現(xiàn)較大功率波動(dòng)。圖11(c)和圖11(d)表示在切換之前微電源輸出無功和有功均有一定的波動(dòng)。但是整體上相比于傳統(tǒng)雙模式具有更大的優(yōu)勢(shì)。

圖11 傳統(tǒng)單模式下并網(wǎng)至離網(wǎng)仿真結(jié)果

圖12是改進(jìn)下垂曲線并網(wǎng)至離網(wǎng)仿真結(jié)果。由圖12(a)、圖(b)可知，在切換之前，通過所提的預(yù)先調(diào)整功率的方法使逆變器僅為負(fù)載輸出功率而不給電網(wǎng)饋送能量，再使用改進(jìn)下垂曲線控制后，網(wǎng)壓頻率和功率波動(dòng)顯著降低。由圖12(c)和12(d)可以得出，本文提出的改進(jìn)下垂控制在微電網(wǎng)并離網(wǎng)切換過程中，比傳統(tǒng)下垂控制功率波動(dòng)更小，功率分配更加合理，響應(yīng)時(shí)間更快。

圖12 采用改進(jìn)下垂控制單模式并網(wǎng)至離網(wǎng)仿真結(jié)果

4.2.2 離網(wǎng)切至并網(wǎng)仿真分析

采用所提的并網(wǎng)前預(yù)先對(duì)電壓和頻率進(jìn)行同步的方法，使逆變器輸出電壓和頻率與電網(wǎng)同步，再采用改進(jìn)下垂曲線的方法進(jìn)行控制輸出。圖13(a)為傳統(tǒng)下垂曲線的入網(wǎng)電流，0.52 s時(shí)進(jìn)行并網(wǎng)操作，在這一過程中電流出現(xiàn)較大畸變。圖13(b)為改進(jìn)非線性下垂曲線入網(wǎng)電流，相比于傳統(tǒng)下垂曲線控制，切換時(shí)刻未出現(xiàn)電流沖擊且波動(dòng)明顯變小。

圖13 單模式離網(wǎng)至并網(wǎng)仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

文章對(duì)微電網(wǎng)雙模式切換產(chǎn)生的問題進(jìn)行了分析，分析得出雙模式切換存在控制指令突變和工作模式滯后控制模式的問題。并通過對(duì)傳統(tǒng)下垂控制單模式切換的分析指出傳統(tǒng)單模式切換可以有效避免雙模式存在的問題，但是傳統(tǒng)單模式切換由于受電網(wǎng)功率波動(dòng)影響也會(huì)產(chǎn)生一定的電壓電流畸變。于是文中對(duì)傳統(tǒng)下垂控制單模式切換進(jìn)行了改進(jìn)，即切換前對(duì)頻率、電壓和功率進(jìn)行預(yù)同步，在切換過程中采用暫態(tài)自適應(yīng)非線性下垂曲線進(jìn)行控制。仿真結(jié)果表明，采用本文提出的方法可以有效的抑制電壓電流的沖擊與畸變。將暫態(tài)分量引入到下垂控制中，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)更迅速，輸出功率更平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了并離網(wǎng)的無縫切換。但是在求取時(shí)沒有考慮多逆變器并聯(lián)的具體情況，下一步將結(jié)合電路自身的詳細(xì)參數(shù)對(duì)下垂控制單模式切換做更進(jìn)一步的研究。