劉玥妤 趙艷雷 劉偉 劉韓琦

摘 ?要： 微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行與離網(wǎng)孤島運(yùn)行之間的切換會引起電壓電流的暫態(tài)沖擊，從而威脅系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。研究微網(wǎng)離并網(wǎng)運(yùn)行時的恒壓恒頻與恒功率控制策略，并提出基于滯環(huán)緩沖環(huán)節(jié)的并網(wǎng)/孤島無縫切換策略，抑制并網(wǎng)/孤島切換過程中產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊。最后建立系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真模型，分別仿真分析了傳統(tǒng)控制策略和新型控制策略。仿真結(jié)果表明，提出的新型切換控制策略可有效抑制切換過程中的暫態(tài)沖擊，實現(xiàn)微網(wǎng)的平滑切換。

關(guān)鍵詞： 微網(wǎng); 逆變器; 無縫切換; PQ控制; [V/f]控制; 新能源

中圖分類號： TN876?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）09?0076?05

Study on grid?connected/islanding seamless switching control of microgrid inverter

LIU Yueyu， ZHAO Yanlei， LIU Wei， LIU Hanqi

（School of Electrical and Electronic Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255000， China）

Abstract： The switching between the grid?connected operation and islanding operation of microgrid will cause the transient impact of voltage and current， and thus threaten the reliable operation of the system. The constant voltage and constant frequency， and constant power control strategies of grid?connected and off?grid operation for microgrid are studied， and the grid?connected/islanding seamless switching strategy based on hysteresis buffer unit is proposed to suppress the transient impact during grid?connected and islanding switching process. The Matlab/Simulink simulation model of the system was established， and the traditional control strategy and new control strategy were simulated and analyzed respectively. The simulation results show that the proposed switching control strategy can effectively suppress the transient impact in the switching process， and realize the smooth switching of the microgrid.

Keywords： microgrid; inverter; seamless switching; PQ control; [V/f] control; new energy

0 ?引 ?言

為融合新能源發(fā)電、負(fù)荷和配電網(wǎng)，提高能源綜合利用率，微網(wǎng)方式的組網(wǎng)架構(gòu)被提出[1?4]。微網(wǎng)是由分布式電源、儲能單元、變換器、負(fù)荷以及監(jiān)控保護(hù)單元等部分構(gòu)成的小型智能發(fā)配電系統(tǒng)。微網(wǎng)主要包含并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種運(yùn)行方式。避免兩種模式切換過程出現(xiàn)的暫態(tài)沖擊，實現(xiàn)并網(wǎng)/孤島無縫切換是微網(wǎng)運(yùn)行控制的目標(biāo)之一。

文獻(xiàn)[5]提出一種雙模式逆變器結(jié)構(gòu)模型，研究了一種電壓電流加權(quán)控制策略，保證切換過程中的穩(wěn)定性和電壓電流的平滑輸出。文獻(xiàn)[6]提出一種基于儲能的微網(wǎng)無縫切換技術(shù)，采用功率外環(huán)、電壓環(huán)、電流內(nèi)環(huán)三環(huán)控制策略，可以保證系統(tǒng)在并網(wǎng)向離網(wǎng)運(yùn)行切換時電壓和頻率的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[7?9]提出兩種控制模式下均通過控制電容兩側(cè)電壓來實現(xiàn)，并在并/離網(wǎng)轉(zhuǎn)換時切除外側(cè)電流環(huán)，使運(yùn)行模式切換時實現(xiàn)良好的負(fù)載電壓控制。文獻(xiàn)[10]提出基于XML的并/離網(wǎng)平滑切換控制策略實現(xiàn)方法，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)識別微網(wǎng)運(yùn)行模式，自動切換DER至適合該模式的控制策略，提高了微網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。文獻(xiàn)[11]通過二階滑?？刂茖崿F(xiàn)了光伏、內(nèi)燃機(jī)微網(wǎng)的雙模式切換，其無需并/離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測機(jī)制就實現(xiàn)了并網(wǎng)向離網(wǎng)運(yùn)行模式的過渡。上述方法對微網(wǎng)切換過程中產(chǎn)生的沖擊起到一定的抑制作用，但并不能完全消除，且部分方案過于復(fù)雜，切換速度慢，動態(tài)性能不佳，工程上難以實現(xiàn)。因此，必須設(shè)計一種控制結(jié)構(gòu)簡單且兼顧靈活性的控制器來抑制微網(wǎng)切換過程中出現(xiàn)的擾動，實現(xiàn)微網(wǎng)兩種運(yùn)行模式平滑切換。

本文針對微網(wǎng)兩種模式下的控制目標(biāo)，分別分析了控制器的設(shè)計策略。本文同時分析了微網(wǎng)系統(tǒng)并/離網(wǎng)切換前后易產(chǎn)生電壓、電流畸變，電壓震蕩等問題，并提出一種改進(jìn)的并/離網(wǎng)控制模式切換方法。該方法通過在微網(wǎng)控制系統(tǒng)中引入慣性環(huán)節(jié)，抑制微網(wǎng)切換過程中產(chǎn)生的電壓、電流畸變沖擊，保證不同模式切換時微網(wǎng)逆變器電壓、電流的連續(xù)性和平滑性。最后，本文建立微網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，對三種場景下的無縫切換改進(jìn)策略進(jìn)行仿真分析，驗證了本文策略的可行性。

1 ?微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及逆變器控制

1.1 ?微網(wǎng)及儲能逆變器結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)可高效整合分布式新能源與本地負(fù)載，并通過離/并網(wǎng)開關(guān)接入交流電網(wǎng)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時，系統(tǒng)電壓與頻率由電網(wǎng)維持，儲能單元通常工作于功率控制方式下。當(dāng)電網(wǎng)退出運(yùn)行時，儲能單元作為系統(tǒng)的主電源維持系統(tǒng)母線電壓與頻率穩(wěn)定，此時儲能裝置一般工作在恒壓恒頻控制方式下。因此，微網(wǎng)離/并網(wǎng)的切換伴隨著儲能逆變器控制方式的調(diào)整。如果儲能逆變器控制方式的調(diào)整引起了沖擊則會對微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響。

圖1 ?微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

儲能單元的DC?AC逆變器采用PWM控制技術(shù)，其輸出電壓存在豐富的開關(guān)諧波，因此，逆變器出口通常接入濾波裝置，典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ?微網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)

圖2中濾波器為LCL濾波器，電容[C]為高頻諧波電流提供了旁路通路。配電網(wǎng)與微網(wǎng)的連接點稱之為公共耦合點（Point of Common Couple，PCC），在PCC處采用控制開關(guān)實現(xiàn)微網(wǎng)的并網(wǎng)與離網(wǎng)控制。

1.2 ?儲能逆變器控制策略

1.2.1 ?恒功率控制

恒功率控制實現(xiàn)儲能單元按照給定的參考功率輸出恒定的有功和無功，其通過有功和無功解耦后分別進(jìn)行控制，控制原理如圖3所示。

圖3 ?恒功率控制框圖

為簡化控制流程，恒功率控制僅采用電流環(huán)控制，電流環(huán)輸入的直軸和交軸參考電流[idref]，[iqref]根據(jù)電網(wǎng)電壓和輸出功率參考值計算給出，其計算式為：

式中：[Pref]，[Qref]為變換器輸出參考功率;[ud]為電網(wǎng)電壓的直軸分量。電流環(huán)控制采用PI控制，其中，[kpid]，[kiid]以及[kpiq]，[kiiq]分別為電流PI環(huán)直軸和交軸控制的比例系數(shù)與積分系數(shù)。

1.2.2 ?恒壓恒頻控制策略

當(dāng)微網(wǎng)失去交流配網(wǎng)的支撐時，采用恒壓恒頻控制的變換器支撐交流母線的電壓和頻率恒定，其控制原理如圖4所示。恒壓恒頻控制采用雙PI環(huán)控制，其中電壓環(huán)參考值[udref]，[uqref]根據(jù)控制目標(biāo)給定。[kpud]，[kiud]以及[kpuq]，[kiuq]分別為電壓PI環(huán)直軸和交軸控制的比例系數(shù)與積分系數(shù);[kpid]，[kiid]以及[kpiq]，[kiiq]分別為電流PI環(huán)直軸和交軸控制的比例系數(shù)與積分系數(shù)。

2 ?并網(wǎng)/孤島無縫切換控制技術(shù)

當(dāng)微網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行切換時，逆變器的控制策略也在恒壓恒頻控制和恒功率控制之間進(jìn)行切換。當(dāng)采用恒功率控制時，逆變控制器采用電流內(nèi)環(huán)控制方式，[idref]，[iqref]由功率計算得到。當(dāng)采用[V/f]控制時，逆變器的電流環(huán)參考電流由電壓外環(huán)根據(jù)電壓參考信號[udref]，[uqref]計算而得。因此，在控制方式進(jìn)行切換時，如果不采取合適的控制策略，電流內(nèi)環(huán)的參考電流將發(fā)生暫態(tài)突變，從而引起變換器輸出電流出現(xiàn)暫態(tài)沖擊，導(dǎo)致微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)切換時發(fā)生振蕩和沖擊。

圖4 ?恒壓恒頻控制框圖

本文在逆變器的控制器中引入慣性環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)可實現(xiàn)系統(tǒng)切換時[iref]遲滯增減，從而抑制[iref]突變產(chǎn)生的沖擊。

典型慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

圖5 ?慣性環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)

由圖5可知，盡管輸入階躍信號在[t=0] s時刻階躍為1，但是經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)后其輸出需經(jīng)過一定時間方可追蹤到輸入值1。時間常數(shù)[T]越大，環(huán)節(jié)的慣性越大，則響應(yīng)時間越長。因此，慣性環(huán)節(jié)可以抑制由運(yùn)行方式切換引起的電流內(nèi)環(huán)參考信號突變問題，從而實現(xiàn)運(yùn)行方式的無縫切換。慣性環(huán)節(jié)在實際工程中應(yīng)用廣泛，其實用價值明顯。慣性環(huán)節(jié)的控制原理如圖6所示。引入慣性環(huán)節(jié)改進(jìn)的無縫切換控制原理如圖7所示。

微網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時，[d]軸和[q]軸的電流環(huán)參考值由PQ控制方式所確定的功率計算所得，此時離/并網(wǎng)開關(guān)分別接通在B，E開關(guān)上。系統(tǒng)由并網(wǎng)運(yùn)行方式切換至孤島時，儲能裝置需要切換為恒壓恒頻控制方式，此時系統(tǒng)的離/并網(wǎng)開關(guān)應(yīng)當(dāng)切換至A，D位置。為防止在切換過程中引起參考電流暫態(tài)沖擊，本文在切換后引入滯環(huán)控制，使得內(nèi)環(huán)參考電流逐漸調(diào)整到恒壓恒頻所需值。

圖6 ?慣性環(huán)節(jié)控制原理

圖7 ?無縫切換控制原理

3 ?仿真結(jié)果及分析

本文基于Matlab/Simulink平臺搭建微網(wǎng)的仿真模型，微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部包含1臺儲能轉(zhuǎn)換裝置和1臺分布式電源，其中儲能電源根據(jù)微網(wǎng)運(yùn)行情況選擇恒壓恒頻控制或恒功率控制，分布式電源采用恒功率控制，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的功率支撐。微網(wǎng)與交流配電網(wǎng)通過交流斷路器連接，交流配電網(wǎng)采用理想三相電源模型，系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 ?系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

微網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時，系統(tǒng)的電流一般有三種流動情況，本文分別對這三種情況下的無縫切換進(jìn)行仿真。場景一：大電網(wǎng)和微網(wǎng)同時向負(fù)荷供電;場景二：大電網(wǎng)提供全部負(fù)荷所需功率，同時將多余的功率供給微網(wǎng);場景三：微網(wǎng)能夠滿足全部負(fù)荷的功率，同時將多余的功率供給電網(wǎng)。各單元電流分配情況如表2所示，負(fù)號表示吸收電流。

3.1 ?場景一：大電網(wǎng)和微網(wǎng)同時供電

轉(zhuǎn)換前電網(wǎng)電壓正常，逆變器工作于并網(wǎng)模式，電網(wǎng)與儲能系統(tǒng)共同提供負(fù)荷電流。此時系統(tǒng)電流流動情況滿足：

式中：[Iinc]為變換器輸出電流;[Igrid]為電網(wǎng)電流;[Iload]為負(fù)載消耗電流。當(dāng)電網(wǎng)故障或計劃孤島時，微網(wǎng)須脫網(wǎng)獨立運(yùn)行，[t=]0.1 s時，使用延時裝置斷開并網(wǎng)斷路器造成大電網(wǎng)故障現(xiàn)象，迫使系統(tǒng)由并網(wǎng)向孤島模式切換，逆變器控制從PQ控制方式切換至[V/f]控制方式。

表2 ?并網(wǎng)/孤島模式下各單元電流分配情況

微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)切換過程的仿真結(jié)果如圖8所示，其中圖8自上而下分別為逆變器側(cè)輸出的三相電壓、逆變器側(cè)三相電流以及三相電網(wǎng)電流。采用本文提出的改進(jìn)控制策略并經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，微網(wǎng)母線電壓在模式切換時基本維持不變，僅出現(xiàn)了非常微小的抖動，而且逆變器的輸出電流也沒有出現(xiàn)較大的振蕩或者超調(diào)。整個切換過程只用了6.6 ms，非常理想地完成了模式切換，確保了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，保證了重要負(fù)荷的供電質(zhì)量。

圖8 ?改進(jìn)控制策略仿真波形（一）

3.2 ?場景二：大電網(wǎng)提供負(fù)荷功率

此條件下，大電網(wǎng)向負(fù)載供電并儲能電池充電，此時系統(tǒng)電流流動情況為：

由圖9可知：電壓電流各項指標(biāo)均保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大波動，且整個切換過程只用了6.5 ms，說明本文提出的控制策略也能較好地完成場景二的切換。

3.3 ?場景三：微網(wǎng)提供負(fù)荷功率

微網(wǎng)能夠滿足全部負(fù)荷的功率，同時將多余的功率供給電網(wǎng)，此時電流流動情況為：

圖9 ?改進(jìn)控制策略仿真波形（二）

圖10 ?改進(jìn)控制策略仿真波形（三）

由上述分析可知，本文提出的新型控制策略可以同時適用于系統(tǒng)三種不同狀態(tài)下的切換，并且較好地解決模式切換中存在的技術(shù)難題，實現(xiàn)并網(wǎng)/孤島兩種工作模式之間的平滑無縫切換。

4 ?結(jié) ?論

分布式電源以微網(wǎng)方式組網(wǎng)，可高效利用新型能源并降低對傳統(tǒng)電網(wǎng)的沖擊。微網(wǎng)的離/并網(wǎng)運(yùn)行可實現(xiàn)能源的合理分配，提高能源利用效率，但是運(yùn)行狀態(tài)切換引起的暫態(tài)沖擊與振蕩可對系統(tǒng)運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。因此本文分析了微網(wǎng)離/并網(wǎng)切換過程引起電壓、電流沖擊的原因，并提出一種引入慣性環(huán)節(jié)的無縫切換技術(shù)，抑制雙模式切換時產(chǎn)生的電壓、電流沖擊與畸變。本文通過建立Matlab/Simulink仿真模型，對文中提出的相關(guān)控制策略開展了仿真研究，仿真結(jié)果表明，文中提出的控制策略可實現(xiàn)微網(wǎng)兩種運(yùn)行狀態(tài)的無縫切換。

注：本文通訊作者為趙艷雷。

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