師鄲雅，智澤英，田志杰

（太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

基于儲能系統(tǒng)的微網(wǎng)平滑切換控制策略

師鄲雅，智澤英，田志杰

（太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式之間的平滑切換是系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的技術(shù)挑戰(zhàn)。針對這一問題，研究了一種改進(jìn)并網(wǎng)/孤島平滑切換控制策略。首先，建立了并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型，分析了并網(wǎng)和孤島期間的控制策略，并且給出了控制框圖。其次針對傳統(tǒng)切換存在的問題，通過采用抗飽和積分器、預(yù)同步控制以及解耦雙同步鎖相環(huán)對傳統(tǒng)切換方法進(jìn)行改進(jìn)。最終通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了研究控制算法的有效性和可行性。

并網(wǎng)逆變器；無縫切換；PQ控制；下垂控制；鎖相環(huán)

由于能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重，基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)成為解決上述問題的有效方法。分布式發(fā)電單元輸出功率通常具有間歇性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，如風(fēng)電和光伏等，因此將可再生分布式發(fā)電單元以微電網(wǎng)的形式接入主網(wǎng)是一種更加有效的措施［1-2］。

微電網(wǎng)通常由分布式發(fā)電單元、儲能單元、負(fù)載以及并網(wǎng)接口變換器組成。微電網(wǎng)既可以工作在并網(wǎng)模式，也可以工作在孤島模式。在并網(wǎng)模式期間，微電網(wǎng)內(nèi)部分布式電源輸出功率主要用于本地負(fù)載消納，當(dāng)分布式電源輸出功率大于本地負(fù)載時(shí)，過剩的功率傳輸給電網(wǎng)；當(dāng)分布式電源輸出功率小于本地負(fù)載時(shí)，不足的功率由電網(wǎng)提供。在電網(wǎng)故障或者計(jì)劃孤島期間，通常情況下儲能單元作為主控單元切換到下垂控制或者VF控制保證交流母線電壓和頻率穩(wěn)定，使得對重要負(fù)載不間斷供電。

微電網(wǎng)在正常運(yùn)行期間，并網(wǎng)模式和孤島模式通常需要平滑切換，然而傳統(tǒng)切換方法將會(huì)引起過電流或者過電壓現(xiàn)象，不僅會(huì)對電網(wǎng)造成沖擊，而且會(huì)損壞負(fù)載，因此微電網(wǎng)并網(wǎng)/孤島平滑切換是保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一［3-4］。針對這一問題，許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)［5-6］提出了一種基于加權(quán)控制的三相逆變器并網(wǎng)無縫切換控制策略，通過并網(wǎng)和孤島模式對電流電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行加權(quán)進(jìn)而避免對電網(wǎng)電流的沖擊。文獻(xiàn)［7］提出一種改進(jìn)的電壓環(huán)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，在工作模式切換之前估算調(diào)節(jié)器的輸出，同樣可以避免切換過程中引起的電流沖擊。文獻(xiàn)［8］提出了一種基于PQ控制和VF控制的平滑切換方法，并且對傳統(tǒng)預(yù)同步控制進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)［9］針對主動(dòng)和被動(dòng)離網(wǎng)提出了切換控制方法，并且進(jìn)行了仿真研究。除此之外，文獻(xiàn)［10］還提出了基于正序提取器的并網(wǎng)獨(dú)立雙模式切換方法。

本文針對三相并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)/孤島平滑切換的研究，首先建立了并網(wǎng)逆變器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，分析了適用于并網(wǎng)和孤島期間的PQ控制和下垂控制策略的實(shí)現(xiàn)過程。為了避免受到電網(wǎng)電壓不平衡的影響，本文采用基于雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的鎖相環(huán)，能夠快速準(zhǔn)確地提取電壓正序分量和相位信息［11］，與此同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)預(yù)同步控制，將電網(wǎng)電壓相位和幅值差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器疊加到傳統(tǒng)下垂控制器。除此之外本文還采用了抗飽和比例積分控制器抑制調(diào)節(jié)器飽和，最后通過Matlab/Simulink仿真軟件對本文研究的控制算法進(jìn)行了仿真研究。

1 并網(wǎng)逆變器控制策略

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)通常由分布式發(fā)電單元、并網(wǎng)接口變換器、儲能系統(tǒng)以及負(fù)載組成，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1中可以看出，分布式單元接入電網(wǎng)都需要通過并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，因此并網(wǎng)逆變器有效的控制策略對微電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

圖1 典型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of typical microgrid

并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 控制方法

微電網(wǎng)可以工作在并網(wǎng)和孤島模式，在不同的模式中并網(wǎng)逆變器的控制模式是不同的。在并網(wǎng)運(yùn)行過程中，由于電網(wǎng)電壓的鉗位作用使得PCC電壓幅值和頻率基本保持不變，因此可以通過控制電流進(jìn)而控制逆變器的輸出功率，此時(shí)逆變器可以被看作為1個(gè)可控電流源。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)異常或者計(jì)劃性孤島時(shí)，微電網(wǎng)可以運(yùn)行在孤島模式，由于失去大電網(wǎng)的鉗位作用，PCC電壓幅值和頻率需要儲能系統(tǒng)進(jìn)行支撐進(jìn)而保證PCC電壓在允許運(yùn)行范圍內(nèi)，此時(shí)并網(wǎng)逆變器可以看作為可控電壓源［12］。

圖2 并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of grid-connected inverter

1.2.1 PQ控制

在并網(wǎng)運(yùn)行期間，當(dāng)電網(wǎng)以d軸做矢量定向時(shí)，可以得到eq=0，此時(shí)有功和無功可以簡化為

根據(jù)式（1）和式（2）得到電流參考為

式中：idref,iqref分別為d軸和q軸電流參考值；Pref,Qref分別為有功和無功參考值。

圖3給出了PQ控制框圖，首先根據(jù)式（3）和式（4）得到電流參考值，將電流參考值與反饋值相減經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器獲得調(diào)制信號，為了避免電網(wǎng)擾動(dòng)以及耦合項(xiàng)的影響，采用解耦和前饋控制，最終通過正弦脈寬調(diào)制策略獲得逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖。

圖3 PQ控制方法結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of PQ control method

1.2.2 下垂控制

在孤島運(yùn)行期間，為了保證交流母線電壓幅值和頻率的穩(wěn)定，儲能系統(tǒng)需要切換到下垂控制對交流側(cè)進(jìn)行支撐，下垂控制表達(dá)式可以表示為

式中：fref,Uref分別為頻率和幅值參考值；f,U分別為頻率和幅值實(shí)際值；kp,kq為下垂系數(shù)。

下垂控制是一種三閉環(huán)控制策略，其控制框圖如圖4所示。

圖4 下垂控制方法結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of droop control method

首先根據(jù)式（5）和式（6）計(jì)算電壓和頻率，根據(jù)電壓和頻率合成三相電壓參考值，再經(jīng)過park變換得到d軸和q軸電壓參考值，將電壓參考值與實(shí)際值相減經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器能夠得到電流內(nèi)環(huán)指令值。將電流參考值與反饋值相減經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器獲得調(diào)制信號，同理結(jié)合解耦和前饋控制，最終通過SPWM調(diào)制策略獲得并網(wǎng)逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖。

2 平滑切換方法

根據(jù)前面分析可知，在并網(wǎng)運(yùn)行期間，并網(wǎng)逆變器通常工作在電流源模式，而在孤島期間，工作在電壓源模式，因此兩種工作模式將會(huì)切換。根據(jù)圖3和圖4對比可以看出，PQ控制和下垂控制相同點(diǎn)在于電流內(nèi)環(huán)控制相同，因此在切換過程中需要切換電流內(nèi)環(huán)參考值即可，除此之外在并網(wǎng)期間通常采用鎖相環(huán)提取電網(wǎng)電壓相位，而在孤島模式期間，電網(wǎng)電壓失去，此時(shí)相位信息也要進(jìn)行切換。

在傳統(tǒng)切換過程中引起電流和電壓尖峰的主要原因在于調(diào)節(jié)器飽和，沒有預(yù)同步措施以及傳統(tǒng)鎖相環(huán)提取相位信息準(zhǔn)確度不高等因素引起?；谏鲜鲆蛩兀疚膹?個(gè)方面對傳統(tǒng)切換控制策略進(jìn)行改進(jìn)。

假設(shè)微電網(wǎng)長期工作在并網(wǎng)模式，盡管電網(wǎng)電壓和下垂控制生成的電壓參考值差值較小，但是經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器同樣會(huì)導(dǎo)致輸出逐漸增加，當(dāng)時(shí)間較長時(shí)，調(diào)節(jié)器將會(huì)飽和，為了避免這一問題，本文采用抗飽和積分器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示［13］。

圖5 抗飽和比例積分調(diào)節(jié)器Fig.5 Anti-windup PI regulator

根據(jù)圖5可以看出，當(dāng)y≠y′時(shí)，兩者之間的差值將會(huì)疊加到積分環(huán)節(jié)進(jìn)而減弱積分的作用，抑制飽和。

對于預(yù)同步控制，本文將電壓幅值和相位差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，并將結(jié)果補(bǔ)償?shù)絺鹘y(tǒng)下垂控制中進(jìn)而加快同步過程，其預(yù)同步表達(dá)式可以表示為

式中：Ugrid,θgrid分別為電網(wǎng)電壓和相位。

在電網(wǎng)運(yùn)行期間常常會(huì)遭到各種外界因素影響，最常見的就是短路故障，其中單相接地短路故障發(fā)生概率最大。當(dāng)發(fā)生單相短路故障時(shí)，電網(wǎng)電壓存在負(fù)序分量將會(huì)導(dǎo)致電壓不平衡，此時(shí)采用傳統(tǒng)鎖相環(huán)無法有效提取電網(wǎng)電壓相位信息［14］。針對這一問題，本文采用雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下鎖相環(huán)［11］，其控制框圖如圖6所示。

圖6 解耦雙旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure of decoupled double synchronous rotating coordinate of PLL

這種方法將電網(wǎng)電壓正序和負(fù)序分量進(jìn)行解耦提取，對正序分量進(jìn)行控制進(jìn)而獲得相位信息，不會(huì)受到負(fù)序分量的影響，準(zhǔn)確度更高。

3 仿真研究

為了驗(yàn)證本文研究控制算法的有效性，通過Matlab/Simulink仿真軟件搭建了光伏發(fā)電系統(tǒng)與超級電容器儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)模型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 微電網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)Fig.7 The simulation structure of microgrid

系統(tǒng)主要參數(shù)為：設(shè)定電網(wǎng)線電壓有效值380 V/50 Hz，光伏系統(tǒng)等效為逆變器，設(shè)定直流電壓800 V，超級電容300 F，濾波電感5 mH。在電網(wǎng)電壓不平衡情況下對PLL進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 電網(wǎng)電壓不平衡下的PLL仿真結(jié)果Fig.8 The simulation results for PLL under unbalanced grid voltage conditions

根據(jù)圖8可以看出，在0.2 s之前電網(wǎng)電壓正常，此時(shí)通過本文研究的PLL能夠準(zhǔn)確提取相位信息和正序分量。在0.2 s時(shí)，電網(wǎng)電壓發(fā)生三相不平衡，可以看出通過解耦雙同步PLL仍然能夠準(zhǔn)確提取相位，同時(shí)可以提取正序和負(fù)序分量。

下面對傳統(tǒng)平滑切換方法和改進(jìn)平滑切換方法進(jìn)行仿真研究。傳統(tǒng)平滑切換方法的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 傳統(tǒng)切換方法的仿真結(jié)果Fig.9 The simulation results of traditional switching method

從圖9可以看出，初始條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及負(fù)載功率分別為5 kW，3 kW和10 kW，為了實(shí)現(xiàn)功率平衡，電網(wǎng)輸出功率為2 kW。在0.3 s時(shí)，由于短路故障引起斷路器動(dòng)作，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，儲能系統(tǒng)由PQ控制切換到下垂控制，在切換瞬間出現(xiàn)尖峰，對電網(wǎng)造成沖擊。在0.4 s期間，負(fù)載功率由10 kW突變到13 kW；在0.6 s期間，負(fù)載由13 kW突變到10 kW，可以看出采用下垂控制能夠在負(fù)載突變時(shí)保證功率平衡。在0.9 s期間，電網(wǎng)故障被清除，微電網(wǎng)開始并網(wǎng)運(yùn)行，在投入瞬間導(dǎo)致PCC電壓出現(xiàn)過沖。因此采用傳統(tǒng)方法將會(huì)引起電流和電壓沖擊，由于本系統(tǒng)考慮功率等級較小，當(dāng)功率等級較大時(shí)，電流和電壓的沖擊將會(huì)引起過電壓或者過電流保護(hù)以及損害設(shè)備等危害。

圖10給出了改進(jìn)切換方法的仿真結(jié)果，為了更好地進(jìn)行對比，仿真條件與傳統(tǒng)情況一致。可以看出在0.3 s時(shí)，由并網(wǎng)向孤島模式過渡期間，電網(wǎng)電流并沒有產(chǎn)生沖擊；在0.9 s時(shí)，由孤島向并網(wǎng)模式過渡期間，PCC電壓沖擊較小。因此采用本文研究的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)和孤島的平滑切換。

圖10 改進(jìn)切換方法的仿真結(jié)果Fig.10 The simulation results of improved switching method

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)并網(wǎng)/孤島切換存在電流和電壓沖擊問題，本文研究了一種改進(jìn)的并網(wǎng)/孤島切換策略，通過采用抗飽和積分器、預(yù)同步控制以及解耦雙同步坐標(biāo)系下鎖相環(huán)來改進(jìn)傳統(tǒng)切換控制方法，并進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)切換方法相比本文研究的控制算法能夠有效抑制在并網(wǎng)到孤島、孤島到并網(wǎng)切換期間的電流和電壓沖擊，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

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修改稿日期：2016-05-15

Smooth Switching Control Strategy of Microgrid Based on Energy Storage System

SHI Danya，ZHI Zeying，TIAN Zhijie
（College of Electronical and Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China）

The smooth switching method between grid-connection and islanding operation mode is a technological challenge for system safe and reliable operation.In order to deal with the problem，an improved seamless switching strategy was researched.First of all，the mathematical model of grid-connection inverter was built，the control methods of grid-connection and islanding were analyzed，and the diagram of control also was given.Secondly，the anti-windup PI regulator，pre-synchronization control and decoupled double synchronous PLL were applied to improve the traditional switching method.Finally，the effectiveness and feasibility of the researched control method are verified by simulation results.

grid-connected inverter；seamless switching；PQ control；droop control；phase locked loop

TM727

A

10.19457/j.1001-2095.20161113

師鄲雅（1991-），女，在讀碩士研究生，Email：540987633@qq.com

2015-10-09