陳亞愛(ài)，林演康，周京華

（北方工業(yè)大學(xué)北京市變頻技術(shù)工程技術(shù)研究中心，北京 100144）

用于微電網(wǎng)的儲(chǔ)能變流器（power conversion system，PCS）是微電網(wǎng)內(nèi)能量流和信息流交匯的樞紐，與常規(guī)PCS不同，它具備提供無(wú)功、諧波補(bǔ)償?shù)哪芰?，在并網(wǎng)、離網(wǎng)和并/離網(wǎng)切換工況下均能向負(fù)載提供良好的電能質(zhì)量。為保證微電網(wǎng)擁有良好的電能質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，需采取切實(shí)可行的控制策略，目前對(duì)控制策略的研究越來(lái)越受到行業(yè)重視。本文在對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用于微電網(wǎng)的PCS科研成果進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，歸納并總結(jié)各種控制策略的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。

1 用于微電網(wǎng)的PCS控制策略分類

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合及功能需求，不同的儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的PCS結(jié)構(gòu)不盡相同，若根據(jù)輸出電平數(shù)量，一般可分為兩電平、三電平和多電平等結(jié)構(gòu)；若根據(jù)變換環(huán)節(jié)數(shù)量，可分為單級(jí)式、雙級(jí)式等結(jié)構(gòu)。在低壓應(yīng)用場(chǎng)合，PCS常用的是單級(jí)式兩電平結(jié)構(gòu)，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制，其直流側(cè)儲(chǔ)能介質(zhì)電壓變化范圍較窄，該結(jié)構(gòu)適用于一些端電壓隨SOC狀態(tài)變化比較小的儲(chǔ)能介質(zhì)，如鋰離子電池等；若儲(chǔ)能介質(zhì)為超級(jí)電容等，端電壓隨SOC狀態(tài)變化較大，則需采用在單級(jí)式PCS直流側(cè)加一級(jí)DC/DC變換器構(gòu)成的雙級(jí)式PCS，該結(jié)構(gòu)可拓寬直流側(cè)儲(chǔ)能介質(zhì)的電壓變化范圍，適用于多種儲(chǔ)能介質(zhì)，應(yīng)用于各功率場(chǎng)合。本文的分析及歸類正是基于雙極式兩電平PCS開(kāi)展的，其拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 雙極式兩電平PCS拓?fù)涫疽鈭DFig.1 Schematic diagram of bipolar two level PCS

為保證在任何工況下PCS都能向負(fù)載提供合格的電能質(zhì)量，每種工作模式下需采取相應(yīng)控制策略。用于微電網(wǎng)的PCS包含并網(wǎng)、離網(wǎng)和并/離網(wǎng)切換3種工作模式，其控制策略分類如圖2所示。

圖2 基于PCS功能的控制策略分類圖Fig.2 Schematic diagram of based on PCS functions control strategies classification

圖2中，并網(wǎng)、離網(wǎng)工作模式均包含PCS直流側(cè)和交流側(cè)控制。并網(wǎng)工作模式下的直流側(cè)控制又可分為充放電控制和充放電切換控制，充放電控制可分為電流控制、電壓控制兩種控制策略；離網(wǎng)工作模式下的直流側(cè)控制與并網(wǎng)相同，因此不再贅述。并網(wǎng)工作模式下的交流側(cè)可分為電壓控制、PQ控制、下垂控制和虛擬同步機(jī)控制（virtual synchronous generator，VSG）控制4種，電壓控制又可分為交流側(cè)整流控制和交流側(cè)逆變控制兩種。但由于VSG控制離網(wǎng)工作模式下較為常用且與并網(wǎng)時(shí)工作原理相同，本文把VSG策略放入離網(wǎng)模式下分析總結(jié)。離網(wǎng)工作模式下的交流側(cè)可分為電壓控制、Vf控制、下垂控制和VSG控制4種控制策略，此模式下的電壓控制和下垂控制與并網(wǎng)時(shí)一樣，因此不再贅述。并/離網(wǎng)切換模式可分為并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)檢測(cè)控制和離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)預(yù)同步控制。

2 PCS并網(wǎng)控制策略

2.1 直流側(cè)充放電控制策略

儲(chǔ)能系統(tǒng)需要根據(jù)外界需求靈活地在充電和放電模式之間切換[1]，PCS直流側(cè)DC/DC變換器則要穩(wěn)定母線高壓側(cè)電壓，因此需對(duì)DC/DC變換器進(jìn)行控制。

2.1.1 電流控制

電流控制通過(guò)檢測(cè)直流母線電壓生成電流環(huán)參考值且與電池側(cè)電感電流比較后，直接作用于DC/DC變換器，控制策略如圖3所示。

圖3 直接電流控制框圖Fig.3 Direct current control block diagram

電流控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但也會(huì)產(chǎn)生周期性的電流誤差[2]，該控制策略適用于動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)高的場(chǎng)合。

文獻(xiàn)[2]為緩解微電網(wǎng)間歇和波動(dòng)性對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來(lái)的負(fù)面影響，采用小信號(hào)分析方法推導(dǎo)系統(tǒng)穩(wěn)定條件，采用互補(bǔ)型脈寬調(diào)制方式控制，并提出多滯環(huán)調(diào)節(jié)的控制方法，有效改善了儲(chǔ)能單元的充放電過(guò)程，提高了儲(chǔ)能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。但該控制策略忽略了瞬時(shí)充電電流和儲(chǔ)能單元SOC對(duì)控制的影響。文獻(xiàn)[3]考慮儲(chǔ)能單元SOC狀態(tài)和外部電壓狀態(tài)等約束條件，以DC/DC側(cè)電感電流為內(nèi)環(huán)，外部恒壓、涓流控制方式為電流環(huán)生成參考電流，保證儲(chǔ)能單元不會(huì)因過(guò)充過(guò)放造成不可恢復(fù)傷害，但實(shí)驗(yàn)運(yùn)行功率只有5 kW，若將該策略應(yīng)用于實(shí)際，應(yīng)提高功率繼續(xù)試驗(yàn)。文獻(xiàn)[4]基于電池電流調(diào)節(jié)原理，在PV分布式電源給儲(chǔ)能單元充電算法中增加最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，提高儲(chǔ)能單元壽命且降低對(duì)電池電流測(cè)量精度的依賴性，能更好地利用光伏能量且更快達(dá)到100%電池充電狀態(tài)。

2.1.2 電壓控制

電壓控制是雙向DC/DC變流器根據(jù)PCS的輸入/輸出功率，對(duì)電池組進(jìn)行充電/放電，維持DC/DC和DC/AC間直流電壓的恒定，電壓控制策略如圖4所示。

圖4 電壓控制框圖Fig.4 Voltage control block diagram

文獻(xiàn)[5]針對(duì)儲(chǔ)能單元研究提出一種多DC/DC和DC/AC模塊構(gòu)成的PCS，提出恒流控制和穩(wěn)壓控制，實(shí)現(xiàn)多簇儲(chǔ)能單元同時(shí)充放電，并能保證恒流控制下充電電流很好地跟蹤放電電流，恒壓控制下中間直流電壓很好地穩(wěn)定在系統(tǒng)要求值，但該策略在兩種控制下均不能做到單位功率因數(shù)運(yùn)行。文獻(xiàn)[6-7]提出一種基于直流母線電壓穩(wěn)定的儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制策略，該策略通過(guò)控制穩(wěn)定的充放電電流，保證直流母線電壓穩(wěn)定在允許波動(dòng)的合理范圍內(nèi)；又利用儲(chǔ)能單元SOC狀態(tài)判斷實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元內(nèi)部功率平衡。

對(duì)以上儲(chǔ)能單元充放電控制策略進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，將其各自特點(diǎn)列于表1中。

表1 充放電控制策略特點(diǎn)比較Tab.1 Comparison of charging and discharging control strategies

2.2 直流側(cè)充放電控制策略

儲(chǔ)能單元通過(guò)PCS與電網(wǎng)和負(fù)荷進(jìn)行能量交換，其充放電控制直接影響微電網(wǎng)的供電質(zhì)量，這便要求儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠穩(wěn)定快速進(jìn)行充放電響應(yīng)，因此其充放電切換控制是研究熱點(diǎn)之一。

文獻(xiàn)[8]考慮分布式電源間歇性特點(diǎn)，并以供需功率平衡為基礎(chǔ)提出一種二次修正儲(chǔ)能單元充放電切換控制策略，即先以小波包對(duì)分布式電源輸出量的分解分量作為儲(chǔ)能單元充放電指令，并以功率平衡作為充放電指令的一次修正；其次以儲(chǔ)能單元模糊控制輸出量作為充放電指令的二次修正。該控制策略采用模糊控制對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC進(jìn)行自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)充放電指令的自切換，發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量效益，減小容量配置成本，并且能很好地滿足GB/T 34120中對(duì)PCS充放電切換的要求。文獻(xiàn)[9]以超級(jí)電容為儲(chǔ)能單元，分析其構(gòu)成和工作原理，以超級(jí)電容SOC作為判定依據(jù)，設(shè)計(jì)充放電切換算法，保證系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤PCS輸出側(cè)能量狀態(tài)，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)充放電自切換控制。但該控制策略僅考慮儲(chǔ)能單元的安全高效使用，未考慮輸出功率是否平衡且必須有儲(chǔ)能單元之間可靠的信息實(shí)時(shí)共享作為保障。文獻(xiàn)[10]為穩(wěn)定微電網(wǎng)內(nèi)功率平衡、抑制直流母線電壓波動(dòng)，將直流母線電壓分成5個(gè)區(qū)域，系統(tǒng)依據(jù)直流母線電壓所處區(qū)域判斷儲(chǔ)能系統(tǒng)工作模式及模式切換。該控制策略能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電、放電和充放電切換模式的自由切換，同時(shí)抑制直流母線電壓波動(dòng)，保證儲(chǔ)能單元長(zhǎng)期安全、高效運(yùn)行。但系統(tǒng)功率嚴(yán)重不平衡時(shí)，只是建議微電網(wǎng)適當(dāng)切除負(fù)荷，并未對(duì)此做深一步研究。

2.3 交流側(cè)控制

2.3.1 整流控制

儲(chǔ)能電池充電時(shí)，PCS需工作在整流模式，使直、交流側(cè)之間得到穩(wěn)定的母線電壓。儲(chǔ)能電池充電時(shí)，DC/AC側(cè)控制策略分類如圖5所示。

圖5 整流控制策略分類圖Fig.5 Schematic diagram of rectifier control strategy classification

滑模控制[11]是電壓外環(huán)采用滑?？刂苹螂p環(huán)均采用滑模控制的一種控制策略，以PCS輸出直流電壓誤差為狀態(tài)變量構(gòu)造指數(shù)衰減率切換面，通過(guò)對(duì)電流內(nèi)環(huán)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各變量的解耦控制。該控制策略具有良好的參數(shù)變化自適應(yīng)性，改善PI控制的滯后性及對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的敏感性，但各控制環(huán)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

模型預(yù)測(cè)控制[12]是在每個(gè)周期對(duì)所有開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的電流、電壓、頻率或功率進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估，并將矢量平面分為多個(gè)扇區(qū)，判斷參考值所在區(qū)域，使得控制器輸出量為參考值所在區(qū)域最優(yōu)的電壓矢量。模型預(yù)測(cè)方法無(wú)需迭代計(jì)算尋優(yōu)且耗時(shí)少，但算法運(yùn)算量大，對(duì)控制器性能要求較高。

直接功率控制有基于電壓定向、虛擬磁鏈和輸出調(diào)節(jié)子空間三種控制策略?；陔妷憾ㄏ虿呗缘慕涣鱾?cè)電感選取難度較大且對(duì)傳感器和采樣頻率依賴程度較高；基于虛擬磁鏈策略的物理量計(jì)算受參數(shù)變化影響較大，增大計(jì)算誤差；基于輸出調(diào)節(jié)子空間策略將輸入空間劃分為多個(gè)區(qū)域，通過(guò)開(kāi)關(guān)矢量選擇調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)，改善了基于電壓定向、虛擬磁鏈控制策略不足，具有更好的動(dòng)態(tài)性能。

除了以上幾種控制策略之外，還有直接、間接、滯環(huán)電流控制策略、模糊PI控制策略、前饋控制策略等。限于篇幅，論文不再對(duì)這些控制策略進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.3.2 PQ控制

PQ控制本質(zhì)就是控制儲(chǔ)能介質(zhì)的有功功率和無(wú)功功率。一般在主從控制時(shí)，從控的PCS采取PQ控制，此時(shí)儲(chǔ)能介質(zhì)相當(dāng)于受控電流源[13]，PQ控制原理圖如圖6所示。

圖6 PQ控制框圖Fig.6 PQ control block diagram

PQ控制對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合有一定要求，即多適用于直流母線端輸出功率隨機(jī)性較大的電源，該控制下電源的輸出功率及微電網(wǎng)內(nèi)部的負(fù)荷波動(dòng)、電壓頻率偏移等由電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)整[14]，從而使PCS按照給定的有功、無(wú)功指令值輸出；PQ控制不能支撐微電網(wǎng)的電壓和頻率，如果系統(tǒng)提供的電壓幅值和相位參考不穩(wěn)定，則PQ不能很好地應(yīng)用于該系統(tǒng)。在微電網(wǎng)內(nèi)，采取PQ控制的PCS作為從控制器運(yùn)行時(shí)，必須跟隨主控制器運(yùn)行，所以各微源之間要實(shí)現(xiàn)信號(hào)實(shí)時(shí)共享且保證通信有較高的可靠度；作為主控制器時(shí)可能會(huì)存在功率額定限制，所以要對(duì)微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行情況和負(fù)載消耗有一定的預(yù)估。

文獻(xiàn)[15-16]提出了一種前饋解耦的PQ控制策略。利用坐標(biāo)變換，進(jìn)行交直流量的變換，以d軸電壓進(jìn)行定向，方便地通過(guò)id，iq實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)P和Q的解耦控制。引入前饋解耦的d，q軸獨(dú)立控制，采用電流PI調(diào)節(jié)器。前饋解耦控制如圖7所示。

圖7 前饋解耦控制器Fig.7 Controller of feedforward decoupling

基于前饋解耦的PQ控制策略可以展現(xiàn)同步坐標(biāo)系的優(yōu)點(diǎn)，有功電流和無(wú)功電流實(shí)現(xiàn)了解耦和獨(dú)立控制。PI調(diào)節(jié)器具有動(dòng)態(tài)、靜態(tài)響應(yīng)較好和頻率穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)。

文獻(xiàn)[17]基于下垂電壓控制，設(shè)計(jì)低增益狀態(tài)反饋器對(duì)微電網(wǎng)的有功、無(wú)功功率進(jìn)行控制，通過(guò)產(chǎn)生正弦基準(zhǔn)電壓，由電壓環(huán)跟蹤，該電壓環(huán)為電流環(huán)生成電流基準(zhǔn)，并且該控制策略引入前饋狀態(tài)，保證電能以良好質(zhì)量入網(wǎng)。但該策略涉及到線性矩陣不等式問(wèn)題，電壓環(huán)、電流環(huán)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。

2.3.3 下垂控制

下垂控制是模擬與同步發(fā)電機(jī)相似的下垂特性曲線作為PCS的控制方式。各分布式電源分別檢測(cè)自身的輸出功率，通過(guò)下垂特性獲得各自的頻率和電壓指令值，然后各自反向微調(diào)其輸出電壓的相位和幅值，最終達(dá)到系統(tǒng)有功平衡和無(wú)功合理分布的目標(biāo)[13]。P—f/Q—U下垂控制結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 P—f/Q—U下垂控制框圖Fig.8 Block diagram of P—f/Q—U droop control

下垂控制的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需實(shí)現(xiàn)多臺(tái)PCS間的信息通訊，便能保證微電網(wǎng)中頻率電壓的統(tǒng)一，簡(jiǎn)單可靠且成本低。下垂控制的缺點(diǎn)：基于虛擬阻抗的下垂控制加入虛擬阻抗使得輸出電壓存在偏差，影響輸出電壓控制精度；另外，輸出電壓指令可能會(huì)含有輸出電流的諧波成分，影響PCS輸出的電能質(zhì)量。

傳統(tǒng)下垂控制策略往往根據(jù)線路阻抗特性忽略線路電抗的影響，采用頻率—無(wú)功，電壓—有功的控制調(diào)節(jié)策略，而微電網(wǎng)本身電壓等級(jí)較低，線路成阻性或阻感性[18]；另外微電網(wǎng)容量相對(duì)較低，下垂控制中電抗的影響不容忽略。文獻(xiàn)[19]基于下垂控制提出輸出電流分解的虛擬阻抗回路方法，并分別合成正序和負(fù)序虛擬阻抗，保證在三相負(fù)載平衡下，利用較大的負(fù)序虛擬阻抗使并聯(lián)變流器負(fù)序環(huán)流電流最小；在三相負(fù)載不平衡下，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)序電阻回路，使PCS輸出電壓的質(zhì)量和負(fù)載分擔(dān)性能達(dá)到良好的平衡。文獻(xiàn)[20-22]在PCS并聯(lián)時(shí)，為保證線路阻抗不同情況下實(shí)現(xiàn)功率均分和環(huán)流抑制，基于下垂控制改進(jìn)功率計(jì)算公式和無(wú)功補(bǔ)償環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)功率均分和環(huán)流抑制，降低功率損耗并提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，但論文并未對(duì)負(fù)載突變時(shí)的功率分配不均問(wèn)題做進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[23]通過(guò)引入虛擬阻抗，解決線路阻抗不同的影響，提高負(fù)載突變時(shí)功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率精確分配。文獻(xiàn)[24-25]為解決傳統(tǒng)下垂控制具有的調(diào)節(jié)速度慢、功率分配不均問(wèn)題，提出了基于下垂控制的分段自適應(yīng)方法，可以通過(guò)分段自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)下垂系數(shù)，使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、功率分配效果，提高系統(tǒng)電能質(zhì)量。

對(duì)以上幾種并網(wǎng)下交流側(cè)控制策略進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，將其各自特點(diǎn)列于表2中。

表2 并網(wǎng)交流側(cè)控制策略特點(diǎn)比較Tab.2 Comparison of grid-connected AC side control strategies

3 PCS離網(wǎng)交流側(cè)控制策略

3.1 Vf控制

Vf控制是PCS以輸出電壓、頻率指令值進(jìn)行控制，能起到支撐微電網(wǎng)內(nèi)的電壓和頻率的作用，常作為主控制器運(yùn)行，此時(shí)，有功、無(wú)功功率由負(fù)載決定。Vf控制常采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，其控制策略如圖9所示。

圖9 Vf控制框圖Fig.9 Vf control block diagram

Vf控制的優(yōu)點(diǎn)：電壓外環(huán)保證輸出電壓的穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成隨動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)參考值跟蹤，同時(shí)兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性，增大系統(tǒng)相位裕度[26]，對(duì)非線性負(fù)載擾動(dòng)的適應(yīng)能力加強(qiáng)，輸出電壓的諧波含量減小。雙環(huán)控制充分利用系統(tǒng)的狀態(tài)信息，動(dòng)態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)精度高。Vf控制的缺點(diǎn)：多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行困難，不易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確均流[27]。

文獻(xiàn)[28-29]在電壓外環(huán)處添加模糊PI控制器、自適應(yīng)PI控制器，并進(jìn)行了電流的前饋解耦，既可以穩(wěn)定并/離網(wǎng)切換時(shí)由于電壓突變導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定，又可以穩(wěn)定負(fù)載端電壓，提供參考信號(hào)作為電流內(nèi)環(huán)的輸入。但是，模糊論域涉及復(fù)雜輸入量轉(zhuǎn)化和解模糊，計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。并且在離網(wǎng)時(shí)，可能會(huì)由于分布式電源的不穩(wěn)定引起電壓電流的小幅變化導(dǎo)致并/離網(wǎng)切換時(shí)間延長(zhǎng)幾秒鐘。

3.2 虛擬同步機(jī)控制

同步發(fā)電機(jī)通過(guò)控制輸入機(jī)械功率（Pm）穩(wěn)定輸出功率和頻率，通過(guò)改變勵(lì)磁電流產(chǎn)生的電磁功率（Pe）來(lái)控制輸出電壓[30]。因此，在虛擬同步發(fā)電機(jī)控制（virtual synchronous generator，VSG）中必須加入電壓、頻率和功率的閉環(huán)控制使其更真實(shí)地模擬同步發(fā)電機(jī)。VSG控制策略如圖10所示?；赩SG的微電網(wǎng)PCS擁有與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)一樣的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的慣性，有利于分布式電源入微網(wǎng)。該策略以穩(wěn)定輸出功率為主，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，PCS仍能均分功率，既有利于微電網(wǎng)穩(wěn)定，又保證平滑并網(wǎng)運(yùn)行。

圖10 VSG控制框圖Fig.10 Block diagram of VSG control

VSG控制策略中存在固定系統(tǒng)參數(shù)不能保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)和穩(wěn)定性、dω/dt變化快慢影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能問(wèn)題。文獻(xiàn)[31-35]針對(duì)此問(wèn)題，依據(jù)旋轉(zhuǎn)慣量與阻尼系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，提出了在不同階段系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行特性動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼系數(shù)，能夠有效減小系統(tǒng)的超調(diào)量、維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。但該策略主要應(yīng)用于離網(wǎng)運(yùn)行模式，并網(wǎng)運(yùn)行模式有待查驗(yàn)，并且自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG參數(shù)整定比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[36]分析控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的響應(yīng)，利用VSG轉(zhuǎn)子和無(wú)功調(diào)節(jié)的特性設(shè)計(jì)頻率調(diào)節(jié)器，提高了PCS的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能且能穩(wěn)定并網(wǎng)，但該方法僅分析VSG并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行特性，且只進(jìn)行了仿真分析，后續(xù)應(yīng)對(duì)離網(wǎng)下各種工況分析并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[37]針對(duì)VSG虛擬慣性存在時(shí)，功率調(diào)度指令突變會(huì)造成PCS輸出的頻率、功率發(fā)生振蕩問(wèn)題，采用矩陣二次型最優(yōu)控制，控制PCS的功率和頻率，優(yōu)化虛擬慣量，緩解其功率、頻率振蕩，防止因過(guò)流而停止工作。

對(duì)以上幾種離網(wǎng)下交流側(cè)控制策略進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，將其各自特點(diǎn)列于表3中。

表3 離網(wǎng)交流側(cè)控制策略特點(diǎn)比較Tab.3 Comparison of off-grid AC side control strategies

4 并/離網(wǎng)切換控制策略

PCS在并/離網(wǎng)切換時(shí)，若不加控制，會(huì)出現(xiàn)電壓波動(dòng)和沖擊電流等問(wèn)題。為保證系統(tǒng)內(nèi)電能質(zhì)量的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)換過(guò)程中不間斷供電，不影響用電負(fù)荷的穩(wěn)定運(yùn)行，并/離網(wǎng)工況應(yīng)平滑切換，這也是微電網(wǎng)比傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。由于并/離網(wǎng)切換時(shí)控制目標(biāo)不同，其控制策略又分為并網(wǎng)切換至離網(wǎng)控制和離網(wǎng)切換至并網(wǎng)控制。

4.1 并網(wǎng)切換至離網(wǎng)檢測(cè)控制

PCS在并網(wǎng)時(shí)表現(xiàn)為電流源特性，離網(wǎng)時(shí)表現(xiàn)為電壓源特性，并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)控制實(shí)質(zhì)上是PCS的電流型控制轉(zhuǎn)至電壓型控制。為實(shí)現(xiàn)并/離網(wǎng)模式的切換，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)一般為靜態(tài)開(kāi)關(guān)，通常選擇雙向晶閘管反并聯(lián)的開(kāi)關(guān)電路作為靜態(tài)開(kāi)關(guān)，由于這種晶閘管會(huì)在電網(wǎng)故障半個(gè)基波周期內(nèi)脫網(wǎng)，因而學(xué)者提出電流過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)、間接電流控制和電壓型控制等并網(wǎng)切換離網(wǎng)方法。

4.1.1 基于電流過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)控制

電流過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)是當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，PCS并網(wǎng)點(diǎn)處電壓發(fā)生跌落，電網(wǎng)電壓值低于預(yù)設(shè)最小值時(shí)，檢測(cè)電路會(huì)關(guān)閉并/離網(wǎng)開(kāi)關(guān)。因此PCS在電流第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)斷開(kāi)電網(wǎng)，瞬間PCS從電流型控制轉(zhuǎn)為電壓型控制。文獻(xiàn)[38-39]對(duì)切換算法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，具體的切換流程為：檢測(cè)到電網(wǎng)故障并向并/離網(wǎng)開(kāi)關(guān)發(fā)出關(guān)閉信號(hào)；檢測(cè)負(fù)載電壓和相位；當(dāng)電網(wǎng)電流過(guò)零時(shí)，PCS轉(zhuǎn)為電壓型控制，其基準(zhǔn)電壓來(lái)自負(fù)載電壓；最后調(diào)整負(fù)載電壓參考值至額定值。

電流過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，但無(wú)法對(duì)非計(jì)劃性孤島情況作出較好的應(yīng)對(duì)。

4.1.2 間接電流控制

間接電流控制實(shí)質(zhì)上是通過(guò)控制電感電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流的目的。間接電流控制等效電路如圖11所示，并網(wǎng)功率因數(shù)為1的矢量控制如圖12所示。

圖11 間接電流控制等效電路Fig.11 Equivalent circuit of indirect current control

圖12 間接電流控制電壓矢量圖Fig.12 Diagram of indirect current control voltage vector

圖11和圖12中，U，Ug分別為PCS輸出電壓、電網(wǎng)電壓；UL為電感電壓。由圖11可見(jiàn)，可以通過(guò)控制θ實(shí)現(xiàn)電感電壓的調(diào)節(jié)，且在功率因數(shù)損失較小的情況下，將U和θ進(jìn)行解耦，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)有功、無(wú)功功率的控制。

文獻(xiàn)[40]為避免并/離網(wǎng)切換時(shí)電流輸出可能不穩(wěn)定，提出適合并/離網(wǎng)切換的間接電流控制策略，其控制策略如圖13所示。該控制外環(huán)為并網(wǎng)間接電流環(huán)，內(nèi)環(huán)為PCS輸出電壓環(huán)。并網(wǎng)時(shí)采用注入電流均方根值控制作為外部控制回路，離網(wǎng)時(shí)采用輸出電壓和輸出電容電流的瞬時(shí)控制。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，由間接電流控制計(jì)算的U*將被進(jìn)行限值，以保證臨界狀態(tài)負(fù)載的安全運(yùn)行。

圖13 間接電流控制框圖Fig.13 Block diagram of indirect current control

并/離網(wǎng)工況下的間接電流控制最終目標(biāo)均是PCS輸出電壓，因而可在并網(wǎng)切換至離網(wǎng)時(shí)有效降低暫態(tài)電壓電流沖擊，實(shí)現(xiàn)平滑切換。

4.1.3 電壓型控制

1）下垂控制?；谙麓箍刂撇呗缘腜CS接收到離網(wǎng)信號(hào)或被動(dòng)離網(wǎng)時(shí)，先斷開(kāi)并/離網(wǎng)開(kāi)關(guān)QS1，QS2，使PCS斷開(kāi)與電網(wǎng)連接，切換的瞬間U/f保持不變，且由負(fù)載決定PCS的輸出功率，PCS再根據(jù)有功、無(wú)功功率及下垂特性對(duì)PCS輸出電壓的幅值、頻率進(jìn)行調(diào)整，使其支撐微電網(wǎng)內(nèi)部的電壓、頻率，最后系統(tǒng)會(huì)在幾個(gè)基波周期內(nèi)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。下垂控制常適用于多臺(tái)PCS協(xié)調(diào)控制，但由于其為有差控制，無(wú)法將微電網(wǎng)的電壓恢復(fù)至并網(wǎng)的水平。離網(wǎng)模式下垂控制框圖如圖14所示。

圖14 基于下垂控制的離網(wǎng)控制框圖Fig.14 Block diagram of off-grid control diagram based on droop control

2）VSG控制。VSG控制是系統(tǒng)有功功率決定功角特性，無(wú)功功率決定輸出電壓特性，功角和電壓通過(guò)同步發(fā)電機(jī)模型生成調(diào)制波，無(wú)需傳統(tǒng)的鎖相環(huán)技術(shù)。

文獻(xiàn)[41]闡述基于VSG控制的PCS并/離網(wǎng)切換控制策略，通過(guò)有功、無(wú)功功率控制功角特性和輸出電壓特性，VSG控制下PCS調(diào)壓、增加系統(tǒng)慣量的能力與同步發(fā)電機(jī)媲美。正因?yàn)榫邆渫桨l(fā)電機(jī)所具有的運(yùn)行功能，故該控制策略能自動(dòng)完成并網(wǎng)模式向離網(wǎng)模式的平滑切換[42]。其控制框圖如圖15所示。

圖15 VSG并/離網(wǎng)控制框圖Fig.15 Grid-connected of VSG control block diagram

4.2 離網(wǎng)切換至并網(wǎng)預(yù)同步控制

PCS離網(wǎng)切換至并網(wǎng)時(shí)，電壓和頻率又將由電網(wǎng)支撐，故必須保證微電網(wǎng)和大電網(wǎng)連接時(shí)電壓幅值、相位和頻率的一致，才能減小并網(wǎng)電壓、電流沖擊，實(shí)現(xiàn)平滑切換。

文獻(xiàn)[43]改進(jìn)傳統(tǒng)相位同步控制，采用新型相位同步方法，如圖16所示。圖16中，ω為下垂控制中有功頻率控制器輸出角頻率；Ugq，Uq分別為電網(wǎng)、微電網(wǎng)q軸分量；kθ為相位同步控制器積分系數(shù)。該控制策略可以直接調(diào)節(jié)微電網(wǎng)電壓相位與電網(wǎng)同步，消除頻率調(diào)節(jié)法對(duì)P-f下垂控制的影響，同時(shí)包含電網(wǎng)電壓的相位鎖存功能，能有效抑制離網(wǎng)轉(zhuǎn)至并網(wǎng)時(shí)負(fù)載對(duì)微電網(wǎng)電壓、頻率的擾動(dòng)。

圖16 相位同步控制框圖Fig.16 Phase synchronization control block diagram

文獻(xiàn)[44-47]為解決并網(wǎng)時(shí)暫態(tài)沖擊問(wèn)題，提出PQ控制器初始狀態(tài)跟隨Vf控制器輸出狀態(tài)的控制策略，預(yù)同步控制策略如圖17所示。圖17中，Set為并網(wǎng)指令信號(hào)；vinv為離網(wǎng)工況輸出電壓；θinv為PCS輸出電壓相位；θref為PCS參考相位；vd_grid為電網(wǎng)側(cè)電壓有功分量；vd_inv為PCS輸出電壓有功分量。當(dāng)Set并網(wǎng)指令下達(dá)后，計(jì)算網(wǎng)側(cè)、PCS輸出相位差，經(jīng)PI控制器得到參考相位，同時(shí)利用網(wǎng)側(cè)、PCS有功分量得到電流內(nèi)環(huán)參考值，當(dāng)參考值符合要求，實(shí)現(xiàn)無(wú)電壓電流沖擊的離網(wǎng)至并網(wǎng)模式切換。

圖17 預(yù)同步控制框圖Fig.17 Preliminary synchronization control block diagram

VSG控制策略在離網(wǎng)下會(huì)調(diào)整PCS輸出電壓的頻率和相位，故會(huì)產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓的相位差，為降低模式切換過(guò)程中的電流沖擊，VSG并網(wǎng)也需有預(yù)同步環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[48-49]為消除并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流，設(shè)計(jì)針對(duì)VSG離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)控制策略，其控制原理為

式中：ω為系統(tǒng)角頻率；Δω為增加到ω0上的相位補(bǔ)償量；θg，θ為鎖相環(huán)鎖出相角、VSG控制輸出相角；Un為VSG空載電勢(shì)；ΔU為增加到Un上的幅值補(bǔ)償量；Ug，U為電網(wǎng)電壓、系統(tǒng)端電壓；Kp，Ki為PI控制器的比例和積分系數(shù)。

該控制策略方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，能夠在并/離網(wǎng)切換時(shí)提供電壓、頻率支撐，實(shí)現(xiàn)在離網(wǎng)轉(zhuǎn)至并網(wǎng)時(shí)很好地跟蹤電網(wǎng)電壓，且無(wú)明顯沖擊電流，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

5 PCS整體聯(lián)系及微電網(wǎng)線路阻抗特點(diǎn)

5.1 DC/DC側(cè)和DC/AC側(cè)控制關(guān)系

相較于單級(jí)式PCS，雙極式PCS增加了DC/DC變換器部分，用以提供DC/AC側(cè)電壓支撐，拓寬直流母線端電壓等級(jí)范圍。但由于DC/DC變換器存在，裝置散熱問(wèn)題嚴(yán)重，控制復(fù)雜度有所提升，整體裝置效率下降，同時(shí)增加裝置成本。

雙極式PCS可通過(guò)全解耦實(shí)現(xiàn)DC/DC側(cè)與DC/AC側(cè)獨(dú)立控制，降低控制難度[50]。單級(jí)式PCS需承擔(dān)直流母線電壓支撐與交流側(cè)輸出功率等任務(wù)，但雙極式PCS可實(shí)現(xiàn)功能獨(dú)立，即DC/DC側(cè)對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的恒流、恒壓充放電及恒流、恒壓、恒功率放電；DC/AC側(cè)整流模式時(shí)實(shí)現(xiàn)DC/DC側(cè)直流母線電壓支撐，逆變模式時(shí)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)恒壓、恒流、恒功率放電。值得注意的是，當(dāng)DC/DC側(cè)控制儲(chǔ)能單元進(jìn)行恒流、恒功率放電時(shí)，其間的直流母線電壓需由DC/AC側(cè)支撐，此時(shí)DC/AC側(cè)的控制與單級(jí)式PCS控制類似。表4為單級(jí)式、雙極式PCS優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表4 單級(jí)式、雙極式PCS比較Tab.4 Comparison of single-stage and bipolar system PCS

相較于單級(jí)式PCS，雙極式PCS最大的優(yōu)點(diǎn)是拓寬了直流側(cè)電壓等級(jí)，其機(jī)理為：當(dāng)儲(chǔ)能電池輸出電壓低于DC/AC側(cè)不控整流值時(shí)，導(dǎo)致交流側(cè)輸出電壓低于電網(wǎng)電壓，需在交流輸出側(cè)添加隔離變壓器后方可實(shí)現(xiàn)PCS并網(wǎng)運(yùn)行。DC/DC變換器的存在可將較低的儲(chǔ)能單元電壓提高至不控整流值甚至更高，易于PCS直接并網(wǎng)運(yùn)行。因此，雙極式PCS適用于超級(jí)電容等端電壓變化范圍較廣的儲(chǔ)能介質(zhì)。

5.2 并/離網(wǎng)工況下控制策略關(guān)系

微電網(wǎng)內(nèi)PCS有并網(wǎng)、離網(wǎng)兩種工作模式。靈活地選擇工作模式及控制策略是微電網(wǎng)相較于傳統(tǒng)電網(wǎng)優(yōu)勢(shì)所在，針對(duì)不同的微網(wǎng)控制模式，PCS并/離網(wǎng)控制策略組合也略有不同。

5.2.1 基于主從控制的并/離網(wǎng)控制策略關(guān)系

主從控制下微電網(wǎng)有集中主控和分散主控兩種方式[51]。

1）集中主控。集中主控是并網(wǎng)模式時(shí)，微電網(wǎng)的電壓頻率由電網(wǎng)支撐，故微網(wǎng)內(nèi)的PCS可采用PQ控制；離網(wǎng)模式時(shí)，缺少電網(wǎng)電壓、頻率支撐，選擇一臺(tái)容量夠大的PCS采用Vf控制支撐電壓、頻率，其余PCS采用PQ控制。該控制下，主控PCS需有并/離網(wǎng)切換功能，并且能精準(zhǔn)地進(jìn)行計(jì)劃和非計(jì)劃并/離網(wǎng)切換，否則將導(dǎo)致微電網(wǎng)內(nèi)電壓失控，影響微電網(wǎng)電能質(zhì)量和供電可靠性。基于集中主控的并/離網(wǎng)控制策略結(jié)構(gòu)如圖18所示。

圖18 基于集中主控的并/離網(wǎng)控制策略結(jié)構(gòu)Fig.18 Grid-connected and off-grid control strategy structure based on centralized master control

2）分散主控。分散主控是并網(wǎng)時(shí)，PCS均采用PQ控制；離網(wǎng)時(shí)，將多個(gè)容量夠大的PCS切換為下垂控制為微電網(wǎng)提供電壓、頻率支撐，其余PCS依然采用PQ控制輸出功率。該控制下容量夠大的PCS均需具備控制策略無(wú)縫切換能力?；诜稚⒅骺氐牟?離網(wǎng)控制策略結(jié)構(gòu)如圖19所示。

圖19 基于分散主控的并/離網(wǎng)控制策略結(jié)構(gòu)Fig.19 Grid-connected and off-grid control strategy structure based on decentralized master control

5.2.2 基于對(duì)等控制的并/離網(wǎng)控制策略關(guān)系

對(duì)等控制[51]是無(wú)論P(yáng)CS工作于哪種工況，均采用下垂或VSG控制，此控制下無(wú)需進(jìn)行控制模式的轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)母線電壓控制的連續(xù)性。需要注意的是在離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)時(shí)，需進(jìn)行電網(wǎng)電壓幅值、相位的預(yù)同步控制。基于對(duì)等控制的并/離網(wǎng)控制策略結(jié)構(gòu)如圖20所示。

圖20 基于對(duì)等控制的并/離網(wǎng)控制策略結(jié)構(gòu)Fig.20 Grid-connected and off-grid control strategy structures based on peer control

5.3 低壓微電網(wǎng)線路阻抗特點(diǎn)

低壓微電網(wǎng)線路阻抗呈阻性，若忽略線路阻抗特性，則不能對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)輸出的有功、無(wú)功功率進(jìn)行準(zhǔn)確控制。多臺(tái)PCS并聯(lián)使用時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)到負(fù)載端距離差異性導(dǎo)致彼此間線路阻抗不同，使得有功功率無(wú)法均分，容易致使某些儲(chǔ)能系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象，影響微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

文獻(xiàn)[52]為解決PCS輸出阻抗與線路阻抗匹配問(wèn)題，引入阻性虛擬阻抗，在下垂控制基礎(chǔ)上加入PI調(diào)節(jié)器，對(duì)其電壓和頻率基準(zhǔn)進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)PCS對(duì)有功功率的無(wú)靜差跟蹤。文獻(xiàn)[53]針對(duì)線路阻抗不匹配導(dǎo)致并聯(lián)PCS環(huán)流問(wèn)題，提出虛擬阻抗功率解耦控制策略，該控制策略通過(guò)阻抗環(huán)對(duì)PCS等效輸出阻感進(jìn)行調(diào)節(jié)，解決PCS輸出功率不能均分問(wèn)題。文獻(xiàn)[54]為提高離網(wǎng)時(shí)無(wú)功功率均分精度，提出自適應(yīng)虛擬阻抗控制策略，該控制依靠通訊實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率參考值的獲取，在離網(wǎng)工況下，能解決饋線間電壓不匹配問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率均分。

但以上控制策略均有一定缺陷，即或工作在理想電網(wǎng)、或增加功率耦合或過(guò)度依賴上層通訊。目前，學(xué)者針對(duì)以上控制策略的不足，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，解決功率耦合和過(guò)度依賴通訊等問(wèn)題[55-56]。

6 結(jié)論

微電網(wǎng)是國(guó)網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)綠色可靠供電的有效途徑，其內(nèi)部的儲(chǔ)能系統(tǒng)可平抑新能源發(fā)電功率波動(dòng)，促進(jìn)新能源就地消納，保證微電網(wǎng)內(nèi)部電能質(zhì)量和供電可靠性。但微電網(wǎng)應(yīng)用中，PCS作為儲(chǔ)能介質(zhì)與電網(wǎng)和負(fù)荷間的接口設(shè)備仍存在較多問(wèn)題，主要體現(xiàn)多設(shè)備并聯(lián)的非線性特性、下垂控制的固有矛盾等。因此，應(yīng)用于微電網(wǎng)的PCS運(yùn)行控制有待深入展開(kāi)的工作有：1）研究解決低壓微電網(wǎng)PCS多機(jī)并聯(lián)應(yīng)用場(chǎng)合下，線路阻性成分占比較高造成的有功、無(wú)功功率耦合嚴(yán)重問(wèn)題；2）研究解決多臺(tái)PCS并聯(lián)帶來(lái)的環(huán)流抑制、諧振抑制、諧波功率均分等問(wèn)題；3）研究解決下垂控制的固有矛盾：功率均分與電壓控制精度的選擇控制問(wèn)題。