風光儲微電網(wǎng)控制策略研究

韓冰，邵如平，楊菠

（南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211816）

風光儲微電網(wǎng)控制策略研究

韓冰，邵如平，楊菠

（南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211816）

全球范圍內(nèi)能源危機的加深，使得以化石能源為根本的電力行業(yè)面臨著嚴重的威脅，而不斷爆發(fā)的大面積停電事故同時也已暴露出以“集中式發(fā)電”為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的缺陷。以分布式電源為主要組成部分的微電網(wǎng)具有環(huán)保節(jié)能、安全可靠、節(jié)約投資以及發(fā)電方式靈活等優(yōu)點，逐漸成為人們關(guān)注的熱點。從微電網(wǎng)的主從控制層面研究了其并、離網(wǎng)運行模式切換控制技術(shù)，提出了由功率環(huán)、電壓環(huán)、電流環(huán)三環(huán)構(gòu)成的協(xié)調(diào)控制策略。通過對系統(tǒng)并、離網(wǎng)運行模式之間的切換和負荷的投、切等情況下的運行特性進行仿真分析，驗證了控制策略的有效性。同時，依托溫州鹿西島風光儲微電網(wǎng)示范工程進行了并、離網(wǎng)切換現(xiàn)場試驗，為所研究的微電網(wǎng)控制策略的可行性提供了支持。

分布式電源；主從控制；微電網(wǎng)；控制策略

近年來，以新能源為主的分布式發(fā)電技術(shù)［1］（如光伏發(fā)電、風力發(fā)電、小型水力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等）憑借其靈活的發(fā)電方式、能源的可再生性和良好的環(huán)保性等突出優(yōu)點得到了快速發(fā)展［2-3］。為了促進新能源分布式發(fā)電的高效利用，世界上的許多國家例如美國、歐洲、日本和中國等都展開了微電網(wǎng)［4］（micro-grid）方面的相關(guān)研究，并建設(shè)了微電網(wǎng)示范工程，為微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、運行控制等方面的研究提供了一定的基礎(chǔ)。

根據(jù)我國的相關(guān)規(guī)定，微電網(wǎng)是一個由分布式電源（distributed generation，DG）、負荷、儲能設(shè)備、監(jiān)控和保護裝置等構(gòu)成的能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制和管理的小型發(fā)電配電系統(tǒng)［5］。微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間彼此互為備用，兩者通過公共連接點（point of common coupling，PCC）進行連接，實現(xiàn)功率的交換，可以有效地提高供電的整體質(zhì)量［6］。

微電網(wǎng)不僅能夠和大電網(wǎng)并網(wǎng)同步運行，而且能夠在檢測到大電網(wǎng)故障或者在大電網(wǎng)進行例行檢修時主動斷開和大電網(wǎng)的連接，切換到獨立運行模式。而且，目前微電網(wǎng)中采用的分布式電源大都為可再生能源或者清潔型能源，具有良好的環(huán)保性，能夠?qū)崿F(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展［7］。

1 微電網(wǎng)運行方式

微電網(wǎng)一般具有離網(wǎng)運行、并網(wǎng)運行兩種常態(tài)運行模式與離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)、并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)兩種暫態(tài)運行模式［8］。微電網(wǎng)不僅需要能夠在兩種常態(tài)運行模式下穩(wěn)定運行，而且也需要能夠保證兩種暫態(tài)運行模式的可靠性。圖1給出了微電網(wǎng)各個運行模式間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。

圖1 微電網(wǎng)運行模式Fig.1 Micro-grid operation mode

2 微電網(wǎng)控制策略

根據(jù)不同的運行模式，微電網(wǎng)采用的控制策略也不一樣。微電網(wǎng)的基本控制策略一般可以分為對等控制與主從控制兩種［9］。其他的微電網(wǎng)控制策略從原理上來說都可以歸納成這兩種，只是或多或少在對等或者主從的基礎(chǔ)上有一些改進。在采用對等控制策略的微電網(wǎng)中，各個分布式電源之間互相平等，其分別所連接的逆變器采用同樣的控制方式；在采用主從控制策略的微電網(wǎng)中，所有分布式電源中存在著1個主電源，其他都為從電源，由主電源對從電源進行協(xié)調(diào)控制。

3 主從控制并離網(wǎng)切換

采用主從控制策略的微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式與離網(wǎng)模式的切換過程中，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，要求主電源能夠在PQ控制和V/f控制之間快速、平滑地完成切換，從而實現(xiàn)微電網(wǎng)并、離網(wǎng)模式的無縫銜接。

文獻［10］提出了基于控制器狀態(tài)跟隨的微電網(wǎng)平滑切換控制方法，但是同時需要對控制器參數(shù)進行切換。文獻［11］中研究了微電網(wǎng)運行模式切換過程中的動態(tài)特性規(guī)律，并對切換控制器進行優(yōu)化以減小切換過程中的暫態(tài)振蕩。本文在此基礎(chǔ)之上，進行了一點改進，設(shè)計主電源逆變器的協(xié)調(diào)控制策略為由功率環(huán)、電壓環(huán)、電流環(huán)構(gòu)成的三環(huán)控制，通過模式選擇開關(guān)將PQ控制與V/f控制相統(tǒng)一，保證二者之間快速平滑切換，其控制方式切換原理如圖2所示。

圖2 控制方式切換原理Fig.2 Control mode switching principle

圖2中，ueer為輸出電壓實際值與參考值在d，q軸分量上的差值；fg,α分別為通過鎖相環(huán)得到的電網(wǎng)頻率值與電壓相位角；K1，K2，K3分別為模式選擇開關(guān)。

當微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行模式時，開關(guān)K1，K2，K3都撥到位置1處，此時逆變器采用PQ控制方式。將電壓環(huán)輸出的電流和功率環(huán)輸出的內(nèi)環(huán)電流參考值idref,iqref分別進行比較，然后把兩者的差值作為電壓環(huán)的輸入，這樣就使得電壓環(huán)的輸出電流能夠不斷地追蹤功率環(huán)輸出的內(nèi)環(huán)電流參考值，與之保持一致；同時加入存儲器，用于儲存由鎖相環(huán)前一時刻采樣得到的電網(wǎng)頻率fg和電網(wǎng)電壓相位角α,從而使得電壓控制環(huán)相位參考值θref與電網(wǎng)電壓相位θg相一致。

當微電網(wǎng)從并網(wǎng)運行切換到離網(wǎng)運行模式時，開關(guān)K1，K2，K3都撥到位置2處，逆變器采用V/f控制方式。此時，將實際輸出電壓和電壓參考值的差值ueer作為電壓環(huán)的輸入，然后通過PI控制器輸出內(nèi)環(huán)電流參考值。在切換過程中，由于存儲器的存在，使得切換完成后的電網(wǎng)頻率和電壓相位能夠保持與切換前最后一個時刻的采樣值相一致。

這種控制策略能夠減小切換過程中因電流參考值與電壓相位的變化而造成的電壓振蕩，實現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)模式與離網(wǎng)模式之間的平滑切換。

4 仿真分析

為了驗證微電網(wǎng)主從控制策略的控制性能，根據(jù)圖3所給出的仿真算例在Matlab/Simulink平臺中搭建了仿真模型，如圖4所示。

圖3 仿真算例Fig.3 Simulation examples

其中，DG1為主電源，DG2為從電源，DG1和DG2都用等效直流電壓源代替，且直流電壓udc= 800 V。當DG1和DG2在PQ控制方式下運行時，DG1的有功參考值為15 kW，無功參考值為2 kvar，DG2的有功參考值為10 kW，無功參考值為1.5 kvar。電網(wǎng)電壓為380 V，頻率為50 Hz，負荷S=(25+j3.5)kV·A。

圖4 基于主從控制的并、離網(wǎng)平滑切換仿真模型Fig.4 On and off-grid smooth switching simulation model based on master-slave control

4.1 并網(wǎng)-離網(wǎng)切換

微電網(wǎng)初始運行在并網(wǎng)狀態(tài)下，t=0.2 s時，負荷增加3 kW，t=0.5 s時微電網(wǎng)由并網(wǎng)運行切換到離網(wǎng)運行，t=0.8 s時，負荷減少4 kW，t=1 s時，負荷恢復(fù)為S=（25+j3.5)kV·A，t=1.2 s時，仿真結(jié)束。仿真結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，DG2的有功出力一直穩(wěn)定在其有功參考值10 kW，說明DG2一直在PQ控制策略下運行，無論微電網(wǎng)系統(tǒng)在何種運行方式下，或者負荷發(fā)生何種波動，其出力總是僅跟隨功率參考值進行波動變化。在t=0.5 s前，系統(tǒng)并網(wǎng)運行，DG1也在PQ控制策略下運行，與DG2類似的，其有功出力也穩(wěn)定在其有功參考值15 kW，在此過程中系統(tǒng)負荷t=0.2 s時增大的3 kW由大電網(wǎng)承擔；當t=0.5 s時，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開連接，DG1作為主電源其控制方式轉(zhuǎn)為V/f控制，為保證微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定，之后負荷在0.8 s時減少4 kW以及在1 s時回復(fù)額定狀態(tài)時的變化均由DG1來承擔。

在t=0.5 s系統(tǒng)由并網(wǎng)運行切換到離網(wǎng)運行時，系統(tǒng)需經(jīng)過很短一段時間的擾動后進入穩(wěn)定階段，這是由于狀態(tài)切換的同時對DG1的控制策略進行了相應(yīng)改變，根據(jù)系統(tǒng)電壓的波形結(jié)果，在切換瞬間電壓略有波動，但能夠迅速恢復(fù)正常，仿真過程中，系統(tǒng)頻率波動在（50±0.1）Hz內(nèi)，波動幅度很小，說明此控制策略可以保證微電網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式的切換過程中具有較好的效果，實現(xiàn)平滑切換。

圖5 并網(wǎng)—離網(wǎng)仿真結(jié)果Fig.5 Grid connected to off-grid simulation results

4.2 離網(wǎng)—并網(wǎng)切換

微電網(wǎng)初始運行在離網(wǎng)狀態(tài)下，t=0.2 s時，負荷增加3 kW，t=0.5 s時微電網(wǎng)由離網(wǎng)運行狀態(tài)切換到并網(wǎng)運行狀態(tài)，t=0.8 s時，負荷減少4 kW，t= 1 s時，負荷恢復(fù)為S=（25+j3.5)kV·A，t=1.2 s時，仿真結(jié)束。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 離網(wǎng)—并網(wǎng)仿真結(jié)果Fig.6 Off-grid to grid connected simulation results

與前個仿真類似，DG2一直處于PQ控制策略下，其有功輸出始終保持不變?yōu)橛泄⒖贾?。t=0.5s前，微電網(wǎng)運行在離網(wǎng)狀態(tài)下，此時DG1作為主電源使用V/f控制方式對其出力進行控制，當負荷變化時，負荷的缺額或盈余完全由DG1來承擔。當t=0.5s時，系統(tǒng)運行狀態(tài)進行切換后，DG1改為PQ控制，經(jīng)過一段時間后其輸出功率等于其功率參考值，而此時的負荷變化全部由大電網(wǎng)來承擔。仿真過程中，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在380V，頻率在0.5 s時有一個波動，總體維持在（50±0.1）Hz范圍內(nèi)，波動幅度很小。

相對于前個并網(wǎng)—離網(wǎng)仿真結(jié)果來看，在微電網(wǎng)從離網(wǎng)運行模式切換到并網(wǎng)運行模式時會需要較長一段時間的過渡期，這是由于微電網(wǎng)在同步并網(wǎng)前后電壓頻率和相位時需要一定的響應(yīng)時間來實現(xiàn)。因此，在今后的研究中，需要考慮如何縮短這個響應(yīng)時間。

5 現(xiàn)場試驗

本文依托溫州鹿西島風光儲微電網(wǎng)示范工程，進行了基于主從控制策略的并離網(wǎng)控制現(xiàn)場試驗。

鹿西島微電網(wǎng)系統(tǒng)包括：1）風機，2臺780 kW的雙饋異步風機經(jīng)升壓匯集后通過送出線路接至匯集母線處；2）光伏陣列，300 kW的光伏陣列經(jīng)升壓后直接接至匯集母線處（距離很近）；3）儲能，1 MW×2 h的鉛酸蓄電池儲能和500 kW× 30 s的超級電容器儲能經(jīng)雙向變流器再通過2臺升壓變壓器直接接至匯集母線（距離很近）；4）系統(tǒng)負荷，最高控制在500 kW，最低200 kW。

鹿西島微電網(wǎng)采用了本文中所研究的主從控制策略，其系統(tǒng)電氣接線方案如圖7所示。

圖7 鹿西島微電網(wǎng)系統(tǒng)電氣接線方案Fig.7 Luxi island micro-grid system electrical wiring scheme

利用鹿西島微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)現(xiàn)場進行并離網(wǎng)試驗，試驗過程中通過錄波器記錄波形文件（*.WDF）。

5.1 并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)試驗

采用Xviewer軟件對波形文件進行提取等操作分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 離網(wǎng)過程Fig.8 Off-grid process

圖8中曲線波形分別為微電網(wǎng)側(cè)電壓波形、大電網(wǎng)側(cè)電壓波形、并網(wǎng)信號波形及系統(tǒng)各個電流波形。

PCC處靜態(tài)開關(guān)從分閘時刻A開始接收到跳閘命令，經(jīng)過滅弧過程，約10 ms完成離網(wǎng)操作，離網(wǎng)后儲能裝置切換為V/f模式運行，作為微電網(wǎng)頻率源。

從離網(wǎng)波形可以看出，離網(wǎng)前大電網(wǎng)側(cè)電壓和微電網(wǎng)側(cè)電壓的相位相同，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)同步運行，離網(wǎng)后開始出現(xiàn)相位差，表明微電網(wǎng)與大電網(wǎng)分離，兩者異步運行，切換過程中微電網(wǎng)電壓沒有大幅度波動，實現(xiàn)了平滑無縫切換。

5.2 離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)試驗

用Xviewer軟件對該波形進行同樣操作，結(jié)果如圖9所示。

圖9 并網(wǎng)過程Fig.9 Grid connected process

圖9中曲線波形分別為微電網(wǎng)側(cè)電壓波形、大電網(wǎng)側(cè)電壓波形、并網(wǎng)信號波形及系統(tǒng)各個電流波形。

在B時刻接收到并網(wǎng)指令后，給靜態(tài)開關(guān)和儲能變流器發(fā)出同期調(diào)節(jié)指令，靜態(tài)開關(guān)閉合后給儲能變流器發(fā)模式切換指令，使其由V/f運行模式切換成P/Q運行模式。

從波形可以看出，并網(wǎng)前大電網(wǎng)側(cè)電壓和微電網(wǎng)側(cè)電壓存在相位差，接收到并網(wǎng)指令后，系統(tǒng)進行電壓相位調(diào)節(jié)，并網(wǎng)成功后微電網(wǎng)側(cè)與大電網(wǎng)側(cè)電壓相位重合，微電網(wǎng)跟隨主網(wǎng)運行，約60 ms完成并網(wǎng)，實現(xiàn)了離網(wǎng)運行到并網(wǎng)運行的無縫銜接。

6 結(jié)論

本文中研究了由功率環(huán)、電壓環(huán)、電流環(huán)三環(huán)構(gòu)成的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，以實現(xiàn)主從控制層面下的并離網(wǎng)平滑切換，并且設(shè)計了仿真算例，通過對系統(tǒng)并、離網(wǎng)運行模式之間的切換和負荷的投、切等情況下的運行特性進行了仿真分析，驗證了控制策略的有效性。

最后，依托溫州鹿西島風光儲微電網(wǎng)示范工程進行了并離網(wǎng)切換現(xiàn)場試驗，為本文所研究的微電網(wǎng)控制策略的可行性提供了支持。

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Research on Control Strategy Based on Wind/PV/Battery Microgrid

HAN Bing，SHAO Ruping，YANG Bo
（College of Electrical Engineering and Control Science，Nanjing Tech University，Nanjing211816，Jiangsu，China）

As energy crisis deepening worldwide，electric power industry based on fossil energy is facing a serious threat.And repeated outbreaks of large area blackout also have exposed the flaws of traditional power system structure based on“centralized power generation”.Distributed power，as the main component of the micro-grid，which has many advantages such as environmental protection and energy saving，safety and reliability，saving investment and flexible way to generating，etc.，is becoming the focus of people′s attention.And the tricyclic coordinated control strategy constituted by power loop，voltage loop and current loop was put forward.Through simulating and analyzing the operating characteristics of switching system between grid connected and off-grid working mode，load switching，so on and so forth conditions，the effectiveness of the control strategy is verified.Meanwhile，relying on the wenzhou luxi island micro-grid demonstration project，a field test switching between grid connected and off-grid has been carried out，which is as the support for micro-grid control strategy studied.

distributed power；subordinate control system；micro-grid；control strategy

TM712

A

10.19457/j.1001-2095.20161212

2015-11-25

修改稿日期：2016-08-23

韓冰（1992-），女，碩士研究生，Email：15251881304@163.com