基于主從結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)平滑切換控制方法分析

胡森 葛鵬 李迎龍

摘? 要：微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行和孤島運行模式的平滑切換控制是微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的重要條件，對于微電網(wǎng)的可靠安全運行具有重要意義。為此，文章建立了基于主從結(jié)構(gòu)的光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)，在分析逆變器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出一種綜合控制方法;根據(jù)微電網(wǎng)切換過程中存在的問題，采用基于狀態(tài)跟隨和預(yù)同步的方法實現(xiàn)微電網(wǎng)雙模式運行的平滑切換控制，并在MATLAB/Simulink仿真平臺上建立模型進(jìn)行仿真驗證，仿真結(jié)果表明了所提控制方法的有效性。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng);并網(wǎng)模式;孤島模式;平滑切換

中圖分類號：TM732 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）10-0007-04

Abstract： The smooth switching control of the micro-grid in the grid-connected operation mode and the island operation mode is an important condition for the stable operation of the micro-grid， which is of great significance for the reliable and safe operation of the micro-grid. Therefore， this paper establishes a micro-grid system based on master-slave structure， and proposes an integrated control method based on the analysis of inverter structure. According to the problems existing in the micro-grid switching process， the smooth switching control of the micro-grid dual-mode operation is implemented based on the state following and pre-synchronization methods， and the model is built on the MATLAB/Simulink simulation platform for simulation verification. The simulation results show the effectiveness of the proposed control method.

Keywords： micro-grid; grid-connected mode; island mode; smooth switching

引言

伴隨著能源危機(jī)的日益加重及傳統(tǒng)大電網(wǎng)的不足之處日漸顯露，人們迫切需要尋找一種更加清潔、可靠、高效的發(fā)電技術(shù)[1-2]。而目前分布式發(fā)電技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，于是相關(guān)的學(xué)者及專家便提出了微電網(wǎng)的概念[3]。微電網(wǎng)是集分布式電源、儲能設(shè)備、負(fù)荷、中央控制器和保護(hù)裝置為一體的發(fā)電方式，分為并網(wǎng)運行和孤島運行兩種運行模式[4-5]。在無故障狀態(tài)下，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行;當(dāng)大電網(wǎng)非正常運行或需要維護(hù)時，微電網(wǎng)就會斷開和大電網(wǎng)的連接轉(zhuǎn)而進(jìn)入孤島運行模式;如果大電網(wǎng)故障得以排除并正常運行時，微電網(wǎng)重新連接大電網(wǎng)恢復(fù)到并網(wǎng)運行模式。由此可以看出，微電網(wǎng)雙模式的平滑切換對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要[6-7]。由于主從結(jié)構(gòu)在孤島運行時系統(tǒng)的電壓和頻率能夠得以穩(wěn)定，因此實際工程中微電網(wǎng)都是以主從結(jié)構(gòu)為主。文獻(xiàn)[8]中提及主逆變器在并網(wǎng)運行時采用PQ控制，在離網(wǎng)運行時采用V/f控制，在切換過程中由于控制方式的改變會引起電壓、頻率及功率有較大的沖擊，不滿足微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。本文采用基于狀態(tài)跟隨和預(yù)同步的方法進(jìn)行微電網(wǎng)的切換控制，實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)并離網(wǎng)的平滑切換。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所研究的微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，微電源與負(fù)荷組成的微網(wǎng)系統(tǒng)和配電網(wǎng)相連接，通過控制公共連接點PCC的開通與關(guān)斷實現(xiàn)微電網(wǎng)的并網(wǎng)與孤島運行。

2 微電網(wǎng)主從控制策略

微電網(wǎng)的主從控制是指微網(wǎng)孤島運行時，其中的一個或幾個為主控微電源，其他的為從控微電源，主控源向從控源提供電壓和頻率的參考，用以維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。目前主要有3種控制方式：恒功率控制（PQ控制）、恒壓/恒頻控制（V/f控制）、下垂控制（droop控制）。PQ控制用以實現(xiàn)微電源的恒功率輸出，對于風(fēng)機(jī)、光伏等這些不可控微電源來說，能夠保證功率的最大利用;像微型燃汽輪機(jī)、燃料電池等這樣的可控性微電源，可以采取V/f控制來保證恒壓恒頻輸出以確保在孤島運行時微電網(wǎng)有穩(wěn)定的電壓和頻率得以支撐。

2.1 微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時控制策略

微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，因為大電網(wǎng)維持了微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定而不必依靠微電源自身來維系，因此微電源都采用PQ控制來實現(xiàn)能源的最大利用。PQ控制原理圖如圖2所示，逆變器的三相瞬時電壓電流經(jīng)派克變換后得到dq軸下的vdq和idq，從而獲得瞬時功率P和Q，經(jīng)過低通濾波器后分別與參考信號Pref和Qref進(jìn)行比較，最后通過PI控制得到電流內(nèi)環(huán)的參考信號idref和iqref。在內(nèi)環(huán)控制中，id、iq分別與idref、iqref比較后經(jīng)過PI控制，同時通過電壓前饋和交叉耦合補(bǔ)償后輸出調(diào)制信號。

2.2 微電網(wǎng)孤島運行時控制策略

微電網(wǎng)在孤島運行時，因為沒有了大電網(wǎng)的支撐，微電網(wǎng)運行將變得很不穩(wěn)定，電壓和頻率會產(chǎn)生震蕩，在并離網(wǎng)切換時容易使微電網(wǎng)崩潰，因此在孤島運行時，主控源即儲能電源需切換到V/f控制來維持微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定，光伏電源仍使用PQ控制方式。V/f控制原理圖如圖3所示，由鎖相環(huán)得到的系統(tǒng)頻率f與參考頻率fref作比較后得到的頻率差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后形成有功功率的參考信號Pref;同樣的，系統(tǒng)的電壓U與參考電壓Uref作比較后得到的電壓差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后形成無功功率的參考信號Qref。Pref和Qref分別與經(jīng)過低通濾波器的P和Q比較后得到的功率差最后通過PI控制得到電流內(nèi)環(huán)的參考信號idref和iqref。

2.3 并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島的平滑切換

當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，儲能電源逆變器使用的是PQ控制，當(dāng)孤島檢測到微電網(wǎng)獨立運行時，需立即切換控制方式為V/f控制。當(dāng)運行在PQ控制時，PQ控制器輸出的電流內(nèi)環(huán)參考信號到內(nèi)環(huán)控制器，而此時V/f控制器輸出信號為零。當(dāng)切換到孤島運行模式時，PQ控制器退出運行，此時V/f控制器參與運行，其控制信號被瞬間切入，于是電流內(nèi)環(huán)的輸入信號由某一數(shù)值瞬間變?yōu)榱?。因此，在微電網(wǎng)雙模式切換時，電壓和頻率會產(chǎn)生比較大的震動。

至于怎樣防止因模式切換輸出狀態(tài)的不吻合導(dǎo)致的微電網(wǎng)系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，對主控源選取基于控制器負(fù)反饋狀態(tài)跟隨的平滑切換方法，其原理如圖4所示。并網(wǎng)運行時，K1和K4閉合，K2和K3斷開，此時儲能電源逆變器采用的是PQ控制，用一個負(fù)反饋信號將V/f控制器的輸出與PQ控制器的輸出疊加作為V/f控制器的輸入信號，再經(jīng)過PI控制器作無差調(diào)節(jié)后使得V/f的輸出狀態(tài)與PQ控制器的輸出狀態(tài)保持一致。當(dāng)轉(zhuǎn)換為孤島運行時，K1和K4斷開，K2和K3閉合，這個時候PQ控制器退出運行，V/f控制器切入系統(tǒng)中，因為V/f控制器的輸出狀態(tài)與切換前的PQ控制輸出狀態(tài)一致，因此實現(xiàn)了微電網(wǎng)并網(wǎng)到孤島的平滑切換。

2.4 孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)的平滑切換

微電網(wǎng)運行在孤島模式時，主控逆變器為微電網(wǎng)提供了電壓和頻率，所以其與大電網(wǎng)的電壓和頻率也會存在一定差異。若微電網(wǎng)系統(tǒng)接收到并網(wǎng)信號后就立即并網(wǎng)，其與大電網(wǎng)的電壓及頻率的差異會造成強(qiáng)大的沖擊，嚴(yán)重影響微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。因此，在并網(wǎng)前，最重要的就是預(yù)同步控制，讓微電網(wǎng)的電壓幅值、相位以及頻率與大電網(wǎng)保持相同，使其滿足并網(wǎng)條件。

預(yù)同步控制可以分為電壓預(yù)同步和相位預(yù)同步，將電網(wǎng)電壓作為參考值，逆變器輸出的電壓幅值在預(yù)同步過程中逐漸與電網(wǎng)電壓相同。因為微電網(wǎng)的電壓通過派克變換后q軸的電壓分量為零，所以在電壓預(yù)同步過程中只要求d軸分量與電網(wǎng)電壓同步。電壓預(yù)同步控制如圖5所示，大電網(wǎng)電壓經(jīng)過派克變換后取d軸分量，因為大電網(wǎng)的電壓等級和微電網(wǎng)的不同，于是便引入了電壓等級因子K，然后與逆變器輸出的d軸電壓udinv作比較后的電壓差再由PI控制器得到電壓補(bǔ)償值udsyn，最后與大電網(wǎng)參考電壓疊加后形成新的參考電壓。相位預(yù)同步如圖6所示，大電網(wǎng)的相位與逆變器相位的差值Δθ通過PI調(diào)節(jié)后得到角頻率的補(bǔ)償值ωc。若θg>θ，則ωc>0，于是角頻率將會變大，使得逆變器的輸出相位不斷逼近大電網(wǎng)的相位，相反也是一樣。當(dāng)大電網(wǎng)的相位與逆變器輸出的相位一致時，補(bǔ)償值將不會變化，預(yù)同步完成。補(bǔ)償后的角頻率通過積分后形成相角值，最后和2π取模形成最終的逆變器相角值。

3 仿真與分析

3.1 仿真參數(shù)

本文在MATLAB/Simulink仿真平臺中搭建了圖1 所示的主從結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)系統(tǒng)模型，因為本文的重點為微電網(wǎng)的平滑切換研究，所以微電源以兩個等效直流源代替，其主要參數(shù)設(shè)置如下：主電源逆變器并網(wǎng)時為10kW、2kVar;從逆變器為50kW、10kVar;總負(fù)荷為90kW、18kVar。微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓為380V，直流側(cè)電壓為800V，頻率為50Hz。

3.2 運行模式切換仿真分析

4 結(jié)論

微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤島運行模式的平滑切換是微電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運行的基本保證。針對微電網(wǎng)主從結(jié)構(gòu)的特點，采用了并網(wǎng)模式下主從微電源都為恒功率控制方式;孤島模式下，主控微電源切換為恒壓恒頻控制，而從控微電源的控制方式不變。在并網(wǎng)到離網(wǎng)的切換過程中，引進(jìn)了控制器狀態(tài)跟隨的控制方式;在離網(wǎng)到并網(wǎng)的過程中，加入了預(yù)同步控制，使得微電網(wǎng)的電壓和頻率與大電網(wǎng)保持一致，完成并網(wǎng)過程。最后在MATLAB/Simulink仿真平臺上搭建光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)模型來驗證所提出的控制方法。仿真結(jié)果表明，在微電網(wǎng)并離網(wǎng)切換過程中，能夠保持系統(tǒng)的功率平衡，電壓和頻率都被控制在允許范圍之內(nèi)，實現(xiàn)了微電網(wǎng)的平滑切換。

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