光儲微電網(wǎng)并離網(wǎng)平滑切換控制策略研究

劉夢超， 王生鐵， 溫素芳

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

0 引言

近年，由太陽能、風(fēng)能等可再生能源組成的分布式電源得到迅速發(fā)展[1]，而微電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)各分布式電源能量輸出最大化。 微電網(wǎng)有并網(wǎng)和孤島兩種運行模式。其并網(wǎng)時向電網(wǎng)輸電，離網(wǎng)時能夠向周圍負(fù)荷自給供電。并網(wǎng)運行時，分布式電源采用PQ 控制， 電網(wǎng)向各分布式電源提供電壓和頻率參考；孤島運行（離網(wǎng)運行）時，在主從控制模式下，主電源采用V/f 或下垂控制，為從電源提供電壓和頻率參考，從電源仍然采用PQ 控制[2]～[5]。在并、離網(wǎng)切換的過程中，應(yīng)保證交流母線電壓偏差滿足ΔU≤±7%UN（額定電壓），頻率偏差滿足Δf≤0.1%fNHz[6]。

微電網(wǎng)的并、 離網(wǎng)平滑切換是最重要且最難實現(xiàn)[7]。 針對這一問題，文獻(xiàn)[8]采用了主從控制與對等控制相結(jié)合的方法， 提出一種下垂系數(shù)隨著微網(wǎng)電壓及頻率變化而變化的改進(jìn)式下垂控制，提高了微電網(wǎng)運行的可靠性。 文獻(xiàn)[9]通過對微電網(wǎng)孤島運行時的電壓相位積分控制， 并網(wǎng)時對電壓的相位、 幅值進(jìn)行控制， 實現(xiàn)離并網(wǎng)的平滑切換。 文獻(xiàn)[10]提出了一種基于主電源PQ 和V/f 控制輸出狀態(tài)同步跟隨的控制方法， 使微電網(wǎng)離網(wǎng)切換至并網(wǎng)運行模式時， 切換前后的輸出狀態(tài)相同，從而實現(xiàn)平滑切換，但沒有考慮微電網(wǎng)由并網(wǎng)切換到孤島運行模式時的暫態(tài)沖擊問題。

本文設(shè)計了光儲微電網(wǎng)蓄電池及光伏并離網(wǎng)控制策略，該策略在并、離網(wǎng)切換中，共用內(nèi)環(huán)，切換外環(huán)，同時對外環(huán)輸出的電流參考值進(jìn)行補償，并對預(yù)同步控制進(jìn)行了改進(jìn)， 使蓄電池PQ 控制中的有功功率參考值跟隨蓄電池的功率輸出，使其在切換前后的狀態(tài)相同， 以達(dá)到平滑切換的目的，并通過Matlab 軟件對本文所提出的控制策略進(jìn)行驗證。

1 光儲微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及控制原理

1.1 光儲微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光儲微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of microgrid with PV and energy storage

蓄電池和光伏通過雙級式變換器輸出電壓，經(jīng)過LC 濾波器濾波， 通過公共連接點 （Point of Common Coupling，PCC）將電能輸入電網(wǎng)，微網(wǎng)端接入關(guān)鍵性負(fù)荷和非關(guān)鍵性負(fù)荷。并網(wǎng)運行時，蓄電池和光伏采用PQ 控制。 當(dāng)檢測到孤島信號，蓄電池切換至V/f 控制， 光伏根據(jù)微網(wǎng)運行狀態(tài)采用最大功率點跟蹤 （Maximum Power Point Tracking，MPPT） 或 負(fù) 載 功 率 跟 蹤 控 制（Load Power Tracking Control，LPTC）；電網(wǎng)恢復(fù)時，接收到并網(wǎng)信號，預(yù)同步開始工作，滿足并網(wǎng)條件時，預(yù)同步退出工作，蓄電池切換至PQ 控制。

1.2 蓄電池控制原理

蓄電池控制原理如圖2 所示。

圖2 儲能控制原理Fig.2 Schematic diagram of energy storage control

圖中蓄電池前級采用Buck-Boost 電路實現(xiàn)充放電，后級采用PQ 或V/f 控制。 本文將蓄電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）設(shè)置為0.3～0.9。并網(wǎng)運行時， 蓄電池采用PQ 控制， 通過給定值Pref對蓄電池進(jìn)行恒功率充電。當(dāng)檢測到孤島信號時，調(diào)節(jié)Pref值來控制蓄電池充放電功率。 為使微電網(wǎng)側(cè)功率達(dá)到平衡， 減小流經(jīng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（Static Transfer Switch，STS）電流，使其達(dá)到允許切換閾值。 此時STS 斷開， 蓄電池切換至V/f 控制。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)并接收到并網(wǎng)信號時，啟動預(yù)同步控制，調(diào)節(jié)微網(wǎng)側(cè)電壓的幅值、相位，當(dāng)滿足切換條件時，預(yù)同步控制退出工作，此時STS 閉合，蓄電池切換至PQ 控制。

1.3 光伏控制原理

光伏控制原理如圖3 所示。

圖3 光伏控制原理Fig.3 Schematic diagram of PV control

光伏前級采用Boost 電路， 后級采用全橋逆變電路。 前級根據(jù)微電網(wǎng)運行模式及其能量流動狀況， 選擇MPPT 或LPTC 模式來控制光伏的功率輸出。 并網(wǎng)運行時，光伏采用MPPT 控制模式，后級PQ 控制功率參考值Pref由MPPT 輸出功率給定。 離網(wǎng)運行時，蓄電池SOC＞0.9 且光伏的輸出功率大于負(fù)載時，采用LPTC 模式，光伏輸出功率參考值由后級PQ 控制Pref給定。

2 光儲微電網(wǎng)并離網(wǎng)平滑切換控制策略

2.1 蓄電池并離網(wǎng)控制策略

并網(wǎng)運行時，蓄電池前級采用Buck-Boost 雙向DC/DC 變換器充放電，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 蓄電池前級變換器控制圖Fig.4 Control diagram of battery front stage converter

直流側(cè)電壓Udc與參考值Udref作差， 經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到電流參考值Ibref，與蓄電池輸出電流Ib作差，再通過PI 調(diào)節(jié)輸出控制信號，經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）得到驅(qū)動信號控制Buck-Boost 電路充放電。

蓄電池后級采用PQ 控制，派克變換中選取d軸與電壓矢量同方向，q 軸電壓分量為0， 此時有功功率只與id有關(guān)，無功功率只與iq有關(guān)，功率參考值分別與網(wǎng)側(cè)電壓dq 分量進(jìn)行計算，可得電流參考值為

電流內(nèi)環(huán)采用典型內(nèi)環(huán)控制器， 網(wǎng)側(cè)電流瞬時值經(jīng)過派克變換后，得到id，iq與對應(yīng)的電流參考值做差，再通過PI 控制進(jìn)行電壓前饋解耦和交叉耦合補償，輸出電壓控制信號usd1和usq1，電流環(huán)控制方程為

根據(jù)式（1）～（4）可以得到PQ 控制結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。

圖5 PQ 控制模式下的控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Diagram of control structure in PQ control mode

離網(wǎng)運行時，蓄電池前級控制不變，后級采用V/f 控制，為其它分布式電源提供電壓和頻率的參考。 逆變器輸出的頻率由控制器內(nèi)部參考正弦信號生成，同理，在派克變換中選取d 軸與電壓矢量同方向， 此時蓄電池網(wǎng)側(cè)經(jīng)LC 濾波器輸出電壓的d，q軸有效值Udref為380 V，Uqref為0 V。

在恒壓控制上， 采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，電壓外環(huán)控制方程為

電流內(nèi)環(huán)和PQ 控制的電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)相同，不再贅述。蓄電池V/f 控制策略的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 V/F 控制模式下的控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Diagram of control structure in V/f control mod

2.2 光伏并離網(wǎng)控制策略

光伏在微電網(wǎng)并離網(wǎng)過程中， 前級Boost 電路采用MPPT 和LPTC 兩種控制模式， 其具體控制結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 光伏前級控制結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Control diagram of PV front stage converter

并網(wǎng)運行時， 開關(guān)S1接通， 光伏處于MPPT工作模式，后級PQ 控制的Pref由前級MPPT 輸出功率給定。 測量光伏電壓Upv和電流Ipv， 通過MPPT 算法得到最大功率點電壓Uref與Upv作差。經(jīng)過PI 控制得到的占空比D，通過PWM 調(diào)制產(chǎn)生驅(qū)動信號來控制Boost 電路； 孤島運行時，蓄電池的SOC＞0.9，且光伏輸出功率大于負(fù)載功率時，開關(guān)S2接通，光伏處于LPTC 工作模式，參考值Pref由后級PQ 控制給定，測量光伏電壓Upv和電流Ipv，通過LPTC 算法計算出負(fù)載功率跟蹤點電壓Uref與UPV做差，經(jīng)過PI 控制得到的占空比D，通過PWM 調(diào)制產(chǎn)生驅(qū)動信號來控制Boost 電路。

光伏在微電網(wǎng)并離網(wǎng)過程中，光伏后級采取PQ 控制保持不變，光伏源PQ 控制結(jié)構(gòu)原理與蓄電池PQ 控制相同，不再贅述。

2.3 光儲微電網(wǎng)并離網(wǎng)切換控制策略的改進(jìn)

微電網(wǎng)并網(wǎng)切換至孤島時， 蓄電池由PQ 控制切換至V/f 控制。 切換前PQ 控制中電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出結(jié)果已達(dá)到穩(wěn)態(tài)；切換至V/f 控制時，PI 調(diào)節(jié)器輸出須要逐步到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)，此過程須要一定的時間且會引起相關(guān)量在切換過程中的突變。 根據(jù)并離網(wǎng)控制器的結(jié)構(gòu)，它們擁有相同的電流環(huán)，將兩者的控制結(jié)構(gòu)改進(jìn)為如圖8 所示。

圖8 運行模式控制策略改進(jìn)示意圖Fig.8 Diagram of operation mode control strategy improvement

在并離網(wǎng)切換中，只切外環(huán)，共用內(nèi)環(huán)。 在并網(wǎng)切換至孤島運行時，V/f 控制器的輸出電壓控制信號為PQ 控制器輸出的電壓控制器Usd1和Usd2，能夠有效的減小切換過程中的暫態(tài)沖擊。

在切換過程中須要增加電壓外環(huán)，切換后V/f電流參考值i2須要經(jīng)過電壓環(huán)PI 調(diào)節(jié)器逐步調(diào)節(jié)，為此引入電流參考補償方程，即：

微電網(wǎng)重新并網(wǎng)時，蓄電池網(wǎng)側(cè)變換器輸出已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)態(tài)， 輸出的電流參考值為idref3和iqref3。為了實現(xiàn)平滑切換，PQ 控制器的電流輸出參考值選取為

通過給定Pref值跟隨孤島運行時蓄電池的輸出功率，即可滿足式（9），（10）。并網(wǎng)電流輸出參考值為孤島運行的實際輸出電流， 可以減小切換過程中的暫態(tài)沖擊。

蓄電池并離網(wǎng)切換控制器結(jié)構(gòu)如圖9 所示。當(dāng)Switch 為1 時，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行；當(dāng)Switch 為0時，微電網(wǎng)孤島運行。

圖9 平滑切換結(jié)構(gòu)框圖Fig.9 Structure diagram of smooth switching

2.4 預(yù)同步控制

電網(wǎng)故障恢復(fù)，微電網(wǎng)接收到并網(wǎng)信號，啟動預(yù)同步控制， 使孤島模式運行中微電網(wǎng)電壓的幅值、頻率、相位與電網(wǎng)同步再進(jìn)行并網(wǎng)。

本文對傳統(tǒng)預(yù)同步控制器進(jìn)行改進(jìn)， 結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 預(yù)同步控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.10 Structure diagram of pre-synchronous controller

檢測裝置檢測電網(wǎng)的電壓信號。 經(jīng)過派克變換得到d 軸分量ug_d與網(wǎng)側(cè)輸出電壓信號作差。經(jīng)過PI 控制得到偏差信號ΔU 來調(diào)節(jié)微電網(wǎng)輸出信號udref，從而實現(xiàn)電壓幅值的預(yù)同步。 將檢測的電網(wǎng)相角θg與微網(wǎng)側(cè)的相角做差， 經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器輸出Δθ 來調(diào)節(jié)微電網(wǎng)端相角θm， 最終輸出相角值θref。 通過控制Δθ 的輸出θ，可以間接改變微電網(wǎng)頻率上升或下降的速率， 避免上升速率過大而對微電網(wǎng)系統(tǒng)造成沖擊， 具有更好的平滑性及可控性。

3 微電網(wǎng)并離網(wǎng)平滑切換控制流程

本文微電網(wǎng)并、離網(wǎng)平滑切換如圖11 所示。

圖11 平滑切換流程圖Fig.11 Flowchart diagram of smooth switching

并網(wǎng)運行時，蓄電池采用PQ 控制，估算蓄電池的荷電狀態(tài)（SOC），當(dāng)SOC＜0.9 時，蓄電池處于恒功率充電，當(dāng)SOC≥0.9 時，蓄電池以250 W 的功率進(jìn)行浮充， 光伏在MPPT 控制下最大限度輸出功率。

當(dāng)檢測到孤島信號時， 微電網(wǎng)中心控制器檢測STS 的電流。 若靜態(tài)開關(guān)點的電流沒有達(dá)到允許切換電流的閾值， 則增大或減小蓄電池的輸出功率，以滿足切換電流的閾值，靜態(tài)開關(guān)點動作，蓄電池切換至V/f 控制。

孤島運行時：①當(dāng)蓄電池SOC＜0.3，且光伏的輸出功率小于負(fù)載功率，切掉非關(guān)鍵性負(fù)載，若光伏的輸出功率大于負(fù)載功率， 光伏運行在MPPT模式； ②當(dāng)0.3＜SOC＜0.9， 光伏運行在MPPT 模式；③當(dāng)SOC＞0.9，且光伏的輸出功率大于負(fù)載功率，光伏運行在LPTC 模式，此時光伏的輸出功率等于負(fù)載功率。

當(dāng)檢測到并網(wǎng)信號時， 預(yù)同步開始工作，PQ控制器給定的Pref參考值跟隨蓄電池的輸出功率；當(dāng)微網(wǎng)電壓的幅值、相位滿足切換要求時，預(yù)同步退出工作，靜態(tài)開關(guān)點動作，蓄電池由V/f 控制切換到PQ 控制。

4 仿真結(jié)果及分析

在Matlab/Simulink 環(huán)境下搭建微電網(wǎng)仿真模型。 參數(shù)設(shè)置如下：直流母線電壓720 V，交流母線電壓380 V，頻率f 為50 Hz，關(guān)鍵性負(fù)載為4 kW，非關(guān)鍵性負(fù)載為4 kW，光伏工作在標(biāo)稱條件下（溫度為25 ℃，太陽輻射為1 000 W/m2）且功率因數(shù)為1。蓄電池網(wǎng)側(cè)濾波電感為0.6 mH，濾波電容為170 μF；光伏網(wǎng)側(cè)濾波電感為5 mH，濾波電容為17 μF。

4.1 并網(wǎng)切換至孤島運行模式的仿真結(jié)果

本文光儲微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式切換至孤島模式的結(jié)果如圖12 所示。

圖12 并網(wǎng)切換到孤島仿真波形圖Fig.12 Simulation waveforms of microgrid switched from gridconnected to islanded operation mode

由圖12 可知，光伏在MPPT 工作模式下輸出功率為6 kW，0～0.5 s 時， 蓄電池采用PQ 控制并以6 kW 的功率進(jìn)行恒功率充電。 0.5 s， 蓄電池SOC 達(dá)到了0.9， 蓄電池以250 W 的功率進(jìn)行浮充。 1.8 s 時檢測到孤島信號，蓄電池需要平衡微網(wǎng)端的功率，降低流經(jīng)STS 電流，蓄電池放電功率為2 kW，此時STS 無電流流過，達(dá)到了允許切換的閾值。 1.85 s 時STS 斷開，蓄電池切換至V/f控制，為光伏源提供電壓相位和頻率的參考。

常規(guī)切換時電壓偏差ΔU≈±60%UN， 電流偏差ΔI≈±34%IN。 使用了平滑切換控制策略后，電壓偏差ΔU≈±0.3%UN，電流偏差ΔI≈±0.2%IN，有效的降低了并離網(wǎng)切換過程中的暫態(tài)電壓、 電流沖擊，滿足切換的要求。

4.2 孤島切換至并網(wǎng)運行模式的仿真結(jié)果

光儲微電網(wǎng)孤島切換至并網(wǎng)運行模式仿真結(jié)果如圖13 所示。

圖13 儲微電網(wǎng)孤島切換至并網(wǎng)運行模式仿真結(jié)果Fig.13 Simulation waveforms of microgrid switched from islanded to grid-connected operation mode

由圖13 可知，0～0.2s， 光伏在MPPT 工作模式下輸出功率為6 kW，負(fù)載功率為8 kW，蓄電池輸出功率為2 kW。 0.2 s， 負(fù)載由8 kW 下降至4 kW，由于蓄電池SOC＜0.9，光伏運行在MPPT 模式，蓄電池吸收功率為2 kW。 0.75 s，蓄電池SOC達(dá)到了0.9，光伏切換至LPTC 模式，輸出功率為4 250 W， 其中250 W 是為了抵消蓄電池的自耗功率。 1.3 s， 負(fù)載由4 kW 增至8 kW， 光伏切換至MPPT 模式。 1.65 s，接收到并網(wǎng)信號，啟動預(yù)同控制，同時蓄電池PQ 控制的功率參考值Pref跟隨此時刻蓄電池的輸出功率。1.7 s，微電網(wǎng)電壓滿足離網(wǎng)向并網(wǎng)切換的要求，此時預(yù)同步退出工作，STS閉合，蓄電池切換至PQ 控制。 1.72 s，蓄電池以6 kW 的功率進(jìn)行充電， 當(dāng)蓄電池的荷電態(tài)達(dá)到了0.9 時，進(jìn)行浮充電。常規(guī)切換時無電壓沖擊，但電流偏差ΔI≈±583%IN， 使用了平滑切換控制策略后，電流偏差ΔI≈±0.2%IN，有效的降低了離并網(wǎng)切換過程中的暫態(tài)電流沖擊，滿足切換的要求。

5 結(jié)論

本文針對光儲微電網(wǎng)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，接收到孤島信號，主電源調(diào)節(jié)其輸出功率，減小并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)點的電流，使其達(dá)到允許切換的閾值。分析并離網(wǎng)切換過程中的產(chǎn)生暫態(tài)沖擊的原因，根據(jù)切換前后控制策略的結(jié)構(gòu)， 對控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，實現(xiàn)前后控制策略的切換中，只切外環(huán)，共用電流內(nèi)環(huán)，并引入電流補償。減小并網(wǎng)切換至孤島運行模式的暫態(tài)沖擊。 對預(yù)同步控制進(jìn)行了改進(jìn)， 同時讓蓄電池PQ 控制中的有功功率參考值跟隨蓄電池的功率輸出， 使其在切換前后的狀態(tài)相同。給出了光儲微電網(wǎng)并離網(wǎng)切換詳細(xì)流程圖，并對此進(jìn)行仿真實驗，在仿真實驗中，光儲微電網(wǎng)無論是并網(wǎng)切換到離網(wǎng)， 還是離網(wǎng)切換到并網(wǎng)的過程中，都沒有較大的暫態(tài)沖擊，驗證了光儲微電網(wǎng)并離網(wǎng)平滑切換控制策略的可行性。