基于二自由度的光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行模式的無縫切換

摘要：提出了一種基于儲(chǔ)能逆變器控制的微電網(wǎng)無縫切換控制策略。根據(jù)光儲(chǔ)微電網(wǎng)不同運(yùn)行模式下的控制目標(biāo)為儲(chǔ)能逆變器的控制層提供并網(wǎng)點(diǎn)電壓的參考量，利用二自由度控制原理、被控制對(duì)象逆模型結(jié)合模型電流預(yù)測(cè)控制使得儲(chǔ)能逆變器控制單元部分傳遞函數(shù)“單位化”，消除微電網(wǎng)在不同控制目標(biāo)下控制結(jié)構(gòu)的差異，最終實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行模式之間的無縫切換，而且減少了PI控制器的使用，省去了PWM過程。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能逆變器、二自由度、無縫切換

0引言

然而，隨著人們對(duì)于供電可靠性、靈活性以及能源利用率要求不斷提高，微電網(wǎng)不再是希望在故障時(shí)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的讓分布式發(fā)電系統(tǒng)停機(jī)，而是希望其能夠獨(dú)立的為負(fù)載供電，這就要求微電網(wǎng)能夠在并網(wǎng)/孤島運(yùn)行的雙模式間可以平滑切換，避免暫態(tài)震蕩對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

文獻(xiàn)[1]提出了一種基于PI控制器從電源容量與負(fù)荷匹配度的控制策略來減小運(yùn)行模式切換過程中的暫態(tài)振蕩。文獻(xiàn)[2]提出通過持續(xù)監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)端和微電網(wǎng)端之間的電壓、頻率以及相位角之間的變化來實(shí)現(xiàn)低壓的無縫對(duì)接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的智能控制。

1 光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行模式的無縫切換

光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)是通過公共連接點(diǎn)（point of common coupling，PCC）與大電網(wǎng)建立聯(lián)系，根據(jù)PCC的連接與否來判斷并網(wǎng)和孤島運(yùn)行兩種模式的切換。正常情況下，PCC點(diǎn)并網(wǎng)開關(guān)閉合工作在并網(wǎng)模式下，但若出現(xiàn)大電網(wǎng)嚴(yán)重故障情況時(shí)，就需要PCC點(diǎn)斷開使光儲(chǔ)微電網(wǎng)工作在孤島模式。因此，為了保證雙方電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，就需要在兩種模式切換過程實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，平滑切換[3]。

2 基于二自由度控制算法控制層設(shè)計(jì)

PI控制器由于其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)和易于工程實(shí)現(xiàn)而被大量使用[4-5]。。但是微電網(wǎng)慣性小，容易受到環(huán)境的影響而對(duì)逆變器的動(dòng)態(tài)相應(yīng)要求很高，傳統(tǒng)的PI控制往往難以滿足高精度和高抗擾性的要求。此時(shí)二自由度這種可以獨(dú)立調(diào)節(jié)目標(biāo)抗擾性和跟隨性的思想應(yīng)運(yùn)而生。

本文提出的二自由度控制系統(tǒng)如圖2所示，其中前饋控制器為GFF（s），輸入信號(hào)與實(shí)際輸出信號(hào)間的誤差用E（s）表示。根據(jù)二自由度原理圖，可以得出輸入與輸出、輸入與誤差間傳遞函數(shù)：

根據(jù)式（2）可以看出：增加前饋控制器，利用系統(tǒng)模型和參考信號(hào)信息等提高系統(tǒng)跟蹤控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度;以誤差E（s）作為反饋控制器的輸入，通過反饋控制器補(bǔ)償跟蹤控制誤差，保證系統(tǒng)的抗干擾性能與魯棒性，同時(shí)能夠減小反饋控制在控制帶寬上的限制。根據(jù)式（2），令GFF（s）=[P（s）]-1，則：

此時(shí)系統(tǒng)輸出量能夠完全追蹤輸入量，消除帶寬限制，可以通過C（s）調(diào)節(jié)可以最優(yōu)控制擾動(dòng)信號(hào)D（s）。

3光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換仿真

本節(jié)基于Matlab/Smulink搭建如圖3所示的微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，對(duì)所提出的基于算法的微電網(wǎng)無縫切換策略進(jìn)行驗(yàn)證。

假設(shè)開關(guān)S1_1和S1_2在0.5s時(shí)斷開，光儲(chǔ)微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行狀態(tài)。光伏電源和負(fù)荷在狀態(tài)切換過程中保持不變。系統(tǒng)頻率也因?yàn)檫\(yùn)行模式切換發(fā)生了較大波動(dòng)。圖4給出光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)切換過程中各狀態(tài)量變化曲線。從圖4 （a）中可以看出光儲(chǔ)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)采取PQ控制策略，此時(shí)A_1點(diǎn)的輸出功率為：，。0.5s時(shí)，光儲(chǔ)微電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為孤島運(yùn)行狀態(tài)，儲(chǔ)能裝置需要為整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐，此時(shí)A_1點(diǎn)的輸出功率變?yōu)椋?img alt="" height="25" src="file：///C：/Users/ADMINI～1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.gif" width="98"/>，。從圖4 （b）中可以看出，光儲(chǔ)微電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率只在運(yùn)行狀態(tài)切換過程中存在不超過0.2Hz的最大頻率波動(dòng)量，且在進(jìn)入孤島穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，系統(tǒng)的頻率偏差Δf小于0.1Hz，充分滿足了微電網(wǎng)孤島運(yùn)行狀態(tài)對(duì)頻率的要求。從圖4 （c）中可以看出，光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)切換過程中的微電網(wǎng)交流母線電壓幅值與相位均實(shí)現(xiàn)平滑過渡，電壓偏差遠(yuǎn)小于7%UN，并且能夠快速跟隨電壓參考值，滿足了微電網(wǎng)孤島運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電壓的要求。從圖4 （d）可以看出，當(dāng)微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出電流變化很平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)過流現(xiàn)象。為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于廣義控制算法的改進(jìn)孤島下垂控制策略的抗擾動(dòng)性，假設(shè)t=0.8s時(shí)，外界光照強(qiáng)度由1000W/m2變?yōu)?00W/m2。此時(shí)光伏電源的輸出功率減小，從圖4 （a）和圖4 （d）中可以看出此時(shí)整個(gè)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的輸出功率不變，儲(chǔ)能系統(tǒng)由原本的吸收功率變?yōu)檩敵龉β蕘頋M足負(fù)荷的需求。從圖4 （b）和4 （c）中可以看出，在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，微電網(wǎng)的電壓、頻率波動(dòng)量均處于合理范圍內(nèi)，微電網(wǎng)整體處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

4.總結(jié)

本文主要介紹了一種基于LCL濾波的儲(chǔ)能逆變器控制算法，避免了光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)切換過程中產(chǎn)生的電壓、電流沖擊，實(shí)現(xiàn)了光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行模式的無縫切換。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：張潤（1984-），男，工程師，主要從事配電網(wǎng)運(yùn)維管理方面的工作。