基于換流器歸一化模型的微電網無縫切換控制策略

李光輝，何國慶，郝木凱，孫艷霞

(中國電力科學研究院，北京市100192)

0 引 言

微電網是由分布式電源、儲能單元、負荷以及控制保護裝置組成的集合，是一個能夠自我控制、保護和管理的自治系統［1］。微電網通過聯網和孤島2 種運行模式，為負荷提供高可靠性和高質量的電能，因此得到越來越多的重視和研究［2-6］。無縫切換是微電網運行特性的重要指標之一［7-12］，國內外實現微電網聯網與孤島雙模式切換的技術分以下3 種:(1)以柴油發電機或燃氣輪機等常規電源作為組網單元，該模式對化石燃料資源的依賴程度大，容易造成環境污染，且孤島運行時風電和光伏等間歇性新能源所占的比例不能太大;(2)以單相小功率儲能單元作為組網單元，通過3個單相換流器協調配合實現微電網的雙模式切換，該模式中3個換流器的聯網/孤島雙模式切換過程中的同步配合成為系統切換的一個制約因素;(3)依靠運行模式控制器和儲能組網單元實現，該模式中通信技術存在一定的時間延時，模式切換過程中往往需要微電網短時啟停。

本文研究的微電網以儲能單元作為系統的組網單元，采用主從控制模式實現微電網聯網/孤島之間切換控制。研究儲能雙模式換流器組網單元的P/Q與V/f 模式歸一化控制模型，同時利用儲能雙模式換流器就地控制微電網與大電網的聯絡開關實現微電網的聯網/孤島雙模式無縫切換。

1 微電網聯網/孤島切換控制原理

本文研究的微電網由光伏并網發電單元、風力并網發電單元、儲能單元以及系統負荷組成，結構如圖1 所示，該系統由聯網運行和孤島運行2 種模式，由儲能單電源作為組網單元實現主從控制，在系統孤島運行模式時建立系統的電壓和頻率參考值。

圖1 微電網結構Fig.1 Microgrid structure

在大電網正常情況下，微電網與大電網聯網運行，光伏發電單元、風力發電單元、儲能單元均并網運行于P/Q 模式，能量管理系統控制目標為實現PCC點的功率、功率變化率以及功率因數滿足規定的要求。當儲能換流器檢測到大電網故障或電能質量不滿足要求時，儲能換流器從P/Q 模式切換到V/f 模式，同時控制PCC 點開關斷開，實現微電網由聯網模式切換到孤島模式運行。當儲能換流器檢測到大電網狀態恢復正常后，微電網同期控制實現微電網與大電網同期調節［1］，在滿足同期條件時，儲能換流器由V/f 模式切換到P/Q 模式，同時控制PCC 點開關閉合，實現微電網由孤島模式切換到聯網模式，控制流程如圖2 所示。

2 儲能換流器P/Q 控制模型

微電網運行于聯網模式時，微電網要求儲能組網單元運行于P/Q 模式，即儲能單元按照能量管理系統下達的有功功率P 和無功功率Q 給定值運行，而儲能換流器輸出電壓幅值和頻率由大電網決定，儲能換流器P/Q 控制模型如圖3 所示。

圖2 聯網/孤島切換控制流程Fig.2 Switching control process between grid-connected and island mode

圖3 P/Q 控制模型Fig.3 P/Q control model

儲能換流器P/Q 控制模型框圖如圖4 所示，其中，功率變換環節G5(s)= k1，電流PI 調節環節G1(s)= (kps + ki)/s，逆變環節G2(s)= kpwm/(Ts+1)，濾波環節G3(s)= s/(Ls2+ C)，反饋環節G4(s)= k2，前饋環節Gn(s)= － (Ts+1)/kpwm。

圖4 P/Q 控制模型框圖Fig.4 Block diagram of P/Q control model

由圖4 可知電流內環開環傳遞函數如式(1)所示:

根據各環節傳遞函數，可得式(2):

電流內環的閉環傳遞函數如式(3)所示:

整理得:

3 儲能換流器V/f 控制模型

微電網運行于孤島模式時，微電網要求儲能組網單元運行于V/f 模式，即儲能單元按照能量管理系統下達的電壓幅值V 和電壓頻率f 給定值運行，而儲能換流器輸出有功功率和無功功率由孤島系統負荷決定，儲能換流器V/f 控制模型如圖5 所示。

圖5 V/f 控制模型Fig.5 V/f control model

儲能換流器V/f 控制模型框圖如圖6 所示，其中，坐標變換環節G9(s)= k1;電壓外環PI 調節環節G8(s)= (kups + kui)/s;電壓反饋環節G7(s)= k2。

圖6 V/f 控制模型框圖Fig.6 Block diagram of V/f control model

由圖6 可知V/f 控制模式開環傳遞函數如式(5)所示:

整理得:

V/f 控制模型閉環傳遞函數如式(7)所示:

整理得:

4 儲能換流器歸一化控制模型

由儲能換流器V/f 控制模型與P/Q 控制模型對應的內環控制框圖完全相同，均采用電流內環控制。而儲能換流器V/f 控制模型與P/Q 控制模型外環分別采取了電壓控制環和功率控制環，換流器模式切換通過外環切換實現。本文建立的儲能雙模式換流器歸一化控制模型如圖7 所示。由圖7 可知，儲能換流器雙模式切換體現為電流內環給定值的切換來實現的，因此通過該控制結構實現逆變器在模式切換過程中系統的連續性，避免模式切換對逆變器造成的功率沖擊。

根據不同的電網狀態，采用不同的外環控制，而內環始終為共同的電流內環。通過電流內環結構，避免模式切換過程中調制信號的突變，實現雙模式的平滑切換，儲能雙模式換流器歸一化控制模型原理框圖如圖8 所示。

圖7 歸一化控制模型Fig.7 Normallzed control model

圖8 儲能歸一化控制模型框圖Fig.8 Block diagram of normallzed control model

圖9為控制模型的波特圖，圖10 為控制模型的根軌跡分布圖，由圖9～10 可見控制模型具有較強的抗擾動型，滿足微電網組網單元的特性要求。

圖9 歸一化控制波特圖Fig.9 Bode diagram of normallzed control model

5 仿真分析與實驗驗證

5.1 仿真分析

圖10 歸一化控制零極點分布圖Fig.10 Zero and pole distribution of normallzed control model

本文首先在RT_Lab 實時仿真平臺上搭建了微電網仿真模型，該模型中各單元容量如表1 所示。系統電壓基準 UB=380 V，容量基準值SB=50 kVA。在t=25 s 時，大電網故障，微電網由聯網狀態切換到孤島狀態，仿真結果如圖11 所示。在t =28s 時，大電網恢復正常;28 ～30 s 微電網進行同期調節過程;在t=30 s 時，閉合PCC 點并網開關，完成微電網孤島轉聯網切換，仿真結果如圖12 所示。

表1 仿真模型各單元額定參數Tab.1 Each unit rated parameters of simulation model

由圖11(a)可知，微電網由聯網模式切換到并網模式過程中，交流母線電壓經過短暫的暫態調節后恢復正常，而且切換過程中系統電壓質量滿足國標要求。由圖11(b)可知，微電網由聯網模式切換到孤島模式后，儲能換流器由P/Q 模式切換到V/f 模式，且通過歸一化控制模型，儲能換流器未產生大幅度電流沖擊。由圖11(c)可知，微電網由聯網切換到孤島模式后，PCC 點開關斷開，電流為零。由圖11(d)可知，光伏發電系統在微電網孤島模式時諧波電流要低于微電網聯網模式，說明微電網交流母線電壓的背景諧波在微電網孤島模式時較低。由圖11(e)可知，微電網由聯網模式切換到孤島模式過程中，對光伏發電系統并網功率產生微弱的功率沖擊，可控制在系統允許范圍內。

圖11 聯網切換到孤島仿真波形Fig.11 Simulation waveform of switching grid-connected mode to island mode

圖12 孤島切換到聯網仿真波形Fig.12 Simulation waveform of switching island mode to grid-connected mode

由圖12(a)可知，微電網由孤島模式切換到并網模式過程中，需要經過微電網與大電網的同期調節過程實現，當兩交流電壓滿足同期條件后，完成微電網聯網運行。由圖12(b)可知，微電網的同期過程中，PCC 點開關兩側的電壓相角逐漸減小。由圖12(c)可知，電網由孤島模式切換到聯網模式后，儲能換流器由V/f 模式切換到P/Q 模式，且通過歸一化控制模型，儲能換流器未產生大幅度電流沖擊。由圖12(d)可知，微電網由孤島切換到聯網模式后，PCC 點開關閉合，微電網與大電網實現功率交換。由圖12(e)可知，微電網由孤島模式切換到聯網模式后，光伏并網電流的諧波有所增大，進一步證明了微電網孤島模式電壓的電能質量較高。由圖12(f)可知，微電網在同期并網過程中，光伏發電系統的并網功率一直運行在控制范圍內，受沖擊影響較小。

5.2 實驗驗證

為進一步驗證儲能雙模式換流器歸一化控制模型的有效性，在國家能源大型風電并網系統研發(實驗)中心搭建了微電網實驗平臺［1］，開展微電網的聯網/孤島無縫切換實驗，其波形如圖13 所示。

圖13 聯網/孤島雙模式切換實驗波形Fig.13 Experimental waveform of switching between grid-connected and island mode

由圖13 可知，基于儲能雙模式換流器的歸一化控制模型，微電網能夠靈活實現聯網/孤島雙模式間的無縫切換，與文中仿真結論相符，有效驗證了本文提出控制策略的有效性和正確性。

6 結 論

本文基于儲能雙模式換流器歸一化控制模型，提出了以儲能為組網單元的微電網聯網/孤島雙模式無縫切換控制策略，利用RT_Lab 實時仿真平臺完成微電網建模仿真，仿真結果驗證控制策略正確性，最后依托微電網實現平臺，對控制策略開展實證性測試研究，實驗結果驗證了控制策略的有效性。

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