基于分層控制的微網無縫切換研究*

高廷峰，汪海寧，施永

（合肥工業大學教育部光伏系統工程研究中心，合肥230000）

0 引 言

隨著用電負荷不斷增長、化石燃料的衰竭，清潔能源的利用得到了高度重視；微網作為一種利用清潔能源的有效方式，受到各國廣泛關注。微網系統主要特點是既可以與大電網并網運行也可以脫離大電網孤島運行，而微電網系統在孤島與并網兩種運行模式之間的無縫切換是微電網巫需解決的重要問題［1］。

對等控制、主從控制、分層控制是微網的三種主要控制策略［2-4］。其中，對等控制一般采用Droop模式，并由輸出電壓與頻率的調整來實現功率的分配，控制效果不理想，所以當前微網主要采用主從與分層控制。主從控制中，并網時逆變器采用P/Q模式，處于電流源工作模式；孤島時，作為主逆變器的儲能逆變器需采用V/f模式來提供系統的基準電壓和頻率。在分層結構中，最上層為配電網管理系統，主要包括兩部分配電網管理器和市場管理器，用來對微電網中逆變單元的輸出功率進行優化分配，使微電網的整體運行達到最優狀態；中間層為微網中央控制器，為微電網和大電網提供接口，協調控制底層微源與負荷；底層為微源控制器MC和本地負荷控制器LC，接收并執行來自中間層的指令，一般情況下可調度微源需要為系統建立支撐系統的電壓參考和頻率參考，不可調度微源采用MPPT模式，使此微源處于高效率的工作狀態，以達到能源的最優化利用。文獻［5］微網雙模式工作狀態下采用電壓/電流加權控制實現系統無縫切換，但在狀態轉換時需對加權因子進行同步設置。文獻［6］中微網系統兩種工作模式的切換是通過儲能逆變器實現的，但儲能逆變器所采用的控制策略對帶寬要求較高。文獻［7］提出了一種控制器間狀態跟蹤的無縫切換策略，針對切換過程中暫態影響跟隨參數變化的規律進行研究。文獻［8］提出了一種能夠抑制沖擊電流的平滑切換控制策略，但在切換過程中會出現母線電壓的振蕩，可能會觸發孤島保護動作，不利于系統的安全穩定運行。

上述文獻主要針對主從控制結構微網的無縫切換問題進行研究，而分層控制結構微網的無縫切換有待進一步研究。本文主要針對分層控制結構微網的并離網平滑切換問題進行研究。首先對微網并網儲能逆變器的控制策略進行介紹，然后對系統切換過程中出現的沖擊現象進行分析，提出一種適應于分層控制結構的改進控制器，以使系統暫態過程得到改善；最后，在微網實驗平臺上對本文所提出的控制器進行了實驗驗證，從而證明了該改進型控制器的有效性與可靠性。

1 微網結構及控制方法

圖1所示為微網系統結構圖，主要包括微源、本地負荷以及并網斷路器，其中微源包括光伏、風機、儲能（蓄電池，超容等），本地負荷可分為重要負荷和非重要負荷。當系統滿足并網條件時微網系統通過并網斷路器與大電網相連實現并網運行，此時微網的主要目標是降低微網內微源與負荷波動對大電網的影響，使微網等效成一個友好、可控的負荷接入大電網；當大電網發生故障或計劃檢修時，系統斷開并網斷路器，微網進入孤島運行模式，系統需建立穩定的電壓和頻率。

微網逆變器主電路如圖2所示，其中L為濾波電感，Cf為濾波電容，Z為本地負載，Ls為并網電感，Udc為直流母線電壓，ua，ub，uc為微網逆變器輸出三相電壓，Ia，Ib，Ic為濾波電感三相電流，ia，ib，ic為并網電感三相電流，ea，eb，ec為微網交流母線電壓。

圖1 微網系統結構圖Fig.1 System structure diagram of micro-grid

圖2 微網逆變器主電路結構圖Fig.2 Main circuit structure diagram of micro-grids inverter

1.1 孤島下垂控制器

微網孤島運行時要求系統建立穩定的電壓和頻率，本文采用下垂控制建立一個穩定的電壓和頻率。孤島時逆變器運行模型可簡化成：逆變器作為一個電壓源U∠δ，通過阻抗記為R+j X的線路，與電壓為E∠0的微網交流母線相連接。逆變器輸出的有功P和無功功率 Q分別為［9-11］：

聯立上式可得：

在低壓網絡中，導線通常呈現為電阻特性，但考慮到逆變器等效阻抗系統中X?R，R較小可忽略不計，功角 δ也較小，則 sinδ=δ，cosδ=1，上式可化簡為：

微網交流母線電壓E可由電壓互感器實時檢測，并利用下垂控制器控制三相全橋輸出電壓U。因此，由式（5）、式（6）可知，逆變器有功功率 P正比于相角差δ，為了實現逆變器對有功功率P的控制，需使相位差δ=δu-δe發生變化，所采用措施為調節微網逆變器的輸出電壓U的相角δu。同理，逆變器無功功率Q正比于幅值差ΔU=U-E，為實現逆變器對無功功率Q的控制，需使電壓幅值差發生變化，所采取措施為調節微網逆變器輸出電壓的幅值U。由此得下垂控制方程為：

式（5）～式（8）是逆變器同時實現電壓源輸出特性和多臺并聯同步運行的理論基礎，孤島Droop控制器如圖3所示。

圖3 Droop控制器Fig.3 Controller of Droop

1.2 并網PQ控制器

為了使逆變器輸出給定功率，系統需采用恒功率控制模式，即當PCC點頻率和電壓在允許范圍內變化時，逆變器輸出功率恒定，處于電流源工作模式。并網運行時，電壓幅值、頻率、相位受大電網鉗制。逆變器與大電網交互的有功功率和無功功率瞬時值可以表示為［12］：

為實現功率和電流的解藕，降低系統復雜度，在Park變換中選取旋轉坐標系d軸參考方向與逆變器電壓矢量方向相同，則可對功率表達式進行簡化：有功功率P只與電流d軸分量id有關，無功功率Q只與電流分量q軸iq有關。從而可以得到電流參考值為：

式（11）、式（12）是并網運行模式下系統保持功率平衡的關鍵，輸出分量實時跟隨idref、iqref，實現等參考功率輸出。并網PQ控制器如圖4所示。

圖4 PQ控制器Fig.4 Controller of PQ

對比孤島Droop控制器和并網PQ控制器可以發現，要研究微網系統在兩種模式間的平滑切換，需控制兩種控制器在切換瞬間實現平緩變換，才能保證系統不出現較大沖擊。據此，提出一種改進控制器。

2 微網無縫切換控制器的改進

微網系統運行時主要有以下幾種模式：

（1）孤島運行模式：系統采用 Droop控制方法，建立系統穩定的電壓與頻率，各分布式單元按自身容量比例分配負荷；

（2）并網運行模式：系統由并網斷路器連接到大電網，系統采用PQ控制微電網輸出給定的功率，輸出電壓跟隨大電網；

（3）從孤島模式到聯網模式的切換：為避免在并網時刻因相位突變而產生瞬間沖擊，采用預同步控制，在檢測到微電網與主網相位差、幅值差在允許誤差范圍內時吸合并網斷路器，切換為并網運行；

（4）從聯網模式到孤島模式的切換：為了滿足更高的電能質量的要求，微網有時需斷開并網斷路器轉換為孤島運行模式。為抑制在模式切換過程中可能出現的的沖擊，采用本文控制策略確保控制器前后兩種狀態相匹配。

離網切并網：此過程需要系統將孤島模式下的電壓參數在并網成功之前調節至與大電網電壓的參數基本相同，即在一定的安全誤差范圍之內，否則在切換瞬間會有較大的電流沖擊，影響設備的安全與負荷的用電質量。首先通過對電網側和微網側兩個端口的電壓進行采樣和鎖相，計算出兩個端口的電壓幅值差和相位差，將其作為預同步控制的反饋信號，然后計算出預同步控制需要調節的微網系統幅值量和需要調節的系統頻率量，進而對系統進行具體調節，從而實現微電網系統離/并網的切換。預同步目的是控制系統PCC處電壓各項參數跟隨電網電壓的各項參數。

并網切離網：在微網并網運行前，由式（5）與式（6）可知，當系統與大電網存在Δδ和ΔU時，系統會產生沖擊電流Irush，其大小為：

且微網與大電網間的阻抗X很小，由此可見Δδ和ΔU過大會引起Irush過大，影響設備的正常運行，這就需要對微網側和電網側電壓幅值、頻率和相位進行預同步控制。在經過預同步控制之后電壓參數基本跟隨大電網，在并網瞬間，前后兩種狀態相匹配系統不會出現較大的沖擊，系統實現了由孤島向并網的平滑切換。

當電網發生故障或大電網計劃檢修時，微網系統運行模式發生變換。在并網模式下，系統電壓與頻率受電網鉗制，逆變器等效為恒流源，此時分析電路可得逆變器輸出電流為：

式中I0、φ0和I、φ分別對應切換前后逆變器輸出電流和電壓；Pload、Pgrid分別為負荷功率、電網輸出功率。切換到孤島時逆變器電壓U=RI cosφ，結合式（16）可將逆變器電壓變換為：

由式（17）可得知如果在切換瞬間電網Pgrid≠0，就會導致系統有功功率失衡，逆變器電壓；U≠U0，即1-Pgrid/Pload≠1，電壓U發生變化。為解決由功率不平衡引起的電壓變化，采用在模式轉換前，使逆變器輸出有功等于負荷有功，即電網輸出有功Pgrid=0，則U=U0時，系統不會出現電壓的變化，從而提高了系統運行穩定性。

由于PQ控制器中PI調節器的原因，導致切換過程中兩種控制器前后的狀態不匹配，這樣會造成輸入發生突變，從而產生較大的暫態振蕩，出現較大沖擊影響系統的穩定運行。針對這個問題，對整體控制器結構進行了改進［13］，如圖5所示。

圖5 改進的控制器Fig.5 Modification of controller

模式切換前，微網處于并網模式，閉合開關S1、S3，斷開剩余開關，即圖5中線路①導通。此階段并網PQ控制器的輸出作為孤島Droop控制器的給定，使孤島Droop控制器在并網模式下實時跟隨并網PQ控制器的輸出，確保控制器前后兩個狀態相匹配；模式切換后，微網處于離網模式，閉合開關S2、S4，斷開剩余開關，即圖5中線路②導通。此階段孤島Droop控制器工作，在此之前孤島Droop控制器始終跟隨PQ控制器輸出，實現了切換瞬間控制器輸出的平緩變換，使得切換暫態影響得以削弱，保證了微網系統運行模式的平滑切換。

3 實驗結果

為驗證理論分析的正確性，在微網平臺上進行試驗驗證。逆變器主電路采用全橋拓撲，具體參數表1所示。

表1 系統參數Tab.1 System parameters

試驗1：微網系統運行在孤島模式下，在電網條件允許情況時微網由孤島模式向并網模式切換，實驗波形如圖6所示。圖7所示為微網與大電網在預同步過程，（即由孤島狀態向并網狀態的切換）中的相位差和幅值差，在一定時間后微網電壓波形與電網電壓波形完全重合預同步控制完成。可看出系統響應較快，微網交流母線電壓實現了與電網電壓的準確同步，切換過程沒有沖擊，系統實現了離并網模式間的的平滑切換。并網成功后逆變器輸出給定功率，工作在電流源型模式，聯同大電網對負載進行供電。

試驗2：為了滿足更高的電能質量的要求或電網故障，微網須脫網獨立運行，此處人為斷開并網斷路器造成大電網故障現象，迫使系統由并網向孤島模式切換，系統切換實驗波形見圖8。由圖8可知并網點電壓參數在并網斷路器斷開后能夠快速調節至孤島給定值，建立孤島條件下穩定電壓和頻率，電壓、電流變化平緩未出現大的跳變說明改進控制器轉換前后的兩種狀態是相匹配，轉換過程平滑，改進控制器起到平滑切換作用，脫網后按照各設備容量比例分配負荷。

實驗所得結果中所示稀疏曲線是圖形上方密集曲線光標區的放大。

圖6 微網離/并網切換Fig.6 Micro-grid transferred to grid-connected

圖7 預同步過程中相位差/幅值差Fig.7 Phase/amplitude difference of pre-synchronization

圖8 微網并/離網切換Fig.8 Micro-grid transferred to islanded mode

4 結束語

本文通過對基于分層控制的微網無縫切換進行分析，原有控制策略能較好的解決在各自穩態條件下的穩定運行問題，但在兩種模式切換時存在暫態振蕩問題，系統產生較大沖擊，影響系統穩定運行。

在微網孤島切并網時，系統在經過預同步控制之后電壓跟隨大電網，在并網瞬間不會出現較大的沖擊，系統實現了由孤島向并網的平滑切換；微網并網切孤島時，兩個控制器前后狀態不匹配。針對模式切換時可能出現的問題本文對控制器進行改進：并網切離網時，孤島Droop控制器的輸入與并網PQ控制器的輸出相等，切換瞬間兩控制器前后的狀態相匹配，不產生較大沖擊。在此基礎上建立了微電網實驗驗證平臺，實驗結果驗證了文中提出的改進控制器策略的正確性、有效性。